FMEA在DP-3深水半潛鉆井平臺(tái)上的應(yīng)用

劉紅霞，宋金揚(yáng)，熊 勇，袁飛暉，王克虎

（上海外高橋造船有限公司，上海 200137）

0 引 言

深水油氣能源的開發(fā)是當(dāng)今能源發(fā)展的熱點(diǎn)也是未來海洋資源的開發(fā)和探索方向。具有動(dòng)力定位功能的深水作業(yè)移動(dòng)平臺(tái)，是深水油氣開發(fā)的重要工具，而安全可靠的DP動(dòng)力定位系統(tǒng)是此類裝置的基本要求和必要保障。對(duì)DP系統(tǒng)的FMEA，是確保DP系統(tǒng)功能品質(zhì)的一種可靠的分析方法，其對(duì)各種潛在的故障模式進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，以消除或減小這些風(fēng)險(xiǎn)。因此FMEA在具有動(dòng)力定位能力的深水半潛平臺(tái)上的應(yīng)用主要集中在對(duì)DP動(dòng)力定位系統(tǒng)的故障模式與影響分析?；阢@井平臺(tái)環(huán)境中常常含有碳?xì)浠衔铮珼P動(dòng)力定位鉆井平臺(tái)通常要求動(dòng)力定位系統(tǒng)的冗余度最低為DP-2[1]。本文以目前動(dòng)力定位系統(tǒng)冗余度要求最高的 DP-3深水半潛鉆井平臺(tái)為實(shí)例，介紹了FMEA的基本概念，分析方法流程，以及編制FMEA分析報(bào)告和冗余度驗(yàn)證試驗(yàn)程序的基本內(nèi)容。

1 故障模式與影響分析（FMEA）

1.1 基本概念

FMEA (Failure Modes and Effects Analysis) 是一種可靠的分析方法。目的在于通過認(rèn)可及評(píng)價(jià)潛在失效以及該失效的后果，從而確定消除或減少潛在失效發(fā)生機(jī)會(huì)的措施。目前在船舶行業(yè)中，F(xiàn)MEA應(yīng)用于各種重要系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析，如推進(jìn)冗余系統(tǒng)、推進(jìn)遙控系統(tǒng)和高速船舶的主要系統(tǒng)等，尤其應(yīng)用于動(dòng)力定位系統(tǒng)，且DP動(dòng)力定位船舶在碼頭試驗(yàn)，調(diào)試和CAT（客戶驗(yàn)收試驗(yàn)）后都必須進(jìn)行FMEA冗余度驗(yàn)證試驗(yàn)[1]。

1.2 DPS動(dòng)力定位系統(tǒng)

DPS（Dynamic Positioning System）動(dòng)力定位系統(tǒng)是指使動(dòng)力定位船舶實(shí)現(xiàn)動(dòng)力定位所必需的一整套系統(tǒng)，含動(dòng)力系統(tǒng)、推力器系統(tǒng)、動(dòng)力定位控制系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)[2]。典型動(dòng)力定位系統(tǒng)的組成如圖1所示。

1.3 DP-3

根據(jù)動(dòng)力定位系統(tǒng)的不同冗余度，經(jīng)船東申請(qǐng)，船級(jí)社對(duì)符合要求的DP動(dòng)力定位船舶授予附加標(biāo)志，例如：

DP-3是指安裝有動(dòng)力定位系統(tǒng)的船舶，在出現(xiàn)任何單個(gè)故障（包括由于失火或進(jìn)水造成一個(gè)艙室的完全損失）后，可在規(guī)定的最大環(huán)境條件下，在規(guī)定的工作范圍內(nèi)自動(dòng)保持船舶的位置和艏向[2]。

1.4 DP動(dòng)力定位系統(tǒng)的FMEA

DP動(dòng)力定位系統(tǒng)的FMEA是對(duì)整個(gè)DP系統(tǒng)進(jìn)行故障模式與影響分析。FMEA的目的在于說明與動(dòng)力定位系統(tǒng)功能有關(guān)設(shè)備的不同故障模式。對(duì)于系統(tǒng)中的某一設(shè)備可能有多種故障模式，從而對(duì)動(dòng)力定位系統(tǒng)產(chǎn)生多種不同影響，在分析時(shí)應(yīng)特別注意。對(duì)整個(gè)動(dòng)力定位系統(tǒng)應(yīng)進(jìn)行故障模式與影響分析，包括所有系統(tǒng)的主要部件，一般應(yīng)包括但不局限于下列內(nèi)容：

