海洋石油平臺起重機液壓系統故障診斷

陳卓明

（中海油能源發展股份有限公司采油服務分公司，天津 300457）

石油作為不可再生的重要能源，對工業生產和社會生活都發揮了巨大的作用。隨著陸地上石油探明儲量趨于飽和及開采量的持續擴大，海上石油資源已經成為各國競相開發的重要目標。因為遠離陸地，海上石油開采都要建立海上平臺，以確保開采過程的穩定和工作人員的安全。因為海上石油開采的工作需要，許多大型的設備都要運輸或架設在海上平臺上，這就需要用到起重機[1]。為了滿足海洋石油平臺起重機大載荷、大功率的需要，一般都需要配置液壓系統。但是，液壓系統在持續工作過程中會出現不同形式的故障[2]。一旦出現故障就會給起重機的正常工作帶來影響，甚至是干擾到海洋石油平臺的正常開采作業，嚴重時甚至會給平臺上的工作人員造成人身安全隱患。因此，深入分析可能造成海上石油平臺起重機液壓系統的故障原因，建立準確高效的故障診斷模型，對于平臺起重機的正常工作具有十分重要的意義[3]。本文在對液壓系統和液壓元件可能出現的故障原因進行分析后，建立一種基于T-S模型的故障診斷方法，以期更好地維護海上石油平臺起重機的正常作業。

1 海上石油平臺起重機的液壓系統故障

1.1 海上石油平臺起重機的組成和特點

海上石油開采需要依托海洋石油平臺，而起重機是海洋石油平臺上最為重要的機械設備之一。從海上石油平臺建設開始到海上石油平臺的日常運營，起重機都扮演了十分重要的角色。起重機一方面負責重大設備的搬運，另一方面也負責將平臺開采出的石油產品向運輸船只上調運。因為海上工作的特殊性，海上石油平臺上工作的起重機，除了一般的大載荷、大功率要求以外，還要滿足更高的穩定性和可靠性。同時，海上石油平臺上工作的起重機還必須要考慮海風的影響，因此要具有較強的抗風性能。受到這些條件的限制，海上石油平臺起重機械的制造相比于一般起重機械，要執行更加嚴格的標準。例如，一般的起重機械制造出廠時，安全系數達到2.0～3.0即可；而海上石油平臺的起重機械，制造出廠時，安全系數要達到8.0～10.0，為一般起重機械的3～5倍。

液壓系統是海上石油平臺起重機械的動力裝置和控制裝置，比一般起重機械的液壓系統也有著更為復雜的組成和構造。海上石油平臺起重機的液壓系統，包括的重要元件有快換閥門元件、主閥門元件、馬達元件、操作手柄元件、制動器元件、溢流閥元件、主泵元件、補償元件、電磁閥元件、應急泵元件、油箱元件和卷揚器元件等。

海上石油平臺起重機的液壓系統，又可以分為起升子系統和變幅子系統。其中，起升子系統包括變量泵元件、主閥門元件、應急泵元件和馬達元件等。馬達提供的動力經過主泵和減壓閥，以適當的壓力大小控制起升手柄，主閥門可以進一步調控起升壓力的大小，操控起重機的起升動作。當起升動作不滿足預期時，可以通過應急泵進行手動干預。變幅子系統包括變量泵元件、主閥門元件、應急泵元件、變幅油缸元件、平衡閥門元件和先導手柄元件等。先導手柄有4個檔位，其中第2個檔位為停止位、無動作。當先導手柄調整到第3個檔位時，起重機向上變幅；當先導手柄調整到第4個檔位時，起重機向下變幅。

1.2 海上平臺起重機的液壓系統故障

海上石油平臺的起重機械根據工作內容的不同，有很多型號。其中，25 t起重量的起重機械最為常見。因此，這里以25 t起重量的起重機械為例，分析一下其液壓系統可能發生的故障。

25 t起重量的起重機械的液壓系統可能出現的故障有很多，如：起升模塊沒有動作、起升模塊動作無力、起升模塊不能完成下降動作、起升模塊自動下降但不受系統控制、制動模塊制動失靈、液壓系統流量不足、液壓系統沒有流量、執行模塊動作不規律、應急模塊無動作、液壓系統過熱、液壓系統有震動或噪聲和液壓系統壓力實效等。這里，為了便于說明起重機液壓系統的故障，以起升模塊沒有動作、起升模塊動作無力2項作為代表，給出具體的故障原因分析和應對措施，見表1。

