基于故障树的浮式风机系泊系统失效风险分析

赵传洋, 刘红兵,2, 蒋哲,2, 宿贺贺, 曲先强,2, 李辉

(1.哈尔滨工程大学 烟台研究院,山东 烟台 265505; 2.哈尔滨工程大学 船舶工程学院,黑龙江 哈尔滨 150001; 3.广东海装海上风电研究中心有限公司,广东 湛江 524000)

我国拥有漫长的海岸带,风能资源储备丰富,合理开发利用海上风能可有效改善我国能源供给结构。漂浮式风机由于不受水深限制且便于运输安装等优点,被逐步应用于深水海域风能资源开发[1]。漂浮式风机运行过程中,主要通过系泊系统抵抗复杂的海洋环境作用,进而保证风机整体稳定性。但由于恶劣的服役环境、设备故障、偶然事故和人为操作失误等因素的影响,浮式风机系泊系统不可避免地会发生各种模式的失效,进而对浮式风机的安全运行造成极大威胁[2-3]。针对浮式风机系泊系统结构特征,开展系泊失效风险分析,识别浮式风机系泊系统主要失效模式和失效风险,提出风险防控措施,对于保证浮式风机安全运行极具实际工程意义。

故障树分析方法是一种简单有效的风险评估方法,可以直观地表示出事件之间的逻辑和因果关系,在海上风电领域应用较为广泛。通过故障树可以识别出系统设计的薄弱环节和潜在的危险故障,构建系统的故障逻辑层次结构,并对系统的故障进行诊断和制定维修策略,是一种分析系统可靠性的传统手段,该方法易于理解操作、建模方法成熟、可以客观直面地表达出问题的所在[4-7]。文献[8-10]建立了浮式风机整体结构故障树模型,识别出浮式风机整体结构主要失效模式和失效概率,并进行了系统分级,探讨了浮式风电机组顺序相关故障与冗余故障影响。同时建立了一种模糊故障树分析方法,系统考虑了浮式风机机组设备失效信息不确定性的因素。目前对于浮式风机可靠性方面分析主要集中于风电机组、叶片或整机风险评估,而针对浮式风机系泊系统风险和可靠性评估涉及较少。而对于国内浮式风机而言,目前主要水深集中于50 m左右,整个系泊系统设计难度大,系泊系统可靠性要求高,一旦系泊系统发生失效,极易造成较大的财产损失。

为了准确评估浮式风机系泊系统失效风险,本文建立了一种基于故障树的浮式风机系泊系统失效风险分析模型,有效识别浮式风机系泊系统失效模式、失效原因和失效后果,通过定性和定量风险分析,获得浮式风机系泊系统可靠度指标和平均无故障时间,并提出了不同失效模式防控措施。

1 浮式风机系泊系统

1.1 浮式风机基础形式

经过多年发展,浮式风电平台已形成多种不同类型的基础形式,以适应不同的海况发电需求,其中最为经典的形式包括Semi-Sub式[11-12]、TLP式[13-14]和Spar式[15-16]。

1)Semi-Sub式:基础形式是目前浮式风电平台应用较多的一种形式,通常由多个大型浮箱呈三角形或四边形布置,具有安装简单和水深适应性强等优点,但由于承受环境载荷较大,极易引起较大的运动响应,进而影响风机正常运行。

2)TLP式:平台主体为圆柱结构,自身具有较大的浮力,可为风机系统提供较大的预张力,可适应各种海洋恶劣环境,平台整体运动响应较小,具有良好的稳定性,但TLP式平台会随着水深的增加,建造成本会急剧上升,因此在较深海域风能开发应用具有一定的局限性。

3)Spar式:平台主体同样由一个大型圆柱构成,用于固定锚链和提供浮力,可提供较大的复原力臂及惯性阻力,有效降低平台的摇晃,进而保证漂浮式风机具有良好的稳定性,但由于Spar平台整体结构很大,安装和运输均较为困难。

在实际工程应用过程中,需综合考虑水深、稳定性及经济性等因素影响,选择合适的漂浮式风机基础形式,进而保障海上风能安全稳定开发。

1.2 浮式风机系泊方式

海上浮式风机系泊系统一般由系泊链/缆、导缆孔、起链机和海底基础4部分构成。系泊链/缆主要用于连接风机基础与海床,其上端通过导缆孔与平台基础连接,下端通过锚与海底基础连接;起链机则用于控制整个系泊系统的预张力。

关于浮式风机系泊方式,需要综合考虑水深、系泊张力、链/缆长度和质量、海底地形等因素进行选择。目前主流的系泊方式包括悬链线系泊和张紧式系泊2种。

1)悬链线式系泊:悬链线系泊系统一般采用质量较大的锚链,一部分与海床接触,另一部分悬浮于海洋之中,通过锚链本身的质量和锚链与海床之间的摩擦力提供恢复力,保证风机平台保持稳定状态;

2)张紧式系泊:张紧式系泊系统主要采用质量较轻的聚酯缆实现平台与海床之间的连接,通常聚酯缆会与平台基础呈现一定的倾角或垂直布置。当风机平台由于风浪等作用偏离其平衡位置时,通过聚酯缆弹性伸长变化提供恢复力,保证平台恢复到稳定状态。

