FMEA在動(dòng)力定位鉆井平臺(tái)中的廣泛應(yīng)用

摘 要：以中遠(yuǎn)船務(wù)工程集團(tuán)有限公司生產(chǎn)建造的“創(chuàng)新者號(hào)”GM4000型深海鉆井平臺(tái)為實(shí)例，闡述FMEA（故障模式與影響分析）對(duì)動(dòng)力定位鉆井平臺(tái)進(jìn)行分析的概念和流程，以及FMEA分析報(bào)告和冗余度驗(yàn)證試驗(yàn)程序的內(nèi)容。

關(guān)鍵詞：FMEA故障模式；影響分析；DP動(dòng)力定位；冗余

引言

隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)石油的需求量與日俱增，人類已經(jīng)將目光投向了深海。具備動(dòng)力定位能力的深海鉆井平臺(tái)已經(jīng)成為人類獲取深海石油的重要途徑和手段。深海鉆井平臺(tái)由于長期處于遠(yuǎn)海作業(yè)，設(shè)計(jì)要求至少十年以上不入港維修，因此對(duì)平臺(tái)的穩(wěn)定性和可靠性要求都非常嚴(yán)格，所有動(dòng)力定位平臺(tái)在海上試航期間都必須進(jìn)行FMEA試驗(yàn)。本文以“創(chuàng)新者號(hào)”GM4000型深海鉆井平臺(tái)為實(shí)例介紹FMEA的概念分析方法、流程以及編寫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 基本概念

1.1 FMEA

FMEA（Failure Modes and Effects Analysis）是一種可靠性設(shè)計(jì)的重要方法。它是FMA（故障模式分析）和FEA（故障影響分析）的組合，對(duì)各種可能的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)、分析，以便在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上消除這些風(fēng)險(xiǎn)或?qū)⑦@些風(fēng)險(xiǎn)減小到可接受的水平。

1.2 動(dòng)力定位系統(tǒng)

動(dòng)力定位系統(tǒng)Dynamic Positioning System是海洋工程船舶的一種定位方法，使用衛(wèi)星、聲吶等測(cè)定船位，再利用自動(dòng)控制系統(tǒng)，發(fā)出指令，控制全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器來保證固定在相對(duì)位置。動(dòng)力定位的附加標(biāo)志為DP-1、DP-2、DP-3三種，其中DP-1級(jí)別最低，DP-3級(jí)別最高?！皠?chuàng)新者號(hào)”GM4000型深海鉆井平臺(tái)采用最高等級(jí)DP-3動(dòng)力定位。船級(jí)社授予不同的動(dòng)力定位附加標(biāo)識(shí)，其要求的設(shè)備配置也不同，主要區(qū)別在設(shè)備配置的冗余度上，圖1為典型的GM4000型鉆井平臺(tái)動(dòng)力定位組成：

1.3 動(dòng)力定位系統(tǒng)的FMEA

動(dòng)力定位系統(tǒng)的FMEA的主要目的是幫助評(píng)估鉆井平臺(tái)動(dòng)力定位系統(tǒng)的冗余度，顯示在故障模式下平臺(tái)的位置保持能力，模擬和仿真的背景是所有設(shè)備都會(huì)故障，或?qū)l(fā)生故障。同時(shí)，F(xiàn)MEA也會(huì)檢查動(dòng)力定位系統(tǒng)是否滿足DP-3的要求。

FMEA必須包括：

（1）系統(tǒng)描述；（2）DP系統(tǒng)的單線圖；（3）每個(gè)獨(dú)立設(shè)備在物理和功能上描述和相關(guān)聯(lián)的故障模式；（4）整個(gè)動(dòng)力定位系統(tǒng)中每個(gè)故障模式影響的描述（5）概論，總結(jié)和推薦；（6）排除故障的方法；（7）操作上的限制

