一种基于故障树的沉船打捞系统失效风险分析方法

摘要

本发明公开了一种基于故障树的沉船打捞系统失效风险分析方法，采用FreeFTA故障树绘制与分析软件对双船抬吊打捞系统进行风险分析，绘制打捞系统的逻辑树，并对二级子系统进行失效模式分析，在此基础上绘制打捞系统故障树。根据打捞工程危险源识别报告、关键设备风险分析研究与数据库信息确定打捞系统基本事件的概率，通过故障树定量分析得出打捞系统发生故障的概率数值，划分风险级别，得到平均无障碍工作时间。通过基本事件的关键重要度分析发现在打捞过程中最有可能发生的事件，判断可能产生的后果，从而提醒负责人着重关注最有可能发生的事件，预防此类事故的发生。

说明书

技术领域

本发明涉及工程系统风险分析技术领域，具体来说，是一种基于故障树的沉船打捞系统失效风险分析方法。

背景技术

为了调查沉船事故原因，防止航道堵塞、环境污染，以及开展古沉船考古等，都需要将遇难船舶打捞出水。沉船打捞是一项复杂的高风险作业，通常涉及的主要施工设备有：作业船、拖轮、起重船、拉力千斤顶、潜水系统及装具、钢丝、索具、液压工具系统、滋油回收设备等；涉及的工种主要包括：工程师、潜水员、船员等。

利用双船抬吊打捞方法对大吨位沉船进行打捞的过程主要包括提升出水、拖航移位、移放半潜船三个作业环节。在沉船左右两侧各布置一艘打捞船，由系泊系统进行定位。两船主甲板上布置带补偿功能的链式提升机构，两船上各套提升机构以同步作业的方式进行打捞作业。打捞钢缆穿过沉船船底通过钢绞线连接两艘打捞船，打捞船上的液压提升机构不断拉拽钢绞线将沉船提拉上升。为补偿海上波浪导致的打捞船运动，每个提升系统还布置了一个液压吊力缓冲系统。当沉船被提升至设计出水高度后，利用系固系统将沉船固定并拖航到预定位置，将沉船装载到半潜船，由半潜船将沉船运送至港口。打捞过程中，打捞船需要不断调整载况，两条打捞船和沉船之间水动力影响复杂，要求压载系统、系泊系统具备足够的能力。

如果选择的设备不能胜任打捞作业，或者制定的方案产生了疏漏，就有可能出现各种险情。因此，对打捞系统进行风险评估有着重要的意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于故障树的沉船打捞系统失效风险分析方法，有助于充分认识打捞工程的风险因素，确定风险控制的优先级，为沉船打捞作业安全提供支持。

本发明的目的是这样实现的：一种基于故障树的沉船打捞系统失效风险分析方法，依次包括定性分析环节、定量分析环节；

在上述定性分析环节中，依次包括失效模式分析步骤、建立打捞系统故障树步骤，在定性分析环节中，将打捞系统分为若干子系统，并将上述若干子系统分解为二级子系统；

在失效模式分析步骤中，确立打捞系统失效顶事件，然后建立描述的基本事件，对二级子系统、单元设备和部件进行失效模式分析、汇总和筛选；

在上述定量分析环节中，依次包括系统失效概率分析步骤、重要度分析步骤；

在系统失效概率分析步骤中，根据基本事件的故障概率描述，对其概率进行保守估计，划分风险级别；

在重要度分析步骤中，得到基本事件的关键重要度，根据事件发生概率的数值和敏感性来衡量基本事件的重要程度，输出重要度分析结果，选出关键重要度最高的事件。

进一步地，在失效模式分析步骤中，利用软件或其他工具对二级子系统、单元设备和部件进行失效模式分析、汇总和筛选后，生成失效模式清单，针对每个二级子系统的每个单元一一进行失效模式的总结。

进一步地，在建立打捞系统故障树步骤中，根据系统中各组成单元的逻辑关系确立事件类型，并生成具体的故障树。

进一步地，在系统失效概率分析步骤中，对罕见级别的风险定义为一百年内发生两次，对不太可能级别的风险定义为一百年内发生十次，对偶尔级别的风险定义为二十五年内发生十次，对经常级别的风险定义为一年内发生十次，由此估算出各风险等级的基本事件发生概率。

进一步地，以工程报告、关键设备风险分析研究报告为主，以现有的数据库为辅对打捞系统的作业风险进行定量分析。

进一步地，在系统失效概率分析步骤中，得到打捞系统发生故障概率的具体参数，判断打捞系统的具体风险级别，得到平均无障碍工作的时间范围。

进一步地，全程运行FreeFTA故障树绘制与分析软件，以执行上述定性分析环节、定量分析环节，得到打捞系统发生故障的类型及其概率。

本发明的有益效果在于：

以双船抬吊法的沉船整体打捞系统为研究对象，建立了打捞系统逻辑树，分析了打捞系统二级子系统的失效模式，以此为依据建立了以打捞系统失效为顶事件的故障树；由打捞工程危险源识别报告、失效数据库估算基本事件的发生概率，通过故障树定量分析获得打捞系统失效的概率和基本事件的关键重要度，有助于充分认识打捞工程的风险因素，确定风险控制的优先级，为沉船打捞作业安全提供支持。

