基于RCM的LNG動(dòng)力船營(yíng)運(yùn)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控

趙 睿， 胡甚平， 許樂平， 席永濤

(上海海事大學(xué) 商船學(xué)院， 上海 201306)

基于RCM的LNG動(dòng)力船營(yíng)運(yùn)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控

趙 睿， 胡甚平， 許樂平， 席永濤

(上海海事大學(xué) 商船學(xué)院， 上海 201306)

以液化天然氣(Liquefied Natural Gas,LNG)作為燃料的LNG動(dòng)力船的安全營(yíng)運(yùn)問題是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。針對(duì)計(jì)劃預(yù)防維修管理模式存在的問題及船用LNG和船舶的高可靠性的特點(diǎn)，提出基于可靠性維修方法的LNG動(dòng)力船安全分析，進(jìn)行船用LNG和船舶的系統(tǒng)劃分及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)；闡述可靠性維修方法,將其應(yīng)用于風(fēng)險(xiǎn)邏輯決斷分析中，確定以風(fēng)險(xiǎn)為中心(Risk-Centred Measure，RCM)的LNG動(dòng)力船故障失效控制方式,進(jìn)而確立相應(yīng)的LNG動(dòng)力船風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控方案。應(yīng)用結(jié)果表明：LNG動(dòng)力船的安全性主要表現(xiàn)為L(zhǎng)NG泄漏所引發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)，加強(qiáng)LNG系統(tǒng)維護(hù)是提高LNG動(dòng)力船安全營(yíng)運(yùn)的主要手段。RCM方法應(yīng)用于LNG動(dòng)力船安全性風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控，有利于提升LNG動(dòng)力船營(yíng)運(yùn)中的操作安全性。

水路運(yùn)輸;船舶通航；LNG動(dòng)力船；液化天然氣；以可靠性為中心的維修；風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控

Abstract: With the growing environmental concern, clean fuel, such as, LNG (Liquefied Natural Gas) is walking into the shipping industry. The safety of LNG-fueled ships has attracted attention of the industry. Focusing on the unresolved issues in planned preventive maintenance management, the Reliablilty-Centred Maintenance method to LNG-fueled ships is introdmced and performs safety analysis accordingly. A systemic classification and risk assessment of the ship and the LNG shipping fuels are made. A solution of risk control for LNG-fueled ships is established through defining RCM (Risk-Centred Measure) for malfunctioning LNG-fueled ships in accordance with RCM logic decision analysis. The analysis indicates that the leakage of LNG is the major cause of safety issues. Emphasizing LNG system maintenance is the primary approach to improve the safety.

Keywords: waterway transportation; marine traffic; LNG-fueled ship； LNG； Reliability-Centred Maintenance； risk control option

隨著全球環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重和各國環(huán)保意識(shí)不斷增強(qiáng)，船舶大氣污染物排放問題得到國際社會(huì)的廣泛關(guān)注，以液化天然氣(Liquefied Natural Gas，LNG)為燃料的船舶具有巨大的發(fā)展前景。[1-3]由于LNG特有的物化性質(zhì)，其故障模式和風(fēng)險(xiǎn)特點(diǎn)與傳統(tǒng)燃料有所不同。[4]因此，研究LNG動(dòng)力船的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控具有現(xiàn)實(shí)意義。

海事界和航運(yùn)界已將LNG在其他領(lǐng)域成功應(yīng)用的風(fēng)險(xiǎn)管理方法引入到海運(yùn)業(yè)中。例如:BERNATIK等[5]通過總結(jié)LNG儲(chǔ)存安全方面的特點(diǎn)，對(duì)LNG作為替代燃料的存儲(chǔ)設(shè)施的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行研究；LEE等[6]通過火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估對(duì)2種類型的船用LNG燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)進(jìn)行比較；FU等[7]通過事件樹分析和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模擬對(duì)LNG動(dòng)力船潛在的泄漏風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估。

