基于風(fēng)險(xiǎn)的船舶結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)方法及應(yīng)用

方 舟 朱成華 徐紅昌 戴錦陽(yáng)

（1.嘉興南洋職業(yè)技術(shù)學(xué)院 嘉興314031；2.華中科技大學(xué) 武漢430074；3.嘉興市港航管理服務(wù)中心 嘉興314031）

0 引 言

船舶結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中存在各類風(fēng)險(xiǎn)，目前船舶結(jié)構(gòu)的安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估主要通過(guò)入級(jí)檢驗(yàn)、交付后的定期檢驗(yàn)實(shí)現(xiàn)，其中定期檢驗(yàn)以五年為周期進(jìn)行年度檢驗(yàn)、中間檢驗(yàn)和特殊檢驗(yàn)，傳統(tǒng)檢驗(yàn)主要通過(guò)測(cè)量結(jié)構(gòu)構(gòu)件來(lái)實(shí)現(xiàn)的。該方法在工程應(yīng)用中具有簡(jiǎn)單實(shí)用的優(yōu)點(diǎn)，但其缺乏靈活性，而且有效性無(wú)法輕易衡量，同時(shí)也不利于先進(jìn)檢查技術(shù)的應(yīng)用推廣。

傳統(tǒng)的船舶結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估每五年進(jìn)行一次全面定期檢驗(yàn)是最廣泛的（因其涉及對(duì)所有要素的檢查），且是最昂貴的（因其需要長(zhǎng)時(shí)間?？看埃?。盡管檢驗(yàn)范圍很廣，但如此大的間隔并不能反映船舶隨年齡增長(zhǎng)所面臨的風(fēng)險(xiǎn)隨時(shí)間變化的性質(zhì)。因?yàn)榇w結(jié)構(gòu)的風(fēng)險(xiǎn)隨著船齡增長(zhǎng)而增加，并且很大程度上取決于與高風(fēng)險(xiǎn)的結(jié)構(gòu)部件相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)水平［1］。例如，相對(duì)較新的船舶的風(fēng)險(xiǎn)水平可能要求每六至七年進(jìn)行一次特殊檢驗(yàn)，而對(duì)于老化的船舶，對(duì)關(guān)鍵部件的風(fēng)險(xiǎn)增加可能需要更頻繁定期檢驗(yàn)（例如每四年一次）。

目前，針對(duì)船舶領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外各船級(jí)社都已先后實(shí)施一種與入級(jí)無(wú)關(guān)的船舶狀態(tài)評(píng)估程序（CAP），是根據(jù)檢查檢驗(yàn)、厚度測(cè)量、強(qiáng)度計(jì)算和性能測(cè)試等內(nèi)容對(duì)船舶實(shí)際技術(shù)狀態(tài)進(jìn)行等級(jí)劃分的一項(xiàng)獨(dú)立和完整的評(píng)定［2-3］，主要包括船體結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估程序（HCAP）和機(jī)械狀態(tài)評(píng)估程序（MCAP）。其中針對(duì)HCAP中的厚度測(cè)量評(píng)級(jí)主要通過(guò)對(duì)比實(shí)際測(cè)量板厚與允許剩余板厚進(jìn)行對(duì)比評(píng)級(jí)，而允許剩余板厚是根據(jù)《現(xiàn)有船狀態(tài)評(píng)估程序（CAP）指南》［2］中“腐蝕磨耗百分比”計(jì)算得出，但其對(duì)船舶結(jié)構(gòu)處所位置、船舶實(shí)際運(yùn)營(yíng)時(shí)長(zhǎng)等因素均未考慮，具有一定的局限性。

基于風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估方法已廣泛應(yīng)用于其他行業(yè)，也可用于船舶結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，輔助船舶結(jié)構(gòu)檢驗(yàn)，有助于驗(yàn)船師監(jiān)督現(xiàn)有法規(guī)在船舶建造運(yùn)行階段的執(zhí)行情況。