附图说明

图1是本发明的双船抬吊打捞系统的位置关系框图。

图2是打捞系统的基于失效模式分析步骤的故障树。

图3是打捞系统的具体逻辑树示意图一。

图4是打捞系统的具体逻辑树示意图二。

图5是打捞系统的具体逻辑树示意图三。

图6是打捞系统的具体逻辑树示意图四。

图7是打捞系统的具体逻辑树示意图五。

图8是打捞系统的具体逻辑树示意图六。

具体实施方式

下面结合附图1-8和具体实施例对本发明进一步说明。

本实施例所应用的故障树分析法，简称FTA(Fault Tree Analysis)，是一种评价系统可靠性与安全性的方法，该方法将系统故障联系在一起，寻找系统的全部可能的失效状态，能够清晰地说明系统的失效原因。将系统中最不希望发生的状态作为故障树的顶事件。导致顶事件发生的基本事件的集合叫做割集，而引起顶事件发生必须的最低限度的割集叫做最小割集。故障树中的或门只增加割集的个数，或门下有多少个输入事件，该门就变成多少个割集。与门只增加割集的大小，与门下有多少个输入事件，则此割集中就增加多少个事件。

本实施例提出了一种基于故障树的沉船打捞系统失效风险分析方法，全程运行FreeFTA故障树绘制与分析软件，针对双船抬吊打捞系统进行风险评估。

先进行定性分析环节。故障树定性分析的目的是为了找出故障树的最小割集，发现潜在的故障或设计的薄弱环节，以便于改进设计，指导故障诊断，改进使用和维修方案。因此寻找最小割集的方法就成了故障树分析方法中的一个核心问题。下行法是公认的寻找最小割集较好的办法。下行法是由上而下的演绎式失效分析方法，利用布尔逻辑组合基本事件，构成故障树的割集。

在定性分析环节，首先进行失效模式分析。

双船抬吊打捞系统的结构十分复杂，由不同的机械设备系统组成，同时人为因素也会影响打捞系统的正常运行。根据打捞工程危险源识别报告将打捞系统分为八个子系统，即电控系统、系泊系统、压载系统、提升系统、缓冲系统、系固系统、管理系统、船舶(参考图1所示)。

该打捞系统逻辑树列举了容易发生事故的基本事件，见图2所示。

在沉船打捞系统的故障树分析过程中，顶事件打捞系统失效确立之后，需要建立描述的基本事件，即需要对二级子系统、单元设备和部件进行失效模式分析、汇总和筛选。失效模式分析能够指出设计上的弱点，提出对策，对不适当的设计实时加以改善，节省无谓的损失，缩短作业时间及作业费用。有效的失效模式分析能够帮助分析人员建立更加准确可靠的故障树系统。打捞系统二级子系统失效模式见表1。

表1二级子系统和失效模式

在定性分析环节，在经过失效模式分析之后，进入建立打捞系统的故障树的步骤。

故障树在打捞系统失效模式分析的基础上建立，根据各个设备单元间的逻辑关系确立了基本事件。故障树是采用各种图形构建的树形结构，其主要图形说明如表2所示。

表2故障树主要图形说明

将打捞系统失效设置为顶事件T1，以系统失效为中间事件M1、系泊系统失效为中间事件M2、压载系统失效为中间事件M3、提升系统失效为中间事件M4、缓冲系统失效为中间事件M5、系固系统失效作为中间事件M6、管理系统失效为中间事件M7、船舶问题为中间事件M8，建立故障树见图3-8。

在定性分析环节结束后，开始进行定量分析环节。

故障树定量分析就是用数据来表示系统的安全状态，其基本内容归结起来包括：(1)基本事件概率的定量分析；(2)顶事件概率的定量分析；(3)顶事件概率的误差传播计算；(4)基本事件的结构重要度和概率重要度计算。

为了分析和计算方便，在定量分析中一般对问题进行简化：(1)基本事件之间相互独立；(2)所有事件仅考虑正常和失效两种状态；(3)不考虑事件随时间的变化而近似作为稳态处理；(4)在某一很短的时间间隔内不考虑同时发生两个以上的单元失效。

