動力定位船舶的FMEA介紹

沈錦康

(中國石化集團上海海洋石油局,上海 201206)

0 引言

近年來隨著我國經(jīng)濟的較快發(fā)展,能源需求大幅增長,石油天然氣資源的勘探開發(fā)從陸地逐步轉(zhuǎn)向海洋,越來越多的動力定位2級或3級(Dynamic Positioning System,以下簡稱DP2和DP3)海洋工程船舶和平臺在國內(nèi)船廠建造。但是,由于國內(nèi)相關(guān)規(guī)范和技術(shù)的匱乏,參與的設(shè)計院、設(shè)備供應(yīng)商和船廠良莠不齊;再加上船級社的規(guī)范及相關(guān)機構(gòu)的行業(yè)規(guī)則在不斷的完善和更新中,這就給 DP船舶的設(shè)計、建造、檢驗及運營管理都帶來了難題和挑戰(zhàn)。FMEA(Failure Modes＆Effects Analyses故障模式和失效影響分析)可以貫穿DP船舶設(shè)計、建造、檢驗和運營管理整個過程并和其平行進行,幫助我們及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計、設(shè)備及各系統(tǒng)的問題并提出整改完善意見,避免在船舶建造階段的重大改動,或重新訂購設(shè)備等引起的時間和經(jīng)濟損失。

1 DP系統(tǒng)相關(guān)的概念簡要介紹

本文涉及的概念較多,在具體闡述FMEA之前,我們先就DP相關(guān)的概念做簡單的介紹。

DP船舶:指只依靠自身推進器推力來自動保持船位和艏向的船舶。

DP系統(tǒng):通常包括動力系統(tǒng)、推進器系統(tǒng)、DP控制系統(tǒng)及獨立操作桿系統(tǒng)。

DP控制系統(tǒng):通常包括控制計算機,、傳感器、位置參考系統(tǒng)、操作終端及相關(guān)的電纜及其路由。

按照國際海事組織(IMO)在1994年的DP船舶指導(dǎo)準則,根據(jù)發(fā)生單點故障引起的后果,DP級別定義如下:

DP1:發(fā)生單點故障后可能失位。DP1船舶失位后可能導(dǎo)致輕微的污染和少許的經(jīng)濟損失,但不能給人員造成嚴重傷害。

DP2:主動性的部件和系統(tǒng)發(fā)生單點故障后不能引起船舶失位。DP2船舶失位后可能導(dǎo)致嚴重的污染和重大經(jīng)濟損失,并造成人員傷害。

DP3:除了主動性的部件和系統(tǒng),還包括任何在一個水密和防火物理分隔艙室內(nèi)所有靜態(tài)部件發(fā)生故障后不能引起船舶失位。DP3船舶失位后可能導(dǎo)致嚴重的污染和重大破壞,并給人員造成致命傷害。

DP等級的區(qū)分是從非預(yù)期的最后后果(失去船位和艏向)發(fā)生后,事故的嚴重程度來劃分的。

DP1和DP2船舶的主要區(qū)別是DP1船舶是發(fā)生故障后,失去船位和艏向是可以被接納的,而 DP2船舶發(fā)生預(yù)定義的單點故障后,在設(shè)計的海況下必須能保持住船位和艏向;DP2和DP3船舶的主要區(qū)別是考慮的故障模式范圍不同,DP3船舶和平臺分析時包括所有DP2的故障模式,此外還得考慮到艙室進水和起火,就是引入了對冗余的系統(tǒng)和器件進行物理分割的概念。