近年來，國內(nèi)關(guān)于LNG動(dòng)力船安全風(fēng)險(xiǎn)的相關(guān)研究也已取得一定的進(jìn)展。多英全[8]根據(jù)事故后果模型對(duì)某試點(diǎn)改造船進(jìn)行定量風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算；廖蘇亮等[9]構(gòu)建LNG加注船的定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法；范洪軍等[10]分析LNG加注躉船的池火危險(xiǎn)距離；趙睿等[11]提出船舶LNG-柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)供氣系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)措施。目前的研究主要針對(duì)的是LNG動(dòng)力船的單個(gè)系統(tǒng)的可靠性評(píng)估，而對(duì)整個(gè)系統(tǒng)中船用LNG和船舶相互影響下的安全營(yíng)運(yùn)風(fēng)險(xiǎn)性研究較少，可靠性和風(fēng)險(xiǎn)性相結(jié)合層面的內(nèi)容不多。

LNG動(dòng)力船是船舶和LNG的技術(shù)集成,這里采用FFA,FMEA和HAZOP等方法[12]對(duì)LNG動(dòng)力船系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析，提出LNG動(dòng)力船以風(fēng)險(xiǎn)為中心的控制措施(Risk-Centred Measure，RCM)模式，借助風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控邏輯決策方法提出基于風(fēng)險(xiǎn)的LNG動(dòng)力船安全性風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控方案。

1 計(jì)劃預(yù)防維修問題的提出

保證安全性是推進(jìn)LNG動(dòng)力船發(fā)展的重要前提。甲烷(CH4)作為L(zhǎng)NG的主要成份，具有可壓縮、易燃易爆的物化特性，可能會(huì)引發(fā)燃燒、爆炸、低溫危害和人員窒息等事故，因此將LNG作為船舶燃料具有一定的風(fēng)險(xiǎn)。由于國內(nèi)對(duì)LNG動(dòng)力船的研究尚處于起步階段，很多規(guī)范措施仍在研究制訂中，同時(shí)LNG動(dòng)力船對(duì)于國內(nèi)多數(shù)船公司而言仍屬于新興事物，存在風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控經(jīng)驗(yàn)不足的問題，因此目前大多數(shù)LNG動(dòng)力船營(yíng)運(yùn)公司仍采用計(jì)劃預(yù)防維修的方式進(jìn)行故障和風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)防。

計(jì)劃預(yù)防維修制度[13]主要的理論依據(jù)是機(jī)械磨損規(guī)律相關(guān)原理。計(jì)劃預(yù)防維修包括事后維修和預(yù)防性維修，其中:事后維修是待設(shè)備出現(xiàn)故障以后再進(jìn)行維修，通常適用于對(duì)安全沒有影響的非關(guān)鍵性部件和不可維修部件;預(yù)防性維修是按計(jì)劃在故障出現(xiàn)前進(jìn)行維修，也稱計(jì)劃維修。對(duì)LNG動(dòng)力船進(jìn)行預(yù)防性維修的主要目的是防止設(shè)備出現(xiàn)故障或避免故障帶來嚴(yán)重后果。使設(shè)備保持安全狀態(tài)所進(jìn)行的維修保養(yǎng)包括部件清洗、機(jī)器潤(rùn)滑、調(diào)整、定期拆裝檢驗(yàn)和定期維修更換等。由機(jī)械磨損的規(guī)律可知，船舶部件出現(xiàn)故障的原因不盡相同，包括疲勞損傷、摩擦磨損外、機(jī)械損傷、化學(xué)腐蝕和材料老化等，故障產(chǎn)生原因不同，故障規(guī)律也就不同，LNG動(dòng)力船的計(jì)劃預(yù)防維修制度就不一定適合由其他故障原因?qū)е碌陌踩[患。

在LNG動(dòng)力船的預(yù)防性維修中，有些零部件采用的是定期更換的維修策略，這樣難以對(duì)每個(gè)部件都進(jìn)行充分利用。即便屬于同一種類，各個(gè)部件的正常使用期也不盡相同。一般為預(yù)防故障發(fā)生，計(jì)劃預(yù)防維修制度在制訂維修計(jì)劃時(shí)，維修的間隔期要遠(yuǎn)低于平均正常使用壽命，這樣便導(dǎo)致相當(dāng)數(shù)量的零部件在遠(yuǎn)未達(dá)到使用壽命時(shí)就被更換，不可避免地存在維修過度的現(xiàn)象，這會(huì)增加營(yíng)運(yùn)公司的經(jīng)濟(jì)成本，在降低經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)并未在實(shí)質(zhì)上提高安全性。

