陳海成,張道坤,張榮鑫,樊付見

(1.中國船級社 技術(shù)研究開發(fā)中心,北京 100007;2.中國船級社 大連分社,大連 116013)

2018年全球首艘安裝翼型風(fēng)帆的30萬t級VLCC“凱力”號成功交付,填補(bǔ)了該領(lǐng)域的國際空白,為有效利用風(fēng)力助推超大型船舶航行進(jìn)行了實(shí)船應(yīng)用的初步嘗試。相關(guān)的研究有對翼型風(fēng)帆的液壓系統(tǒng)和控制原理進(jìn)行研究,并通過陸基試驗(yàn)開展復(fù)雜工況下的加載和數(shù)據(jù)分析研究[1];構(gòu)建翼型風(fēng)帆的數(shù)值分析模型,計(jì)算不同風(fēng)向角下的空氣動力特性,并通過風(fēng)洞試驗(yàn)對升力系數(shù)和阻力系數(shù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證[2];分析風(fēng)帆助航船與裝有推進(jìn)器的傳統(tǒng)帆船之間的區(qū)別,探討《1972年國際海上避碰規(guī)則》對翼型帆的適用性,并給出相關(guān)條款的修改建議[3]。2020年,中國船級社發(fā)布了《船用硬質(zhì)翼面帆評估與檢驗(yàn)指南》,針對風(fēng)帆助推船舶設(shè)計(jì)、風(fēng)帆裝置設(shè)計(jì)制造和安裝檢驗(yàn),風(fēng)帆安全操作要求、風(fēng)帆裝置營運(yùn)檢驗(yàn)要求、風(fēng)帆助推船舶EEDI驗(yàn)證要求等提出了安全性技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[4]。然而,已有的文獻(xiàn)鮮有對翼型風(fēng)帆裝置的系統(tǒng)構(gòu)成和安全風(fēng)險進(jìn)行全面分析。

為此,考慮結(jié)合失效模式與影響分析(failure mode and effects analysis, FMEA)和故障樹分析(fault tree analysis, FTA)方法對VLCC翼型風(fēng)帆裝置開展系統(tǒng)性風(fēng)險評估[5-6],基于專家知識和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),針對不同工況辨識潛在失效模式及其風(fēng)險水平,判定關(guān)鍵風(fēng)險事項(xiàng)并提出安全防控措施,針對關(guān)鍵故障開展故障樹分析,逐項(xiàng)分析基本事件的控制措施,并在后續(xù)的系泊試驗(yàn)和航行試驗(yàn)中進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 翼型風(fēng)帆系統(tǒng)功能及構(gòu)成

在VLCC主甲板上設(shè)置4套獨(dú)立控制的翼型風(fēng)帆裝置,見圖1,采用左右對稱的高升力系數(shù)的U形剖面,當(dāng)側(cè)向來風(fēng)時,可以在帆的凹面和凸面之間產(chǎn)生壓力差,從而產(chǎn)生沿船舶首向的輔助推進(jìn)力。

圖1 VLCC翼型風(fēng)帆裝置實(shí)船效果

1.1 風(fēng)帆的結(jié)構(gòu)與布置

裝置的基本結(jié)構(gòu)包括甲板基座、中柱、骨架和帆面。中柱和帆面為3節(jié)可伸縮套接結(jié)構(gòu),通過軌道和滑道實(shí)現(xiàn)升降。帆面為碳纖維材料,可有效減輕風(fēng)帆結(jié)構(gòu)重量;帆面內(nèi)部設(shè)置人員檢驗(yàn)通道;中柱最底層設(shè)置檢驗(yàn)通道。

1.2 升降液壓系統(tǒng)

風(fēng)帆裝置安裝在貨油艙區(qū)域的甲板上,依靠在艏部倉庫安裝的液壓站提供升降驅(qū)動動力,風(fēng)帆結(jié)構(gòu)升起后,通過電動馬達(dá)提供風(fēng)帆旋轉(zhuǎn)驅(qū)動力。風(fēng)帆裝置設(shè)有一套補(bǔ)油泵站,液壓油泄漏時進(jìn)行及時補(bǔ)油,使帆面保持在正常工作狀態(tài)的高度。