因此，對(duì)于現(xiàn)有的船舶結(jié)構(gòu)檢驗(yàn)可以引入基于風(fēng)險(xiǎn)的船舶結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)方法，通過(guò)綜合考慮船舶結(jié)構(gòu)隨船齡增長(zhǎng)不斷增加的風(fēng)險(xiǎn)和高風(fēng)險(xiǎn)因素，有效識(shí)別薄弱點(diǎn)、評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)、調(diào)整檢驗(yàn)間隔周期，并通過(guò)采取合理的措施消除或減少相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)。

本文基于失效模式和影響分析（FMEA）方法建立船舶結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)方法，并通過(guò)實(shí)例計(jì)算驗(yàn)證了該方法的可行性。

1 船體結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法

1.1 方法概述

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)的確定方式分為定量或定性分析，其中定性分析主要依賴專家經(jīng)驗(yàn)確定和評(píng)估不良事件的可能性和后果，而定量分析主要根據(jù)統(tǒng)計(jì)方法和數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行計(jì)算得出［4］。定量或定性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法的選擇取決于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的目的以及危害評(píng)估數(shù)據(jù)的可用性和可用性水平［5］。表1給出了各類風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法的特征［6］。

表1 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法

在定量評(píng)估和分析與事件相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，風(fēng)險(xiǎn)代表系統(tǒng)故障而造成損失的可能性。因此，為定量評(píng)估船舶結(jié)構(gòu)失效的風(fēng)險(xiǎn)，可從結(jié)構(gòu)失效模式和影響分析入手，即失效模式和影響分析（FMEA），用事件發(fā)生的概率和事件發(fā)生的潛在相關(guān)后果兩個(gè)因素來(lái)評(píng)估船舶結(jié)構(gòu)安全的風(fēng)險(xiǎn)。風(fēng)險(xiǎn)程度R可用式（1）［4］表示：

式中：Р為發(fā)生不良事件的概率；C為事件發(fā)生的后果。

為評(píng)估船舶結(jié)構(gòu)的安全技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，需要分析船舶結(jié)構(gòu)失效概率和失效后果，其中結(jié)構(gòu)失效概率是指結(jié)構(gòu)破壞傾向的度量，可以從腐蝕的角度來(lái)看，利用超聲測(cè)量技術(shù)測(cè)量甲板、舷側(cè)艙壁、縱艙壁艙壁和梁等結(jié)構(gòu)元件的剩余厚度或計(jì)算船舶結(jié)構(gòu)剩余強(qiáng)度，并與規(guī)范要求進(jìn)行對(duì)比，從而確定結(jié)構(gòu)元件失效的可能性，即船舶結(jié)構(gòu)失效概率；失效后果借助專家經(jīng)驗(yàn)來(lái)評(píng)估結(jié)構(gòu)部件失效的后果，并考慮與人身安全，對(duì)船舶的影響以及對(duì)環(huán)境的影響有關(guān)的故障影響。最終，船舶結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)可以通過(guò)將結(jié)構(gòu)失效概率和失效后果的指標(biāo)組合獲得。

1.2 結(jié)構(gòu)失效的概率分析

結(jié)構(gòu)元件的損壞概率估算，也稱失效概率分析。結(jié)構(gòu)元素可能會(huì)發(fā)生一種損壞或多種損壞，并且在某些情況下可能是相關(guān)的，如在容易發(fā)生強(qiáng)烈腐蝕的區(qū)域出現(xiàn)疲勞裂紋。

失效概率本質(zhì)上是壽命周期內(nèi)或年度內(nèi)失效的可能性，很少會(huì)詳細(xì)計(jì)算損壞的可能性，因?yàn)檫@是計(jì)算量大的計(jì)算，并且在任何情況下，估算都是“有條件的”，而不是“實(shí)際的”。

因此，實(shí)際操作中，可以通過(guò)簡(jiǎn)單的統(tǒng)計(jì)分析與技術(shù)判斷相結(jié)合來(lái)預(yù)計(jì)結(jié)構(gòu)失效的可能性。具體而言，結(jié)構(gòu)失效概率指標(biāo)（РX）可以用船舶結(jié)構(gòu)在操作過(guò)程中遭受腐蝕腐蝕的狀態(tài)特征來(lái)表征船舶結(jié)構(gòu)失效的可能性，其中РX=1對(duì)應(yīng)船級(jí)社對(duì)新船體結(jié)構(gòu)板厚要求（無(wú)腐蝕）上限值，表示損壞船舶結(jié)構(gòu)（或其單個(gè)零件和元素）失效的可能性極低；РX=3對(duì)應(yīng)船級(jí)社對(duì)確認(rèn)5年船齡船舶結(jié)構(gòu)板厚的最低要求，表示船舶結(jié)構(gòu)失效的概率高；РX=4表示船舶結(jié)構(gòu)板厚腐蝕已經(jīng)超過(guò)允許腐蝕值范圍，即緊急狀態(tài)，船舶結(jié)構(gòu)失效的概率極高。

