基于FMECA方法的海上浮式風(fēng)機(jī)失效模式分析

周 昊，陳 帥，侯承宇，董曄弘，金偉晨

(1.中國(guó)船舶集團(tuán)海裝風(fēng)電股份有限公司，重慶401122；2.重慶大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶400044；3.中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第七一四研究所，北京100101)

0 引言

隨著服役水深和離岸距離的不斷加深，固定式海上風(fēng)電機(jī)組的適用性和經(jīng)濟(jì)性有所下降。在現(xiàn)有的復(fù)式結(jié)構(gòu)物安裝塔筒、風(fēng)力發(fā)電機(jī)以滿(mǎn)足新的應(yīng)用需求是當(dāng)前海上風(fēng)電發(fā)展的必然趨勢(shì)。與固定式風(fēng)力機(jī)相比，海上浮式風(fēng)機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：采用系泊方式，其施工和安裝過(guò)程更為靈活，適用水深范圍更大可有效提升風(fēng)能利用范圍，適用風(fēng)速范圍更大，由于深遠(yuǎn)海適用對(duì)近海的噪聲污染更小，拆除成本更小[1]。

對(duì)于發(fā)電設(shè)備而言其主要目標(biāo)之一是將電能的水平化成本（LCOE）最小化，其基本計(jì)算方法是總壽命成本與整個(gè)壽命期內(nèi)總發(fā)電量之比。LCOE可以通過(guò)增加發(fā)電量或降低壽命成本來(lái)最小化。維護(hù)和修理費(fèi)用是典型風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行費(fèi)用的重要組成部分[2]。與陸上風(fēng)機(jī)相比，海上風(fēng)機(jī)由于天氣窗口有限，因此，在運(yùn)行維護(hù)的過(guò)程中，通過(guò)適當(dāng)?shù)淖酉到y(tǒng)或監(jiān)控措施進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和早期故障檢測(cè)，可以防止部件或系統(tǒng)的整體失效，從而有效節(jié)約成本。

1 海上浮式風(fēng)機(jī)失效風(fēng)險(xiǎn)源分析

海上風(fēng)電項(xiàng)目在規(guī)劃與設(shè)計(jì)期、建設(shè)期和運(yùn)營(yíng)期所面臨的風(fēng)險(xiǎn)都會(huì)與陸上項(xiàng)目有較大差異。在項(xiàng)目規(guī)劃與設(shè)計(jì)期，優(yōu)先考量和評(píng)估來(lái)自政策與市場(chǎng)、風(fēng)資源評(píng)估等多方風(fēng)險(xiǎn)。項(xiàng)目建設(shè)期面臨自然環(huán)境、安裝施工等方面的風(fēng)險(xiǎn)[3]。在項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)期，由于海上項(xiàng)目所處的地理位置和自然條件都相對(duì)特殊，對(duì)項(xiàng)目運(yùn)行設(shè)備和材料工藝有非常高的要求，一旦設(shè)備出現(xiàn)損壞還需投入專(zhuān)業(yè)的運(yùn)維船舶等[4]。我國(guó)目前海上風(fēng)電項(xiàng)目開(kāi)發(fā)與運(yùn)行體系尚未成熟，作為裝備制造企業(yè)需要對(duì)這些風(fēng)險(xiǎn)形成系統(tǒng)認(rèn)識(shí)，以便進(jìn)行裝備升級(jí)和產(chǎn)業(yè)鏈延伸。

1.1 設(shè)計(jì)建造風(fēng)險(xiǎn)