1.3 電氣控制系統(tǒng)

為兼顧風(fēng)帆操作的便利性和安全性,控制系統(tǒng)設(shè)置遠(yuǎn)程PLC控制(位于駕駛室)和本地手動應(yīng)急操縱控制(位于露天甲板),本地控制具有更高的優(yōu)先級。設(shè)有緊急降帆安全系統(tǒng),單獨(dú)作用于緊急卸油閥組,獨(dú)立于風(fēng)帆控制系統(tǒng)。緊急降帆操作的下降過程慢于正常降帆操作,避免對底部支撐結(jié)構(gòu)和甲板造成較大沖擊。

2 風(fēng)險評估步驟

本文針對翼型風(fēng)帆裝置,結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)資料和數(shù)據(jù)條件,提出了一種基于FMEA和FTA方法的半定量風(fēng)險評估方法,包括以下步驟,見圖2。

圖2 翼型風(fēng)帆裝置風(fēng)險評估流程

1)準(zhǔn)備工作。收集目標(biāo)系統(tǒng)的基本信息,明確基本功能,召集設(shè)計(jì)、施工、檢驗(yàn)等領(lǐng)域的專家,建立專家工作組,對目標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)先分析。

2)失效模式分析與辨識。組織專家討論會,確定目標(biāo)系統(tǒng)所涉及子系統(tǒng)和設(shè)備的潛在故障模式。

3)分析每個失效模式出現(xiàn)的原因,確定該原因發(fā)生的可能性等級指標(biāo)(occurrence,O)。

4)判斷每個失效模式對系統(tǒng)的局部影響和全局影響,確定每個失效模式的嚴(yán)重的等級指標(biāo)(severity,S)。

5)判斷每個失效模式是否發(fā)生的檢查方法,確定該失效模式的探測性等級指標(biāo)(detection,D)。

6)計(jì)算每個失效模式的風(fēng)險優(yōu)先數(shù),并根據(jù)制定的評價原則確定系統(tǒng)失效的關(guān)鍵失效模式。評價原則的制訂可基于RPN的閾值,同時考慮嚴(yán)重性指標(biāo)的單獨(dú)影響。

7)判斷風(fēng)險是否可接受。若根據(jù)評價原則,系統(tǒng)中不存在關(guān)鍵失效模式,則結(jié)束FMEA分析流程,否則,逐條提出事故預(yù)防措施或事故后補(bǔ)救措施,降低風(fēng)險水平,針對關(guān)鍵失效模式重新實(shí)施步驟3)至步驟7)。

8)分析保證裝置安全平穩(wěn)運(yùn)行和及時有效管控的關(guān)鍵事件,作為關(guān)鍵風(fēng)險事件進(jìn)行故障樹分析,逐層確定各類原因,構(gòu)建風(fēng)險故障樹。

9)開展故障樹定性分析,判斷最小割集和關(guān)鍵失效路徑,分析基本事件的預(yù)防或減緩措施。

10)形成風(fēng)險分析報告。

3 翼型風(fēng)帆裝置風(fēng)險評估

3.1 準(zhǔn)備工作

邀請17名專家組成專家組,涵蓋機(jī)械、結(jié)構(gòu)、液壓、電氣4個專業(yè)領(lǐng)域,均具有VLCC風(fēng)帆裝置設(shè)計(jì)、建造或檢驗(yàn)等工程的多年實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),組織專家組對目標(biāo)系統(tǒng)信息進(jìn)行預(yù)先了解。

3.2 失效模式分析

專家組針對升帆、降帆、升帆旋轉(zhuǎn)、降帆旋轉(zhuǎn)、回歸零位5種工況進(jìn)行失效模式分析,共識別失效模式211個,逐項(xiàng)判斷其失效原因、局部影響、全局影響,以及失效探測方法。選取其中部分失效模式為例,對評估過程進(jìn)行說明,見表1。

