沈錦康

(中國(guó)石化集團(tuán)上海海洋石油局,上海 201206)

0 引言

近年來(lái)隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的較快發(fā)展,能源需求大幅增長(zhǎng),石油天然氣資源的勘探開(kāi)發(fā)從陸地逐步轉(zhuǎn)向海洋,越來(lái)越多的動(dòng)力定位2級(jí)或3級(jí)(Dynamic Positioning System,以下簡(jiǎn)稱DP2和DP3)海洋工程船舶和平臺(tái)在國(guó)內(nèi)船廠建造。但是,由于國(guó)內(nèi)相關(guān)規(guī)范和技術(shù)的匱乏,參與的設(shè)計(jì)院、設(shè)備供應(yīng)商和船廠良莠不齊;再加上船級(jí)社的規(guī)范及相關(guān)機(jī)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(jì)、建造、檢驗(yàn)及運(yùn)營(yíng)管理都帶來(lái)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(jì)、建造、檢驗(yàn)和運(yùn)營(yíng)管理整個(gè)過(guò)程并和其平行進(jìn)行,幫助我們及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)、設(shè)備及各系統(tǒng)的問(wèn)題并提出整改完善意見(jiàn),避免在船舶建造階段的重大改動(dòng),或重新訂購(gòu)設(shè)備等引起的時(shí)間和經(jīng)濟(jì)損失。

1 DP系統(tǒng)相關(guān)的概念簡(jiǎn)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(jiǎn)單的介紹。

DP船舶:指只依靠自身推進(jìn)器推力來(lái)自動(dòng)保持船位和艏向的船舶。

DP系統(tǒng):通常包括動(dòng)力系統(tǒng)、推進(jìn)器系統(tǒng)、DP控制系統(tǒng)及獨(dú)立操作桿系統(tǒng)。

DP控制系統(tǒng):通常包括控制計(jì)算機(jī),、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(guó)際海事組織(IMO)在1994年的DP船舶指導(dǎo)準(zhǔn)則,根據(jù)發(fā)生單點(diǎn)故障引起的后果,DP級(jí)別定義如下:

DP1:發(fā)生單點(diǎn)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(jì)損失,但不能給人員造成嚴(yán)重傷害。

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

DP3:除了主動(dòng)性的部件和系統(tǒng),還包括任何在一個(gè)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(yán)重的污染和重大破壞,并給人員造成致命傷害。

DP等級(jí)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(yán)重程度來(lái)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(diǎn)故障后,在設(shè)計(jì)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(tái)分析時(shí)包括所有DP2的故障模式,此外還得考慮到艙室進(jìn)水和起火,就是引入了對(duì)冗余的系統(tǒng)和器件進(jìn)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(diǎn)是:只有在預(yù)定義的最惡劣的故障不會(huì)導(dǎo)致非預(yù)期的后果時(shí)才能進(jìn)行DP作業(yè)。在1977年DNV(DET NORSKE VERITAS挪威船級(jí)社)建立起 DP2入級(jí)規(guī)范時(shí),要求有支持文件來(lái)證明設(shè)計(jì)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(shí),要求船舶建造商選擇做一個(gè)FMEA報(bào)告,或者在試航時(shí)做故障模式分析。不久國(guó)際海事合同承包商協(xié)會(huì)(IMCA)成立了專門的DP船舶船東分協(xié)會(huì)(DPVOA),并出版了有關(guān)FMEA的指導(dǎo)原則和每年的DP事故報(bào)告,后來(lái)其他船級(jí)社陸續(xù)把FMEA報(bào)告和試驗(yàn)作為DP船舶入級(jí)要求。

FMEA是一種能具體深入到各個(gè)層面的系統(tǒng)化的分析方法,來(lái)證實(shí)單點(diǎn)故障不會(huì)導(dǎo)致非預(yù)期的后果。FMEA的規(guī)則最初由美國(guó)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(guò)不斷的發(fā)展,越來(lái)越多的行業(yè)應(yīng)用了FMEA,并發(fā)展到船舶行業(yè)。而對(duì)于DP船舶來(lái)說(shuō),就是單點(diǎn)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(shù)”分析方法得到廣泛應(yīng)用。在整個(gè)系統(tǒng)中從上到下和從下到上的分析步驟能平行進(jìn)行,每個(gè)層面由面及點(diǎn),從系統(tǒng)到子系統(tǒng)再到設(shè)備,進(jìn)而深入到部件仔細(xì)分析。

