基于故障樹的浮式風機系泊系統失效風險分析

趙傳洋, 劉紅兵,2, 蔣哲,2, 宿賀賀, 曲先強,2, 李輝

(1.哈爾濱工程大學 煙臺研究院,山東 煙臺 265505; 2.哈爾濱工程大學 船舶工程學院,黑龍江 哈爾濱 150001; 3.廣東海裝海上風電研究中心有限公司,廣東 湛江 524000)

我國擁有漫長的海岸帶,風能資源儲備豐富,合理開發利用海上風能可有效改善我國能源供給結構。漂浮式風機由于不受水深限制且便于運輸安裝等優點,被逐步應用于深水海域風能資源開發[1]。漂浮式風機運行過程中,主要通過系泊系統抵抗復雜的海洋環境作用,進而保證風機整體穩定性。但由于惡劣的服役環境、設備故障、偶然事故和人為操作失誤等因素的影響,浮式風機系泊系統不可避免地會發生各種模式的失效,進而對浮式風機的安全運行造成極大威脅[2-3]。針對浮式風機系泊系統結構特征,開展系泊失效風險分析,識別浮式風機系泊系統主要失效模式和失效風險,提出風險防控措施,對于保證浮式風機安全運行極具實際工程意義。

故障樹分析方法是一種簡單有效的風險評估方法,可以直觀地表示出事件之間的邏輯和因果關系,在海上風電領域應用較為廣泛。通過故障樹可以識別出系統設計的薄弱環節和潛在的危險故障,構建系統的故障邏輯層次結構,并對系統的故障進行診斷和制定維修策略,是一種分析系統可靠性的傳統手段,該方法易于理解操作、建模方法成熟、可以客觀直面地表達出問題的所在[4-7]。文獻[8-10]建立了浮式風機整體結構故障樹模型,識別出浮式風機整體結構主要失效模式和失效概率,并進行了系統分級,探討了浮式風電機組順序相關故障與冗余故障影響。同時建立了一種模糊故障樹分析方法,系統考慮了浮式風機機組設備失效信息不確定性的因素。目前對于浮式風機可靠性方面分析主要集中于風電機組、葉片或整機風險評估,而針對浮式風機系泊系統風險和可靠性評估涉及較少。而對于國內浮式風機而言,目前主要水深集中于50 m左右,整個系泊系統設計難度大,系泊系統可靠性要求高,一旦系泊系統發生失效,極易造成較大的財產損失。

為了準確評估浮式風機系泊系統失效風險,本文建立了一種基于故障樹的浮式風機系泊系統失效風險分析模型,有效識別浮式風機系泊系統失效模式、失效原因和失效后果,通過定性和定量風險分析,獲得浮式風機系泊系統可靠度指標和平均無故障時間,并提出了不同失效模式防控措施。

1 浮式風機系泊系統

1.1 浮式風機基礎形式

經過多年發展,浮式風電平臺已形成多種不同類型的基礎形式,以適應不同的海況發電需求,其中最為經典的形式包括Semi-Sub式[11-12]、TLP式[13-14]和Spar式[15-16]。

1)Semi-Sub式:基礎形式是目前浮式風電平臺應用較多的一種形式,通常由多個大型浮箱呈三角形或四邊形布置,具有安裝簡單和水深適應性強等優點,但由于承受環境載荷較大,極易引起較大的運動響應,進而影響風機正常運行。

2)TLP式:平臺主體為圓柱結構,自身具有較大的浮力,可為風機系統提供較大的預張力,可適應各種海洋惡劣環境,平臺整體運動響應較小,具有良好的穩定性,但TLP式平臺會隨著水深的增加,建造成本會急劇上升,因此在較深海域風能開發應用具有一定的局限性。

3)Spar式:平臺主體同樣由一個大型圓柱構成,用于固定錨鏈和提供浮力,可提供較大的復原力臂及慣性阻力,有效降低平臺的搖晃,進而保證漂浮式風機具有良好的穩定性,但由于Spar平臺整體結構很大,安裝和運輸均較為困難。