圖1 典型的DPS組成

1) 所有系統(tǒng)主要部件的描述以及表示他們相互之間作用的功能框圖；

2) 所有嚴(yán)重故障模式；

3) 每一故障模式的主要可預(yù)測(cè)原因；

4) 每一故障對(duì)船位的瞬態(tài)影響；

5) 探測(cè)故障的方法；

6) 故障對(duì)系統(tǒng)剩余能力的影響；

7) 對(duì)可能的公共故障模式的分析[2]。

2 FMEA分析方法

2.1 FMEA分析方法流程

在DP-3深水半潛平臺(tái)上，使用FMEA方法對(duì)動(dòng)力定位系統(tǒng)進(jìn)行故障模式與影響分析的流程見圖2。

FMEA的分析過程與結(jié)論以其分析文檔為體現(xiàn)形式，這些文檔主要是指FMEA分析報(bào)告和FMEA冗余度驗(yàn)證試驗(yàn)程序。FMEA分析報(bào)告與試驗(yàn)程序應(yīng)提交船級(jí)社審查。

圖2 故障模式與影響分析流程

2.2 FMEA 分析報(bào)告

FMEA應(yīng)涵蓋整個(gè)DP系統(tǒng)，并覆蓋所有系統(tǒng)的主要部件。在編制FMEA報(bào)告時(shí)，因系統(tǒng)中的某一設(shè)備可能有多種故障模式，將對(duì)動(dòng)力定位系統(tǒng)產(chǎn)生多種不同影響, 所以應(yīng)對(duì)每一單個(gè)故障模式對(duì)系統(tǒng)內(nèi)其他部分的影響以及對(duì)整個(gè)DP系統(tǒng)的影響進(jìn)行說明[2]。FMEA通常以一個(gè)專用的工作表進(jìn)行分析和記錄如表1所示。

表1 典型工作表

在半潛式鉆井平臺(tái)上應(yīng)用FMEA驗(yàn)證動(dòng)力定位系統(tǒng)及其輔助系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是否滿足DP-3要求，是通過對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)、推進(jìn)器系統(tǒng)、電力分配系統(tǒng)、DP控制系統(tǒng)、DP參照系統(tǒng)以及DP相關(guān)的其他輔助系統(tǒng)（壓縮空氣系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、安全系統(tǒng)、應(yīng)急關(guān)斷系統(tǒng)、火氣系統(tǒng)等）進(jìn)行故障模式和影響的分析，來評(píng)價(jià)系統(tǒng)的安全可靠性[3]。

為滿足 DP-3附加標(biāo)志要求，動(dòng)力定位系統(tǒng)在平臺(tái)上的布置如表2所示。

表2 DP-3深水半潛平臺(tái)動(dòng)力定位系統(tǒng)的布置

FMEA考查動(dòng)力定位系統(tǒng)是否滿足DP-3要求，主要考慮以下幾種單個(gè)失效故障模式：

1) 與DP相關(guān)的單設(shè)備或單個(gè)子系統(tǒng)失效（例如：推進(jìn)器系統(tǒng)、DP控制系統(tǒng)、電力分配系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)等）；

2) 單艙失效故障（因浸水或失火導(dǎo)致安裝在此艙室內(nèi)的設(shè)備、子系統(tǒng)故障失效）。

DP-3深水半潛平臺(tái)DP系統(tǒng)FMEA分析報(bào)告基本內(nèi)容如下：

1) 動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)。分析主發(fā)電機(jī)單機(jī)的控制及輔助系統(tǒng)的配置冗余度是否滿足DP-3的操作要求,在考慮單故障的條件下不能引起其他主機(jī)的故障，這里涉及電源的冗余配置及元器件或設(shè)備的冗余是否滿足 DP-3要求. 注意還應(yīng)包含發(fā)電機(jī)生產(chǎn)廠家對(duì)設(shè)備及其內(nèi)部做的FMEA。

2) 配電系統(tǒng)。分析11kV主配電板，480V配電板，230V配電板和480V和230V應(yīng)急配電板失效故障情況，以及發(fā)生故障后替代系統(tǒng)或設(shè)備冗余度是否滿足DP-3要求。同時(shí)應(yīng)注意各區(qū)域配電板，DP控制系統(tǒng)的電力分配。注意配電系統(tǒng)的 FMEA還應(yīng)包含配電板生產(chǎn)廠家對(duì)設(shè)備及其內(nèi)部做的FMEA。

3) 推進(jìn)器系統(tǒng)。分析因推進(jìn)器失控而導(dǎo)致平臺(tái)失去原本位置的可能性。注意包含推進(jìn)器生產(chǎn)廠家對(duì)設(shè)備的FMEA。為滿足DP-3要求，平臺(tái)上動(dòng)力系統(tǒng)、電力分配系統(tǒng)和推進(jìn)器系統(tǒng)裝置的布置如圖3所示。