2 DP船舶FMEA的起源和分析方法

約30年前在DP船舶出現(xiàn)后不久,NMD(Norwegian Maritime Directorate挪威海事管理當(dāng)局)引入了后果分析的概念,其核心要點是:只有在預(yù)定義的最惡劣的故障不會導(dǎo)致非預(yù)期的后果時才能進行DP作業(yè)。在1977年DNV(DET NORSKE VERITAS挪威船級社)建立起 DP2入級規(guī)范時,要求有支持文件來證明設(shè)計者所聲明的冗余解決方案;NMD在首次推出DP指導(dǎo)規(guī)則時,要求船舶建造商選擇做一個FMEA報告,或者在試航時做故障模式分析。不久國際海事合同承包商協(xié)會(IMCA)成立了專門的DP船舶船東分協(xié)會(DPVOA),并出版了有關(guān)FMEA的指導(dǎo)原則和每年的DP事故報告,后來其他船級社陸續(xù)把FMEA報告和試驗作為DP船舶入級要求。

FMEA是一種能具體深入到各個層面的系統(tǒng)化的分析方法,來證實單點故障不會導(dǎo)致非預(yù)期的后果。FMEA的規(guī)則最初由美國軍方于1949年制定,廣泛應(yīng)用于軍事和航空航天領(lǐng)域。經(jīng)過不斷的發(fā)展,越來越多的行業(yè)應(yīng)用了FMEA,并發(fā)展到船舶行業(yè)。而對于DP船舶來說,就是單點故障不能導(dǎo)致位置和艏向失敗。FMEA分析方法應(yīng)用到了著名的墨菲理論(Murph′s Law),就是“任何事物能發(fā)生故障,應(yīng)發(fā)生故障”,因此“故障樹”分析方法得到廣泛應(yīng)用。在整個系統(tǒng)中從上到下和從下到上的分析步驟能平行進行,每個層面由面及點,從系統(tǒng)到子系統(tǒng)再到設(shè)備,進而深入到部件仔細分析。

同時FMEA還能結(jié)合ROM(可靠性、可操作性和可維護性)分析,指出潛在的技術(shù)風(fēng)險,特別是能影響DP船舶冗余性的風(fēng)險。

3 FMEA的目的、必要性和重要性

DP船舶通過FMEA分析可以找出船舶設(shè)計、建造、主要設(shè)備和系統(tǒng)中不能滿足IMO和各船級社規(guī)范之處,找出潛在故障模式和風(fēng)險并分析原因,避免在船舶建造階段因為大的改動,重新訂購設(shè)備等引起的時間和經(jīng)濟損失。

FMEA詳細闡明DP各系統(tǒng)之間的相互作用和互為冗余的系統(tǒng),定義出最嚴重的單點故障,評估每種故障模式的影響并進行后果分析,同時給出降低或消除每種故障模式和其帶來風(fēng)險的方法。撰寫FMEA報告和試驗程序并做實船實驗加以驗證。

目前DP船舶系統(tǒng)全面的FMEA報告和試驗已經(jīng)列入主要船級社 DP入級的審核部分,一份真實可靠的FMEA報告不僅能證實船舶滿足船東或租家的需要,還能提升雙方對船舶操作安全性和適租性的信心。由于人類對HSE(健康安全環(huán)境)的要求越來越嚴格,越來越多的船東和運營公司把FMEA作為安全和風(fēng)險管理的一部分。

FMEA分析為船舶操作和維護人員帶來方便,船舶操作人員能從FMEA報告中得到每一故障模式的處理步驟,結(jié)合海況、環(huán)境評估風(fēng)險做出應(yīng)急預(yù)案;維護人員能找到每一故障模式的可能原因,找到降低或消除的方法,并制定維護計劃。

4 FMEA的流程和分析要點

做FMEA是一個交互的過程,達成協(xié)議后,服務(wù)商先和買家(船東、船廠或租家)確定FMEA標準,有經(jīng)驗的FMEA服務(wù)商會將各船級社規(guī)范和IMO規(guī)定有沖突的地方提醒買家注意。確定標準后,FMEA服務(wù)商會給出一個需要由設(shè)計院、船廠和主要設(shè)備商提供的文件清單,收到后就可以著手分析,并和各方就具體技術(shù)問題開始溝通和澄清。根據(jù)需要其等級分為 3級,見表 1。