設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不足。目前針對(duì)浮式風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)體系尚不完善，世界不同地區(qū)的不同要求也尚未得到統(tǒng)一。全球主要船級(jí)社近年來(lái)已經(jīng)對(duì)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行相應(yīng)的制修訂，以完善標(biāo)準(zhǔn)體系，其中挪威船級(jí)社的相關(guān)工作較為突出。目前，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，如環(huán)境荷載的計(jì)算、穩(wěn)性的校核、浮式基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)、海纜設(shè)計(jì)與安裝維護(hù)等方面主要參考船舶、海洋油氣和固定式海上風(fēng)機(jī)的規(guī)范。具體參考規(guī)范包括：挪威船級(jí)社DNVGL-RP-0286、DNVGL-SE-0422、美國(guó)船級(jí)社ABSGuideline#195、法國(guó)船級(jí)社NI572-FOWT-10-2015等。

模擬仿真和模型試驗(yàn)手段不完善。目前，浮式風(fēng)機(jī)數(shù)值仿真過(guò)程大量依賴(lài)包括FAST、Sesam等在內(nèi)的仿真設(shè)計(jì)軟件，各軟件的使用必須經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，并且其結(jié)果要經(jīng)過(guò)水池試驗(yàn)和模型試驗(yàn)的驗(yàn)證才可初步確認(rèn)其有效性和可靠性。目前業(yè)內(nèi)也有美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室、Principle Power等通過(guò)采用不同設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)之間進(jìn)行相互驗(yàn)證以確保結(jié)果的可用性。

生產(chǎn)制造風(fēng)險(xiǎn)。從設(shè)計(jì)能力來(lái)看，目前我國(guó)已基本具備大兆瓦級(jí)風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)能力，但在制造方面，制造商在建設(shè)過(guò)程中的質(zhì)量保證（QA）卻始終存在缺陷，由于浮式風(fēng)機(jī)未來(lái)海況具有較大的不確定性，復(fù)雜風(fēng)浪流聯(lián)合作用的情況頻發(fā)，低循環(huán)應(yīng)力的特殊作用對(duì)浮式結(jié)構(gòu)提出新的要求。整機(jī)制造與配套廠商必須在材料選擇、焊接工藝、防腐措施等關(guān)鍵環(huán)節(jié)做出相應(yīng)改進(jìn)，確保建造精度。

1.2 環(huán)境威脅風(fēng)險(xiǎn)

在海上浮式風(fēng)電項(xiàng)目中，可能受到極端氣候條件等特殊自然環(huán)境的影響，其中較為典型的包括臺(tái)風(fēng)、極端海浪、潮流印象、海冰與鹽霧等。惡劣的海上環(huán)境將可能導(dǎo)致海上風(fēng)電作業(yè)船舶發(fā)生傾覆、風(fēng)機(jī)塔筒斷裂、葉片破損或基礎(chǔ)損傷等[5]，延誤建設(shè)施工并增加了建設(shè)費(fèi)用，甚至可能造成施工人員的生命危險(xiǎn)。

臺(tái)風(fēng)威脅。由于我國(guó)海域的特殊性，在風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，臺(tái)風(fēng)問(wèn)題需要引起特別的注意。臺(tái)風(fēng)是熱帶氣旋較強(qiáng)的形式之一，熱帶氣旋按其中心附近的最大風(fēng)力分為6級(jí)，等級(jí)劃分如表1所示。

以我國(guó)浙江省為例。浙江海域在1949-2017年共計(jì)發(fā)生46次，平均每年發(fā)生了0.68次，頻率相對(duì)較低。統(tǒng)計(jì)顯示臺(tái)風(fēng)登陸同樣也集中在7，8，9三個(gè)月份，占到了總數(shù)的89.13%，其他月份共計(jì)僅有4次，如圖1所示。統(tǒng)計(jì)顯示72%以上的登陸臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度較高（強(qiáng)熱帶風(fēng)暴及以上風(fēng)力或風(fēng)速大于20.8 m/s），該比例相對(duì)廣東和福建海域都要高，但是總頻次不高，其中包括：熱帶低壓5次，熱帶風(fēng)暴4次，強(qiáng)熱帶風(fēng)暴11次，臺(tái)風(fēng)16次，強(qiáng)臺(tái)風(fēng)2次，如圖2所示。