圖3 平臺(tái)動(dòng)力配電和推進(jìn)裝置布置

上述3個(gè)部分的FMEA分析報(bào)告中的故障模式還應(yīng)重點(diǎn)考慮失火或進(jìn)水造成一個(gè)艙室完全損失的失效故障模式。

4) 輔助機(jī)械系統(tǒng)。分析包括為DP相關(guān)設(shè)備服務(wù)的平臺(tái)空氣系統(tǒng)（包括壓縮空氣系統(tǒng)、儀表空氣系統(tǒng)和雜用空氣系統(tǒng)等）、推進(jìn)器管路系統(tǒng)、起動(dòng)空氣系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)（包括燃油輸送系統(tǒng)、燃油泄放系統(tǒng)、燃油凈化系統(tǒng)和燃油注入系統(tǒng)等）、滑油系統(tǒng)（包括滑油輸送與泄放系統(tǒng)）、冷卻系統(tǒng)（包括主機(jī)冷卻系統(tǒng)、中央冷卻系統(tǒng)和推進(jìn)器冷卻系統(tǒng)等）以及空調(diào)冷藏通風(fēng)系統(tǒng)等。

5) 動(dòng)力定位控制系統(tǒng)。分析DP控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的冗余度和包括動(dòng)力定位參照系統(tǒng)在內(nèi)的所有 DP控制系統(tǒng)設(shè)備的冗余情況是否滿足 DP-3要求。為滿足要求平臺(tái)設(shè)計(jì)了1套主DP和1套備用DP系統(tǒng)組成DP控制系統(tǒng)。注意應(yīng)包含DP控制系統(tǒng)設(shè)備生產(chǎn)廠家的FMEA。

6) 艙室物理分隔和布置。分析評(píng)價(jià)推進(jìn)器艙、主發(fā)電機(jī)艙、配電板室、控制室和其他與DP相關(guān)的艙室物理分隔是否滿足DP-3的要求（如圖3中動(dòng)力配電和推進(jìn)裝置艙室的分隔）。上述艙室在平臺(tái)上采用A60物理分隔來達(dá)到要求。

2.3 FMEA冗余度驗(yàn)證試驗(yàn)程序

DP-3深水半潛平臺(tái)DP系統(tǒng)的FMEA冗余度驗(yàn)證試驗(yàn)按如下系統(tǒng)和操作模式來驗(yàn)證可能潛在失效故障模式：

1) 動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)?？紤]操作工況在DP模式下，11kV主配電板分兩段運(yùn)行，每段至少 2臺(tái)主機(jī)運(yùn)行，8臺(tái)推進(jìn)器同時(shí)在線。

(1) 當(dāng)分兩段運(yùn)行時(shí)，考慮失去 1臺(tái)主機(jī)不會(huì)導(dǎo)致全船黑起動(dòng)；

(2) 單臺(tái)主機(jī)自動(dòng)調(diào)壓器失效故障，不會(huì)引起1臺(tái)以上主機(jī)脫扣跳閘；

(3) 還應(yīng)考慮主機(jī)調(diào)速器失效、主機(jī)調(diào)速器控制單元失效等，DP不失位。

對(duì)于主發(fā)電機(jī)組來說，故障模式主要參考了主機(jī)設(shè)備生產(chǎn)廠家對(duì)設(shè)備的FMEA驗(yàn)證程序。

2) 配電系統(tǒng)?？紤]配電板的故障模式主要是母排短路、母排斷路器故障、配電板室失火或淹艙、UPS（不間斷電源）故障等，當(dāng)發(fā)生故障后對(duì)電力平衡分配，負(fù)載轉(zhuǎn)移等的影響是否會(huì)導(dǎo)致DP失位。按如下幾個(gè)部分進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)：

(1) 分別對(duì) 11kV主配電板，480V配電板，230V配電板和480V和230V應(yīng)急配電板的每一段進(jìn)行失效故障模擬測(cè)試，考查設(shè)備及系統(tǒng)的冗余度是否滿足DP-3要求；

(2) 分別驗(yàn)證每段中壓配電板的輔助電源如UPS（4個(gè)）,每個(gè)推進(jìn)器的UPS（8個(gè)），主機(jī)控制板的UPS（4個(gè)），主DP系統(tǒng)UPS和備用DP系統(tǒng)UPS的設(shè)備冗余度；

(3) 驗(yàn)證PMS電站管理系統(tǒng)中單個(gè)就地操作站失效故障，不能引起全船黑啟動(dòng)，在分4段運(yùn)行模式和2段運(yùn)行模式下模擬此類失效故障。

3) 推進(jìn)器系統(tǒng)。驗(yàn)證推進(jìn)器調(diào)速裝置由于失電或失去控制信號(hào)等原因失效故障，不會(huì)導(dǎo)致DP失位。主要參照推進(jìn)器生產(chǎn)廠家對(duì)設(shè)備的FMEA。