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

3 FMEA的目的、必要性和重要性

DP船舶通過(guò)FMEA分析可以找出船舶設(shè)計(jì)、建造、主要設(shè)備和系統(tǒng)中不能滿足IMO和各船級(jí)社規(guī)范之處,找出潛在故障模式和風(fēng)險(xiǎn)并分析原因,避免在船舶建造階段因?yàn)榇蟮母膭?dòng),重新訂購(gòu)設(shè)備等引起的時(shí)間和經(jīng)濟(jì)損失。

FMEA詳細(xì)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(yán)重的單點(diǎn)故障,評(píng)估每種故障模式的影響并進(jìn)行后果分析,同時(shí)給出降低或消除每種故障模式和其帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)的方法。撰寫FMEA報(bào)告和試驗(yàn)程序并做實(shí)船實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證。

目前DP船舶系統(tǒng)全面的FMEA報(bào)告和試驗(yàn)已經(jīng)列入主要船級(jí)社 DP入級(jí)的審核部分,一份真實(shí)可靠的FMEA報(bào)告不僅能證實(shí)船舶滿足船東或租家的需要,還能提升雙方對(duì)船舶操作安全性和適租性的信心。由于人類對(duì)HSE(健康安全環(huán)境)的要求越來(lái)越嚴(yán)格,越來(lái)越多的船東和運(yùn)營(yíng)公司把FMEA作為安全和風(fēng)險(xiǎn)管理的一部分。

FMEA分析為船舶操作和維護(hù)人員帶來(lái)方便,船舶操作人員能從FMEA報(bào)告中得到每一故障模式的處理步驟,結(jié)合海況、環(huán)境評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)做出應(yīng)急預(yù)案;維護(hù)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(hù)計(jì)劃。

4 FMEA的流程和分析要點(diǎn)

做FMEA是一個(gè)交互的過(guò)程,達(dá)成協(xié)議后,服務(wù)商先和買家(船東、船廠或租家)確定FMEA標(biāo)準(zhǔn),有經(jīng)驗(yàn)的FMEA服務(wù)商會(huì)將各船級(jí)社規(guī)范和IMO規(guī)定有沖突的地方提醒買家注意。確定標(biāo)準(zhǔn)后,FMEA服務(wù)商會(huì)給出一個(gè)需要由設(shè)計(jì)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(wèn)題開(kāi)始溝通和澄清。根據(jù)需要其等級(jí)分為 3級(jí),見(jiàn)表 1。

表1 FM EA等級(jí)要求

在A類問(wèn)題得到解決后,FMEA服務(wù)商在完成書(shū)面分析后,會(huì)把撰寫的包含有試驗(yàn)程序的報(bào)告提交船級(jí)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(jìn)行防水和防火分割檢查。

FMEA的海上試驗(yàn)通常在相關(guān)船舶設(shè)備已調(diào)試完好,所有測(cè)試項(xiàng)目完成之后,特別是主機(jī)推進(jìn)器、發(fā)電機(jī)及其配電系統(tǒng)、DP系統(tǒng)。所有由計(jì)算機(jī)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(bào)警打印機(jī)需要正常工作,影像捕捉和報(bào)警打印機(jī)紙上記錄將被認(rèn)為是FMEA報(bào)告和驗(yàn)證試驗(yàn)的證明材料。船長(zhǎng)負(fù)責(zé)驗(yàn)證性試驗(yàn)中的安全,可以在認(rèn)為必要的任何時(shí)間接管控制船舶。

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

(1)對(duì)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(jiàn)的原因。

(3)各種故障模式對(duì)船舶定位能力的影響和檢測(cè)方法。

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

5 DP船舶FMEA的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)和各船級(jí)社規(guī)范

(1)FMEA的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)主要就是各船級(jí)社和IMO的規(guī)范,同時(shí)IMCA出版了一系列出版物給出了FMEA的指導(dǎo)意見(jiàn),其每年出版的DP事故報(bào)告具有重要的參考價(jià)值,也是各主要船級(jí)社修改 DP入級(jí)規(guī)范的根據(jù)。各主要船級(jí)社的 DP入級(jí)規(guī)范大同小異,DNV相對(duì)來(lái)說(shuō)更具體,涵蓋了設(shè)備、建造、安裝、檢驗(yàn)和運(yùn)營(yíng)的每個(gè)環(huán)節(jié),其對(duì)發(fā)生單點(diǎn)故障規(guī)定的范圍更大,對(duì)冗余的規(guī)定也嚴(yán)格些。后面我們就單點(diǎn)故障范圍和DP船舶各主要系統(tǒng)冗余達(dá)成將作簡(jiǎn)要描述。