表1 FM EA等級要求

在A類問題得到解決后,FMEA服務(wù)商在完成書面分析后,會把撰寫的包含有試驗程序的報告提交船級社等待批復(fù)。在船舶試航前,FMEA服務(wù)商還要在碼頭做管系和布線檢查,DP3船舶還得進行防水和防火分割檢查。

FMEA的海上試驗通常在相關(guān)船舶設(shè)備已調(diào)試完好,所有測試項目完成之后,特別是主機推進器、發(fā)電機及其配電系統(tǒng)、DP系統(tǒng)。所有由計算機控制的系統(tǒng)都必須功能良好,并有船廠和這些設(shè)備商技術(shù)服務(wù)人員配合。

注意:所有的電腦控制系統(tǒng)包括它們的監(jiān)視器和報警打印機需要正常工作,影像捕捉和報警打印機紙上記錄將被認為是FMEA報告和驗證試驗的證明材料。船長負責(zé)驗證性試驗中的安全,可以在認為必要的任何時間接管控制船舶。

FMEA分析要涵蓋整個DP系統(tǒng),并深入到各個系統(tǒng)的主要部件:

(1)對所有系統(tǒng)之間相互影響的框圖描述。

(2)所有的故障模式和可預(yù)見的原因。

(3)各種故障模式對船舶定位能力的影響和檢測方法。

(4)各設(shè)備商如DP、PMS和推進器的FMEA應(yīng)集成到整船的FMEA報告體系。

5 DP船舶FMEA的執(zhí)行標準和各船級社規(guī)范

(1)FMEA的執(zhí)行標準主要就是各船級社和IMO的規(guī)范,同時IMCA出版了一系列出版物給出了FMEA的指導(dǎo)意見,其每年出版的DP事故報告具有重要的參考價值,也是各主要船級社修改 DP入級規(guī)范的根據(jù)。各主要船級社的 DP入級規(guī)范大同小異,DNV相對來說更具體,涵蓋了設(shè)備、建造、安裝、檢驗和運營的每個環(huán)節(jié),其對發(fā)生單點故障規(guī)定的范圍更大,對冗余的規(guī)定也嚴格些。后面我們就單點故障范圍和DP船舶各主要系統(tǒng)冗余達成將作簡要描述。

(2)對于DP2船舶,主動性的元器件和系統(tǒng)發(fā)生單點故障不能引起船舶失位。發(fā)生單點故障的范圍不僅包括主動性的元器件和系統(tǒng),還包含:單一的誤操作;新的故障出現(xiàn)后隱藏的系統(tǒng)性的缺陷和故障;由外部事件引起的自動干預(yù);沒有得到足夠保護的靜態(tài)元件。

對于DP3船舶,不僅包括所有DP2需要考慮的范圍,還包含:DP系統(tǒng)所有的靜態(tài)元器件;一個防水防火艙室里的所有元器件;一個防火分區(qū)里的所有元器件。

另外DNV還補充規(guī)定把冷卻器、過濾器、電動(氣動)閥、動力機械的管系、燃油、燃油日用油艙,電氣和電子設(shè)備等也看作主動性的元器件。這就對管系的布局提出了更高的要求。

(3)冗余的要求

可以簡單地認為冗余是單點故障發(fā)生后,元器件和系統(tǒng)恢復(fù)其原有功能的能力。冗余可以用安裝多重有同樣功能的元器件和系統(tǒng)以及替代方式來實現(xiàn)。DP2和DP3級別的達成完全是因為在船舶動力系統(tǒng)、推進系統(tǒng)和 DP控制系統(tǒng)中采用了冗余的解決方案。

以圖1和圖 2中的 DP2常規(guī)推進船的動力和推進器配置來舉例說明:

①1號艏側(cè)推和2號艏側(cè)推都能為船艏部提供橫向推力,是相互冗余的;

②1號艉側(cè)推和2號艉側(cè)推都能為船艉部提供橫向推力,是相互冗余的;

③左主推進和右主推進都能為船提供縱向推力,是相互冗余的;

