[英 ] J.利文

1 提高安全度的重要判據(jù)

1.1 得到充分認(rèn)可的設(shè)備

在打算執(zhí)行一項(xiàng)重要安全功能的系統(tǒng)中,通常不宜采用新開發(fā)的設(shè)備或技術(shù)。新開發(fā)部件的故障經(jīng)驗(yàn)有限,人們可能并不完全了解這種設(shè)備的故障模式。如果沒有該設(shè)備用于類似的工程或環(huán)境的先例,貿(mào)然使用可能會(huì)發(fā)生問題,部件可能以不曾預(yù)見的模式發(fā)生故障。由于部件之間不可預(yù)見的相互作用,可能導(dǎo)致更多的故障。同樣,基于新技術(shù)的部件由于技術(shù)還不夠成熟,很難進(jìn)行改進(jìn),制造和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)也不足,不能從中獲益。

1.2 單項(xiàng)故障判據(jù)

在設(shè)計(jì)故障判據(jù)系統(tǒng)時(shí)應(yīng)考慮到,任何單個(gè)部件若發(fā)生故障,應(yīng)不影響系統(tǒng)執(zhí)行其所要求的功能。該原則是基于單個(gè)部件發(fā)生故障的概率相當(dāng)高,而兩個(gè)或多個(gè)部件同時(shí)發(fā)生故障的概率要低得多。

當(dāng)探明一個(gè)部件確實(shí)頻發(fā)故障時(shí),必須特別關(guān)注該部件的設(shè)計(jì)、質(zhì)量保證和性能監(jiān)測。采用得到充分認(rèn)可的設(shè)備的原則變得更加重要。同樣,監(jiān)測部件以保證其性能令人滿意至關(guān)重要。此外,應(yīng)考慮部件可能存在的意外故障模式,以及如何通過良好的設(shè)計(jì)或運(yùn)行實(shí)踐來減輕這些故障模式的影響。

___閘門構(gòu)成了沒有冗余的結(jié)構(gòu)系統(tǒng),而閘墩和其他土建工程結(jié)構(gòu)都有冗余度。如果溢洪道閘門能設(shè)計(jì)為在閘門出現(xiàn)關(guān)閉故障不會(huì)引起洪水淹沒,則該判據(jù)部分是令人滿意的。在大多數(shù)擋水堰處,這對于輔助閘門是可能的,但對通航閘門是不可能的。

1.3 故障自動(dòng)保險(xiǎn)設(shè)計(jì)

如有可能,系統(tǒng)中任何部件的故障應(yīng)將系統(tǒng)移向“安全”狀態(tài)。對于許多系統(tǒng),存在一個(gè)可接受的“安全”狀態(tài),部件故障應(yīng)使系統(tǒng)向該條件轉(zhuǎn)移。

1.4 冗余與差異

任一系統(tǒng)防止個(gè)別部件出現(xiàn)故障主要是采用冗余和/或差異。常常采取設(shè)置兩條或多條相同平行線路的形式,每條線路可獨(dú)立地執(zhí)行所要求的功能。

冗余可提高可靠性的這一基本能力源于這種系統(tǒng)的故障邏輯。如果兩個(gè)重復(fù)通道任一個(gè)發(fā)生故障的概率為 p,則兩個(gè)通道同時(shí)發(fā)生故障的概率為 p2。對于一個(gè)通道,每個(gè)要求的概率 p為 10-2,則每個(gè)要求的系統(tǒng)故障概率為:

在冗余回路中,運(yùn)行模式可能遵循各種模式,取決于系統(tǒng)類型和運(yùn)行。

1.5 共因故障(CCF)

之所以采用冗余來提高可靠性是因?yàn)楦魅哂嗤ǖ朗仟?dú)立的。這意味著,如果一個(gè)通道發(fā)生故障,則另一個(gè)通道的故障概率仍然為 p,亦即為第 1個(gè)通道發(fā)生故障之前的概率。這個(gè)假設(shè)并非不合理,而且令人滿意地代表了許多故障事件。但是,當(dāng)相同(共同)原因?qū)е露鄠€(gè)平行通道發(fā)生故障時(shí),這個(gè)假設(shè)便不再成立。