鑒于計(jì)劃預(yù)防維修制度存在一定的不足，在LNG動(dòng)力船維修保障和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控過程中迫切需要探索應(yīng)用較為先進(jìn)的設(shè)備維修和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控技術(shù)，提高LNG動(dòng)力船營(yíng)運(yùn)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

2 基于RCM的LNG動(dòng)力船安全風(fēng)險(xiǎn)分析

以可靠性為中心的維修是一種識(shí)別故障管理策略的方法[14]，目的是高效、有效地實(shí)現(xiàn)各類設(shè)備必要的安全性、可用性及運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。RCM起源于20世紀(jì)60年代，主要應(yīng)用于美國的波音公司等民航領(lǐng)域，之后逐漸延伸到軍用系統(tǒng)與設(shè)備中，到20世紀(jì)90年代已逐漸成熟，目前已普及到很多領(lǐng)域中。其主要原則是根據(jù)各系統(tǒng)的安全性、可用性及經(jīng)濟(jì)性的特點(diǎn)，識(shí)別出系統(tǒng)中對(duì)系統(tǒng)性能影響最大的零部件(設(shè)備)及其維修工作方式，通過一種決策過程制訂出針對(duì)不同設(shè)備的以可靠性為中心的維修方式。

在實(shí)際應(yīng)用方面，船用LNG不論是在設(shè)計(jì)上還是在設(shè)備技術(shù)上，均具有很高的可靠性;同時(shí),該高可靠性的技術(shù)又應(yīng)用在高可靠性的船舶上。因此,為使維修資源利用率最大化，大大提高經(jīng)濟(jì)性，需在保證設(shè)備可靠性和安全性的情況下通過邏輯決斷分析方法來確定LNG動(dòng)力船營(yíng)運(yùn)過程中以風(fēng)險(xiǎn)為中心的預(yù)控方式。通過使用該模式，確定人—機(jī)—環(huán)境相互影響、相互作用下的關(guān)鍵操作，實(shí)現(xiàn)關(guān)注操作的風(fēng)險(xiǎn)管理。LNG動(dòng)力船風(fēng)險(xiǎn)分析見圖1,進(jìn)行安全性風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控的RCM基本步驟如下。

圖1 LNG動(dòng)力船風(fēng)險(xiǎn)分析

2.1系統(tǒng)劃分

在LNG動(dòng)力船的RCM分析過程中，為分析研究對(duì)象之間的風(fēng)險(xiǎn)關(guān)系，確保系統(tǒng)的可靠性和降低風(fēng)險(xiǎn)，需確定系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)鏈。依據(jù)一定的關(guān)系原則對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的研究對(duì)象進(jìn)行系統(tǒng)分解，將LNG動(dòng)力船的復(fù)雜系統(tǒng)劃分為數(shù)個(gè)相對(duì)獨(dú)立的風(fēng)險(xiǎn)系統(tǒng)，形成典型的項(xiàng)目(MSI)，從而完成系統(tǒng)劃分。

2.2可靠性與風(fēng)險(xiǎn)性初步分析

進(jìn)行可靠性與初步風(fēng)險(xiǎn)分析的主要目的是確定系統(tǒng)內(nèi)的重要風(fēng)險(xiǎn)環(huán)節(jié)，并對(duì)這些環(huán)節(jié)標(biāo)記風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。分析識(shí)別設(shè)備運(yùn)行過程中風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別較高的風(fēng)險(xiǎn)環(huán)節(jié)，并篩選出風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別較低的風(fēng)險(xiǎn)環(huán)節(jié)，在此后的評(píng)估過程中只針對(duì)中高風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別的風(fēng)險(xiǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行分析，低級(jí)別可接受的風(fēng)險(xiǎn)環(huán)節(jié)不再進(jìn)行細(xì)化研究，從而確保資源的合理化分配。