表1 熱帶氣旋等級(jí)劃分Tab.1 Classification of tropical cyclones

圖1 臺(tái)風(fēng)登陸浙江各月份次數(shù)統(tǒng)計(jì)（1949-2017）Fig.1 Statistics of thenumber of typhoonslanding in Zhejiang in each month(1949-2017)

圖2 不同等級(jí)臺(tái)風(fēng)登陸浙江的比例（1949-2017）Fig.2 Proportion of different typhoon landing in Zhejiang Province(1949-2017)

潮流、海冰與海霧。福建、浙江和江蘇的大部分海域均為正規(guī)半日潮，渤海灣的潮流分布較為復(fù)雜。在建設(shè)安裝期，施工船舶出場(chǎng)時(shí)間、拋錨就位時(shí)間和吊裝作業(yè)時(shí)間會(huì)受到現(xiàn)場(chǎng)潮位變化的影響，因此有必要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)潮和潮位推算以掌握作業(yè)地點(diǎn)的準(zhǔn)確潮位變化規(guī)律。

隨著春冬兩季冷空氣活動(dòng)變得頻繁，渤海、黃海北部將出現(xiàn)不同程度的冰凍現(xiàn)象。海冰的出現(xiàn)和漂移將對(duì)海上風(fēng)機(jī)的運(yùn)行構(gòu)成較大威脅。海冰會(huì)對(duì)分散排布的海上風(fēng)電機(jī)組塔架推擠撞擊，從而影響后者的安全運(yùn)行。此外，大面積海冰將阻礙作業(yè)船舶的正常通航，嚴(yán)重影響海上風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)、安裝、運(yùn)營(yíng)和維護(hù)。

主要發(fā)生在我國(guó)春、夏季的海霧會(huì)引起近海海域的能見(jiàn)度大為降低，從而影響了海上風(fēng)電項(xiàng)目實(shí)施的船舶作業(yè)。我國(guó)近海的多霧區(qū)域?yàn)闁|海和黃海的部分海域，其中東海霧出現(xiàn)時(shí)間主要集中在3～7月份，黃海霧季主要集中在4～8月份，秋、冬季則相對(duì)較少。

波浪與海上作業(yè)。實(shí)施海上風(fēng)電項(xiàng)目船舶的出海作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)短會(huì)受到風(fēng)速和波高的限制。由于季風(fēng)引起的大風(fēng)大浪災(zāi)害天氣情況也會(huì)對(duì)風(fēng)機(jī)的服役情況產(chǎn)生影響，一般風(fēng)力超過(guò)7級(jí)、波高超過(guò)1 m就無(wú)法出海作業(yè)。有些地區(qū)的海事部門(mén)要求，在滿(mǎn)足作業(yè)窗口小于8 m/s的條件下，船舶方可出海作業(yè)。作業(yè)窗口是海上船舶進(jìn)行作業(yè)的主要前提條件之一。我國(guó)近海平均風(fēng)功率密度在夏季處于比較低的水平，此時(shí)平均風(fēng)速較低，波高也較低，風(fēng)平浪靜有利于船舶出海作業(yè)。

表2 各海域海上風(fēng)電作業(yè)的環(huán)境影響因素Tab.2 Environmental impact factorsof offshore wind power operation in varioussea areas

1.3 結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)

浮式風(fēng)電設(shè)備屬于海上柔性結(jié)構(gòu)物，常年在風(fēng)浪流聯(lián)合作用下作業(yè)，除垂向載荷外，其水平傾覆力矩將會(huì)引起基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)大幅搖擺運(yùn)動(dòng)，甚至存在傾覆風(fēng)險(xiǎn)。浮式風(fēng)機(jī)因環(huán)境載荷引發(fā)的結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)有：

波浪引起浮式風(fēng)電系統(tǒng)基礎(chǔ)塔柱的共振，導(dǎo)致的疲勞風(fēng)險(xiǎn)。在設(shè)計(jì)上需保證基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)六自由度運(yùn)動(dòng)的固有比率遠(yuǎn)離波浪披綠，從而有效避免共振的發(fā)生，與極限載荷相比，共振將加劇風(fēng)機(jī)的振蕩，極大的影響風(fēng)機(jī)疲勞載荷。