(2)對(duì)于DP2船舶,主動(dòng)性的元器件和系統(tǒng)發(fā)生單點(diǎn)故障不能引起船舶失位。發(fā)生單點(diǎn)故障的范圍不僅包括主動(dòng)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(dòng)干預(yù);沒(méi)有得到足夠保護(hù)的靜態(tài)元件。

對(duì)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(gè)防水防火艙室里的所有元器件;一個(gè)防火分區(qū)里的所有元器件。

另外DNV還補(bǔ)充規(guī)定把冷卻器、過(guò)濾器、電動(dòng)(氣動(dòng))閥、動(dòng)力機(jī)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(dòng)性的元器件。這就對(duì)管系的布局提出了更高的要求。

(3)冗余的要求

可以簡(jiǎn)單地認(rèn)為冗余是單點(diǎn)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(lái)實(shí)現(xiàn)。DP2和DP3級(jí)別的達(dá)成完全是因?yàn)樵诖皠?dòng)力系統(tǒng)、推進(jìn)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(jìn)船的動(dòng)力和推進(jìn)器配置來(lái)舉例說(shuō)明:

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

②1號(hào)艉側(cè)推和2號(hào)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(jìn)和右主推進(jìn)都能為船提供縱向推力,是相互冗余的;

④1號(hào)與 2號(hào)主機(jī)及其齒輪箱軸系和 3號(hào)與 4號(hào)主機(jī)及其齒輪箱軸系是相互冗余的;

⑤1號(hào)軸帶發(fā)電機(jī)為 1號(hào)艏側(cè)推和 1號(hào)艉側(cè)推提供驅(qū)動(dòng)電力,是相互冗余的。

所以FMEA分析的目標(biāo)就是任何單點(diǎn)故障都不能使以上各項(xiàng)中相互冗余的兩者同時(shí)失效。

圖1 DP2船舶動(dòng)力和推進(jìn)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(jìn)一步分析得到:分別為1號(hào)與2號(hào)主機(jī)及其齒輪箱軸系、1號(hào)艏側(cè)推和 1號(hào)艉側(cè)推服務(wù)的輔助泵,其動(dòng)力和控制電源均接自1號(hào)柴油發(fā)電機(jī)配電系統(tǒng),所以任何單點(diǎn)故障都不能導(dǎo)致 2臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)同時(shí)停機(jī)或脫扣。

1號(hào)與 2號(hào)主機(jī)和 3號(hào)與 4號(hào)主機(jī)之間達(dá)成了更高的冗余:主推和齒輪箱安裝機(jī)帶滑油泵,或者是有冗余供電的雙電動(dòng)潤(rùn)滑、冷卻和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。我們假設(shè)這在本例中實(shí)現(xiàn)了 1號(hào)柴油發(fā)電機(jī)母排短路不會(huì)引起 1號(hào)與 2號(hào)主機(jī)、左主推和齒輪箱故障等停機(jī),那么本船在預(yù)定的DP操作狀態(tài)下,最嚴(yán)重的單點(diǎn)故障就是:左齒輪箱故障。因?yàn)槟芤鹱笾魍坪洼S帶發(fā)電機(jī)停止,進(jìn)而失去 1號(hào)艏側(cè)推和 1號(hào)艉側(cè)推,使本船 DP定位能力降低。但還有 2號(hào)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(jì)海況下船舶仍能保持動(dòng)力定位。

如果2臺(tái)舵機(jī)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(shí)現(xiàn)

下面以DNV規(guī)范為例來(lái)作簡(jiǎn)要說(shuō)明。

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

滑油系統(tǒng):單個(gè)設(shè)備如柴油機(jī)、齒輪箱、推進(jìn)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(kāi)的壓縮空氣系統(tǒng)。