2.3FFA分析

功能失效分析(Functional Failure Analysis，F(xiàn)FA)的任務(wù)是識(shí)別并描述系統(tǒng)、子系統(tǒng)和設(shè)備所要求的功能及系統(tǒng)操作所需的界面，識(shí)別系統(tǒng)失效途徑。功能失效分析的最終任務(wù)是確定和描述系統(tǒng)功能可能發(fā)生失效的方式。大多數(shù)RCM引用的功能失效可分為完全喪失功能、喪失部分功能和有錯(cuò)誤的功能等3組。

2.4FMEA分析

故障模式和影響分析(Failure Mode Effects Analysis，F(xiàn)MEA)[15]是逐一分析風(fēng)險(xiǎn)系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備故障或非正常運(yùn)行的模式，評(píng)定故障模式的發(fā)生頻率和故障后果的嚴(yán)重程度，結(jié)合風(fēng)險(xiǎn)矩陣方法分析判斷故障模式的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，為風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控策略的邏輯判斷提供決策依據(jù)。

2.5HAZOP分析

危險(xiǎn)性和可操作性分析(HAZard and OPerability Analysis，HAZOP)是由經(jīng)驗(yàn)豐富的不同領(lǐng)域的專家以系統(tǒng)工程為基礎(chǔ)，對(duì)LNG動(dòng)力船系統(tǒng)進(jìn)行安全性審查，通過評(píng)價(jià)各風(fēng)險(xiǎn)系統(tǒng)中因各個(gè)設(shè)備的誤操作或機(jī)械故障而引發(fā)事故的潛在危險(xiǎn)，評(píng)價(jià)這些故障模式對(duì)整個(gè)風(fēng)險(xiǎn)系統(tǒng)的影響，分析已有安全措施是否充分，是否需要增加風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控措施等，最后提出風(fēng)險(xiǎn)緩解的建議措施和行動(dòng)。

2.6基于風(fēng)險(xiǎn)的決策

采用邏輯決斷方法對(duì)故障模式發(fā)生的根本原因及FMEA和HAZOP分析中故障模式的風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果進(jìn)行邏輯決策，確定適合設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控方式，控制設(shè)備修理時(shí)機(jī)和內(nèi)容。風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控的方式包括事后維修、定期維修及視情維修等。通過LNG動(dòng)力船系統(tǒng)的RCM決策分析，由于不同的設(shè)備部件具有不同的可靠性，因此基于LNG動(dòng)力船系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控的邏輯決策，綜合考慮設(shè)備的安全性、可用性和經(jīng)濟(jì)性確定采取何種方式。針對(duì)不同故障模式選擇風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控工作類型的邏輯決策(見圖2)。

圖2 風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控邏輯決策流程

3 基于RCM的LNG動(dòng)力船營(yíng)運(yùn)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控

3.1LNG動(dòng)力船風(fēng)險(xiǎn)系統(tǒng)劃分

根據(jù)LNG動(dòng)力船舶的特點(diǎn)，風(fēng)險(xiǎn)系統(tǒng)主要可分為4個(gè)風(fēng)險(xiǎn)系統(tǒng)和5類風(fēng)險(xiǎn)類型(見表1)。

表1 LNG動(dòng)力船風(fēng)險(xiǎn)系統(tǒng)及風(fēng)險(xiǎn)類型

3.2初步風(fēng)險(xiǎn)分析

運(yùn)用風(fēng)險(xiǎn)矩陣的方法識(shí)別系統(tǒng)運(yùn)行中風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別較高的重要的風(fēng)險(xiǎn)環(huán)節(jié)。風(fēng)險(xiǎn)矩陣法是較為簡(jiǎn)單有效的風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別分類方法,其主要綜合表示出風(fēng)險(xiǎn)的事故發(fā)生頻率和事故后果嚴(yán)重程度2個(gè)關(guān)鍵要素。

依據(jù)文獻(xiàn)[15]，LNG動(dòng)力船系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)矩陣中的縱坐標(biāo)表示故障模式發(fā)生的頻率，即單位時(shí)間內(nèi)故障模式發(fā)生次數(shù)與LNG動(dòng)力船活動(dòng)量的比值(見表2)。

表2 頻率衡準(zhǔn)表

依據(jù)文獻(xiàn)[6]和文獻(xiàn)[15]，LNG動(dòng)力船系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)矩陣的橫坐標(biāo)表示故障模式產(chǎn)生后果的嚴(yán)重程度，是指事故發(fā)生造成的影響。在實(shí)際分析中，通常需考慮對(duì)人員、船舶及環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)或?qū)е聯(lián)p失的風(fēng)險(xiǎn)等(見表3)。