假設(shè)一個(gè)通道的故障概率 p為 10-2,p分成兩個(gè)分量:pI是獨(dú)立故障模式所占的比例,pC為共因故障模式所占的比例。對于一個(gè)兩通道冗余系統(tǒng),

故障概率并不是 p2,而是如果 pC僅為 5%的量級,則該平行系統(tǒng)的故障概率并不是 10-4(獨(dú)立故障的概率應(yīng)為 10-2),而是:

即故障概率約為 6倍。即使 pC僅為 1%,與完全獨(dú)立的情況相比,系統(tǒng)的故障概率仍約為它的 2倍。

過去對許多 CCF事件的分析說明,對于一個(gè)設(shè)計(jì)良好的系統(tǒng),pC的合理資用估值約為 10%,如果必須將這個(gè)比值大大降低,則需要采取專門的 CCF保護(hù)措施。

CCF事件的發(fā)生源于兩個(gè)經(jīng)常出現(xiàn)的問題:①設(shè)計(jì)錯(cuò)誤,曾導(dǎo)致通道之間非故意的相互作用,或者產(chǎn)生共同的弱點(diǎn);②運(yùn)行錯(cuò)誤(尤其是在維修中的錯(cuò)誤),這類錯(cuò)誤曾造成多重故障。其他原因(也許得到更廣泛的公認(rèn))包括共同的不利環(huán)境條件和外部風(fēng)險(xiǎn),如火災(zāi)、雷擊或爆炸。

1.6 暴露的故障

對于任何部件故障,設(shè)計(jì)意圖應(yīng)為在故障發(fā)生后,運(yùn)行人員應(yīng)盡快發(fā)現(xiàn)部件故障,目的是在沒有采取措施的情況下使系統(tǒng)處于故障狀態(tài)的時(shí)間最短。對于正常運(yùn)行的系統(tǒng),這個(gè)要求可能很簡單,但是對于以備用方式運(yùn)行的保護(hù)系統(tǒng),需要作更多的考慮。最常見的技術(shù)是采用監(jiān)測和報(bào)警系統(tǒng),以便用適當(dāng)?shù)膫鞲衅鳈z測反常情況,并向運(yùn)行人員報(bào)警。

對于溢洪道閘門,許多設(shè)備在兩次試驗(yàn)之間是不工作的,因此,監(jiān)測不發(fā)揮作用。但是,可對供電系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測與報(bào)警,尤其是在閘門電源與大壩辦公室電源分開,工作人員可能不能發(fā)現(xiàn)電源跳閘的場合。

1.7 試 驗(yàn)

后備保護(hù)系統(tǒng),如擋水閘門,可能在很長的時(shí)期內(nèi)閑置。在沒有故障監(jiān)測系統(tǒng)的情況下,部件質(zhì)量下降或故障只有在實(shí)際要求時(shí)才會(huì)顯示出來。假設(shè)部件故障隨時(shí)發(fā)生,系統(tǒng)處于故障狀態(tài)的概率大致隨上一次要求以來經(jīng)過的時(shí)間呈線性增加。

1.8 人類工程學(xué)設(shè)計(jì)

雖然擋水設(shè)備的設(shè)計(jì)能使其有效與可靠地運(yùn)行,但也必須易于運(yùn)行。對于沒有自動(dòng)控制的手動(dòng)操作閘門,設(shè)備尤其是控制系統(tǒng)應(yīng)反映良好的人類工程學(xué)實(shí)踐。

1.9 培 訓(xùn)

應(yīng)對所有可能在應(yīng)急情況下操作閘門的員工進(jìn)行培訓(xùn),并讓他們定期練習(xí)閘門操作。經(jīng)初步培訓(xùn)后,頒發(fā)相關(guān)的資格證書(有效期為 3～5 a)。只有經(jīng)證明有例行閘門操作的良好實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和參與多次應(yīng)急練習(xí)的工作人員才可重新取得資格證書。

2 溢洪道閘門的故障自動(dòng)保險(xiǎn)設(shè)計(jì)

在應(yīng)急情況下,溢洪道閘門應(yīng)是故障自動(dòng)保險(xiǎn)的。許多保護(hù)系統(tǒng)都有一個(gè)可接受的“安全”狀態(tài),部件故障應(yīng)引起系統(tǒng)朝著該條件轉(zhuǎn)移。