定量分析中的平均故障率q、平均无障碍工作时间t

t

q＝1/t

故障树结构函数

其中，

由上式可知，故障树结构函数的数学期望就是故障树顶事件的发生概率，称作系统不可靠度，即Q

当故障树的所有最小割集为已知时，故障树的结构函数可以表示为：

式中，Mj(X)为故障树的第j个最小割集。当Mj(X)(j＝1,2,…,k)之间相互独立时，上式可以表示为：

当每个单元之间也相互独立时，可进一步简化为：

式中，k为最小割集数，mj为第j个最小割集中的单元数，q

定量分析环节依次为概率分析步骤、重要度分析步骤。

在概率分析步骤进行时，采用FreeFTA故障树绘制与分析软件，对双船抬吊打捞系统进行失效定量分析，计算得到打捞系统的失效概率。基本事件的故障概率由打捞工程危险源识别报告、各数据库、关键设备风险分析研究相结合得到。打捞工程危险源识别报告根据以往风险分析经验将风险分为4个等级，见表3。

表3风险等级划分表

根据基本事件发生的概率描述，对其概率进行保守估计，划分风险级别。对罕见级别的风险定义为100年内发生2次，对不太可能级别的风险定义为100年内发生10次，对偶尔级别的风险定义为25年内发生10次，对经常级别的风险定义为1年内发生10次，由此估算出各风险等级的基本事件发生概率，见表4。

表4基本事件概率表

打捞系统各个关键设备的失效数据主要来源于各数据库、打捞工程危险源识别报告、关键设备风险分析研究。常用的数据库有英国健康与安全部HSE数据库、美国石油协会API数据库、荷兰应用科学研究院TNO数据库和挪威船级社的OREDA数据库。由于数据库只包含部分设备失效性，而工程报告按照失效概率将打捞系统存在的风险划分了等级，故以工程报告、关键设备风险分析研究为主，以数据库为辅对打捞系统的作业风险进行定量分析。基于打捞工程危险源识别报告以及OREDA等数据库中部分设备失效数据统计，进行参考和比较，换算成每小时故障发生次数，由此对打捞系统失效的基本事件发生概率进行试探性的评判，得到各基本事件概率如表5所示。

表5打捞系统基本事件概率值

通过FreeFTA故障树绘制与分析软件计算得到顶事件的概率Q

在重要度分析步骤中，通过FreeFTA故障树绘制与分析软件计算得到基本事件的关键重要度，从敏感性和自身发生概率大小双重角度衡量基本事件的重要程度。重要度分析是故障树定量分析中不可或缺的部分。重要度是指一个部件或者系统的割集发生失效后对顶事件发生概率的贡献，它是时间、部件的可靠性参数以及系统结构的函数，主要用于确定系统的关键元件或薄弱环节。

在各基本事件相互独立的假定下，第i个基本事件的概率重要度表示当第i个基本事件概率发生微小变化而导致顶事件发生概率的变化率。从这个定义可以得到第i个基本事件的概率重要度I

式中，q

关键重要度是基本事件故障概率的变化率与顶事件发生概率变化率比值。关键重要度不仅反映了基本事件发生概率变化对顶事件发生概率变化的影响，也反映了基本事件发生概率大小对顶事件发生概率大小的影响，比概率重要度反映的内容更多，更全面更具有说服力。第i个基本事件的关键重要度C

各基本事件的关键重要度如表6所示。

表6打捞系统基本事件关键重要度

根据重要度分析的结果，可以看出系泊系统链环断裂的关键重要度最高，为0.5098，说明实际打捞过程中，系泊缆上的链环可能由于疲劳、质量不合格、风浪过大等原因产生断裂，最终可能导致打捞船姿态改变、船舶之间碰撞等后果。因此在打捞作业中应使用高质量的系泊缆，才能够承受足够的工作载荷，同时要根据安全系泊程序制定系泊计划。在打捞作业之前也应该定期检查系泊缆，准备多根备用系泊缆，任用经验丰富的工作人员以便提早排除隐患。

其次，系泊系统中的纤维缆断裂、系泊钢缆断裂与提升系统中的固定螺栓断裂、缓冲系统中的节流阀故障等基本事件的关键重要度较高。其中，纤维钢缆断裂、系泊钢缆断裂、钢绞线断裂、打捞钢缆断裂、固定螺栓断裂、系泊钢缆断裂等基本事件的发生可能会导致水面船、沉船失去稳性，最终造成工期延误、船舶损坏、人员受伤等情况。缆绳断裂类事故的严重性较大，所以在打捞过程中应更注重此类事故的防范。为减小此类缆绳的失效概率，负责人需仔细研究安全系泊程序、OCIMF规范中的系泊设备指南，以便制定详尽的系泊计划，并且任用有丰富经验和能力的工作人员。在打捞工作前仔细检查缆绳的安全状况，准备备用缆绳。同时可以利用观察员、监测系统或力传感器监测缆绳、海洋环境的情况，为打捞作业提供关键信息。

以上是本发明的优选实施例，本领域普通技术人员还可以在此基础上进行各种变换或改进，在不脱离本发明总的构思的前提下，这些变换或改进都应当属于本发明要求保护范围之内。