4) 輔助機(jī)械系統(tǒng)。主要通過隔離來自雜用空氣和起動(dòng)空氣系統(tǒng)的空氣供應(yīng)，并釋放控制空氣管線壓力來模擬儀表控制空氣供應(yīng)失效故障，驗(yàn)證其不會(huì)對(duì)DP造成影響導(dǎo)致失位；另外驗(yàn)證1臺(tái)主機(jī)海水冷卻系統(tǒng)或淡水冷卻系統(tǒng)失效故障，不會(huì)導(dǎo)致DP失位。

5) 動(dòng)力定位DP控制系統(tǒng)。驗(yàn)證DP控制系統(tǒng)的冗余度，主要通過切斷相關(guān)設(shè)備的供電，模擬設(shè)備失效故障。主要參考DP控制系統(tǒng)設(shè)備生產(chǎn)廠家的FMEA。分別對(duì)如下設(shè)備或系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證：

(1) DP控制器的冗余度測(cè)試，包括對(duì)主控制器、備用控制器、DP控制按鈕、報(bào)警指示燈、DP控制臺(tái)等設(shè)備進(jìn)行失效故障驗(yàn)證試驗(yàn)；

(2) 控制網(wǎng)絡(luò)的冗余度測(cè)試，包括對(duì)NDU（網(wǎng)絡(luò)分配單元）、FS（就地光纖柜）等設(shè)備失效故障驗(yàn)證試驗(yàn)；

(3) 驗(yàn)證ESD（應(yīng)急關(guān)斷）系統(tǒng)控制柜和F&G（火氣）系統(tǒng)控制柜單失效，不會(huì)導(dǎo)致DP失位；

(4) 驗(yàn)證 DP參照系統(tǒng)設(shè)備的冗余度，包括DGPS（差分全球定位系統(tǒng)）、HiPAP（聲納）測(cè)深系統(tǒng)、Gyro（電羅經(jīng)）系統(tǒng)、MRU（運(yùn)動(dòng)參照單元）、風(fēng)速風(fēng)向儀系統(tǒng)等設(shè)備的失效故障測(cè)試。

6) 艙室物理分隔和布置。分別驗(yàn)證單艙故障失效，包括推進(jìn)器艙、主發(fā)電機(jī)艙、配電板室、泵艙、控制室和其他與DP相關(guān)的艙室單艙失效時(shí)，不會(huì)導(dǎo)致DP失位（即自動(dòng)保持平臺(tái)的位置和艏向）。上述各艙室間采用 A60級(jí)防火材料進(jìn)行物理分隔以避免火勢(shì)蔓延到相鄰的艙室。

2.4 FMEA分析的注意事項(xiàng)

1) 與DP有關(guān)的系統(tǒng)眾多，范圍廣泛，幾乎遍布整個(gè)平臺(tái)。所以在做故障模式與影響分析時(shí)，首先應(yīng)定義分析范圍即分析對(duì)象，對(duì)與DP相關(guān)系統(tǒng)有明確的定義；

2) 確定 FMEA的故障模式是重點(diǎn)，要盡量考慮全面；

3) 驗(yàn)證試驗(yàn)方法應(yīng)切實(shí)可行，簡(jiǎn)單易于操作，盡量驗(yàn)證全部FMEA中的故障模式；

4) 因驗(yàn)證試驗(yàn)貫穿系泊試驗(yàn)與海上試驗(yàn)階段，需要統(tǒng)籌規(guī)劃；

5) FMEA 試驗(yàn)是模擬故障模型，所以試驗(yàn)前要考慮詳盡，否則有引發(fā)事故的可能。應(yīng)先完成設(shè)備或系統(tǒng)的功能性試驗(yàn)之后，再進(jìn)行FMEA的驗(yàn)證試驗(yàn)。

3 結(jié) 語

在DP-3深水半潛平臺(tái)上運(yùn)用FMEA方法對(duì)DP系統(tǒng)進(jìn)行故障模式與影響分析，驗(yàn)證了DP系統(tǒng)的穩(wěn)定性，安全性，并有助及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在失效故障危險(xiǎn)，有效評(píng)價(jià)了DP系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否滿足IMO（國(guó)際防止船舶污染公約）、船級(jí)社等對(duì)DP-3系統(tǒng)的要求，確保為平臺(tái)提供安全穩(wěn)定有效可靠的DP系統(tǒng)，提高平臺(tái)操作人員的安全系數(shù)，使平臺(tái)在海上生產(chǎn)能安全有效地運(yùn)行。

[1] IMCA M103 Rev. I [S]. December 2007.

[2] 中國(guó)船級(jí)社 (CCS). 動(dòng)力定位系統(tǒng)檢驗(yàn)指南[S]. 2002.

[3] 畢雨佳，吳斐文. DP-2/DP-3船舶電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)[J].上海造船，2008, (4): 59-63.