故障模式下水闸安全评价分析

李殷裕

潮州市湘桥区官塘桥闸管理所 广东 潮汕 521000

引言

中华人民共和国水利部于2008年印发了《水闸安全鉴定管理办法》，其中将水闸的安全等级划分为4类，分别为一类闸、二类闸、三类闸、四类闸，但这4种安全等级缺乏精确化的区分标准。例如，对二类闸的描述为工程存在一定损坏，经大修后，可正常运行。这种文字性的界定方式制约了实践指导作用，基于故障模式开展水闸安全评价，有利于形成较为清晰的安全等级划分标准，从而更好地规范水闸安全管理工作。

1 水闸安全评价方法选型

FMECA法主要用于分析失效模式及其影响，然后在这一基础上评价失效模式的危害程度，该评价方法能实现量化评价，形成失效率、可靠度、平均故障间隔时间等特征值，但在大部分应用中将其作为一种定性评价的手段。FMECA法在系统故障模式分析中发挥着重要的作用，但也表现出缺陷，主要问题为逻辑性不强，难以分析系统中各类元素之间的关系。鉴于此，这种安全评价方法通常和故障树法（FTA）配合应用，FTA强于关系梳理和逻辑分析，弥补了FMECA法的缺陷[1]。因此，故障模式下水闸安全评价采用FMECA和FTA两种分析方法。

2 故障模式下水闸的安全评价过程

2.1 系统界定

水闸中存在多个子系统，其功能差异较大，在故障模式分析和安全评价中不可一概而论。FMECA中的系统界定环节重在根据水闸的结构和功能特点，合理地划分出子系统，为后续的故障模式分析奠定基础。水闸的子系统可分为两个级别，一级子系统从功能出发，二级子系统由实现一级子系统的主要设备设施构成，具体情况如下。①防洪子系统。防洪是水闸的主要功能之一，其防洪子系统的二级构件为闸墩和岸堤。防洪子系统决定了水闸的蓄水能力和洪水通过能力等，根据其功能，在安全评价中主要分析顶部高程以及可承受的洪水等级；②抗渗子系统。水闸渗流主要发生在两个部位，其一为闸基，其二为侧向防渗结构。因而抗渗子系统的二级构件包括水平铺盖、防渗齿墙以及底板；③受力子系统。水闸中多个构件承受着较大的力学载荷，这些受力构件统一归结为受力子系统，如启闭闸门的工作桥、承载上层结构的闸墩；④启闭子系统。水闸上设有闸门，在启闭机的作用下开启或者关闭；⑤辅助子系统。水闸配套的电力、机械传动、远程控制等二级设备与构件共同构成其辅助子系统[2]。

2.2 故障模式界定

故障模式主要从二级构件的功能实现进行判断，可分为显性和隐性两大类，显性故障已经对水闸系统的运行产生了影响，隐性故障暂时未产生负面影响，但长期发展后，通常会转变为显性故障。

2.2.1 防洪子系统的故障模式。第一，显性故障。①闸墩和岸堤的高程受到结构沉降的影响而降低，导致蓄洪能力不足；②孔口断面形式发生变化，造成过流能力下降。第二，隐性故障。①闸墩小幅度沉降，对整体蓄洪能力影响较小；②岸堤变形、开裂，但暂时未出现渗漏。

2.2.2 抗渗子系统的故障模式。第一，显性故障。①渗径不足可能会引起溃坝，水闸抗渗子系统中可能会出现伸缩缝、底板或者水平铺盖开裂，这些问题均可引发渗径不足；②翼墙结构性损坏可导致侧向抗渗结构渗漏。第二，隐性故障。各类二级抗渗结构出现变形、破损或者开裂，但未出现渗漏水问题。

2.2.3 受力子系统的故障模式。第一，显性故障。①水闸钢筋混凝土结构受各种因素影响，出现结构应力下降；②翼墙结构破坏，稳定性下降；③闸室结构性破坏，难以达到抗震设计标准，闸室破坏通常由侧墙、底板等结构组成部分引起；④消能设施淤积，消能效果下降，危及临近建筑结构。第二，隐性故障。①受力子系统对应的二级结构出现各类损坏，如开裂、碳化、露筋等，但暂时不影响基本功能；②消能设施虽存在淤积，但消能防冲作用基本不受影响，其保护效果维持正常水平[3]。

2.2.4 启闭子系统的故障模式。第一，显性故障。①启闭机故障，无法正常运转；②闸门故障，如因生锈卡滞而无法开启，影响挡水、泄洪能力。第二，隐性故障。①闸门生锈，但不干扰启闭；②启闭机存在较小的故障，但短期内仍可运行；③启闭机对应的钢丝绳受损，但暂时未影响启闭功能。

2.2.5 辅助子系统的故障模式第一，显性故障。①电源、传动、控制设备故障，导致功能缺失；②水闸远程监控终端失效，无法提供服务。第二，隐性故障。①辅助设备线路接触不良，功能不稳定；②小部分远程监控设备损坏，剩余设备依然正常运行。

