“勘探三號”錨泊系統(tǒng)安全評估

郝 林，宮業(yè)青

(法利科瑞成(天津)安全技術(shù)有限公司，天津300061)

“勘探三號”錨泊系統(tǒng)安全評估

郝 林，宮業(yè)青

(法利科瑞成(天津)安全技術(shù)有限公司，天津300061)

基于檢修記錄,采用FMECA等安全分析方法分析“勘探三號”半潛式移動(dòng)平臺錨泊系統(tǒng)的安全可靠性,進(jìn)而進(jìn)行以可靠性為中心的維修,依據(jù)共同規(guī)范中提出的有限元計(jì)算方法校核甲板支撐結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度,計(jì)算表明,立柱與甲板加強(qiáng)結(jié)構(gòu)位置出現(xiàn)應(yīng)力集中,需重點(diǎn)關(guān)注。

錨泊系統(tǒng);安全評估;有限元;RCM

我國首艘自主設(shè)計(jì)建造的半潛式鉆井船“勘探三號”從1984年投入運(yùn)營至今已經(jīng)近30年,受當(dāng)時(shí)條件限制、以及長期的惡劣海洋作業(yè)環(huán)境的影響,目前錨泊系統(tǒng)安全現(xiàn)狀不理想［1］。為此,在調(diào)研錨泊系統(tǒng)現(xiàn)狀以及設(shè)施歷次維修記錄基礎(chǔ)上,從設(shè)施已發(fā)生事件的角度出發(fā),采用故障模式、影響及危害性分析(pailure mode effects and criticality analysis,FMECA)等方法,分析系統(tǒng)各類安全可靠性問題,對目前已經(jīng)不能達(dá)到本質(zhì)安全狀態(tài)、以及不能滿足最新國家法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)要求的內(nèi)容進(jìn)行差距分析。明確影響系統(tǒng)功能的主要因素及進(jìn)一步維修改造的難易程度,提出改進(jìn)的措施和建議,包括淘汰、升級、修配等。

1 “勘探三號”錨泊系統(tǒng)概述

錨泊系統(tǒng)由8條錨鏈(單鏈長為1 200 m)組成,2條錨鏈為一組,4組錨鏈分別位于平臺4角處的立柱上,見圖1。錨鏈等級為AB/RQ3S(單節(jié)鏈長300 m、鏈徑76 mm,由KENT環(huán)連接)。

錨機(jī)為三菱公司1978年生產(chǎn)的120 kW、150 t電動(dòng)錨機(jī)。2臺錨機(jī)為一組,共4組布置在平臺4角處,本型號錨機(jī)為5齒錨鏈輪,錨機(jī)配有止鏈器,錨機(jī)剎車系統(tǒng)包括電動(dòng)剎車、氣動(dòng)剎車、手動(dòng)剎車3種方式。

錨機(jī)操控室布置于錨機(jī)之后,在操控室中配有操作面板,可對錨機(jī)進(jìn)行收放操控,并通過液壓承重裝置及鏈長計(jì),讀取錨鏈張力及出鏈長度,以指導(dǎo)收放錨鏈操作。

圖1 錨泊系統(tǒng)布置

2 錨泊系統(tǒng)安全評估

2.1 安全評估流程

錨泊系統(tǒng)的安全評估［2-4］,需綜合考慮各部件使用現(xiàn)狀、失效后果、歷史維修情況以及廠家配件條件等多方面因素,對部件失效情況統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)合有限元計(jì)算,通過FMECA給出系統(tǒng)的安全評價(jià)。最終從保證結(jié)構(gòu)安全可靠、后續(xù)維修工作強(qiáng)度低的角度出發(fā)提出“以可靠性為中心的維修”(reliability centered maintenance,RCM)方案及錨泊系統(tǒng)的改進(jìn)措施。安全評估流程見圖2。

2.2 危險(xiǎn)辨識

錨泊系統(tǒng)常年使用,存在3類主要的可能導(dǎo)致安全事故的危險(xiǎn)因素。

1)操控危險(xiǎn)。錨泊系統(tǒng)在操控過程中,由于人的不安全行為以及設(shè)備的不安全狀態(tài)必將導(dǎo)致危險(xiǎn)事故的發(fā)生,主要的危險(xiǎn)因素包括錨鏈超速危險(xiǎn)、溜錨與跳鏈?zhǔn)鹿?、?yīng)急釋放能力失效。

2)結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)。錨泊系統(tǒng)長年使用,本體已經(jīng)銹蝕嚴(yán)重,可靠性降低。結(jié)構(gòu)本體的失效將導(dǎo)致錨機(jī)系統(tǒng)徹底失效,甚至影響平臺結(jié)構(gòu)的安全。主要危險(xiǎn)因素包括錨機(jī)基座結(jié)構(gòu)失效、甲板結(jié)構(gòu)失效及導(dǎo)鏈輪結(jié)構(gòu)失效。

