徐 謙 張文斌 蔣永旭 崔寶明 錢新春

（招商局郵輪研究院（上海）有限公司 上海 200137）

0 引 言

在控制碳排放的背景下，越來越多的船舶采用液化天然氣（liquefied natural gas， LNG）作為動(dòng)力,配備了LNG動(dòng)力的主機(jī)，但這也給船舶帶來了新的風(fēng)險(xiǎn)。天然氣是非常危險(xiǎn)的燃料，具有易燃易爆的特性。為了使LNG動(dòng)力船的機(jī)艙成為本質(zhì)安全機(jī)器處所，需要采用通風(fēng)設(shè)計(jì)對(duì)燃?xì)夤庀到y(tǒng)進(jìn)行氣密環(huán)圍，因此使用了通風(fēng)雙壁管和全封閉型的燃?xì)忾y組系統(tǒng)（gas valve unit, GVU）。雙壁管通風(fēng)系統(tǒng)是燃?xì)夤庀到y(tǒng)最重要的響應(yīng)型安全柵，用以減少燃?xì)庑孤┖蟮娘L(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)燃?xì)獍l(fā)生泄漏時(shí)，該系統(tǒng)可以迅速檢測(cè)到風(fēng)險(xiǎn)并關(guān)閉燃?xì)夤庀到y(tǒng)，把主機(jī)轉(zhuǎn)換到燃油模式，同時(shí)把已經(jīng)泄漏的燃?xì)庥猛L(fēng)來稀釋和排空?？紤]到雙壁管通風(fēng)系統(tǒng)在保障LNG動(dòng)力船燃?xì)夤獍踩矫娴闹匾?，此通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要非常謹(jǐn)慎?，F(xiàn)在已經(jīng)有一些工程師對(duì)雙壁管通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。秦俊等對(duì)雙壁管通風(fēng)系統(tǒng)的通風(fēng)阻力等方面進(jìn)行了完整的計(jì)算；姜華等對(duì)低流量高風(fēng)壓的雙壁管風(fēng)機(jī)選型進(jìn)行了研究；范延品等對(duì)燃?xì)庵鏖y設(shè)計(jì)、通風(fēng)流量計(jì)算和危險(xiǎn)區(qū)設(shè)置等方面進(jìn)行了計(jì)算研究和分析。本文運(yùn)用故障模式、 影響及危害性分析（failure mode, effects and criticality analysis, FMECA）法對(duì)雙壁管系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，對(duì)高風(fēng)險(xiǎn)值的因素進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化來降低風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)一步提高此通風(fēng)系統(tǒng)的安全性。

1 FMECA法

FMECA法是故障模式影響分析 （failure mode effects analysis, FMEA） 和危害性分析 （criticality analysis, CA） 的組合分析方法，主要在技術(shù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)階段運(yùn)用，識(shí)別并分析潛在的失效，并通過設(shè)計(jì)優(yōu)化來提高可靠性。FMECA法的分析工作流程見圖1。FMECA法首先把系統(tǒng)分解到元件，識(shí)別每個(gè)元件的失效模式、失效原因和失效檢測(cè)；隨后分析現(xiàn)有的安全柵和失效影響，評(píng)價(jià)此元件失效的頻率、后果嚴(yán)重度和檢測(cè)難度，用以計(jì)算失效的風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先級(jí)（risk priority number，RPN）；最后根據(jù)RPN的大小，確定失效的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。對(duì)于不可接受的失效，需尋找降低風(fēng)險(xiǎn)的措施，進(jìn)行設(shè)計(jì)修改來增加安全柵，并重新進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。

圖1 FMECA法的分析工作流程

運(yùn)用FMECA法的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估可以由1個(gè)人或1個(gè)團(tuán)隊(duì)完成，這取決于系統(tǒng)的復(fù)雜程度。FMECA法具有較多的優(yōu)勢(shì)：應(yīng)用廣泛，易于理解；對(duì)硬件進(jìn)行全面檢查；適用于復(fù)雜系統(tǒng)；比較靈活，細(xì)節(jié)程度可以根據(jù)研究對(duì)象進(jìn)行調(diào)整；系統(tǒng)而全面，可以識(shí)別出系統(tǒng)中的所有失效模式等。FMECA法的主要局限是風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的結(jié)果取決于分析人員的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)分析有較高技術(shù)和管理方面的要求。