④1號與 2號主機及其齒輪箱軸系和 3號與 4號主機及其齒輪箱軸系是相互冗余的;

⑤1號軸帶發(fā)電機為 1號艏側(cè)推和 1號艉側(cè)推提供驅(qū)動電力,是相互冗余的。

所以FMEA分析的目標就是任何單點故障都不能使以上各項中相互冗余的兩者同時失效。

圖1 DP2船舶動力和推進器系統(tǒng)配置圖

圖2 DP2船舶電氣系統(tǒng)單線示意圖

從圖中還可以進一步分析得到:分別為1號與2號主機及其齒輪箱軸系、1號艏側(cè)推和 1號艉側(cè)推服務(wù)的輔助泵,其動力和控制電源均接自1號柴油發(fā)電機配電系統(tǒng),所以任何單點故障都不能導(dǎo)致 2臺柴油發(fā)電機同時停機或脫扣。

1號與 2號主機和 3號與 4號主機之間達成了更高的冗余:主推和齒輪箱安裝機帶滑油泵,或者是有冗余供電的雙電動潤滑、冷卻和執(zhí)行機構(gòu)。我們假設(shè)這在本例中實現(xiàn)了 1號柴油發(fā)電機母排短路不會引起 1號與 2號主機、左主推和齒輪箱故障等停機,那么本船在預(yù)定的DP操作狀態(tài)下,最嚴重的單點故障就是:左齒輪箱故障。因為能引起左主推和軸帶發(fā)電機停止,進而失去 1號艏側(cè)推和 1號艉側(cè)推,使本船 DP定位能力降低。但還有 2號艏艉側(cè)推在船艏和船艉提供橫向推力,右主推還可提供縱向推力,在設(shè)計海況下船舶仍能保持動力定位。

如果2臺舵機參與 DP控制,也要適用以上的規(guī)則。

(4)船舶管系也影響到冗余的實現(xiàn)

下面以DNV規(guī)范為例來作簡要說明。

燃油系統(tǒng):提供必要冗余的系統(tǒng)之間必須有分開的燃油管系和日用油艙,之間的跨接是可以接受的。如果DP操作時油品需要加熱,其加熱系統(tǒng)也得有冗余。

冷卻水系統(tǒng):提供必要冗余的系統(tǒng)之間必須有分開的冷卻管系包括膨脹水箱。

滑油系統(tǒng):單個設(shè)備如柴油機、齒輪箱、推進器等滑油系統(tǒng)應(yīng)各自成體系。

壓縮空氣系統(tǒng):提供必要冗余的系統(tǒng)之間必須有分開的壓縮空氣系統(tǒng)。

對于DP3船舶,以上各項和通風(fēng)系統(tǒng)還得要防水和防火分割。

(5)冗余對推進器的配置和布置提出了要求。在發(fā)生嚴重的單點故障后,船舶除了能保持位置和艏向外,還能保持以指定點為中心的轉(zhuǎn)船能力(YAW)。此外,DNV在2008版DP規(guī)范中明確規(guī)定基于推進器停止和重新啟動不能被認為是冗余,這就提高了推進器的配置要求。

2008版DNV規(guī)范對DP船舶電站保護系統(tǒng)、電站管理系統(tǒng)(PMS)和推進控制保護系統(tǒng)進行具體細化:即必須有冗余的PMS系統(tǒng),在PMS關(guān)閉時電站系統(tǒng)也能正常工作;需要合閘運行的母排聯(lián)絡(luò)開關(guān)必須有短路保護、不平衡電流監(jiān)控保護、有功電流和無功電流監(jiān)控保護功能,以免單個發(fā)電機勵磁或調(diào)速器故障蔓延到和其并列運行的其他發(fā)電機而引起全船失電;發(fā)電機突然停機不能引起和其并列運行的其他發(fā)電機因過載脫扣導(dǎo)致全船失電,DP控制系統(tǒng)、PMS和推進器控制保護的減持負載功能應(yīng)根據(jù)其反應(yīng)時間相互協(xié)調(diào)實現(xiàn)這一目標。