表1 翼型風(fēng)帆FMEA分析表

3.3 可能性、嚴(yán)重性和探測性分析

為了便于專家組成員對每個失效模式進(jìn)行風(fēng)險等級評估,將可能性、嚴(yán)重性和探測性3個評估指標(biāo)分別劃分為5個等級并分配1～5的等級分值,以問卷形式收集17位專家的評價結(jié)果,計(jì)算每個失效模式的綜合評價結(jié)果,見表1。

3.4 RPN計(jì)算與關(guān)鍵失效模式分析

分別將可能性、嚴(yán)重性和探測性的綜合評價結(jié)果進(jìn)行相乘,得到風(fēng)險優(yōu)先度指數(shù)RPN結(jié)果,見表1。基于RPN指數(shù)和后果嚴(yán)重性指數(shù),建立關(guān)鍵失效模式的評價原則,即將RPN排序前20%的失效模式,以及嚴(yán)重性指數(shù)S高于3的失效模式定義為高風(fēng)險。

3.5 設(shè)置防控措施

將關(guān)鍵失效模式定義為不可接受,提出針對性的改進(jìn)意見和防控措施,包括以下三種類型。

3.5.1 開展陸基試驗(yàn)或其他試驗(yàn)

1)針對PLC控制單元、變頻器、加速度儀、風(fēng)速風(fēng)向儀、油管壓力傳感器等設(shè)備開展陸基試驗(yàn)。

2)針對升降編碼器開展實(shí)驗(yàn)測試,保證邏輯控制準(zhǔn)確,且一臺損壞時能啟用備用編碼器,兩臺損壞時執(zhí)行手動歸零操作。

3)對風(fēng)帆繼電器控制柜、供電模塊、安全截止閥塊、液壓動力泵、升降閥組等設(shè)備開展陸基試驗(yàn),保證功能正常,備用邏輯準(zhǔn)確無誤。

4)對液壓缸套、液壓活塞等設(shè)備進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證,開展壓力試驗(yàn)以保證功能正常,設(shè)計(jì)溢流閥。

5)此外,對設(shè)有故障報警的設(shè)備均開展陸基試驗(yàn)或其他試驗(yàn),保證報警功能及時有效。

3.5.2 改進(jìn)風(fēng)帆裝置系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1)針對風(fēng)帆繼電器控制柜,設(shè)置兩個獨(dú)立的控制柜,實(shí)現(xiàn)物理隔離。

2)為避免軟管吊撞擊風(fēng)帆,設(shè)定軟管吊操控程序限定,實(shí)現(xiàn)程序保護(hù)和人員監(jiān)控的雙重保護(hù)。

3)針對風(fēng)速風(fēng)向儀、加速度儀等設(shè)備,增加備用設(shè)備,損壞時能夠自動切換到備用設(shè)備。

4)針對液壓油缸缸頭過渡法蘭與第二節(jié)中柱下部連接結(jié)構(gòu),采用螺栓止動措施,對液壓油缸連接銷的設(shè)計(jì)應(yīng)適當(dāng)提高安全系數(shù)。

3.5.3 制定定期檢驗(yàn)計(jì)劃,完善船舶營運(yùn)保養(yǎng)手冊

1)對帆面滑道及滑板裝置開展定期檢驗(yàn),防止結(jié)構(gòu)過度磨損或變形。

2)定期檢驗(yàn)避雷針卷線器,避免卷線器故障導(dǎo)致電纜斷裂,引發(fā)避雷和防靜電系統(tǒng)失效。

3)針對風(fēng)帆本地控制箱和繼電器控制柜,進(jìn)行定期本地手動操帆,避免應(yīng)急時控制失效。

4)針對回轉(zhuǎn)支承以及連接螺栓結(jié)構(gòu),每5年開展一次無損探傷,若出現(xiàn)損壞還應(yīng)進(jìn)行抽檢。

5)針對風(fēng)速風(fēng)向儀、加速度儀等設(shè)備進(jìn)行年度檢驗(yàn)。

3.6 開展再評估

專家組對施加了防控措施后的失效模式進(jìn)行再次評估打分,重復(fù)風(fēng)險分析流程中的步驟3)至步驟7),在評估打分結(jié)果見表2。再評估分析結(jié)果顯示,施加糾正措施后的RPN指數(shù)與首次評價結(jié)果有顯著降低,不必做進(jìn)一步改進(jìn)。

