基于Fuzzy-FMEA的快速壓排載系統(tǒng)可靠性分析

陳伶翔，林 磊，朱見華

（招商局重工（江蘇）有限公司，江蘇南通 226100）

0 引言

半潛式起重拆解平臺(tái)的作業(yè)要求較特殊，需要在規(guī)定時(shí)間內(nèi)起吊數(shù)千噸重物。為了維持穩(wěn)性，采用與潛艇類似的壓縮空氣快速排載系統(tǒng)來設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)平臺(tái)快速排載功能[1-2]。如果發(fā)生的故障導(dǎo)致快速壓排載系統(tǒng)失效，輕則導(dǎo)致平臺(tái)無法正常作業(yè)，重則導(dǎo)致平臺(tái)傾覆等重大安全事故。因此，采用模糊數(shù)學(xué)與故障模式和影響分析（Failure Mode and Effect Analysis, FMEA）相結(jié)合的方法對(duì)快速壓排載系統(tǒng)進(jìn)行定性與定量分析，預(yù)先進(jìn)行危險(xiǎn)源識(shí)別、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)以及壓排載系統(tǒng)可靠性分析是非常必要的。

1 快速壓排載系統(tǒng)

“Serooskerke”是招商重工（江蘇）有限公司于2019年建造完成的半潛式起重拆解平臺(tái)，作為海上導(dǎo)管架平臺(tái)退役拆解的主要作業(yè)平臺(tái)，集起重和居住等功能于一體。快速壓排載系統(tǒng)是其重要組成部分之一。在半潛平臺(tái)的4個(gè)立柱內(nèi)分別有1個(gè)立柱壓載艙（CSBT）用于快速壓排載，主浮筒側(cè)2個(gè)立柱壓載艙（CSBTMP#1/2）的體積分別為2193.8m3、2188.0 m3，輔浮筒側(cè)2個(gè)立柱壓載艙（CSBTOP#1/2）體積為1570.7m3、1563.6m3。平臺(tái)有4臺(tái)快速排載用的空壓機(jī)，額定排氣量均為8391.6 m3/h，額定排氣壓力均為0.26 MPa，其中2臺(tái)位于主浮筒側(cè)后方的立柱內(nèi)，另外2臺(tái)位于輔浮筒側(cè)后方的立柱內(nèi)?？焖倥泡d系統(tǒng)主要由立柱壓載艙構(gòu)成，艙室結(jié)構(gòu)見圖1：艙室的上方有4個(gè)壓縮空氣進(jìn)氣閥、2個(gè)泄氣閥，這些閥由船舶管理系統(tǒng)（VMS）控制開閉；高壓空氣環(huán)形總管連接著4個(gè)立柱艙，由空壓機(jī)向總管打氣；底部有2個(gè)直通舷外的海水閥并且配有2道閥門，一個(gè)是手動(dòng)控制閥，另一個(gè)是由船舶管理系統(tǒng)（VMS）控制的自動(dòng)閥。在平臺(tái)起重作業(yè)時(shí)，空壓機(jī)向起重側(cè)立柱壓載艙內(nèi)打入高壓空氣，快速排出壓載艙內(nèi)海水以維持平臺(tái)重心穩(wěn)定。利用空氣壓縮機(jī)打氣在壓載艙內(nèi)實(shí)現(xiàn)超壓，將艙內(nèi)壓載水快速吹除，其排載速度非?？?，最高可以達(dá)到常規(guī)離心泵排載速度的數(shù)十倍[3-4]。

圖1 立柱內(nèi)艙室示意圖

2 Fuzzy FMEA模型

在傳統(tǒng)的FMEA評(píng)估中，每個(gè)子組件都由3個(gè)因素來評(píng)估，即嚴(yán)重性（S）、發(fā)生概率（O）和故障檢測(cè)難度（D）。嚴(yán)重性（S）為設(shè)備故障對(duì)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)以及人身安全所造成的損害程度，發(fā)生概率（O）為部件發(fā)生故障的概率大小，故障檢測(cè)難度（D）為檢測(cè)到部件故障的難易程度。模糊FMEA以更靈活的方式結(jié)合S、D和O這3個(gè)因素完成對(duì)系統(tǒng)的定性與定量分析。

基于3個(gè)因素對(duì)每個(gè)子部件進(jìn)行評(píng)價(jià)并分別在1～10的標(biāo)度內(nèi)賦予定值。每個(gè)部件進(jìn)行相對(duì)重要性比較，并根據(jù)表1給定標(biāo)度建立判別矩陣A。

表1 判別矩陣標(biāo)度及定義

式中：T為權(quán)重矩陣的轉(zhuǎn)置符號(hào)。

得到判斷矩陣的最大特征值和對(duì)應(yīng)的特征向量后，需要根據(jù)一致性指標(biāo)CI，隨機(jī)一致性指標(biāo)RI和一致性比CR進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。當(dāng)CR＝0時(shí)，存在完全一致性；當(dāng)CR＜0.1時(shí)，通過一致性檢驗(yàn)，并且所得的特征向量是每個(gè)子系統(tǒng)的權(quán)重集，向量元素則對(duì)應(yīng)子系統(tǒng)部件權(quán)重值。若不滿足一致性檢驗(yàn)，則應(yīng)重建判別矩陣A。CI和CR由式（4）和式（5）給出：