2 FMEA分析方法

2.1 FMEA分析流程

（1）對(duì)進(jìn)行FMEA的動(dòng)力定位系統(tǒng)進(jìn)行定位；（2）DP系統(tǒng)、電力系統(tǒng)的單線圖說明各系統(tǒng)、各設(shè)備之間的關(guān)系；（3）確定所有故障模式和他們之間的因果關(guān)系；（4）判定所有故障對(duì)平臺(tái)定位的影響；（5）明確發(fā)現(xiàn)各種故障的檢測(cè)方法；（6）正確評(píng)估各種故障模式；（7）完成FMEA分析報(bào)告和驗(yàn)證試驗(yàn)程序提交船級(jí)社審查。

2.2 FMEA 分析報(bào)告

當(dāng)動(dòng)力定位系統(tǒng)發(fā)生某個(gè)單一故障時(shí)候，這個(gè)故障可能無影響，或?qū)ο到y(tǒng)局部產(chǎn)生影響，或?qū)ο到y(tǒng)整體產(chǎn)生影響。

FMEA會(huì)用專門工作表進(jìn)行分析和記錄，如表1所示：

“創(chuàng)新者號(hào)”GM4000型深海鉆井平臺(tái)DP系統(tǒng)FMEA分析報(bào)告基本內(nèi)容如下：

2.2.1 動(dòng)力系統(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.

2.2.2 配電系統(tǒng)

分析6.6kV主配電板，690V配電板、440V配電板，230V配電板，和690V、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。

2.2.3 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。

2.2.4 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)、推進(jìn)器管路系統(tǒng)、起動(dòng)空氣系統(tǒng)、燃油、滑油系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)等。

2.2.5 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“創(chuàng)新者號(hào)”GM4000型深海鉆井平臺(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)。

2.2.6 涉及DP系統(tǒng)的艙室物理分隔和布置

分析評(píng)價(jià)機(jī)艙、推進(jìn)器艙、配電間、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2中動(dòng)力和推進(jìn)裝置艙室的分隔。創(chuàng)新者號(hào)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

“創(chuàng)新者號(hào)”GM4000型深海鉆井平臺(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

2.3.1 發(fā)電系統(tǒng)

考慮操作工況在DP模式下6.6kV主配電板分兩段運(yùn)行每段至少2臺(tái)主機(jī)運(yùn)行6臺(tái)推進(jìn)器同時(shí)在線。

（1）行時(shí)考慮失去1臺(tái)主機(jī)不會(huì)引起全船黑起動(dòng)；（2）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）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。

2.3.2 配電系統(tǒng)

考慮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)6.6kV主配電板、690V、440V配電板、230V配電板，690V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6.6KV主配電板的輔助電源如UPS，每個(gè)推進(jìn)器的UPS，主機(jī)控制板的UPS，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；（4）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；（5）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；（6）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：①DP控制器的冗余度測(cè)試包括對(duì)主控制臺(tái)、備用控制臺(tái)、DP控制按鈕、報(bào)警指示燈等設(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)網(wǎng)絡(luò)分配單元、信號(hào)采集柜等設(shè)備失效故障驗(yàn)證試驗(yàn)。③驗(yàn)證應(yīng)急關(guān)斷系統(tǒng)控制柜和火氣系統(tǒng)控制柜單失效不會(huì)導(dǎo)致動(dòng)力定位失位。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)、聲納測(cè)深系統(tǒng)、電羅經(jīng)系統(tǒng)、位移參考參照單元、風(fēng)速風(fēng)向儀系統(tǒng)等設(shè)備的失效故障測(cè)試。⑤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、機(jī)艙、配電間、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)致喪失動(dòng)力定位功能，即自動(dòng)保持平臺(tái)的位置和方向。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。

3 結(jié)束語

在“創(chuàng)新者號(hào)”GM4000型深海鉆井平臺(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)證了其DP系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性，并能及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在故障危險(xiǎn)并處理，為鉆井平臺(tái)在海上安全可靠的生產(chǎn)提供了良好的保障。

參考文獻(xiàn)

[1]衛(wèi)衛(wèi)，動(dòng)力定位DP3附加標(biāo)志在鉆井平臺(tái)上的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J]，船舶，2009（8）；34-41

[2]DYNAMIC POSITIONING SYSTEMS-MINI DNV[S].2004.

作者簡介：孫瑋（1986.1-），男，江蘇鎮(zhèn)江人，本科，助理工程師，電氣工程及其自動(dòng)化