浮式基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)作用在風(fēng)輪機(jī)上，導(dǎo)致的風(fēng)機(jī)諧振響應(yīng)。風(fēng)荷載對(duì)浮式結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)影響較為明顯，增大了平臺(tái)在固有頻率處的響應(yīng)，提高了平臺(tái)發(fā)生不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)的可能性，影響結(jié)構(gòu)安全。

浮式基礎(chǔ)的大幅搖擺運(yùn)動(dòng)。浮式風(fēng)機(jī)與固定式風(fēng)機(jī)的最大區(qū)別便在于其基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)六自由度的運(yùn)動(dòng)全部放開(kāi)，而由于縱搖與橫搖運(yùn)動(dòng)會(huì)對(duì)分風(fēng)機(jī)葉盤(pán)處的氣動(dòng)載荷和尾流產(chǎn)生影響，因此基礎(chǔ)運(yùn)動(dòng)與上部風(fēng)機(jī)運(yùn)動(dòng)之間相互耦合。在設(shè)計(jì)階段，需要考慮其在風(fēng)浪流聯(lián)合作用下的動(dòng)力響應(yīng)。

極端海洋環(huán)境下的系泊系統(tǒng)失效。系泊纜索長(zhǎng)度和位置的設(shè)計(jì)，會(huì)對(duì)系泊纜與海上浮式風(fēng)機(jī)的預(yù)應(yīng)力造成影響，提高疲勞風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的可能，存在斷纜風(fēng)險(xiǎn)。

沖刷與滲流引發(fā)的錨固基礎(chǔ)失效。海上浮式風(fēng)機(jī)的定位除采用系泊方式外，也采用錨固方式。此時(shí)，錨固基礎(chǔ)可能存在沖刷或滲流引發(fā)的失效問(wèn)題，具體可能包括腐蝕失效風(fēng)險(xiǎn)、連接疲勞失效、極限強(qiáng)度失效、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)損傷等。

1.4 運(yùn)營(yíng)維護(hù)風(fēng)險(xiǎn)

項(xiàng)目建成之后，海上運(yùn)營(yíng)與維護(hù)作業(yè)時(shí)海上風(fēng)電場(chǎng)得以順利運(yùn)行的一項(xiàng)重要技術(shù)保障，在維護(hù)過(guò)程中會(huì)面臨眾多風(fēng)險(xiǎn)。浮式風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行在深遠(yuǎn)海的特殊海洋環(huán)境下，對(duì)海上機(jī)組進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢修的能力常常受到海上可達(dá)度的約束。

大部件維修更換。在風(fēng)機(jī)分布廣闊和自然條件特殊的海上進(jìn)行維修工作非常不易，海上浮式風(fēng)電場(chǎng)離岸距離較遠(yuǎn)，大部件維修和更換面臨的風(fēng)險(xiǎn)主要包括可達(dá)性差，吊裝船數(shù)量不足，缺乏有在海上操作經(jīng)驗(yàn)的專(zhuān)業(yè)更換人員。在海上風(fēng)電機(jī)組中，齒輪箱和發(fā)電機(jī)是大部件維修更換的主要難點(diǎn)。

定期維護(hù)。為了到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施定期維護(hù)，檢查人員必須采用特制的海上交通工具，但由于海洋水文氣象的影響，可達(dá)性和作業(yè)窗口都大打折扣，即便供助最先進(jìn)的海上交工具也無(wú)法實(shí)現(xiàn)全天候人工巡檢的方式對(duì)海上風(fēng)電設(shè)備進(jìn)行維護(hù)。