圖2 安全評估流程

3)錨泊系統(tǒng)裝配。錨機(jī)由各種功能的眾多部件組合在一起,安放于錨機(jī)機(jī)座上。各部件裝配的精準(zhǔn)程度嚴(yán)重影響錨機(jī)的整體使用性能。各船級社對于錨機(jī)的安裝有明確的要求,并要求現(xiàn)場驗(yàn)船師檢驗(yàn)合格后方可使用。裝配主要危險(xiǎn)因素包括基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)裝配不良及傳動(dòng)部件裝配不良。

2.3 歷史狀態(tài)分析

錨機(jī)制造出廠至今已有36年,老化嚴(yán)重,故障較多,已經(jīng)開始影響操作安全及效率。查詢并且綜合2000年至今的機(jī)械和電氣交班記錄,錨機(jī)的自檢自修記錄,平臺現(xiàn)場操作人員對錨機(jī)操作狀態(tài)問題的反饋,采集了平臺就錨機(jī)重點(diǎn)問題的來往傳真,總結(jié)分析錨機(jī)存在的安全隱患問題。

總結(jié)歷年錨機(jī)設(shè)備故障,主要集中于制動(dòng)系統(tǒng)、錨鏈輪、止鏈器、電機(jī)、承重膠囊、齒輪箱、離合器、主軸以及其他部件,自2000年以來各部件發(fā)生故障次數(shù)統(tǒng)計(jì)見圖3。

設(shè)備長年使用,有些故障無法修復(fù),只能維持使用,而這些故障引發(fā)其他故障的頻繁出現(xiàn);有些故障問題通過現(xiàn)場處理可以解決。見圖4。

通過現(xiàn)場調(diào)研,整理錨機(jī)各部件維修所需時(shí)間。錨機(jī)各部件的維修工作量大,顯著增加了平臺工作人員的工作負(fù)荷。見圖5。

2.4 錨泊系統(tǒng)可靠性維修

故障問題、故障發(fā)生頻率以及失效后的嚴(yán)重程度是進(jìn)行可靠性分析的重要參數(shù),下面依據(jù)故障模式、FMECA的方法對錨機(jī)進(jìn)行可靠性分析評估,進(jìn)而進(jìn)行RCM［5-8］。

圖3 2000年以來錨機(jī)故障統(tǒng)計(jì)

圖4 錨機(jī)故障歸類及現(xiàn)場處理

圖5 維修時(shí)間統(tǒng)計(jì)

依據(jù)錨機(jī)部件使用現(xiàn)狀及故障總結(jié),并結(jié)合FMEA分析方法,評價(jià)錨機(jī)部件,見表1。

在FMECA風(fēng)險(xiǎn)矩陣中,制動(dòng)系統(tǒng)、止鏈器及錨鏈輪可靠性最低,屬于不可接受范圍;電機(jī)次之,屬于不受歡迎范圍。其他部件的故障問題屬于可接受范圍。

結(jié)合FMECA分析對電動(dòng)機(jī)、變速箱、制動(dòng)裝置、離合器、導(dǎo)鏈輪、稱重膠囊及止鏈器提出可靠性維修方法。分析發(fā)現(xiàn):①電機(jī)、變速箱及制動(dòng)裝置等部件的失效模式較多,在提到的失效模式中有的在錨機(jī)使用中確實(shí)出現(xiàn)過,但還有很大一部分由于現(xiàn)場操作人員的精心保養(yǎng)維護(hù)還未曾發(fā)生;②雖然許多失效模式未曾發(fā)生,但錨機(jī)老化嚴(yán)重,故障積累嚴(yán)重,許多故障已初露端倪,在今后的使用中很可能發(fā)展成更嚴(yán)重的問題,影響錨機(jī)持續(xù)安全工作;③目前用于平臺的錨機(jī)主要分為電動(dòng)型錨機(jī)以及液壓型錨機(jī),從實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)來看,如“勘探三號”的電動(dòng)型錨機(jī)使用方便,特別是日常維護(hù)保養(yǎng)更加方便。

以制動(dòng)裝置為例,見表2。

表1 錨機(jī)各部件風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)

表2 制動(dòng)裝置故障模式分析

1)原始設(shè)計(jì)要求。原剎車穀直徑1 850 mm,鋼帶厚28 mm,剎車片16 mm,與剎車氣缸等組成了“勘探三號”錨機(jī)的制動(dòng)系統(tǒng)。規(guī)范規(guī)則對制動(dòng)系統(tǒng)有相關(guān)的要求,在錨機(jī)出場時(shí)均滿足:①應(yīng)能承受錨鏈或鋼索斷裂負(fù)荷45%的靜拉力,或能承受錨鏈上的最大靜負(fù)荷;②其受力零件不應(yīng)有永久變形,制動(dòng)裝置不應(yīng)有打滑現(xiàn)象;③滿足制動(dòng)器效用試驗(yàn)。