2 雙壁管通風(fēng)系統(tǒng)的分解

FMECA法風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的第1步是把雙壁管通風(fēng)系統(tǒng)分解成各個(gè)組成元件。通風(fēng)雙壁管用于輸送氣化后的燃?xì)?，從LNG罐的連接室（tank connection space, TCS）到GVU，再到主機(jī)。按照《使用氣體或其他低閃點(diǎn)燃料船舶國(guó)際安全規(guī)則》（IGF規(guī)則）的要求,換氣次數(shù)要達(dá)到30次/ h，通風(fēng)的容積包括雙壁管夾層空間、GVU內(nèi)部空間及主機(jī)上雙壁管夾層空間，此空間屬于Zone 1的危險(xiǎn)區(qū)。雙壁管夾層的通風(fēng)阻力難以計(jì)算，如果風(fēng)機(jī)壓頭不足就會(huì)直接影響船舶交付。高壓頭低流量風(fēng)機(jī)的選型是很大的難點(diǎn)和風(fēng)險(xiǎn)，所以建議設(shè)計(jì)時(shí)選擇從位于系統(tǒng)中部的GVU進(jìn)行抽風(fēng)，從兩端進(jìn)風(fēng)，這種形式的系統(tǒng)通風(fēng)阻力相對(duì)于一端進(jìn)風(fēng)另一端抽風(fēng)較小。排風(fēng)管上布置有流量開關(guān)，用于檢測(cè)進(jìn)風(fēng)量的大小是否達(dá)到設(shè)計(jì)值。當(dāng)風(fēng)量小于流量開關(guān)的設(shè)定值，流量開關(guān)會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，備用抽風(fēng)機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)；如果延遲20 s后，流量開關(guān)仍報(bào)警，就切斷LNG供氣系統(tǒng)。

在GVU的出風(fēng)口布置2個(gè)危險(xiǎn)氣體傳感器，可以監(jiān)測(cè)GVU、主機(jī)和雙壁管是否存在燃?xì)庑孤洳贾迷谂棚L(fēng)管上的原因是：在風(fēng)機(jī)的作用下，內(nèi)部泄漏的燃?xì)舛紩?huì)經(jīng)過此處。當(dāng)空氣中的危險(xiǎn)氣體達(dá)到爆炸下限（lower explosive limited, LEL）的20%時(shí)，危險(xiǎn)氣體傳感器發(fā)出報(bào)警；當(dāng)達(dá)到40%的LEL時(shí)，自動(dòng)切斷供氣系統(tǒng)。雙壁管通風(fēng)系統(tǒng)有效運(yùn)行的要點(diǎn)是通風(fēng)和監(jiān)測(cè)都是正常的，在發(fā)生燃?xì)庑孤r(shí)，才能迅速的監(jiān)測(cè)到，并采取下一步動(dòng)作。當(dāng)雙壁管通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)量不足時(shí)發(fā)出風(fēng)量開關(guān)報(bào)警或者當(dāng)發(fā)生燃?xì)庑孤r(shí)發(fā)出危險(xiǎn)氣體傳感器報(bào)警，這2種情況都會(huì)導(dǎo)致燃?xì)庵鏖y關(guān)閉。

雙壁管的通風(fēng)系統(tǒng)主要由通風(fēng)、檢測(cè)和燃?xì)夤苈愤@3部分組成，系統(tǒng)分解見圖2。通風(fēng)部分由風(fēng)機(jī)、電氣箱、軟接頭、止回風(fēng)閘和節(jié)流孔板等元件組成，檢測(cè)部分由風(fēng)機(jī)的運(yùn)行監(jiān)控、流量開關(guān)和危險(xiǎn)氣體傳感器來組成，燃?xì)夤苈分饕p壁管、主機(jī)和GVU。

圖2 雙壁管通風(fēng)系統(tǒng)的分解

3 失效分析和評(píng)價(jià)

對(duì)雙壁管通風(fēng)系統(tǒng)的組成元件進(jìn)行失效分析，包括識(shí)別失效的模式、原因和檢測(cè)，分析現(xiàn)有安全柵和失效影響。雙壁管通風(fēng)系統(tǒng)的失效模式主要有通風(fēng)量不足、漏風(fēng)及燃?xì)夤苄孤┑龋г蛑饕性墓收?、損壞等。失效檢測(cè)是控制風(fēng)險(xiǎn)的重要措施，當(dāng)元件發(fā)生失效時(shí)，高效的檢測(cè)可以讓船員立刻得到報(bào)警信號(hào)，便于其立刻采取進(jìn)一步的動(dòng)作，流量開關(guān)和危險(xiǎn)氣體傳感器是雙壁管通風(fēng)系統(tǒng)中主要的失效檢測(cè)措施。

現(xiàn)有的安全柵是系統(tǒng)對(duì)此元件發(fā)生失效時(shí)已經(jīng)具備的安全措施，如風(fēng)機(jī)的冗余設(shè)計(jì)。當(dāng)一臺(tái)風(fēng)機(jī)故障時(shí)，另一臺(tái)風(fēng)機(jī)隨即啟動(dòng)，以保證通風(fēng)量。失效影響主要有自動(dòng)關(guān)閉燃?xì)庵鏖y和通風(fēng)系統(tǒng)失效。當(dāng)某元件失效，但未發(fā)出報(bào)警信號(hào)，甚至當(dāng)燃?xì)庑孤r(shí)，仍未發(fā)生報(bào)警信號(hào)，便發(fā)生了通風(fēng)系統(tǒng)失效，而這也是最嚴(yán)重的失效影響。對(duì)原雙壁管通風(fēng)系統(tǒng)的不同元件進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析，共識(shí)別13條失效，見表1。