不同的浮式风机基础平台类型,通常采用不同的系泊方式,如Semi-Sub式基础主要采用悬链线式或张紧式系泊方式,TLP式基础主要采用张紧式系泊方式,Spar式基础主要采用悬链线式系泊方式,如图1所示,从左至右分别是TLP式基础(张紧式)、Semi-Sub式基础(悬链线式)、Spar式基础(悬链线式)。

图1 浮式风机系泊形式Fig.1 Mooring form of floating offshore wind turbine

2 故障树分析方法

故障树分析方法(fault tree analysis,FTA)是以系统发生故障为分析目标,并以其作为故障树的顶事件,依次向下寻找引发顶事件发生的直接原因,并将这些原因表示为最基础的底事件。该方法可较好地表示事件之间的逻辑和因果关系。故障树中常用事件包括顶事件、中间事件和基本事件,逻辑门主要包含了逻辑“与门”与逻辑“或门”。

2.1 结构函数

假设故障树由n个基本事件x1,x2,…,xn组成。故障树的顶事件为系统发生的故障记为T,底事件为部件发生的故障记为X,假设部件和系统只能取2种状态:工作正常和发生故障,用变量Xi(i=1,2,…,n)表示出基本事件,取值为0或1。当Xi=1时,底事件发生;当Xi=0时,底事件不发生。

假设顶事件的发生状态可由底事件发生状态来决定,可用φ(x)=φ(x1,x2,…,xn)描述顶事件的发生状态,当φ(x)=1时,顶事件发生,当φ(x)=0时,顶事件不发生。φ(x)为系统故障树的结构函数,是表示系统状态的一种布尔运算函数。

故障树的逻辑门事件的结构函数分别为:

1)与门结构系统。

系统工作当且仅当每一个部件都工作。其数学模型为:

(1)

2)或门结构系统。

系统工作当且仅当至少有一个部件工作。其数学模型为:

(2)

其中:

(3)

3)n中取k个工作系统。

系统共有n个部件全部工作且至少有k个部件工作。其数学模型为:

(4)

4)n中取k个失效系统。

系统共有n个部件全部失效且至少有k个部件失效。其数学模型为:

(5)

2.2 最小割集

割集是故障树模型中底事件的集合,当该集合中所有的底事件都发生时,顶事件才会发生。最小割集是指将割集中的任意一个底事件去掉,则该集合就不会成为一个割集,确定最小割集对于顶事件失效控制管理和制定风险评估具有很大的作用。

确定故障树的最小割集一般有下行法和上行法2种方式。下行法是从故障树顶事件开始,自上而下一直到最底层逐层确定每个割集的方法;上行法是从故障树最底层底事件开始,一直到最顶层的顶事件结束,利用“与门”和“或门”的逻辑运算法则,自下而上依次用底事件表示中间事件,得到所有割集,进一步对所有割集进行简化处理,最终得到故障树的最小割集。

通过对最小割集进行定性分析,即可获得引起顶事件发生的各类底事件重要程度,如:1)阶数越小的最小割集越重要;2)在低阶最小割集中出现的底事件比高阶最小割集中的底事件重要;3)在最小割集阶数相同的条件下,在不同最小割集中重复出现的次数越多的底事件越重要。

2.3 顶事件概率

在进行故障树顶事件概率计算时,通常假设故障树底事件只有2种状态,即为故障模式和正常模式,且底事件之间是相互独立存在的。根据容斥定理,设故障树共有n个底事件,k个最小割集Ki(1≤i≤k),则故障树的结构函数为:

T=φ(x)=K1+K2+…+KK

(6)

式中每个最小割集Ki(1≤i≤k)表示相应底事件Xj(1≤j≤n)的积事件。

由于最小割集具有相交性,利用相容事件的概率计算公式即可求得故障树顶事件的发生概率P(T)为:

P(T)=P(K1∪K2∪…∪Kn)=

(-1)k-1P(K1,K2,…Kk)

(7)

2.4 关键重要度

事件重要度是指基本底事件发生后对顶事件产生影响的严重程度,是一种衡量系统中各事件重要度的可靠性评判参数。事件重要度越大,则对顶事件的影响程度就越高,在系统中的地位就越重要。关键重要度为底事件发生失效的概率变化率与顶事件发生失效的概率变化率的比值,系统第i个底事件的关键重要度为:

(8)

式中:qi为第i个底事件的发生概率;Q为顶事件的故障概率。

3 系泊系统失效算例分析

3.1 浮式风机系泊系统故障树模型

以浮式风机系泊系统失效为总体分析目标,以浮式风机系泊系统失效为顶事件,以结构、设备不同失效模式和失效原因为中间和基本事件,通过梳理顶事件、中间事件和底事件之间的逻辑关系,建立图2所示浮式风机悬链线式系泊系统故障树模型。该故障树模型共包含1个顶事件T,23个中间事件M1～M23,63个基本事件X1～X63,各事件基本含义与描述见表1。