故障自動(dòng)保險(xiǎn)運(yùn)行通常采取打開溢洪道閘門的形式,下泄由洪水引起庫水位上升的那部分水量,防止水流越過門頂和庫水位接近壩頂。洪水下泄應(yīng)不危及河流用戶或引起河流泛濫,如果不可避免,應(yīng)給出報(bào)警。在某些場合,故障自動(dòng)保險(xiǎn)運(yùn)行可能涉及關(guān)閉而非開啟閘門。

在應(yīng)急開閘后,隨后的流量控制也會(huì)引起破壞事件。當(dāng)溢洪道有多扇閘門時(shí),同時(shí)打開多扇閘門可能引起泄水涌浪問題,對生命財(cái)產(chǎn)造成嚴(yán)重危險(xiǎn)。

對于不同的閘門已經(jīng)實(shí)施了不同的解決辦法,以達(dá)到故障自動(dòng)保險(xiǎn)的設(shè)計(jì)。

2.1 滾筒式閘門和扇形閘門

圖1 滾筒式閘門和扇形閘門

圖 1所示的這類閘門是首例用水位操作的自動(dòng)閘門,如位于蘇格蘭皮特洛赫里的閘門。滾筒式閘門是利用差壓閥和運(yùn)行閥控制水流而運(yùn)行的。運(yùn)行涉及鋼絲繩、許多滑輪和數(shù)段鋼絲繩引起的彈性負(fù)荷。該設(shè)備易受地震風(fēng)險(xiǎn)。在某些設(shè)備中,在彎曲面上下泄洪水,當(dāng)形成自由溢流水舌時(shí),導(dǎo)致閘門振動(dòng)。另外還必須采取水舌通氣措施。也可通過按小功率電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)按鈕,運(yùn)作控制差動(dòng)閥的鋼絲繩來手動(dòng)操作閘門。為了保證在電源故障時(shí)仍能進(jìn)行操作,控制電動(dòng)機(jī)通常備有蓄電池。

2.2 自潰閘門

在過去 20 a里,某些溢洪道閘門已經(jīng)安裝了用水位操作的自潰閘門(圖 2)。若發(fā)生較小洪水,它們的作用如同一個(gè)迷宮堰。若發(fā)生較大洪水,水流流進(jìn)井中,進(jìn)入設(shè)置在底檻上的斗底。當(dāng)水庫蓄水位達(dá)到設(shè)計(jì)洪水位時(shí),作用于斗底上的揚(yáng)壓力和自潰閘門重心的改變引起閘門傾覆。然后,當(dāng)水庫蓄水位達(dá)到混凝土底檻水位時(shí),自潰閘門恢復(fù),并重新定位。有時(shí),自潰閘門不能重新使用。

圖 2 自潰閘門的操作和通過井的斷面

現(xiàn)有大壩選擇自潰閘門的主要判據(jù)為:①施加于大壩上的附加負(fù)荷;②控制庫水位要求的限制條件;③洪水過后恢復(fù)自潰閘門段所需要的時(shí)間和開展的工作;④更換/修理損壞的閘門段或可重新使用單元的可能性;⑤引起自潰閘門傾覆的洪水事件的概率。

2.3 其他水位操作的閘門

水位操作的閘門大多數(shù)為滾筒式、扇形或自潰閘門,但也不盡然。在葡萄牙,許多溢洪道安裝了弧形閘門,它們依賴于浮力和配重系統(tǒng)工作。在南非,研制了某些依靠浮箱工作的閘門,浮箱與面板相結(jié)合(圖 3)。當(dāng)水流溢過閘門時(shí),水舌必須通氣。

圖 3 堰頂自動(dòng)閘門

以上兩例閘門的運(yùn)行信息很少,因?yàn)樯形磸V泛推廣使用。自動(dòng)水位操作存在的主要缺點(diǎn)是控制閘門運(yùn)行的堰的入口可能被漂流物堵塞,以及難以正確設(shè)計(jì)控制閘門泄水的堰。

2.4 電力操作的閘門

電力操作溢洪道閘門的可靠性要求必須包括整套裝置,因此,任何閘門操作設(shè)備、控制器或儀表的單個(gè)隨機(jī)故障不妨礙閘門的操作。這是基于單個(gè)故障的概率相當(dāng)高,而兩個(gè)或多個(gè)部件同時(shí)出現(xiàn)故障的概率要低得多。

