“勘探三號”錨泊系統安全評估

郝 林，宮業青

(法利科瑞成(天津)安全技術有限公司，天津300061)

“勘探三號”錨泊系統安全評估

郝 林，宮業青

(法利科瑞成(天津)安全技術有限公司，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”半潛式移動平臺錨泊系統的安全可靠性,進而進行以可靠性為中心的維修,依據共同規范中提出的有限元計算方法校核甲板支撐結構的強度,計算表明,立柱與甲板加強結構位置出現應力集中,需重點關注。

錨泊系統;安全評估;有限元;RCM

我國首艘自主設計建造的半潛式鉆井船“勘探三號”從1984年投入運營至今已經近30年,受當時條件限制、以及長期的惡劣海洋作業環境的影響,目前錨泊系統安全現狀不理想［1］。為此,在調研錨泊系統現狀以及設施歷次維修記錄基礎上,從設施已發生事件的角度出發,采用故障模式、影響及危害性分析(pailure mode effects and criticality analysis,FMECA)等方法,分析系統各類安全可靠性問題,對目前已經不能達到本質安全狀態、以及不能滿足最新國家法規標準要求的內容進行差距分析。明確影響系統功能的主要因素及進一步維修改造的難易程度,提出改進的措施和建議,包括淘汰、升級、修配等。

1 “勘探三號”錨泊系統概述

錨泊系統由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(單節鏈長300 m、鏈徑76 mm,由KENT環連接)。

錨機為三菱公司1978年生產的120 kW、150 t電動錨機。2臺錨機為一組,共4組布置在平臺4角處,本型號錨機為5齒錨鏈輪,錨機配有止鏈器,錨機剎車系統包括電動剎車、氣動剎車、手動剎車3種方式。

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

圖1 錨泊系統布置

2 錨泊系統安全評估

2.1 安全評估流程

錨泊系統的安全評估［2-4］,需綜合考慮各部件使用現狀、失效后果、歷史維修情況以及廠家配件條件等多方面因素,對部件失效情況統計分析,結合有限元計算,通過FMECA給出系統的安全評價。最終從保證結構安全可靠、后續維修工作強度低的角度出發提出“以可靠性為中心的維修”(reliability centered maintenance,RCM)方案及錨泊系統的改進措施。安全評估流程見圖2。

2.2 危險辨識

錨泊系統常年使用,存在3類主要的可能導致安全事故的危險因素。

1)操控危險。錨泊系統在操控過程中,由于人的不安全行為以及設備的不安全狀態必將導致危險事故的發生,主要的危險因素包括錨鏈超速危險、溜錨與跳鏈事故、應急釋放能力失效。

2)結構危險。錨泊系統長年使用,本體已經銹蝕嚴重,可靠性降低。結構本體的失效將導致錨機系統徹底失效,甚至影響平臺結構的安全。主要危險因素包括錨機基座結構失效、甲板結構失效及導鏈輪結構失效。

圖2 安全評估流程

3)錨泊系統裝配。錨機由各種功能的眾多部件組合在一起,安放于錨機機座上。各部件裝配的精準程度嚴重影響錨機的整體使用性能。各船級社對于錨機的安裝有明確的要求,并要求現場驗船師檢驗合格后方可使用。裝配主要危險因素包括基礎結構裝配不良及傳動部件裝配不良。

2.3 歷史狀態分析

錨機制造出廠至今已有36年,老化嚴重,故障較多,已經開始影響操作安全及效率。查詢并且綜合2000年至今的機械和電氣交班記錄,錨機的自檢自修記錄,平臺現場操作人員對錨機操作狀態問題的反饋,采集了平臺就錨機重點問題的來往傳真,總結分析錨機存在的安全隱患問題。

總結歷年錨機設備故障,主要集中于制動系統、錨鏈輪、止鏈器、電機、承重膠囊、齒輪箱、離合器、主軸以及其他部件,自2000年以來各部件發生故障次數統計見圖3。

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

通過現場調研,整理錨機各部件維修所需時間。錨機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荷。見圖5。