根據(jù)C.W.Robb等［6］對(duì)船舶安全風(fēng)險(xiǎn)分析的研究，可將船舶結(jié)構(gòu)失效概率分為緊急、高、中等、低四類，并為不同概率和失效可能分配了概率指標(biāo)。

允許腐蝕增加值 為新建船舶結(jié)構(gòu)所需的板厚S與概率指標(biāo)（РX=1，2，3）所需的最小允許剩余板厚 的之差。

表2 船舶結(jié)構(gòu)失效可能性的分類示例

在分配允許的剩余板厚特性和剩余的梁抗彎矩特性時(shí)，采用統(tǒng)一的方法：對(duì)于分類評(píng)估框架內(nèi)的每個(gè)“合適”概率指標(biāo)（РX= 1、2、3），在整個(gè)使用壽命內(nèi)分配允許腐蝕范圍的1/3。

在一般腐蝕的情況下，用于分配概率指標(biāo)（РX= 1、2、3）的 允許剩余板厚由式（2）確定：為《現(xiàn)有船狀態(tài)評(píng)估程序（CAP）指南》［3］所要求的一般腐蝕允許的剩余板厚（mm）；S為建造規(guī)則［5］要求的板材厚度，mm； ?S為腐蝕余量，mm，由建造規(guī)則確定［1］；

式中：m1為根據(jù)《現(xiàn)有船狀態(tài)評(píng)估程序（CAP）指南》［3］進(jìn)行選取。

允許概率指標(biāo)（Р= 1，2，3）下，結(jié)構(gòu)元件橫截面允許剩余剖面模數(shù) 由式（3）確定：

一組結(jié)構(gòu)元件失效概率的最終指標(biāo)被確定為元件失效概率的算術(shù)平均值，即式（4）：

式中：Рi為結(jié)構(gòu)中1個(gè)元素（一部分）失效概率的指標(biāo)；i為主體連接組中的元素（零件）數(shù)。

1.3 結(jié)構(gòu)元件失效的影響分析

對(duì)于一般的海上結(jié)構(gòu)設(shè)施，特別是對(duì)于船舶結(jié)構(gòu)，通常從以下三個(gè)方面考慮事故后果進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估：

（1）人員傷亡；

（2）環(huán)境污染；

（3）財(cái)產(chǎn)損失，其中財(cái)產(chǎn)損失包括對(duì)人員傷亡賠償、環(huán)境的治理、結(jié)構(gòu)的修復(fù)等。

直接計(jì)算這3個(gè)影響類別中的任何一個(gè)的影響都是困難的，主要在于確定事故后果的范圍，例如，疲勞失效的后果至少包括維修成本和可能的設(shè)計(jì)成本，較小的初始破壞會(huì)導(dǎo)致涉及結(jié)構(gòu)很大一部分的更廣泛的損壞，而且結(jié)構(gòu)性故障會(huì)導(dǎo)致全船結(jié)構(gòu)應(yīng)力的重新分配，這使得結(jié)構(gòu)件失效后果的影響分析變得非常復(fù)雜，

因此，本文為簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)件失效的影響分析，根據(jù)B.M.Ayyub［7］等人的研究結(jié)果，從人員傷亡、環(huán)境污染、財(cái)產(chǎn)損失三個(gè)方面對(duì)船舶結(jié)構(gòu)失效后果進(jìn)行分類，分為災(zāi)難性、嚴(yán)重、中等和低4個(gè)級(jí)別。表3為船舶結(jié)構(gòu)故障的后果示例。

表3 船舶結(jié)構(gòu)失效后果示例

1.4 確定風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)