在閘門設(shè)計(jì)中,包括了冗余,以達(dá)到深層次的保護(hù)。但是,這不適用于閘門和土建工程。因此,還介紹了某些閘門裝置的設(shè)計(jì)特性,以提供故障自動(dòng)保險(xiǎn)的條件。

電力操作的主要作用是提升閘門。可通過受控的重力或小功率電力輸入來關(guān)閉閘門,以克服低的傳輸效率。許多陳舊的閘門裝置,將閘門卷揚(yáng)機(jī)鋼絲繩或鏈條延伸,以懸掛在一條管道或一個(gè)深坑中運(yùn)行的配重。在這些情況下,配重的唯一功能是降低提升力。

若鋼絲繩上的配重超過提升力,則閘門需要電力關(guān)閉。這種閘門在重力下的開門速度一直受起調(diào)速器作用的離心旋轉(zhuǎn)配重的控制。

對于斯里蘭卡的維多利亞壩,人們認(rèn)為,溢洪道閘門故障自動(dòng)保險(xiǎn)的開啟非常重要。吉布堰頂自動(dòng)閘門為弧形閘門,將其閘門支臂延伸用來安裝配重,以便能永久性地具有打開閘門的功能。油壓缸在支臂中間位置,持住閘門,使其保持關(guān)閉。浮子系統(tǒng)測量庫水位的上升,以打開油壓控制的閥門。這允許閘門完全打開,或者當(dāng)水流停止時(shí),將活塞打開到預(yù)定位置,當(dāng)庫水位進(jìn)一步增加時(shí),打開一系列階梯形布置的閘門孔口中的下一個(gè)閥門。關(guān)閉閘門需要電動(dòng)油泵,并以相反的次序由庫水位控制。

在維多利亞壩,閘門操作系統(tǒng)的發(fā)明人聲稱,與無控水流相比,在不增加大壩高度的情況下,水庫庫容增加 28%。

底部裝有鉸鏈的溢洪道閘門常常用于河口堤壩,以防潮水風(fēng)暴涌浪。在這種情況下,故障自動(dòng)保險(xiǎn)系統(tǒng)用于閘門的關(guān)閉。還有一種液壓操作的溢洪道弧形閘門,其后備系統(tǒng)完全分開與獨(dú)立,由一對輔助臂和一個(gè)電動(dòng)渦輪傳動(dòng)的液壓油泵所組成。該后備系統(tǒng)可取代主操作系統(tǒng)運(yùn)行,無論主系統(tǒng)是何種故障模式,均能提升閘門。該系統(tǒng)也適用于用液壓缸操作的溢洪道垂直閘門。

2.5 小 結(jié)

某些電力操作系統(tǒng),除了幾個(gè)故障點(diǎn)外,可設(shè)計(jì)為部分重復(fù)的。但是,機(jī)械傳動(dòng)系列幾乎均為串聯(lián)系統(tǒng),任何單個(gè)部件的故障會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)故障。與溢洪道閘墩和其他土建建筑物一樣,閘門是一個(gè)沒有冗余的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。

溢洪道閘門是安全關(guān)鍵系統(tǒng)。如有可能,故障自動(dòng)保險(xiǎn)設(shè)計(jì)應(yīng)將系統(tǒng)移向“安全”狀態(tài)。在評估大壩溢洪道閘門的可靠性時(shí),這極為重要。

3 共因故障

在設(shè)計(jì)安全關(guān)鍵系統(tǒng)時(shí)應(yīng)考慮到,任何單個(gè)部件若出現(xiàn)故障,應(yīng)不影響系統(tǒng)執(zhí)行所要求的功能。

任何一個(gè)系統(tǒng)應(yīng)對個(gè)別部件故障主要是采用冗余和/或差異。通常,采取設(shè)置兩條或多條相同平行線路的形式,每條線路能獨(dú)立地執(zhí)行所要求的功能。

溢洪道閘門設(shè)計(jì)易受到由環(huán)境和外部風(fēng)險(xiǎn)、維修缺陷和設(shè)計(jì)引起的許多共因事件的影響。必須考慮這些因素,并加以消除,如果不能消除,則考慮減輕這些影響。必須考慮如下因素。