表1 故障树模型事件描述Table 1 Description of fault tree events

图2 浮式风机系泊系统故障树模型Fig.2 Fault tree model of floating offshore wind turbine mooring system

3.2 浮式风机系泊系统失效定性风险

定性风险分析主要找出导致顶事件发生的所有底事件组合,进而有效识别浮式风机系泊系统失效模式和失效原因,为系泊系统风险防控提供一定指导。根据浮式风机系泊系统失效故障树模型,采用上行或下行法求解浮式风机系泊系统失效最小割集。浮式风机系泊系统失效故障树的最小割集共有61个,其中二阶割集有2个,一阶割集有59个,表明绝大部分的底事件失效均可能会导致浮式风机系泊系统发生失效。

3.3 浮式风机系泊系统失效定量风险

基于故障树的浮式风机系泊系统定量风险分析是根据故障树底事件发生概率求解顶事件发生概率以及底事件关键重要度等可靠性指标,从而对系泊系统的可靠性、安全性进行风险评估。浮式风机系泊系统失效定量风险分析主要包括:1)根据浮式风机系泊系统故障树每个组成单元的失效概率,求解系泊系统失效顶事件的失效概率;2)求解系泊系统每个单元的关键重要度,并进行排序,识别出系泊系统失效风险防控关键环节。

由于浮式风机系泊系统失效案例较少,故障树基本事件的发生概率数据统计不充分,因而本文采用专家评估法对浮式风机系泊系统失效故障树每个底事件进行概率估算。依据风险接受准则的要求,每一类事故需以f=1×10-4次/a作为能够接受的极限频率。

参照挪威海洋装备可靠性数据库OREDA中关于浮式平台系泊系统设备失效数据统计特征,设计合适的调查问卷,采用专家打分的方法,获得表2所示浮式风机系泊系统失效故障树各底事件的发生概率。

表2 底事件发生概率Table 2 Probability of bottom events

结合建立的浮式风机系泊系统故障树模型特征,拟采用独立事件和的概率方法求解各中间事件的发生概率P(Mi)和顶事件的发生概率PT,表达式为:

(9)

式中P(Xi)代表每一个割集发生的概率。

结合表2各底事件的发生概率,采用式(9)即可获得浮式风机系泊系统失效故障树顶事件和中间事件发生概率,结果见表3。

表3 顶事件和中间事件发生概率Table 3 Probability of top and intermediate events

由表3可知,浮式风机系泊系统失效故障树顶事件发生概率为0.001 249,即浮式风机系泊系统失效概率为P=0.001 249,平均无故障工作时间MTBF=1/P=800.6 h,整个系泊系统可靠度为99.875 1%,满足设计要求。进一步根据式(8)计算各底事件关键重要度,结果见表4。

表4 底事件关键重要度Table 4 Critical importance of bottom events

由表4各底事件关键重要度分析结果可知,浮式风机系泊系统失效主要因素包括由于恶劣环境等导致的张力意外分布、腐蚀、疲劳、磨损等导致的系泊链断裂以及各种辅助设备故障等,因而可重点针对上述故障模式,开展对应的风险管控措施,进而提高浮式风机系泊系统安全性与可靠性。

3.4 浮式风机系泊系统风险防控措施

针对浮式风机系泊系统失效故障树分析结果,识别浮式风机系泊系统薄弱环节,提出对应的风险防控措施:1)提高环境载荷预报准确性,如布设环境载荷或系泊系统安全监测设备,避免恶劣环境引起的极端载荷导致锚链断裂事故的发生;2)优化锚链配重块连接方式,如采用焊接等方式固定配重块,从而避免传统螺栓连接方式引起的配重块脱落事故的发生;3)完善安装程序及增强责任意识。在系泊系统安装之前做好安装计划,加强在安装过程中的管理与监督,要求每一步安装都要做到准确、到位,避免产生安装失误,加强安装人员的责任意识,完善责任机制;4)减少锚链触地点位置处疲劳损伤。由于海底地质的影响,接近海底的锚链端部与海底反复发生碰撞,会使锚链过度磨损,从而加速锚链发生疲劳损伤乃至断裂。可在锚链易损区域安装限制锚链弯曲的连接器,减少与海底的接触,从而减少锚链的疲劳损伤;5)定期对系泊系统各装置进行检测和维修工作,保障系泊系统持久安全的作业。

4 结论

1)利用故障树分析方法定性识别出浮式风机系泊系统主要失效模式是锚链断裂和辅助设备故障。主要影响因素包括恶劣环境、锚链腐蚀、锚链疲劳、锚链磨损和各类辅助设备故障等,开展的风险管控措施,提高了浮式风机系泊系统安全性与可靠性。

2)基于浮式风机系泊系统失效进行故障树定量风险分析,计算故障树顶事件的发生概率即为浮式风机系泊系统的失效概率,获得系泊系统可靠度和平均无故障工作时间,计算结果满足系泊系统设计要求。

本文故障树方法适用于传统的二态可靠性分析上,但实际上还需要考虑其他中间状态,例如修复、测试和安装。未来的工作在于开展带有维修状态和预测方向的研究,可以为更加复杂的系统提高计算精度和效率。