更高的運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)要求。在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，浮式風(fēng)機(jī)對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行的健康狀態(tài)和環(huán)境參數(shù)變化提出了更高的監(jiān)測(cè)要求。當(dāng)浮式基礎(chǔ)傾斜角度超過(guò)規(guī)定值時(shí)，浮式風(fēng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要有效控制系統(tǒng)停機(jī)。例如，Principle Power的WindFloat設(shè)計(jì)是當(dāng)塔架傾斜角超過(guò)10°時(shí)停機(jī)處理，此外，實(shí)時(shí)的氣象與環(huán)境條件監(jiān)測(cè)也尤為重要，這將對(duì)風(fēng)電機(jī)組在極端天氣或巨浪來(lái)臨前做出反應(yīng)提供重要依據(jù)。

2 海上浮式風(fēng)機(jī)的FMEA分析

失效與故障模式分析為進(jìn)一步的可靠性與結(jié)構(gòu)分析打下基礎(chǔ)。故障識(shí)別過(guò)程的準(zhǔn)確性與全面性對(duì)于進(jìn)一步分析計(jì)算的準(zhǔn)確性與可信度產(chǎn)生影響，并將直接反映在FMEA分析結(jié)果上。

通常來(lái)說(shuō)，海上風(fēng)力機(jī)的主要故障類(lèi)型可以分為機(jī)械故障、電力故障和材料故障三大類(lèi)。其中，機(jī)械故障主要表現(xiàn)為：裂紋損傷、結(jié)構(gòu)斷裂、保護(hù)層分離、過(guò)熱形變、扭損、蒙皮脫落、潤(rùn)滑不佳、未精確對(duì)準(zhǔn)等情況；材料故障主要表現(xiàn)為：交變載荷引發(fā)疲勞、塑性形變、電化或海鹽腐蝕等情況；電力故障主要表現(xiàn)為：絕緣處理不當(dāng)、故障引發(fā)電力中斷、控制系統(tǒng)失效、輸出功率不足等情況。

2.1 基礎(chǔ)-塔柱系統(tǒng)故障及失效模式分析

破碎波的影響。在破碎波浪的沖擊下，具有柔性特征的大型海上風(fēng)力機(jī)會(huì)承受結(jié)構(gòu)共振，嚴(yán)重情況下導(dǎo)致塔筒和機(jī)艙整體產(chǎn)生劇烈振動(dòng)。在風(fēng)電機(jī)組服役的整個(gè)生命周期中，這種動(dòng)態(tài)載荷的累積效果很有可能導(dǎo)致機(jī)組結(jié)構(gòu)疲勞破壞。

海洋環(huán)境腐蝕。塔筒與海洋大氣環(huán)境直接接觸，處于非常髙的海洋腐蝕環(huán)境，與基礎(chǔ)腐蝕環(huán)境的海洋大氣區(qū)一致，塔筒內(nèi)壁表面比外壁的腐蝕等級(jí)要低一級(jí)，仍然是高腐蝕環(huán)境。附著在塔筒外壁鋼材表面的水膜溶解二氧化碳、二氧化硫和鹽分形成的電解質(zhì)溶液具有較強(qiáng)的導(dǎo)電性，鐵在溶液中被氧化之后變成鐵銹，在氯離子的作用下會(huì)加速鋼材的腐蝕。

2.2 葉片系統(tǒng)故障及失效模式分析

葉片雷擊損傷。當(dāng)安裝在開(kāi)闊海域時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片處于機(jī)組最高端，機(jī)組遭受雷擊的概率大大增加，葉片的葉尖末端也就是通常直接遭受雷擊的區(qū)域[6]。大部分雷擊事故主要損壞葉片的葉尖部分，在很多情況下雷擊的位置發(fā)生在葉尖的背面，少數(shù)情況下雷擊會(huì)損壞整個(gè)葉片。輕則造成葉尖結(jié)構(gòu)爆裂破壞，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致各種形式的葉片結(jié)構(gòu)損傷，例如層裂、泄露、邊緣開(kāi)裂、縱向開(kāi)裂等失效模式。

