陳卓明

（中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司，天津 300457）

石油作為不可再生的重要能源，對(duì)工業(yè)生產(chǎn)和社會(huì)生活都發(fā)揮了巨大的作用。隨著陸地上石油探明儲(chǔ)量趨于飽和及開采量的持續(xù)擴(kuò)大，海上石油資源已經(jīng)成為各國(guó)競(jìng)相開發(fā)的重要目標(biāo)。因?yàn)檫h(yuǎn)離陸地，海上石油開采都要建立海上平臺(tái)，以確保開采過程的穩(wěn)定和工作人員的安全。因?yàn)楹Ｉ鲜烷_采的工作需要，許多大型的設(shè)備都要運(yùn)輸或架設(shè)在海上平臺(tái)上，這就需要用到起重機(jī)[1]。為了滿足海洋石油平臺(tái)起重機(jī)大載荷、大功率的需要，一般都需要配置液壓系統(tǒng)。但是，液壓系統(tǒng)在持續(xù)工作過程中會(huì)出現(xiàn)不同形式的故障[2]。一旦出現(xiàn)故障就會(huì)給起重機(jī)的正常工作帶來影響，甚至是干擾到海洋石油平臺(tái)的正常開采作業(yè)，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)o平臺(tái)上的工作人員造成人身安全隱患。因此，深入分析可能造成海上石油平臺(tái)起重機(jī)液壓系統(tǒng)的故障原因，建立準(zhǔn)確高效的故障診斷模型，對(duì)于平臺(tái)起重機(jī)的正常工作具有十分重要的意義[3]。本文在對(duì)液壓系統(tǒng)和液壓元件可能出現(xiàn)的故障原因進(jìn)行分析后，建立一種基于T-S模型的故障診斷方法，以期更好地維護(hù)海上石油平臺(tái)起重機(jī)的正常作業(yè)。

1 海上石油平臺(tái)起重機(jī)的液壓系統(tǒng)故障

1.1 海上石油平臺(tái)起重機(jī)的組成和特點(diǎn)

海上石油開采需要依托海洋石油平臺(tái)，而起重機(jī)是海洋石油平臺(tái)上最為重要的機(jī)械設(shè)備之一。從海上石油平臺(tái)建設(shè)開始到海上石油平臺(tái)的日常運(yùn)營(yíng)，起重機(jī)都扮演了十分重要的角色。起重機(jī)一方面負(fù)責(zé)重大設(shè)備的搬運(yùn)，另一方面也負(fù)責(zé)將平臺(tái)開采出的石油產(chǎn)品向運(yùn)輸船只上調(diào)運(yùn)。因?yàn)楹Ｉ瞎ぷ鞯奶厥庑?，海上石油平臺(tái)上工作的起重機(jī)，除了一般的大載荷、大功率要求以外，還要滿足更高的穩(wěn)定性和可靠性。同時(shí)，海上石油平臺(tái)上工作的起重機(jī)還必須要考慮海風(fēng)的影響，因此要具有較強(qiáng)的抗風(fēng)性能。受到這些條件的限制，海上石油平臺(tái)起重機(jī)械的制造相比于一般起重機(jī)械，要執(zhí)行更加嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。例如，一般的起重機(jī)械制造出廠時(shí)，安全系數(shù)達(dá)到2.0～3.0即可；而海上石油平臺(tái)的起重機(jī)械，制造出廠時(shí)，安全系數(shù)要達(dá)到8.0～10.0，為一般起重機(jī)械的3～5倍。

液壓系統(tǒng)是海上石油平臺(tái)起重機(jī)械的動(dòng)力裝置和控制裝置，比一般起重機(jī)械的液壓系統(tǒng)也有著更為復(fù)雜的組成和構(gòu)造。海上石油平臺(tái)起重機(jī)的液壓系統(tǒng)，包括的重要元件有快換閥門元件、主閥門元件、馬達(dá)元件、操作手柄元件、制動(dòng)器元件、溢流閥元件、主泵元件、補(bǔ)償元件、電磁閥元件、應(yīng)急泵元件、油箱元件和卷?yè)P(yáng)器元件等。