3.1 環(huán)境 CCF

(1)利用密封外殼防止天氣影響;

(2)電纜敷設(shè)在鋼管中;

(3)外殼密封;

(4)濕氣入侵使電纜品質(zhì)降級;

(5)按現(xiàn)代標(biāo)準(zhǔn)接地;

(6)防雷保護(hù);

(7)抗震穩(wěn)定性;

(8)面板組件及其加勁部件的結(jié)構(gòu)故障;

(9)閘門支臂的結(jié)構(gòu)故障;

(10)市電電源;

(11)變壓器基礎(chǔ)或機(jī)架;

(12)備用發(fā)電機(jī)機(jī)架;

(13)起動(dòng)器蓄電池結(jié)構(gòu)支撐;

(14)控制盤倒塌;

(15)電纜架倒塌;

(16)懸掛照明設(shè)備倒塌。

3.2 外部風(fēng)險(xiǎn) CCF

(1)市電電源故障;

(2)備用發(fā)電裝置起動(dòng)和運(yùn)行出現(xiàn)故障;

(3)要求分開的公用電纜敷設(shè);

(4)保護(hù)管道不受外部事件的影響;

(5)運(yùn)行閘門的不同措施,例如,可連接到閘門傳動(dòng)系列的便攜式柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、可移動(dòng)的柴油發(fā)電機(jī)和插入式設(shè)施、可移動(dòng)的油壓動(dòng)力裝置。

3.3 消防設(shè)計(jì) CCF

(1)負(fù)荷均恒,在閘門的每一側(cè)提供閘門卷揚(yáng)機(jī)鋼絲繩;

(2)提供閘門負(fù)荷平衡桿,它必須與自潤滑軸瓦相結(jié)合,以防腐蝕引起的卡死;

(3)提供自潤滑樞軸的軸承以及潤滑,以防軸承非負(fù)荷表面潮氣積累;

(4)用于機(jī)械傳動(dòng)的替代電動(dòng)機(jī);

(5)主傳動(dòng)蝸桿齒輪箱的額定值下降;

(6)所有齒輪箱安裝有帶干燥劑過濾器的呼吸器;

(7)采用得到充分認(rèn)可的設(shè)備。

3.4 油壓設(shè)備

(1)雙重的電動(dòng)機(jī)和油泵單元;

(2)停用時(shí)移去泵的負(fù)荷(不用高壓釋放閥);

(3)可手動(dòng)操作和用手動(dòng)操作閥隔離的雙重方向控制閥;

(4)閘門每側(cè)的卷揚(yáng)機(jī)液壓缸之間的壓力補(bǔ)償管道,即使壓力管道敷設(shè)在兩液壓缸的中央;

(5)采用自動(dòng)調(diào)整軸承操作安裝在萬向支架上的液壓缸和連接到閘門的活塞;

(6)提供手動(dòng)泵;

(7)為液壓動(dòng)力裝置提供插頭;

(8)如果液壓動(dòng)力裝置采用常規(guī)油壓液,萬一將來情況發(fā)生變化,該系統(tǒng)仍應(yīng)設(shè)計(jì)成采用環(huán)境適宜的壓力液操作。

3.5 操作 CCF

(1)應(yīng)提供明確的且作了詳細(xì)說明的應(yīng)急措施,并加以定期演習(xí);

(2)應(yīng)對工作人員進(jìn)行定期培訓(xùn),并頒發(fā)資格證書;

(3)應(yīng)進(jìn)行定期操作試驗(yàn)。

3.6 人體工程學(xué)設(shè)計(jì)

(1)控制應(yīng)系統(tǒng)性設(shè)計(jì),并加上明確的標(biāo)志;

(2)應(yīng)顯示系統(tǒng)狀態(tài);

(3)應(yīng)報(bào)警或顯示設(shè)備的故障狀態(tài);

(4)臨時(shí)取代自動(dòng)控制的手動(dòng)控制裝置或旁路應(yīng)由鍵聯(lián)鎖。

4 結(jié) 語

早在 2004年就有專家提出了溢洪道閘門的可靠性原理。上述弧形閘門的可靠性要求是設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)。在不能提供冗余的場合,設(shè)備可能發(fā)生 CCF故障,宜采用按高標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)并得到充分認(rèn)可的設(shè)備進(jìn)行處理。