表1 起升模塊沒有動作、起升模塊動作無力的故障原因和應對措施

2 海上石油平臺起重機的液壓元件故障

對于海上石油平臺的起重機而言，除了液壓系統整體上出現故障以外，還有可能因個別元件故障導致起重機不能正常工作。這其中，液壓泵元件、液壓缸元件是最有可能出現故障的元件。除了這2個元件以外，還有可能出現的元件級別的故障有活塞桿元件不能動作、活塞桿元件速度不達標、液壓缸元件持續爬行狀態、緩沖元件出現故障、內密封元件出現故障、外密封元件出現故障和油缸元件出現噪聲故障。下面，以液壓泵元件和液壓缸元件的故障原因分析和應對措施為例加以闡述，分別見表2和表3。

表2 液壓泵元件的故障原因分析和合理應對措施

表3 液壓缸元件的故障原因分析和合理應對措施

3 海上石油平臺起重機的T-S模型故障診斷

通過前面的分析可知，海上石油平臺起重機械出現故障的原因，可以分為液壓系統故障和液壓元件故障2大類。但是，這2大類故障的原因十分復雜，類型多種多樣。同時，很多不同的原因導致的故障表象卻一樣或十分相似，這就給故障原因的判斷造成了很大困難。即便能夠最終準確地判斷出故障原因，也會導致維修效率變低。為此，本文提出一種基于T-S模型的故障診斷方法，用于海上石油平臺起重機液壓系統故障的自動診斷。

T-S模型是建立在故障樹診斷方法之上的一種新方法。故障樹診斷對于簡單的故障原因分析是非常有效的，但是對于海上石油平臺起重機液壓系統這種復雜的故障原因分析就顯得力不從心，主要在于傳統故障樹無法對全部故障表象和故障原因之間建立所有可能的聯系，對于其中的多對一、一對多和多對多等復雜關系無法準確刻畫。基于T-S模型的故障診斷流程如圖1所示。

圖1 基于T-S模型的故障診斷流程

從圖1給出的流程可以看出T-S模型的故障診斷流程：首先，構建T-S模糊門故障樹；其次，將各底事件發生概率和故障程度描述為四邊形模糊樹；再次，根據T-S模糊門規則，分別形成已知元件故障的模糊可靠性、已知元件的故障狀態；然后，根據已知元件故障的模糊可靠性和已知元件的故障狀態，求得中間事件和頂事件故障的模糊可靠性；最后，給出分析結果和意見。

上述T-S模型流程的輸出，用數學方式描述為

式中：r表示設定的模糊規則；zi表示第i種故障；u（zi）表示第i種故障的隸屬度函數；βr（z）表示規則r的執行度；Yr表示模糊規則r下的輸出；Y表示整體輸出；m表示子輸出個數；ρ表示隸屬度的個數。

由此，以海上石油平臺起重機起升模塊自動下降的故障為例，進行基于T-S模型的故障原因診斷，首先構建出T-S故障樹，如圖2所示。

圖2 海上石油平臺起重機起升模塊自動下降的故障樹

圖2中，X1代表的故障原因是平衡閥的動作不良；X2代表的故障原因是卷筒制動器磨損過大；X3代表的故障原因是卷筒制動器摩擦片失靈；Y1代表的故障類型是制動器故障；Y2代表的故障類型是起升模塊自動下降；T-S^1、T-S^2代表故障樹的分支節點。

根據經驗，X1代表的故障原因，平衡閥的動作不良真實發生時，體現的模糊概率是12%；X2代表的故障原因，卷筒制動器磨損過大真實發生時，體現的模糊概率是5.6%；X3代表的故障原因，卷筒制動器摩擦片失靈真實發生時，體現的模糊概率是4%。

根據T-S模型故障樹的診斷過程，可以得到制動器故障發生的概率為

按照同樣的方法，可以得到起升模塊自動下降故障發生的概率為P（y2）=0.168。

對比2個概率可以明顯看出，起升模塊自動下降故障發生的概率為0.168，遠遠大于制動器故障發生的概率（0.042 4），因此通過T-S模型故障樹診斷方法，可以判斷出：海上石油平臺起重機此次故障類型為起升模塊自動下降。這完全符合真實情況，從而證實了本文提出的基于T-S模型的故障診斷方法的有效性。

4 結束語

海上石油開采具有十分重要的意義，是核心能源補充的重要渠道。起重機是海上石油平臺的重要機械，維護其安全穩定的運營關系到海上石油平臺的工作效率。本文對海上石油平臺起重機的液壓系統進行了組成結構分析、系統故障分析和元件故障分析。其中，系統故障分析以起升模塊沒有動作、起升模塊動作無力2項為例進行闡述；元件故障以液壓泵元件和液壓缸元件為例進行闡述。在此基礎上，提出了一種基于T-S模型的故障診斷方法，給出了該方法的實現流程和數學模型，并針對起升模塊自動下降這一故障案例進行了實際分析。案例分析結果顯示：在T-S模型下，起升模塊自動下降故障類型發生的概率明顯高于制動器故障的發生概率，并對比給出了準確的判斷。