海上石油平臺(tái)起重機(jī)的液壓系統(tǒng)，又可以分為起升子系統(tǒng)和變幅子系統(tǒng)。其中，起升子系統(tǒng)包括變量泵元件、主閥門元件、應(yīng)急泵元件和馬達(dá)元件等。馬達(dá)提供的動(dòng)力經(jīng)過主泵和減壓閥，以適當(dāng)?shù)膲毫Υ笮】刂破鹕直?，主閥門可以進(jìn)一步調(diào)控起升壓力的大小，操控起重機(jī)的起升動(dòng)作。當(dāng)起升動(dòng)作不滿足預(yù)期時(shí)，可以通過應(yīng)急泵進(jìn)行手動(dòng)干預(yù)。變幅子系統(tǒng)包括變量泵元件、主閥門元件、應(yīng)急泵元件、變幅油缸元件、平衡閥門元件和先導(dǎo)手柄元件等。先導(dǎo)手柄有4個(gè)檔位，其中第2個(gè)檔位為停止位、無動(dòng)作。當(dāng)先導(dǎo)手柄調(diào)整到第3個(gè)檔位時(shí)，起重機(jī)向上變幅；當(dāng)先導(dǎo)手柄調(diào)整到第4個(gè)檔位時(shí)，起重機(jī)向下變幅。

1.2 海上平臺(tái)起重機(jī)的液壓系統(tǒng)故障

海上石油平臺(tái)的起重機(jī)械根據(jù)工作內(nèi)容的不同，有很多型號(hào)。其中，25 t起重量的起重機(jī)械最為常見。因此，這里以25 t起重量的起重機(jī)械為例，分析一下其液壓系統(tǒng)可能發(fā)生的故障。

25 t起重量的起重機(jī)械的液壓系統(tǒng)可能出現(xiàn)的故障有很多，如：起升模塊沒有動(dòng)作、起升模塊動(dòng)作無力、起升模塊不能完成下降動(dòng)作、起升模塊自動(dòng)下降但不受系統(tǒng)控制、制動(dòng)模塊制動(dòng)失靈、液壓系統(tǒng)流量不足、液壓系統(tǒng)沒有流量、執(zhí)行模塊動(dòng)作不規(guī)律、應(yīng)急模塊無動(dòng)作、液壓系統(tǒng)過熱、液壓系統(tǒng)有震動(dòng)或噪聲和液壓系統(tǒng)壓力實(shí)效等。這里，為了便于說明起重機(jī)液壓系統(tǒng)的故障，以起升模塊沒有動(dòng)作、起升模塊動(dòng)作無力2項(xiàng)作為代表，給出具體的故障原因分析和應(yīng)對(duì)措施，見表1。

表1 起升模塊沒有動(dòng)作、起升模塊動(dòng)作無力的故障原因和應(yīng)對(duì)措施

2 海上石油平臺(tái)起重機(jī)的液壓元件故障

對(duì)于海上石油平臺(tái)的起重機(jī)而言，除了液壓系統(tǒng)整體上出現(xiàn)故障以外，還有可能因個(gè)別元件故障導(dǎo)致起重機(jī)不能正常工作。這其中，液壓泵元件、液壓缸元件是最有可能出現(xiàn)故障的元件。除了這2個(gè)元件以外，還有可能出現(xiàn)的元件級(jí)別的故障有活塞桿元件不能動(dòng)作、活塞桿元件速度不達(dá)標(biāo)、液壓缸元件持續(xù)爬行狀態(tài)、緩沖元件出現(xiàn)故障、內(nèi)密封元件出現(xiàn)故障、外密封元件出現(xiàn)故障和油缸元件出現(xiàn)噪聲故障。下面，以液壓泵元件和液壓缸元件的故障原因分析和應(yīng)對(duì)措施為例加以闡述，分別見表2和表3。

表2 液壓泵元件的故障原因分析和合理應(yīng)對(duì)措施

表3 液壓缸元件的故障原因分析和合理應(yīng)對(duì)措施

3 海上石油平臺(tái)起重機(jī)的T-S模型故障診斷

通過前面的分析可知，海上石油平臺(tái)起重機(jī)械出現(xiàn)故障的原因，可以分為液壓系統(tǒng)故障和液壓元件故障2大類。但是，這2大類故障的原因十分復(fù)雜，類型多種多樣。同時(shí)，很多不同的原因?qū)е碌墓收媳硐髤s一樣或十分相似，這就給故障原因的判斷造成了很大困難。即便能夠最終準(zhǔn)確地判斷出故障原因，也會(huì)導(dǎo)致維修效率變低。為此，本文提出一種基于T-S模型的故障診斷方法，用于海上石油平臺(tái)起重機(jī)液壓系統(tǒng)故障的自動(dòng)診斷。

T-S模型是建立在故障樹診斷方法之上的一種新方法。故障樹診斷對(duì)于簡(jiǎn)單的故障原因分析是非常有效的，但是對(duì)于海上石油平臺(tái)起重機(jī)液壓系統(tǒng)這種復(fù)雜的故障原因分析就顯得力不從心，主要在于傳統(tǒng)故障樹無法對(duì)全部故障表象和故障原因之間建立所有可能的聯(lián)系，對(duì)于其中的多對(duì)一、一對(duì)多和多對(duì)多等復(fù)雜關(guān)系無法準(zhǔn)確刻畫?；赥-S模型的故障診斷流程如圖1所示。