表2 再評估打分結(jié)果

3.7 關(guān)鍵風(fēng)險事件及其故障樹

風(fēng)帆裝置設(shè)有緊急降帆系統(tǒng),單獨(dú)作用于緊急卸油閥組,與風(fēng)帆運(yùn)行控制系統(tǒng)相獨(dú)立。在VLCC遭遇極端天氣或重大故障時,如風(fēng)速風(fēng)向儀等傳感器故障、升壓泵系統(tǒng)異常、滑道結(jié)構(gòu)受損、旋轉(zhuǎn)編碼器設(shè)備故障等,可通過緊急降帆操作,減少極端載荷或其他不緊急情況帶來的安全風(fēng)險。通過FMEA分析得出,緊急降帆是保證風(fēng)帆裝置及VLCC安全的最后屏障,應(yīng)深入分析導(dǎo)致該功能異常的所有因素。因此,將“無法緊急降帆”作為頂事件,確定可能造成“無法緊急降帆”的各事件及其邏輯關(guān)系,構(gòu)建如圖3所示的故障樹。

圖3 “無法緊急降帆”故障樹

3.8 故障樹分析

故障樹中各事件間均為“或”門關(guān)系,可直接判斷各個基本事件的結(jié)構(gòu)重要度相同,且均為最小割集。因此,逐個分析每個基本事件是否有充足的防控措施,以保證緊急狀態(tài)下的降帆順利。經(jīng)與FMEA結(jié)果比對,以下幾種基本事件超出了FMEA評估范圍,需要額外加以考慮。

X3異物摻入,風(fēng)帆滑道中摻入異物將增大滑倒磨損,建議營運(yùn)期間開展定期巡檢和清理,保證滑道的清潔潤滑。

針對X7焊接殘余應(yīng)力,X8焊接質(zhì)量差,X14安裝偏差,建議在建造階段加強(qiáng)焊接質(zhì)量控制和安裝精度控制,避免焊接缺陷導(dǎo)致中柱變形卡死,或安裝精度不夠?qū)е掠透谆钊麠U變形。

3.9 風(fēng)險分析結(jié)果與試驗(yàn)情況

基于上述設(shè)計(jì)改進(jìn)意見和防控措施,搭載有4臺翼型風(fēng)帆裝置的VLCC開展了系泊試驗(yàn)和航行試驗(yàn)。結(jié)果表明,航行試驗(yàn)中未出現(xiàn)上述分析以外的失效模式,分析結(jié)果全面、深入;未發(fā)生“無法緊急降帆”故障,航行試驗(yàn)中出現(xiàn)的失效模式均得到了有效控制,未造成明顯后果。

4 結(jié)論

1)所提出的基于FMEA和FTA的風(fēng)險評估流程和方法,能夠有效評估VLCC翼型風(fēng)帆裝置的風(fēng)險程度,挖掘系統(tǒng)中的關(guān)鍵失效問題和原因,具有較高的可行性和適用性。

2)針對VLCC翼型風(fēng)帆裝置開展的風(fēng)險評估,系統(tǒng)全面地分析了升帆、降帆、升帆旋轉(zhuǎn)、降帆旋轉(zhuǎn)和回歸零位等五種不同工況下的潛在失效模式,對機(jī)械、結(jié)構(gòu)、液壓、電氣等各專業(yè)領(lǐng)域的關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行了深入剖析,并針對性地提出了風(fēng)險防控措施,為改進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì),提高安全等級提供了有價值的建議。

3)經(jīng)過本次風(fēng)險評估,VLCC順利完成系泊與航行試驗(yàn),表明風(fēng)險評估的結(jié)果有效、可行、全面,可為類似設(shè)備設(shè)施開展風(fēng)險評估提供參考。