2.3 确定安全评价参数

2.3.1 严酷度。严酷度反映出故障模式的危害程度，在FMECA评价系统中将严酷度划分为四种类别。结合水闸各个子系统的特点，将其故障模式的严重程度划分为10个级别。

2.3.2 发生度。发生度用于表征各类故障模式的发生频度，该指标具有统计学特点。以国内50座水闸从1970-1990年的故障数据为依据，分一级子系统、二级设备设施以及故障模式三个维度，统计每一类故障模式在50座水闸中的发生频度。例如，防洪子系统的二级设备设施包括堤防、闸墩等，经统计，50座水闸中堤防高程不足的发生次数为9次，那么该故障模式的发生频度即为9[4]。将故障模式的发生度划分为4种类型，分别记为A（几乎会发生）、B（经常发生）、C（有可能发生）、D（很少发生）。将各类故障模式的发生频度按照数值划分为10个等级，故障模式的发生度类别与发生频度之间的对应关系为D{1,2,3}、C{4,5,6}、B{7,8}、A{9,10,11…}。当故障模式的发生频度≥9时，均记为A类。

2.3.3 检出度。水闸系统故障模式多样，但部分故障模式通过观察即可判断，检出难度较小。还有些故障模式较为隐蔽，需借助仪器和数据计算才能确定，检出难度较大。检出度表征故障模式的检出难度，该指标受到多种因素的影响，如人员素质、检测工具、检测方法、环境因素。将故障模式的检出难度划分为10个等级，取值从1-10。等级1表示目视观察即可判断的故障模式。等级2表示将资料和观察相结合才能判断的故障模式。检测难度逐级增加，等级10表示难以确定的故障模式。将水闸系统的检出度水平划分为4种类别，分别记为a（难检测）、b（可检测）、c（较易检测）、d（容易检测）[5]。检出度水平与检出难度等级之间的关系为a{9,10}、b{7,8}、c{4,5,6}、d{1,2,3}。

2.4 危害性分析

在FMECA中，风险优先数和重程度两个参数共同决定危害性，其中风险优先数RPN是严重度数（S）、不易探测度数（D）以及频度数（O）三者的乘积。结合研究中的分类，将严重度等级、发生频度等级以及检出难易度等级均为7以上的故障模式关联在一起，用于表征易检测、发生频率高、后果严重的故障模式。将以上3种指标在4到6之间的故障模式关联在一起，用于表征3个指标均处于中等程度的故障模式。

2.5 故障树在FMECA安全评价中的应用

在水闸的一级子系统中含有多个二级子系统，例如，受力子系统中涵盖了顶板、底板、翼墙等二级元素，任何一个二级元素出现故障都会影响到一级子系统的安全性，当多个二级元素同时出现故障时，一级子系统故障模式的安全评价将变得更加复杂，FMECA安全评价法不适用于此类场景的故障分析[6]。故障树用于分析各个子系统中同级元素之间的关系，其特点为逻辑严密，常用于解析复杂的安全问题。

2.5.1 故障树建树方法。以下采用简化的水闸故障模式说明故障树的建树方法，假设某水闸检测到7个故障模式。分别为X1——水平铺盖砌石开裂、X2——水闸底板混凝土结构开裂、X3——闸墩碳化、X4——闸墩强度不足、X5——闸门破损开裂、X6——闸门锈蚀卡滞、X7——启闭机运行异常，但暂时无故障。

2.5.2 求故障树的最小割集。最小割集是引起顶事件发生的充分必要条件，最小割集在事故树系统中的含义可从3个方面加以理解。其一，最小割集的数量越多，表明系统的危险性越大。其二，最小割集反映出顶事件发生的原因组合，当某个虽小割集内的事件同时发生时，必然会引起顶事件。其三，最小割集是系统安全风险控制的主要因素，消除最小割集内的任一事件，即可避免顶事件发生。结合图1，将此事件记为E1（水闸不能安全运行），3个二级子事件记为E2（抗渗系统不满足要求）、E3（受力系统不满足要求）、E4（启闭系统不满足要求），2个三级子事件记为E5(闸墩结构安全性不足)、E6（闸门启闭时存在振动）。按照故障树割集的计算方法，最终求得4个割集，分别为{X2}、{X5}、{X3、X4}、{X6、X7}。

图1 水闸系统故障树

3 结束语

水闸发生故障时可能会引发安全事故，造成经济损失和人员伤亡。因此，在故障模式下开展水闸安全评价有利于掌握其危险程度、确定潜在的事故隐患。FMECA安全评价法可用于水闸安全度评级，确认其在故障情况下的风险等级。FTA安全评价法用于确定引发水闸事故的具体原因，可开展事前预测和事后分析，具备良好的事故预防效果。