圖1 基于T-S模型的故障診斷流程

從圖1給出的流程可以看出T-S模型的故障診斷流程：首先，構(gòu)建T-S模糊門故障樹；其次，將各底事件發(fā)生概率和故障程度描述為四邊形模糊樹；再次，根據(jù)T-S模糊門規(guī)則，分別形成已知元件故障的模糊可靠性、已知元件的故障狀態(tài)；然后，根據(jù)已知元件故障的模糊可靠性和已知元件的故障狀態(tài)，求得中間事件和頂事件故障的模糊可靠性；最后，給出分析結(jié)果和意見。

上述T-S模型流程的輸出，用數(shù)學(xué)方式描述為

式中：r表示設(shè)定的模糊規(guī)則；zi表示第i種故障；u（zi）表示第i種故障的隸屬度函數(shù)；βr（z）表示規(guī)則r的執(zhí)行度；Yr表示模糊規(guī)則r下的輸出；Y表示整體輸出；m表示子輸出個(gè)數(shù)；ρ表示隸屬度的個(gè)數(shù)。

由此，以海上石油平臺(tái)起重機(jī)起升模塊自動(dòng)下降的故障為例，進(jìn)行基于T-S模型的故障原因診斷，首先構(gòu)建出T-S故障樹，如圖2所示。

圖2 海上石油平臺(tái)起重機(jī)起升模塊自動(dòng)下降的故障樹

圖2中，X1代表的故障原因是平衡閥的動(dòng)作不良；X2代表的故障原因是卷筒制動(dòng)器磨損過大；X3代表的故障原因是卷筒制動(dòng)器摩擦片失靈；Y1代表的故障類型是制動(dòng)器故障；Y2代表的故障類型是起升模塊自動(dòng)下降；T-S^1、T-S^2代表故障樹的分支節(jié)點(diǎn)。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，X1代表的故障原因，平衡閥的動(dòng)作不良真實(shí)發(fā)生時(shí)，體現(xiàn)的模糊概率是12%；X2代表的故障原因，卷筒制動(dòng)器磨損過大真實(shí)發(fā)生時(shí)，體現(xiàn)的模糊概率是5.6%；X3代表的故障原因，卷筒制動(dòng)器摩擦片失靈真實(shí)發(fā)生時(shí)，體現(xiàn)的模糊概率是4%。

根據(jù)T-S模型故障樹的診斷過程，可以得到制動(dòng)器故障發(fā)生的概率為

按照同樣的方法，可以得到起升模塊自動(dòng)下降故障發(fā)生的概率為P（y2）=0.168。

對(duì)比2個(gè)概率可以明顯看出，起升模塊自動(dòng)下降故障發(fā)生的概率為0.168，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于制動(dòng)器故障發(fā)生的概率（0.042 4），因此通過T-S模型故障樹診斷方法，可以判斷出：海上石油平臺(tái)起重機(jī)此次故障類型為起升模塊自動(dòng)下降。這完全符合真實(shí)情況，從而證實(shí)了本文提出的基于T-S模型的故障診斷方法的有效性。

4 結(jié)束語

海上石油開采具有十分重要的意義，是核心能源補(bǔ)充的重要渠道。起重機(jī)是海上石油平臺(tái)的重要機(jī)械，維護(hù)其安全穩(wěn)定的運(yùn)營(yíng)關(guān)系到海上石油平臺(tái)的工作效率。本文對(duì)海上石油平臺(tái)起重機(jī)的液壓系統(tǒng)進(jìn)行了組成結(jié)構(gòu)分析、系統(tǒng)故障分析和元件故障分析。其中，系統(tǒng)故障分析以起升模塊沒有動(dòng)作、起升模塊動(dòng)作無力2項(xiàng)為例進(jìn)行闡述；元件故障以液壓泵元件和液壓缸元件為例進(jìn)行闡述。在此基礎(chǔ)上，提出了一種基于T-S模型的故障診斷方法，給出了該方法的實(shí)現(xiàn)流程和數(shù)學(xué)模型，并針對(duì)起升模塊自動(dòng)下降這一故障案例進(jìn)行了實(shí)際分析。案例分析結(jié)果顯示：在T-S模型下，起升模塊自動(dòng)下降故障類型發(fā)生的概率明顯高于制動(dòng)器故障的發(fā)生概率，并對(duì)比給出了準(zhǔn)確的判斷。