表1 原雙壁管通風(fēng)系統(tǒng)的失效分析

FMECA法的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估依賴于評(píng)估人員的經(jīng)驗(yàn)，存在主觀性過強(qiáng)的缺點(diǎn)。為了克服此缺點(diǎn)，并結(jié)合雙壁管通風(fēng)系統(tǒng)和LNG動(dòng)力船的實(shí)際情況，文章把失效發(fā)生的頻率、后果嚴(yán)重度和檢測(cè)難度等級(jí)劃分為5級(jí)。

失效風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的等級(jí)見表2。

表2 失效風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的等級(jí)

RPN為失效頻率、后果嚴(yán)重度和檢測(cè)難度這3者的等級(jí)之和，原雙壁管通風(fēng)系統(tǒng)的失效評(píng)估見表3。

表3 原雙壁管通風(fēng)系統(tǒng)的失效評(píng)估

根據(jù)在合理范圍內(nèi)盡量低（as low as reasonably practicable，ALARP）的原則，把失效的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分為低、中、高3級(jí)，分別采用不同的處理方式，見表4。RPN＞8時(shí)的失效為高風(fēng)險(xiǎn)，屬于ALARP原則下的不可接受區(qū)域，必須采用改進(jìn)措施來降低其風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

表4 失效的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分

4 系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)上述雙壁管通風(fēng)系統(tǒng)失效風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的表3和表4，共有5項(xiàng)高風(fēng)險(xiǎn)的失效，必須采取措施來降低風(fēng)險(xiǎn)。系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)通過增加新的安全柵，可以降低失效頻率、后果嚴(yán)重度和檢查難度的等級(jí)，從而減小RPN，使失效的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)降低。優(yōu)化設(shè)計(jì)后的雙壁管通風(fēng)系統(tǒng)見圖3。

圖3 雙壁管通風(fēng)系統(tǒng)

（1） 對(duì)風(fēng)機(jī)電氣箱的失電，從接單路電源更改為接雙路電源，這種冗余設(shè)計(jì)可以大幅度降低失效發(fā)生的可能性。

（2）風(fēng)機(jī)軟接頭處的燃?xì)庑孤?，?huì)導(dǎo)致夾層空間構(gòu)成的危險(xiǎn)區(qū)域蔓延到機(jī)艙內(nèi)，大幅度增加了燃?xì)膺M(jìn)入機(jī)艙的可能性，破壞了本質(zhì)安全機(jī)艙的定義?？梢酝ㄟ^設(shè)置獨(dú)立的風(fēng)機(jī)房，減少失效后果的嚴(yán)重度。

（3）節(jié)流孔板損壞，使兩路進(jìn)風(fēng)支管的進(jìn)風(fēng)量失去平衡，導(dǎo)致一路支管的風(fēng)量小于要求而另一路支管風(fēng)量增加，但總排風(fēng)量沒有改變；GVU殼體漏氣，總排風(fēng)量反而增加。在這2種失效下，安裝在排風(fēng)管上的流量開關(guān)并不會(huì)報(bào)警，如果發(fā)生燃?xì)庑孤ｋU(xiǎn)氣體傳感器就不能迅速報(bào)警，這樣就發(fā)生了通風(fēng)系統(tǒng)失效。為了減少這種風(fēng)險(xiǎn)，在兩路進(jìn)風(fēng)支管上分別設(shè)置流量開關(guān)，可以在節(jié)流孔板故障而進(jìn)風(fēng)支管風(fēng)量失衡時(shí)，或者當(dāng)GVU殼體漏氣、進(jìn)風(fēng)量減少的情況下， 流量開關(guān)都會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。這同時(shí)增加了冗余設(shè)計(jì)，原設(shè)計(jì)的1個(gè)流量開關(guān)變成了2個(gè)，當(dāng)某個(gè)流量開關(guān)發(fā)生故障時(shí)，另一個(gè)流量開關(guān)依舊能工作。

雙壁管通風(fēng)系統(tǒng)的新安全柵和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估參見表5。高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)元件失效的RPN都降至9以下，成為可以容忍的中風(fēng)險(xiǎn)。

表5 優(yōu)化設(shè)計(jì)的新安全柵和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

5 結(jié) 論

（1）運(yùn)用FMECA 法對(duì)LNG動(dòng)力船雙壁管通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，可以有效地識(shí)別各個(gè)元件的失效風(fēng)險(xiǎn)，并通過失效頻率、后果嚴(yán)重度和檢查難度這3方面定量化地計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先級(jí)RPN，便于對(duì)失效進(jìn)行等級(jí)劃分，從而有針對(duì)性地對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。

（2）對(duì)原雙壁管通風(fēng)系統(tǒng)共識(shí)別13條失效，其中高風(fēng)險(xiǎn)5條，通過在進(jìn)風(fēng)管布置風(fēng)量開關(guān)、設(shè)置獨(dú)立風(fēng)機(jī)房和風(fēng)機(jī)雙電源供電等優(yōu)化設(shè)計(jì)，把高風(fēng)險(xiǎn)失效的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)降低到可接受的范圍內(nèi)。

（3）以FMECA法的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，能有效地提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性，具有廣闊的應(yīng)用前景。