基于Fuzzy-FMEA的快速壓排載系統可靠性分析

陳伶翔，林 磊，朱見華

（招商局重工（江蘇）有限公司，江蘇南通 226100）

0 引言

半潛式起重拆解平臺的作業要求較特殊，需要在規定時間內起吊數千噸重物。為了維持穩性，采用與潛艇類似的壓縮空氣快速排載系統來設計，以實現平臺快速排載功能[1-2]。如果發生的故障導致快速壓排載系統失效，輕則導致平臺無法正常作業，重則導致平臺傾覆等重大安全事故。因此，采用模糊數學與故障模式和影響分析（Failure Mode and Effect Analysis, FMEA）相結合的方法對快速壓排載系統進行定性與定量分析，預先進行危險源識別、風險評價以及壓排載系統可靠性分析是非常必要的。

1 快速壓排載系統

“Serooskerke”是招商重工（江蘇）有限公司于2019年建造完成的半潛式起重拆解平臺，作為海上導管架平臺退役拆解的主要作業平臺，集起重和居住等功能于一體。快速壓排載系統是其重要組成部分之一。在半潛平臺的4個立柱內分別有1個立柱壓載艙（CSBT）用于快速壓排載，主浮筒側2個立柱壓載艙（CSBTMP#1/2）的體積分別為2193.8m3、2188.0 m3，輔浮筒側2個立柱壓載艙（CSBTOP#1/2）體積為1570.7m3、1563.6m3。平臺有4臺快速排載用的空壓機，額定排氣量均為8391.6 m3/h，額定排氣壓力均為0.26 MPa，其中2臺位于主浮筒側后方的立柱內，另外2臺位于輔浮筒側后方的立柱內。快速排載系統主要由立柱壓載艙構成，艙室結構見圖1：艙室的上方有4個壓縮空氣進氣閥、2個泄氣閥，這些閥由船舶管理系統（VMS）控制開閉；高壓空氣環形總管連接著4個立柱艙，由空壓機向總管打氣；底部有2個直通舷外的海水閥并且配有2道閥門，一個是手動控制閥，另一個是由船舶管理系統（VMS）控制的自動閥。在平臺起重作業時，空壓機向起重側立柱壓載艙內打入高壓空氣，快速排出壓載艙內海水以維持平臺重心穩定。利用空氣壓縮機打氣在壓載艙內實現超壓，將艙內壓載水快速吹除，其排載速度非?？欤罡呖梢赃_到常規離心泵排載速度的數十倍[3-4]。

圖1 立柱內艙室示意圖

2 Fuzzy FMEA模型

在傳統的FMEA評估中，每個子組件都由3個因素來評估，即嚴重性（S）、發生概率（O）和故障檢測難度（D）。嚴重性（S）為設備故障對環境、經濟以及人身安全所造成的損害程度，發生概率（O）為部件發生故障的概率大小，故障檢測難度（D）為檢測到部件故障的難易程度。模糊FMEA以更靈活的方式結合S、D和O這3個因素完成對系統的定性與定量分析。

基于3個因素對每個子部件進行評價并分別在1～10的標度內賦予定值。每個部件進行相對重要性比較，并根據表1給定標度建立判別矩陣A。

表1 判別矩陣標度及定義

式中：T為權重矩陣的轉置符號。

得到判斷矩陣的最大特征值和對應的特征向量后，需要根據一致性指標CI，隨機一致性指標RI和一致性比CR進行一致性檢驗。當CR＝0時，存在完全一致性；當CR＜0.1時，通過一致性檢驗，并且所得的特征向量是每個子系統的權重集，向量元素則對應子系統部件權重值。若不滿足一致性檢驗，則應重建判別矩陣A。CI和CR由式（4）和式（5）給出：

式中：n為判斷矩陣的階數；從表2中根據矩陣階數獲得RI的值，RI的值也會隨著矩陣階數的改變而發生變化。

傳統FMEA僅通過對部件完成O、S、D這3個因素的賦值，由公式RPN =O·S·D來確定傳統設備風險評估值。3個因素的不同組合會產生完全相同的RPN值，則隱藏風險含義不盡相同，這會使因素的風險評估及可靠性分析產生誤差[6]。

表2 平均隨機一致性指數RI的標準值[5]

基于Fuzzy-FMEA模型系統風險值RPN可由式（6）求得。

WO、WS、WD這3個參量分別為子部件對應O、S、D這3個評價因素的權重值；W(O)、W(S)、W(D)分別為整個系統對應O、S、D這3個評價因素的權重值。

3 可靠性分析

基于半潛式起重拆解平臺的快速壓排載系統分為壓載系統、液位遙測系統、艙底水系統、集成控制與檢測系統（IAS）以及閥門遙控系統，其中壓載系統又劃分為壓載泵、普通壓載、掃艙系統以及重吊壓載系統?？焖賶号泡d系統組成框圖如圖2所示。

建立系統因素集U= ｛O,S,D｝，通過建立判別矩陣得出快速壓排載系統因素集權重。

基于Fuzzy-FMEA模型可得出系統子部件風險評估及可靠性排序，如表3所示。

在傳統FMEA中，IAS系統中通信設備與閥門遙控系統液壓單元具有相同的風險評估值。通過Fuzzy-FMEA模型進行數據計算，通信設備（0.175 1）與液壓單元（0.158 1）風險評估值存在差異，且通信設備的風險評估值大于液壓單元。因此，該模型能夠更加精確地顯示部件風險值，進而更好地引導決策者做出決策。

表3得出：電控啟動系統、普通壓載和掃艙系統、重吊壓載系統和艙底水系統中的系統管路、液位遙測系統和IAS系統中的外部測站及閥門遙控系統的電源設備為各子系統中可靠性最差的部件。

在得出系統部件水平級風險評估值及可靠性的基礎上，通過Fuzzy-FMEA模型計算得出快速壓排載系統的子系統風險評估值及可靠性，如表4所示。

普通壓載和掃艙系統與IAS系統具有相同的風險值，但IAS系統中部件故障可能產生的影響卻遠大于普通壓載和掃艙系統，故IAS系統可靠性劣于普通壓載和掃艙系統。由表4可得：在構成快速壓排系統的7大子系統中，艙底水系統為可靠性最差的系統，而液位遙測系統失效概率為最小。

圖2 快速壓排載系統組成框圖

表3 子部件風險評估及可靠性排序

續表3

表4 子系統風險評估及可靠性排序表

4 結論

基于Fuzzy-FMEA原理，對快速壓排載系統進行可靠性建模，充分考慮系統子部件之間的相互影響，進而完成系統定性與定量分析。

區別于傳統FMEA，將模糊理論與FMEA結合，對子部件進行風險評估和可靠性評價，解決了單因素的片面以及人為主觀意識帶來的差異。在更高水平上引導決策者對系統維護和維修作出相應措施，給快速壓排載系統可靠性評估提供新的途徑。