在實際工程應用過程中,需綜合考慮水深、穩定性及經濟性等因素影響,選擇合適的漂浮式風機基礎形式,進而保障海上風能安全穩定開發。

1.2 浮式風機系泊方式

海上浮式風機系泊系統一般由系泊鏈/纜、導纜孔、起鏈機和海底基礎4部分構成。系泊鏈/纜主要用于連接風機基礎與海床,其上端通過導纜孔與平臺基礎連接,下端通過錨與海底基礎連接;起鏈機則用于控制整個系泊系統的預張力。

關于浮式風機系泊方式,需要綜合考慮水深、系泊張力、鏈/纜長度和質量、海底地形等因素進行選擇。目前主流的系泊方式包括懸鏈線系泊和張緊式系泊2種。

1)懸鏈線式系泊:懸鏈線系泊系統一般采用質量較大的錨鏈,一部分與海床接觸,另一部分懸浮于海洋之中,通過錨鏈本身的質量和錨鏈與海床之間的摩擦力提供恢復力,保證風機平臺保持穩定狀態;

2)張緊式系泊:張緊式系泊系統主要采用質量較輕的聚酯纜實現平臺與海床之間的連接,通常聚酯纜會與平臺基礎呈現一定的傾角或垂直布置。當風機平臺由于風浪等作用偏離其平衡位置時,通過聚酯纜彈性伸長變化提供恢復力,保證平臺恢復到穩定狀態。

不同的浮式風機基礎平臺類型,通常采用不同的系泊方式,如Semi-Sub式基礎主要采用懸鏈線式或張緊式系泊方式,TLP式基礎主要采用張緊式系泊方式,Spar式基礎主要采用懸鏈線式系泊方式,如圖1所示,從左至右分別是TLP式基礎(張緊式)、Semi-Sub式基礎(懸鏈線式)、Spar式基礎(懸鏈線式)。

圖1 浮式風機系泊形式Fig.1 Mooring form of floating offshore wind turbine

2 故障樹分析方法

故障樹分析方法(fault tree analysis,FTA)是以系統發生故障為分析目標,并以其作為故障樹的頂事件,依次向下尋找引發頂事件發生的直接原因,并將這些原因表示為最基礎的底事件。該方法可較好地表示事件之間的邏輯和因果關系。故障樹中常用事件包括頂事件、中間事件和基本事件,邏輯門主要包含了邏輯“與門”與邏輯“或門”。

2.1 結構函數

假設故障樹由n個基本事件x1,x2,…,xn組成。故障樹的頂事件為系統發生的故障記為T,底事件為部件發生的故障記為X,假設部件和系統只能取2種狀態:工作正常和發生故障,用變量Xi(i=1,2,…,n)表示出基本事件,取值為0或1。當Xi=1時,底事件發生;當Xi=0時,底事件不發生。

假設頂事件的發生狀態可由底事件發生狀態來決定,可用φ(x)=φ(x1,x2,…,xn)描述頂事件的發生狀態,當φ(x)=1時,頂事件發生,當φ(x)=0時,頂事件不發生。φ(x)為系統故障樹的結構函數,是表示系統狀態的一種布爾運算函數。

故障樹的邏輯門事件的結構函數分別為:

1)與門結構系統。

系統工作當且僅當每一個部件都工作。其數學模型為:

(1)

2)或門結構系統。

系統工作當且僅當至少有一個部件工作。其數學模型為:

(2)

其中:

(3)

3)n中取k個工作系統。

系統共有n個部件全部工作且至少有k個部件工作。其數學模型為:

(4)

4)n中取k個失效系統。

系統共有n個部件全部失效且至少有k個部件失效。其數學模型為:

(5)

2.2 最小割集

割集是故障樹模型中底事件的集合,當該集合中所有的底事件都發生時,頂事件才會發生。最小割集是指將割集中的任意一個底事件去掉,則該集合就不會成為一個割集,確定最小割集對于頂事件失效控制管理和制定風險評估具有很大的作用。