葉片腐蝕。葉片性能對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化效率的影響很大，表面光潔度不佳以及流掛物都會(huì)影響性能。在海上應(yīng)用的過(guò)程中潮濕空氣中的鹽分容易在葉片表面積聚，影響轉(zhuǎn)化效率，而且造成腐蝕[7]。目前應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的復(fù)合材料主要包括玻璃纖維復(fù)合材料、碳纖維復(fù)合材料、碳纖維/輕木/玻璃纖維混雜復(fù)合材料以及熱塑性復(fù)合材料等。若沒(méi)有保護(hù)涂層，葉片材料很難在這樣惡劣的環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間保持完好。

葉片結(jié)冰與低溫。我國(guó)近海區(qū)域在冬季受到強(qiáng)冷空氣影響導(dǎo)致環(huán)境溫度過(guò)低，葉片結(jié)冰會(huì)改變翼型形狀，改變表面粗糙程度、葉片載荷分布和結(jié)構(gòu)特性，影響風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)特性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，降低風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)化效率及疲勞壽命[8]。由于海水含鹽度高，降低了海水的冰點(diǎn)，全球各大洋海水平均鹽度是3. 448%，海水冰點(diǎn)在-1.9°C左右。由于基體和纖維的不均勻收縮，存在的殘余應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致微裂縫的出現(xiàn)，繼而使得葉片整體剛度和抗?jié)B透性能大大降低，葉片出現(xiàn)層剝落現(xiàn)象。

2.3 電氣設(shè)備故障及失效模式分析

雷擊損傷。電氣設(shè)備主要面臨間接雷擊或感應(yīng)雷擊的風(fēng)險(xiǎn)。雷電流經(jīng)由電阻最小的通道直接注入到電力電纜和信號(hào)線路，以及相連的發(fā)電機(jī)、變流器、控制器等電氣設(shè)備的電流損壞；由于雷擊會(huì)在風(fēng)機(jī)機(jī)組內(nèi)部產(chǎn)生交變電磁場(chǎng)，機(jī)組內(nèi)部與雷電流平行的電力和信號(hào)線路，會(huì)在瞬間產(chǎn)生感應(yīng)過(guò)電壓，幅值達(dá)幾十千伏；雷電電流會(huì)在接地體上產(chǎn)生殘余電壓，使電位升高，從而影響機(jī)組其他設(shè)備，特別是控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

鹽霧腐蝕。海上機(jī)組的功率普遍比陸上機(jī)組更大，散熱需求更高，但是對(duì)散熱冷卻需要更有針對(duì)性的防腐設(shè)計(jì)。海上風(fēng)電機(jī)組的像是變壓器采用干式變壓器和直接空氣冷卻的散熱方式，外界鹽霧和潮氣隨著空氣進(jìn)入設(shè)備對(duì)高低壓線圈和鐵芯產(chǎn)生腐蝕。海上晝夜溫差大，容易造成半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件材料和封裝的龜裂，溫度變化引起的凝露甚至?xí)?dǎo)致開(kāi)關(guān)短路。此外，鹽霧設(shè)備電器元件的金屬物觸頭發(fā)生化學(xué)反應(yīng)會(huì)是原有的電氣性能下降，生成氯化物是電氣接觸不良。

電氣故障引發(fā)火災(zāi)。海上風(fēng)電機(jī)組的機(jī)艙、電纜是最容易引發(fā)火災(zāi)的，在狹小的機(jī)艙里集中了大量電氣設(shè)備，潛在的著火源也比較集中[9]。電氣短路、機(jī)械剎車(chē)（機(jī)組高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的緊急制動(dòng)裝置）、潤(rùn)滑油或液壓系統(tǒng)泄露、短路電弧、接地故障、電路過(guò)載之后熱量劇增和溫度急升是引發(fā)火災(zāi)的主要原因[10]。由于海上風(fēng)機(jī)無(wú)人值守、可達(dá)性差，除非機(jī)組存在自動(dòng)消防系統(tǒng)，否則幾乎無(wú)法立刻組織人力進(jìn)行火災(zāi)救援。