對(duì)于DP3船舶,以上各項(xiàng)和通風(fēng)系統(tǒng)還得要防水和防火分割。

(5)冗余對(duì)推進(jìn)器的配置和布置提出了要求。在發(fā)生嚴(yán)重的單點(diǎn)故障后,船舶除了能保持位置和艏向外,還能保持以指定點(diǎn)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(jìn)器停止和重新啟動(dòng)不能被認(rèn)為是冗余,這就提高了推進(jìn)器的配置要求。

2008版DNV規(guī)范對(duì)DP船舶電站保護(hù)系統(tǒng)、電站管理系統(tǒng)(PMS)和推進(jìn)控制保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行具體細(xì)化:即必須有冗余的PMS系統(tǒng),在PMS關(guān)閉時(shí)電站系統(tǒng)也能正常工作;需要合閘運(yùn)行的母排聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)必須有短路保護(hù)、不平衡電流監(jiān)控保護(hù)、有功電流和無(wú)功電流監(jiān)控保護(hù)功能,以免單個(gè)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁或調(diào)速器故障蔓延到和其并列運(yùn)行的其他發(fā)電機(jī)而引起全船失電;發(fā)電機(jī)突然停機(jī)不能引起和其并列運(yùn)行的其他發(fā)電機(jī)因過(guò)載脫扣導(dǎo)致全船失電,DP控制系統(tǒng)、PMS和推進(jìn)器控制保護(hù)的減持負(fù)載功能應(yīng)根據(jù)其反應(yīng)時(shí)間相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

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

圖3 普通DP3船動(dòng)力及分隔布置圖

普通DP3船,動(dòng)力、推進(jìn)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(diǎn)故障后,最多可丟失約 1/2的動(dòng)力和推進(jìn)能力。

圖4 增強(qiáng)DP3(DP3+)船動(dòng)力及分隔布置圖

增強(qiáng)DP3(DP3+)船,動(dòng)力、推進(jìn)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(diǎn)故障后,最多可丟失約 1/3的動(dòng)力和推進(jìn)能力。

6 FMEA介入的時(shí)間和FMEA設(shè)計(jì)公司的選擇

最理想的做法是從新造船設(shè)計(jì)開(kāi)始階段就介入FMEA并和建造、檢驗(yàn)、運(yùn)營(yíng)平行進(jìn)行,它能避免在船舶建造階段因?yàn)樵O(shè)計(jì)或設(shè)備缺失而引起大的改動(dòng),浪費(fèi)時(shí)間和造成經(jīng)濟(jì)損失。對(duì)于運(yùn)營(yíng)船舶,在重要設(shè)備改動(dòng)和修理、DP升級(jí)、換船級(jí)、船體結(jié)構(gòu)改動(dòng)、船舶用途改動(dòng)等情況下都需要重新做FMEA。

FMEA是一項(xiàng)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)密集性服務(wù),找到對(duì)DP船舶各個(gè)領(lǐng)域都很精通的個(gè)人是不太現(xiàn)實(shí)的,所以FMEA也是一個(gè)團(tuán)隊(duì)工作,一般來(lái)說(shuō)會(huì)希望:

(1)團(tuán)隊(duì)成員有多方面的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn),如設(shè)計(jì)造船,設(shè)備和運(yùn)行操作維護(hù)等。

(2)需深入細(xì)致了解DP船舶和各個(gè)系統(tǒng),如: DP、PMS、電站、推進(jìn)、管系和動(dòng)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(jí)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(bào)告。

(4)必須獨(dú)立于設(shè)計(jì)院、船廠和主要設(shè)備供應(yīng)商的第三方。

7 DP操作手冊(cè)簡(jiǎn)介

DP操作手冊(cè)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(hù)人員及項(xiàng)目代表等人員在進(jìn)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(xiàng)等。

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

(5)DP操作程序及DP試驗(yàn)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(jìn)器不可用、有推進(jìn)器滿負(fù)載、失去冗余等情況時(shí)的應(yīng)急預(yù)案。

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

(8)DP檢查表,描述整個(gè)DP檢查維護(hù)的信息。

(9)FMEA報(bào)告及DP事故報(bào)告程序。

8 結(jié)語(yǔ)

FMEA已經(jīng)成為DP船舶入級(jí)檢驗(yàn)的必需文件,其重要性越來(lái)越受到各方重視。專業(yè)的FMEA不僅能細(xì)致分析每一種可能的故障模式,還會(huì)成為船舶設(shè)計(jì)、建造和營(yíng)運(yùn)過(guò)程中全程的顧問(wèn)。