確定故障樹的最小割集一般有下行法和上行法2種方式。下行法是從故障樹頂事件開始,自上而下一直到最底層逐層確定每個割集的方法;上行法是從故障樹最底層底事件開始,一直到最頂層的頂事件結束,利用“與門”和“或門”的邏輯運算法則,自下而上依次用底事件表示中間事件,得到所有割集,進一步對所有割集進行簡化處理,最終得到故障樹的最小割集。

通過對最小割集進行定性分析,即可獲得引起頂事件發生的各類底事件重要程度,如:1)階數越小的最小割集越重要;2)在低階最小割集中出現的底事件比高階最小割集中的底事件重要;3)在最小割集階數相同的條件下,在不同最小割集中重復出現的次數越多的底事件越重要。

2.3 頂事件概率

在進行故障樹頂事件概率計算時,通常假設故障樹底事件只有2種狀態,即為故障模式和正常模式,且底事件之間是相互獨立存在的。根據容斥定理,設故障樹共有n個底事件,k個最小割集Ki(1≤i≤k),則故障樹的結構函數為:

T=φ(x)=K1+K2+…+KK

(6)

式中每個最小割集Ki(1≤i≤k)表示相應底事件Xj(1≤j≤n)的積事件。

由于最小割集具有相交性,利用相容事件的概率計算公式即可求得故障樹頂事件的發生概率P(T)為:

P(T)=P(K1∪K2∪…∪Kn)=

(-1)k-1P(K1,K2,…Kk)

(7)

2.4 關鍵重要度

事件重要度是指基本底事件發生后對頂事件產生影響的嚴重程度,是一種衡量系統中各事件重要度的可靠性評判參數。事件重要度越大,則對頂事件的影響程度就越高,在系統中的地位就越重要。關鍵重要度為底事件發生失效的概率變化率與頂事件發生失效的概率變化率的比值,系統第i個底事件的關鍵重要度為:

(8)

式中:qi為第i個底事件的發生概率;Q為頂事件的故障概率。

3 系泊系統失效算例分析

3.1 浮式風機系泊系統故障樹模型

以浮式風機系泊系統失效為總體分析目標,以浮式風機系泊系統失效為頂事件,以結構、設備不同失效模式和失效原因為中間和基本事件,通過梳理頂事件、中間事件和底事件之間的邏輯關系,建立圖2所示浮式風機懸鏈線式系泊系統故障樹模型。該故障樹模型共包含1個頂事件T,23個中間事件M1～M23,63個基本事件X1～X63,各事件基本含義與描述見表1。

表1 故障樹模型事件描述Table 1 Description of fault tree events

圖2 浮式風機系泊系統故障樹模型Fig.2 Fault tree model of floating offshore wind turbine mooring system

3.2 浮式風機系泊系統失效定性風險

定性風險分析主要找出導致頂事件發生的所有底事件組合,進而有效識別浮式風機系泊系統失效模式和失效原因,為系泊系統風險防控提供一定指導。根據浮式風機系泊系統失效故障樹模型,采用上行或下行法求解浮式風機系泊系統失效最小割集。浮式風機系泊系統失效故障樹的最小割集共有61個,其中二階割集有2個,一階割集有59個,表明絕大部分的底事件失效均可能會導致浮式風機系泊系統發生失效。

3.3 浮式風機系泊系統失效定量風險

基于故障樹的浮式風機系泊系統定量風險分析是根據故障樹底事件發生概率求解頂事件發生概率以及底事件關鍵重要度等可靠性指標,從而對系泊系統的可靠性、安全性進行風險評估。浮式風機系泊系統失效定量風險分析主要包括:1)根據浮式風機系泊系統故障樹每個組成單元的失效概率,求解系泊系統失效頂事件的失效概率;2)求解系泊系統每個單元的關鍵重要度,并進行排序,識別出系泊系統失效風險防控關鍵環節。