2.4 傳動(dòng)系統(tǒng)故障及失效模式分析

就齒輪而言，齒輪嚙合剛度的變化是一個(gè)重要的監(jiān)測(cè)條件[11]，扭轉(zhuǎn)振動(dòng)和扭矩的監(jiān)測(cè)可作為裂紋損傷、斷齒等故障模式出現(xiàn)的判斷依據(jù)，從而有效預(yù)防傳動(dòng)系統(tǒng)的停機(jī)時(shí)效[12]。就傳動(dòng)系統(tǒng)而言，常用的傳動(dòng)系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法包括振動(dòng)、溫度[13]、噪聲和油粒測(cè)量[14]等，這在經(jīng)典的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組傳動(dòng)控制系統(tǒng)中通常沒(méi)有集成。已有學(xué)者將傳動(dòng)系統(tǒng)故障狀態(tài)監(jiān)測(cè)分為監(jiān)測(cè)、自動(dòng)保護(hù)和控制3個(gè)層面[15]，監(jiān)視和自動(dòng)保護(hù)是基于閾值的方法，其中警報(bào)或糾正措施在超過(guò)閾值后執(zhí)行。浮式風(fēng)機(jī)上的傳動(dòng)系統(tǒng)承受的載荷/運(yùn)動(dòng)條件與陸地上的不同。浮式風(fēng)機(jī)中的波浪感應(yīng)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生動(dòng)力，動(dòng)力通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)傳遞。此外，大兆瓦級(jí)風(fēng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)采用與小型傳動(dòng)系統(tǒng)完全不同的設(shè)計(jì)方法。

在對(duì)風(fēng)機(jī)的不同系統(tǒng)不同組件進(jìn)行故障模式、成因及影響[16]進(jìn)行分類(lèi)，從失效模式、產(chǎn)生原因及故障后果幾方面進(jìn)行分析，將海上浮式風(fēng)機(jī)失效形式及結(jié)果分析的情況匯總于表3。

3 海上浮式風(fēng)機(jī)的CA分析

對(duì)于風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的CA分析是衡量故障事件的發(fā)生概率和后果嚴(yán)重程度，并對(duì)故障事件進(jìn)行系統(tǒng)分析的過(guò)程。通過(guò)定性或定量的CA分析，可以清晰地找出系統(tǒng)和子系統(tǒng)在工作中的薄弱環(huán)節(jié)，從而有效改進(jìn)保護(hù)措施和維護(hù)手段的針對(duì)性，提高系統(tǒng)的整體可靠性。

表3 海上浮式風(fēng)機(jī)主要失效形式及結(jié)果分析情況Tab.3 Main failure modesand result analysis of offshore floating wind turbine

3.1 評(píng)估故障模式的影響及嚴(yán)重程度

在進(jìn)行定性CA分析時(shí)，其嚴(yán)酷度等級(jí)通常劃分為四級(jí)，從重到輕依次為災(zāi)難級(jí)、致命級(jí)、中度級(jí)和輕度級(jí)，具體定義見(jiàn)表4。

3.2 危害性矩陣

為了更好地對(duì)失效模式的嚴(yán)酷程度與發(fā)生概率之間的關(guān)系進(jìn)行分析，在方法上通常采用危害性矩陣對(duì)FMEA分析進(jìn)行補(bǔ)充。危害性矩陣在表示上，其橫坐標(biāo)通常表示底事件的嚴(yán)重程度，而縱坐標(biāo)表示低事件的發(fā)生概率等級(jí)。