2)維修及測試策略。針對出現(xiàn)的故障問題,至少在以下幾方面進(jìn)行檢修處理。

①剎車穀車削后與鋼帶配合不好,導(dǎo)致剎車片受力不均,磨損嚴(yán)重。建議入場重新定制剎車穀與鋼帶;②與剎車氣缸相連的鋼帶扣為剎車系統(tǒng)的傳動(dòng)裝置,腐蝕及銹蝕情況嚴(yán)重,建議更換;③建議更換吊頂彈簧。

經(jīng)入廠維修,應(yīng)保證制動(dòng)系統(tǒng)操作可靠,摩擦接觸面正常,同時(shí)滿足:①應(yīng)能承受錨鏈或鋼索斷裂負(fù)荷45%的靜拉力,或能承受錨鏈上的最大靜負(fù)荷;②其受力零件不應(yīng)有永久變形,制動(dòng)裝置不應(yīng)有打滑現(xiàn)象;③滿足制動(dòng)器效用試驗(yàn);④滿足制動(dòng)器支持負(fù)載試驗(yàn)。

2.5 錨泊系統(tǒng)改進(jìn)

依據(jù)CSR規(guī)范相關(guān)要求,校核“勘探三號”甲板支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度［9］。

依據(jù)錨機(jī)廠家技術(shù)文件中提供的載荷值施加載荷,此載荷值是按照錨鏈4 414 kN(450 t)破斷載荷的情況下計(jì)算而得。錨機(jī)前端的載荷值較大,實(shí)際情況為甲板承受與止推塊接觸面積的均布載荷,在實(shí)際計(jì)算中選取止推塊長度(0.5 m)范圍內(nèi)的3個(gè)節(jié)點(diǎn)平均施加集中載荷。錨機(jī)后端載荷值較小,選取止推塊中點(diǎn)施加集中載荷。表3給出了模型施加的載荷值。所取建模范圍不影響應(yīng)力分布,因此在主甲板邊界及模型端部施加剛性固定的邊界條件,圖6為有限元模型。

有限元分析表明,立柱與肘板連接處為應(yīng)力集中區(qū)域,見圖7a);圖7b)給出了甲板的應(yīng)力分布狀況,最大等效應(yīng)力為38.5 MPa,出現(xiàn)在底部肘板對應(yīng)位置;圖7c)給出了甲板下支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布,最大等效應(yīng)力為174 MPa,出現(xiàn)在甲板總析處;圖7d)給出了立柱應(yīng)力分布,最大等效應(yīng)力為208 MPa。

表3 模型載荷值

圖6 有限元模型邊界條件

圖7 等效應(yīng)力應(yīng)力云圖

由于甲板位置應(yīng)力值較立柱與加強(qiáng)結(jié)構(gòu)小很多,余量較大,因此應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注加強(qiáng)結(jié)構(gòu)及立柱,避免結(jié)構(gòu)失效。

3 結(jié)論

1)由于設(shè)計(jì)不當(dāng)使得部分部件日常維護(hù)不便,導(dǎo)致暴露于惡劣海洋環(huán)境中的錨泊系統(tǒng)長期使用的可靠性降低。

2)錨泊系統(tǒng)現(xiàn)狀隱患主要是設(shè)備老化導(dǎo)致。

3)制動(dòng)系統(tǒng)特別是剎車帶的受力不均、電動(dòng)機(jī)受潮老化、錨鏈輪磨損、止鏈器銹蝕是錨機(jī)的主要故障問題。

4)錨機(jī)基座位置甲板加強(qiáng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)應(yīng)力集中,依據(jù)現(xiàn)行規(guī)范需進(jìn)行適當(dāng)加強(qiáng)。

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Safety Assessment of the Mooring System for KantanⅢ

HAO Lin,GONG Ye-qing
(BV-Bosun(Tianjin)Safety Technology Co.,Ltd.,Tianjin 300061,China)

Based on maintenance records,the FMECA and other securitymethods are used to study the safety and reliability of themooring system for Kantan III semi-submersible mobile platform,so as to carry out a reliability-centered maintenance (RCM).Based on the finite elementmethod proposed in CSR,the strength of the deck support structure is analyzed,finding that the connection of pillar with deck structure should be concerned for stress concentration.

mooring system;safety assessment;FEM;RCM

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.03.019

U698

A

1671-7953(2015)03-0078-05

2015-03-10

修回日期:2015-03-16

郝 林(1982-),男,碩士,工程師

研究方向:船舶與海洋結(jié)構(gòu)物風(fēng)險(xiǎn)評估

E-m ail:haolin8210@163.com