表3 后果衡準(zhǔn)表

根據(jù)分析的結(jié)果對(duì)LNG動(dòng)力船系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行歸類，對(duì)應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)矩陣圖的不同區(qū)域，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分別為低風(fēng)險(xiǎn)(R4)、中等風(fēng)險(xiǎn)(R3)、偏高風(fēng)險(xiǎn)(R2)和高風(fēng)險(xiǎn)(R1)(見圖3)。

圖3 風(fēng)險(xiǎn)矩陣

3.3基于RCM決策分析的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控策略

根據(jù)上述基于RCM的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控邏輯決策分析，確定LNG動(dòng)力船系統(tǒng)的安全性風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控策略。表4列出8種涉及到LNG動(dòng)力船營(yíng)運(yùn)過程中因LNG與船舶使用中可靠性轉(zhuǎn)化成風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵問題。例如:船舶營(yíng)運(yùn)過程中，因碰撞/擱淺導(dǎo)致的LNG泄漏，風(fēng)險(xiǎn)程度為R2級(jí)，須制訂LNG泄漏應(yīng)急預(yù)案進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)控制，特別是在海上交通事故后加強(qiáng)應(yīng)急處置;在燃料加注過程中，因LNG泄漏造成的火災(zāi)、爆炸及低溫危害，風(fēng)險(xiǎn)程度為R1級(jí)，須制訂并嚴(yán)格執(zhí)行安全操作規(guī)程和應(yīng)急預(yù)案,加強(qiáng)船員教育和培訓(xùn)，做好防護(hù)工作，避免人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，減小對(duì)船舶和環(huán)境的影響。

表4 LNG動(dòng)力船風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控策略

續(xù)表4

4 結(jié)束語

根據(jù)船用LNG和LNG動(dòng)力船的特性，基于RCM方法對(duì)LNG動(dòng)力船進(jìn)行系統(tǒng)劃分和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，運(yùn)用FFA,FMEA和HAZOP分析方法對(duì)LNG動(dòng)力船系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析，通過RCM邏輯決斷分析進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控方案，形成LNG動(dòng)力船風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控策略，提出LNG動(dòng)力船避免故障失效的措施方式，制訂出相應(yīng)的安全性風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控措施。

經(jīng)初步論證，LNG動(dòng)力船的風(fēng)險(xiǎn)類型主要體現(xiàn)在“兩防”(即防碰撞、防泄漏)上，表現(xiàn)為船舶碰撞、擱淺、加注、儲(chǔ)罐系統(tǒng)老化和維修停航等情況導(dǎo)致的燃料泄漏、火災(zāi)爆炸、低溫危害及燃料泄放等，尤其是在船舶營(yíng)運(yùn)和燃料加注過程中，由于碰撞或操作失誤導(dǎo)致的燃料泄漏的風(fēng)險(xiǎn)程度較高?？赏ㄟ^制訂并嚴(yán)格執(zhí)行安全操作規(guī)程、加強(qiáng)工作人員教育和培訓(xùn)、對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及視情維修等方式進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控?？傮w而言，由于目前LNG動(dòng)力船舶從設(shè)計(jì)到建造的各個(gè)環(huán)節(jié)都有高標(biāo)準(zhǔn)和嚴(yán)格的管理規(guī)范要求，因此總體風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較低。

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RiskControlOptionforLNG-FueledShipsBasedonRisk-CentredMeasure

ZHAORui，HUShenping，XULeping，XIYongtao

(Merchant Marine College， Shanghai Maritime University， Shanghai 201306， China)

U698.6

A

2016-12-11

中國交通建設(shè)股份有限公司新建清潔能源大型耙吸式挖泥船關(guān)鍵技術(shù)研究(2014-ZJKJ-04)

趙 睿(1981—)，男，河北邢臺(tái)人，助理研究員，博士生，研究方向?yàn)長(zhǎng)NG動(dòng)力船風(fēng)險(xiǎn)管理。E-mail：zhaorui@shmtu.edu.cn

1000-4653(2017)01-0083-05