按照GJB1391-2006的規(guī)定，故障發(fā)生概率等級(jí)可以劃分為5個(gè)等級(jí)，具體分級(jí)見(jiàn)表5。

綜合考慮海上風(fēng)機(jī)的裝備特點(diǎn)和系統(tǒng)劃分和前文FMEA分析中的有關(guān)問(wèn)題，本文在CA分析中考慮48個(gè)風(fēng)險(xiǎn)事件，按照表4和表5嚴(yán)酷度與概率等級(jí)定義的內(nèi)容，研究分析確定每一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)事件的發(fā)生概率等級(jí)與嚴(yán)酷度等級(jí)，完成定性分析表并填入危害性矩陣的對(duì)應(yīng)位置。CA分析矩陣的具體含義為：自坐標(biāo)原點(diǎn)畫(huà)出危害性矩陣的對(duì)角線，該方向表示危害性增長(zhǎng)方向，事件位置越遠(yuǎn)離遠(yuǎn)點(diǎn)則事件危害性越高，在實(shí)際工程中采取維護(hù)措施。事件橫軸投影表示事件的嚴(yán)酷度等級(jí)，而縱軸表示發(fā)生概率等級(jí)。表6列出海上浮式風(fēng)機(jī)定性CA分析結(jié)果，危害性矩陣如圖3所示。

表4 嚴(yán)酷度等級(jí)定義Tab.4 Definition of severity level

表5 概率等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)Tab.5 Classification criteria of probability grade

圖3 海上浮式風(fēng)機(jī)危害性矩陣分析圖Fig.3 Hazard matrix analysis of offshore wind turbine

根據(jù)表6的分析結(jié)果，將各事件的對(duì)應(yīng)位置在危害性矩陣中進(jìn)行體現(xiàn)，自點(diǎn)a至點(diǎn)h對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)事件，其危害度逐步升高，其中點(diǎn)h事件最為危險(xiǎn)，即葉片折斷。其他事件統(tǒng)計(jì)結(jié)果如下：7個(gè)a點(diǎn)事件、4個(gè)b點(diǎn)事件、5個(gè)c點(diǎn)事件、16個(gè)d點(diǎn)事件、3個(gè)e點(diǎn)事件、5個(gè)f點(diǎn)事件、7個(gè)g點(diǎn)事件、1個(gè)h點(diǎn)事件。

4 結(jié)語(yǔ)

本文采用FMECA分析方法對(duì)海上浮式風(fēng)機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)源、故障與失效模式及其危害性進(jìn)行了系統(tǒng)分析，根據(jù)一系列故障情況對(duì)海上浮式風(fēng)機(jī)的系統(tǒng)安全進(jìn)行了全面的定性分析，以確定高風(fēng)險(xiǎn)的故障模式和故障原因，對(duì)基礎(chǔ)-塔柱系統(tǒng)、葉片系統(tǒng)、電氣設(shè)備和傳動(dòng)系統(tǒng)的故障與失效情況進(jìn)行深入分析。

表6 海上浮式風(fēng)機(jī)CA定性分析結(jié)果Tab.6 CA qualitative analysis results of offshore floating wind turbine

1）環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)是影響海上浮式風(fēng)機(jī)使用壽命和運(yùn)營(yíng)成本最為關(guān)鍵的因素，其中尤其是鹽霧、極限風(fēng)況等惡劣天氣條件，對(duì)海上浮式風(fēng)力機(jī)的性能影響最為顯著。

2）在各系統(tǒng)的分析中，葉片系統(tǒng)的失效時(shí)間危害性最為嚴(yán)重，且失效模式最為復(fù)雜，應(yīng)在實(shí)際工程應(yīng)用中對(duì)其防雷擊、防腐蝕和極限載荷下的服役與自存能力作出有效的預(yù)防和監(jiān)測(cè)。

3）海上浮式風(fēng)機(jī)的失效模式較為復(fù)雜，因此，在未來(lái)的實(shí)際工程中，應(yīng)積極探索不同信號(hào)對(duì)風(fēng)電機(jī)組不同故障的檢出效果，綜合分析振動(dòng)、電氣、形變、應(yīng)力等不同信號(hào)，并進(jìn)行融合分析，從而通過(guò)物理模型和數(shù)字模型同時(shí)分析風(fēng)機(jī)的故障與失效。