2.4 錨泊系統可靠性維修

故障問題、故障發生頻率以及失效后的嚴重程度是進行可靠性分析的重要參數,下面依據故障模式、FMECA的方法對錨機進行可靠性分析評估,進而進行RCM［5-8］。

圖3 2000年以來錨機故障統計

圖4 錨機故障歸類及現場處理

圖5 維修時間統計

依據錨機部件使用現狀及故障總結,并結合FMEA分析方法,評價錨機部件,見表1。

在FMECA風險矩陣中,制動系統、止鏈器及錨鏈輪可靠性最低,屬于不可接受范圍;電機次之,屬于不受歡迎范圍。其他部件的故障問題屬于可接受范圍。

結合FMECA分析對電動機、變速箱、制動裝置、離合器、導鏈輪、稱重膠囊及止鏈器提出可靠性維修方法。分析發現:①電機、變速箱及制動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使用中確實出現過,但還有很大一部分由于現場操作人員的精心保養維護還未曾發生;②雖然許多失效模式未曾發生,但錨機老化嚴重,故障積累嚴重,許多故障已初露端倪,在今后的使用中很可能發展成更嚴重的問題,影響錨機持續安全工作;③目前用于平臺的錨機主要分為電動型錨機以及液壓型錨機,從實際使用經驗來看,如“勘探三號”的電動型錨機使用方便,特別是日常維護保養更加方便。

以制動裝置為例,見表2。

表1 錨機各部件風險評價

表2 制動裝置故障模式分析

1)原始設計要求。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”錨機的制動系統。規范規則對制動系統有相關的要求,在錨機出場時均滿足:①應能承受錨鏈或鋼索斷裂負荷45%的靜拉力,或能承受錨鏈上的最大靜負荷;②其受力零件不應有永久變形,制動裝置不應有打滑現象;③滿足制動器效用試驗。

2)維修及測試策略。針對出現的故障問題,至少在以下幾方面進行檢修處理。

①剎車穀車削后與鋼帶配合不好,導致剎車片受力不均,磨損嚴重。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的傳動裝置,腐蝕及銹蝕情況嚴重,建議更換;③建議更換吊頂彈簧。

經入廠維修,應保證制動系統操作可靠,摩擦接觸面正常,同時滿足:①應能承受錨鏈或鋼索斷裂負荷45%的靜拉力,或能承受錨鏈上的最大靜負荷;②其受力零件不應有永久變形,制動裝置不應有打滑現象;③滿足制動器效用試驗;④滿足制動器支持負載試驗。

2.5 錨泊系統改進

依據CSR規范相關要求,校核“勘探三號”甲板支撐結構強度［9］。

依據錨機廠家技術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算而得。錨機前端的載荷值較大,實際情況為甲板承受與止推塊接觸面積的均布載荷,在實際計算中選取止推塊長度(0.5 m)范圍內的3個節點平均施加集中載荷。錨機后端載荷值較小,選取止推塊中點施加集中載荷。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力集中區域,見圖7a);圖7b)給出了甲板的應力分布狀況,最大等效應力為38.5 MPa,出現在底部肘板對應位置;圖7c)給出了甲板下支撐結構應力分布,最大等效應力為174 MPa,出現在甲板總析處;圖7d)給出了立柱應力分布,最大等效應力為208 MPa。

表3 模型載荷值

圖6 有限元模型邊界條件

圖7 等效應力應力云圖

由于甲板位置應力值較立柱與加強結構小很多,余量較大,因此應重點關注加強結構及立柱,避免結構失效。

3 結論

1)由于設計不當使得部分部件日常維護不便,導致暴露于惡劣海洋環境中的錨泊系統長期使用的可靠性降低。

2)錨泊系統現狀隱患主要是設備老化導致。

3)制動系統特別是剎車帶的受力不均、電動機受潮老化、錨鏈輪磨損、止鏈器銹蝕是錨機的主要故障問題。

4)錨機基座位置甲板加強結構出現應力集中,依據現行規范需進行適當加強。

［1］賈 勇,亢竣星,陳世偉,等.“勘探三號”76 mm錨鏈導鏈輪的焊接修復［J］.中國海洋平臺,2002(1):25-27.

［2］劉小軍.“南海2號”半潛式鉆井平臺大修總體策劃［J］.深圳特區科技,2005(11):419-423.

［3］吳四川,徐 戎.“南海二號”半潛式鉆井平臺的修理［J］.中國修船,2006,19(3):26-28.

［4］李紅濤,余建星.海上拖航過程的風險評估方法研究［J］.海洋技術,2005,24(3):92-95.

［5］田文國.船舶起錨機液壓系統故障問題之探討［J］.航海技術,2000(1):65-67.

［6］謝哲德.船用絞纜(錨)機液壓馬達殼體破裂事故分析［J］.液壓與氣動,2001(11):45-46.

［7］鄭新秋.錨機電磁制動器故障及處理［J］.海運科技, 1992,4:23-23.

［8］鄭士君,徐毅敏.葉片型液壓錨機的維護管理要求［J］.航海技術,1996(6):51-53.

［9］胡甫才,周 勇,向 陽,等.錨機機座有限元分析與試驗研究［J］.船海工程,2007,36(2):52-56.

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:船舶與海洋結構物風險評估

E-m ail:haolin8210@163.com