(6)普通DP3和DP2船舶比起來只是減輕了故障發(fā)生后的后果,而并沒有增加冗余度。由于人們對安全性要求的不斷提高,出現(xiàn)了增強型的DP3船舶(DP3+概念),如圖3和圖4所示(圖中數(shù)字為推進器編號)。

圖3 普通DP3船動力及分隔布置圖

普通DP3船,動力、推進和DP控制系統(tǒng)由A60艙壁做了 1/2分隔如圖 3中用 2種不同色深區(qū)域所示。發(fā)生單點故障后,最多可丟失約 1/2的動力和推進能力。

圖4 增強DP3(DP3+)船動力及分隔布置圖

增強DP3(DP3+)船,動力、推進和DP控制系統(tǒng)由A60艙壁做了1/3分隔如圖 4中用 3種不同色深區(qū)域所示。發(fā)生單點故障后,最多可丟失約 1/3的動力和推進能力。

6 FMEA介入的時間和FMEA設(shè)計公司的選擇

最理想的做法是從新造船設(shè)計開始階段就介入FMEA并和建造、檢驗、運營平行進行,它能避免在船舶建造階段因為設(shè)計或設(shè)備缺失而引起大的改動,浪費時間和造成經(jīng)濟損失。對于運營船舶,在重要設(shè)備改動和修理、DP升級、換船級、船體結(jié)構(gòu)改動、船舶用途改動等情況下都需要重新做FMEA。

FMEA是一項技術(shù)和經(jīng)驗密集性服務(wù),找到對DP船舶各個領(lǐng)域都很精通的個人是不太現(xiàn)實的,所以FMEA也是一個團隊工作,一般來說會希望:

(1)團隊成員有多方面的技術(shù)和經(jīng)驗,如設(shè)計造船,設(shè)備和運行操作維護等。

(2)需深入細致了解DP船舶和各個系統(tǒng),如: DP、PMS、電站、推進、管系和動力等。如果是DP3船舶還需要有結(jié)構(gòu)方面的人員參與。

(3)熟悉IMO和各船級社的規(guī)范,IMCA的指導(dǎo)原則,并能了解和借鑒IMCA出版的DP事故報告。

(4)必須獨立于設(shè)計院、船廠和主要設(shè)備供應(yīng)商的第三方。

7 DP操作手冊簡介

DP操作手冊需要涵蓋 DP操作的所有相關(guān)信息,通常包含:

(1)引言和介紹;組織和責(zé)任。

(2)描述DP操作員、船廠、維護人員及項目代表等人員在進入DP操作前后的具體職責(zé)。

(3)船舶的基本參數(shù),介紹重要設(shè)備的基本狀況、位置和注意事項等。

(4)整船DP系統(tǒng)描述,介紹船舶的動力、配電、參照、推進等系統(tǒng),描述進入、保持和脫離 DP模式的操作步驟。

(5)DP操作程序及DP試驗程序,描述各種DP模式的操作、切換步驟。

(6)DP操作應(yīng)急預(yù)案,如惡劣水文和氣象條件、視線受阻、有推進器不可用、有推進器滿負載、失去冗余等情況時的應(yīng)急預(yù)案。

(7)DP能力分析報告,這個有助于各方了解在健康狀況下,失去某個推進器和發(fā)生最嚴重的單點故障后船舶的DP定位能力,結(jié)合水文和氣象條件來制定應(yīng)急預(yù)案。

(8)DP檢查表,描述整個DP檢查維護的信息。

(9)FMEA報告及DP事故報告程序。

8 結(jié)語

FMEA已經(jīng)成為DP船舶入級檢驗的必需文件,其重要性越來越受到各方重視。專業(yè)的FMEA不僅能細致分析每一種可能的故障模式,還會成為船舶設(shè)計、建造和營運過程中全程的顧問。