式中：n為判斷矩陣的階數(shù)；從表2中根據(jù)矩陣階數(shù)獲得RI的值，RI的值也會(huì)隨著矩陣階數(shù)的改變而發(fā)生變化。

傳統(tǒng)FMEA僅通過對(duì)部件完成O、S、D這3個(gè)因素的賦值，由公式RPN =O·S·D來確定傳統(tǒng)設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估值。3個(gè)因素的不同組合會(huì)產(chǎn)生完全相同的RPN值，則隱藏風(fēng)險(xiǎn)含義不盡相同，這會(huì)使因素的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及可靠性分析產(chǎn)生誤差[6]。

表2 平均隨機(jī)一致性指數(shù)RI的標(biāo)準(zhǔn)值[5]

基于Fuzzy-FMEA模型系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)值RPN可由式（6）求得。

WO、WS、WD這3個(gè)參量分別為子部件對(duì)應(yīng)O、S、D這3個(gè)評(píng)價(jià)因素的權(quán)重值；W(O)、W(S)、W(D)分別為整個(gè)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)O、S、D這3個(gè)評(píng)價(jià)因素的權(quán)重值。

3 可靠性分析

基于半潛式起重拆解平臺(tái)的快速壓排載系統(tǒng)分為壓載系統(tǒng)、液位遙測(cè)系統(tǒng)、艙底水系統(tǒng)、集成控制與檢測(cè)系統(tǒng)（IAS）以及閥門遙控系統(tǒng)，其中壓載系統(tǒng)又劃分為壓載泵、普通壓載、掃艙系統(tǒng)以及重吊壓載系統(tǒng)。快速壓排載系統(tǒng)組成框圖如圖2所示。

建立系統(tǒng)因素集U= ｛O,S,D｝，通過建立判別矩陣得出快速壓排載系統(tǒng)因素集權(quán)重。

基于Fuzzy-FMEA模型可得出系統(tǒng)子部件風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及可靠性排序，如表3所示。

在傳統(tǒng)FMEA中，IAS系統(tǒng)中通信設(shè)備與閥門遙控系統(tǒng)液壓?jiǎn)卧哂邢嗤娘L(fēng)險(xiǎn)評(píng)估值。通過Fuzzy-FMEA模型進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算，通信設(shè)備（0.175 1）與液壓?jiǎn)卧?.158 1）風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估值存在差異，且通信設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估值大于液壓?jiǎn)卧?。因此，該模型能夠更加精確地顯示部件風(fēng)險(xiǎn)值，進(jìn)而更好地引導(dǎo)決策者做出決策。

表3得出：電控啟動(dòng)系統(tǒng)、普通壓載和掃艙系統(tǒng)、重吊壓載系統(tǒng)和艙底水系統(tǒng)中的系統(tǒng)管路、液位遙測(cè)系統(tǒng)和IAS系統(tǒng)中的外部測(cè)站及閥門遙控系統(tǒng)的電源設(shè)備為各子系統(tǒng)中可靠性最差的部件。

在得出系統(tǒng)部件水平級(jí)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估值及可靠性的基礎(chǔ)上，通過Fuzzy-FMEA模型計(jì)算得出快速壓排載系統(tǒng)的子系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估值及可靠性，如表4所示。

普通壓載和掃艙系統(tǒng)與IAS系統(tǒng)具有相同的風(fēng)險(xiǎn)值，但I(xiàn)AS系統(tǒng)中部件故障可能產(chǎn)生的影響卻遠(yuǎn)大于普通壓載和掃艙系統(tǒng)，故IAS系統(tǒng)可靠性劣于普通壓載和掃艙系統(tǒng)。由表4可得：在構(gòu)成快速壓排系統(tǒng)的7大子系統(tǒng)中，艙底水系統(tǒng)為可靠性最差的系統(tǒng)，而液位遙測(cè)系統(tǒng)失效概率為最小。

圖2 快速壓排載系統(tǒng)組成框圖

表3 子部件風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及可靠性排序

續(xù)表3

表4 子系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及可靠性排序表

4 結(jié)論

基于Fuzzy-FMEA原理，對(duì)快速壓排載系統(tǒng)進(jìn)行可靠性建模，充分考慮系統(tǒng)子部件之間的相互影響，進(jìn)而完成系統(tǒng)定性與定量分析。

區(qū)別于傳統(tǒng)FMEA，將模糊理論與FMEA結(jié)合，對(duì)子部件進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和可靠性評(píng)價(jià)，解決了單因素的片面以及人為主觀意識(shí)帶來的差異。在更高水平上引導(dǎo)決策者對(duì)系統(tǒng)維護(hù)和維修作出相應(yīng)措施，給快速壓排載系統(tǒng)可靠性評(píng)估提供新的途徑。