由于浮式風機系泊系統失效案例較少,故障樹基本事件的發生概率數據統計不充分,因而本文采用專家評估法對浮式風機系泊系統失效故障樹每個底事件進行概率估算。依據風險接受準則的要求,每一類事故需以f=1×10-4次/a作為能夠接受的極限頻率。

參照挪威海洋裝備可靠性數據庫OREDA中關于浮式平臺系泊系統設備失效數據統計特征,設計合適的調查問卷,采用專家打分的方法,獲得表2所示浮式風機系泊系統失效故障樹各底事件的發生概率。

表2 底事件發生概率Table 2 Probability of bottom events

結合建立的浮式風機系泊系統故障樹模型特征,擬采用獨立事件和的概率方法求解各中間事件的發生概率P(Mi)和頂事件的發生概率PT,表達式為:

(9)

式中P(Xi)代表每一個割集發生的概率。

結合表2各底事件的發生概率,采用式(9)即可獲得浮式風機系泊系統失效故障樹頂事件和中間事件發生概率,結果見表3。

表3 頂事件和中間事件發生概率Table 3 Probability of top and intermediate events

由表3可知,浮式風機系泊系統失效故障樹頂事件發生概率為0.001 249,即浮式風機系泊系統失效概率為P=0.001 249,平均無故障工作時間MTBF=1/P=800.6 h,整個系泊系統可靠度為99.875 1%,滿足設計要求。進一步根據式(8)計算各底事件關鍵重要度,結果見表4。

表4 底事件關鍵重要度Table 4 Critical importance of bottom events

由表4各底事件關鍵重要度分析結果可知,浮式風機系泊系統失效主要因素包括由于惡劣環境等導致的張力意外分布、腐蝕、疲勞、磨損等導致的系泊鏈斷裂以及各種輔助設備故障等,因而可重點針對上述故障模式,開展對應的風險管控措施,進而提高浮式風機系泊系統安全性與可靠性。

3.4 浮式風機系泊系統風險防控措施

針對浮式風機系泊系統失效故障樹分析結果,識別浮式風機系泊系統薄弱環節,提出對應的風險防控措施:1)提高環境載荷預報準確性,如布設環境載荷或系泊系統安全監測設備,避免惡劣環境引起的極端載荷導致錨鏈斷裂事故的發生;2)優化錨鏈配重塊連接方式,如采用焊接等方式固定配重塊,從而避免傳統螺栓連接方式引起的配重塊脫落事故的發生;3)完善安裝程序及增強責任意識。在系泊系統安裝之前做好安裝計劃,加強在安裝過程中的管理與監督,要求每一步安裝都要做到準確、到位,避免產生安裝失誤,加強安裝人員的責任意識,完善責任機制;4)減少錨鏈觸地點位置處疲勞損傷。由于海底地質的影響,接近海底的錨鏈端部與海底反復發生碰撞,會使錨鏈過度磨損,從而加速錨鏈發生疲勞損傷乃至斷裂。可在錨鏈易損區域安裝限制錨鏈彎曲的連接器,減少與海底的接觸,從而減少錨鏈的疲勞損傷;5)定期對系泊系統各裝置進行檢測和維修工作,保障系泊系統持久安全的作業。

4 結論

1)利用故障樹分析方法定性識別出浮式風機系泊系統主要失效模式是錨鏈斷裂和輔助設備故障。主要影響因素包括惡劣環境、錨鏈腐蝕、錨鏈疲勞、錨鏈磨損和各類輔助設備故障等,開展的風險管控措施,提高了浮式風機系泊系統安全性與可靠性。

2)基于浮式風機系泊系統失效進行故障樹定量風險分析,計算故障樹頂事件的發生概率即為浮式風機系泊系統的失效概率,獲得系泊系統可靠度和平均無故障工作時間,計算結果滿足系泊系統設計要求。

本文故障樹方法適用于傳統的二態可靠性分析上,但實際上還需要考慮其他中間狀態,例如修復、測試和安裝。未來的工作在于開展帶有維修狀態和預測方向的研究,可以為更加復雜的系統提高計算精度和效率。