風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)用于描述風(fēng)險(xiǎn)的相對(duì)量級(jí)，由結(jié)構(gòu)失效概率和失效后果指標(biāo)組合。風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)可表示為：風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)（R）=失效概率（Р）×失效后果指標(biāo)（C）。

結(jié)構(gòu)失效概率和失效后果指標(biāo)組合所得的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)如下頁(yè)表4所示，其中以失效概率為低Р=1、失效后果為災(zāi)難性C= 4為例，失效風(fēng)險(xiǎn)R=Р×C= 4。

表4 風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)表

R≤4，則對(duì)象（部件，零件）風(fēng)險(xiǎn)較低；4

根據(jù)概率和影響等級(jí)分類，可以認(rèn)為1~3級(jí)是可接受的低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，4~9級(jí)被認(rèn)為可接受的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，12~16表示不允許的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。

2 船體結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

為證明以上方法的可行性，選取1艘船齡22年并仍在運(yùn)行的油輪作為研究對(duì)象［7-8］，并對(duì)其外板和上甲板結(jié)構(gòu)件厚度進(jìn)行了超聲測(cè)量。

如表5和下頁(yè)表6所示，基于測(cè)量厚度計(jì)算得出外板和上甲板結(jié)構(gòu)件的失效概率，分析結(jié)果得出：

表5 外板失效概率計(jì)算

表6 上甲板構(gòu)件失效概率計(jì)算

（1）外板總的失效概率為2.15，取值Р= 2，屬于中等水平的故障可能；

（2）上甲板總的失效概率為1.13，取值Р= 1，屬于低水平的故障可能；

（3）外板第2、3、4、5、6號(hào)結(jié)構(gòu)件具有極高的失效概率，其腐蝕超過(guò)法規(guī)所允許的腐蝕，需要緊急更換。

按照船體結(jié)構(gòu)類別對(duì)造成的后果進(jìn)行分類，船舶結(jié)構(gòu)損壞后果的指標(biāo)見表7。

表7 結(jié)構(gòu)構(gòu)建組失效后果的影響指標(biāo)

上甲板的概率指標(biāo)和故障影響指標(biāo)，可以計(jì)算每一構(gòu)件和整個(gè)耦合組的風(fēng)險(xiǎn)程度。在此應(yīng)注意，對(duì)于一個(gè)局部連接結(jié)構(gòu)中的每個(gè)結(jié)構(gòu)元素，損壞的結(jié)果與對(duì)該局部連接結(jié)構(gòu)的影響相同，并且含義相同，因?yàn)橐粋€(gè)局部結(jié)構(gòu)元素執(zhí)行相同的功能。

以本次測(cè)量和結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估第22年為起點(diǎn)，并假設(shè)船舶外板板厚和上甲板板厚均按《現(xiàn)有船狀態(tài)評(píng)估程序（CAP）指南》所述腐蝕速率減少［2］，如圖1所示。

圖1 船舶外板和上甲板腐蝕速率模型

基于本次對(duì)22年船齡油船的結(jié)構(gòu)元件的測(cè)量和圖1所示的甲板腐蝕速率，下頁(yè)表8計(jì)算本次測(cè)量后第5、7、10、13、15、20、25年的損傷概率指標(biāo)，其中損壞后果指標(biāo)保持不變。表中Р是損傷概率指標(biāo)，C是損壞后果，R表示船體結(jié)構(gòu)失效的風(fēng)險(xiǎn)度。

表8 結(jié)構(gòu)元件隨時(shí)間故障的風(fēng)險(xiǎn)程度

從風(fēng)險(xiǎn)程度的計(jì)算結(jié)果可以得出：

（1）外板結(jié)構(gòu)的總風(fēng)險(xiǎn)在本船船齡40年時(shí)（即本次測(cè)厚評(píng)估后的第18年）達(dá)到了不可接受的水平；

（2）上甲板的總風(fēng)險(xiǎn)在本船船齡37年時(shí)（即本次測(cè)厚評(píng)估后的第15年）達(dá)到了不可接受的水平。

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)測(cè)量船舶結(jié)構(gòu)剩余厚度與規(guī)范對(duì)比，并借助專家經(jīng)驗(yàn)評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)失效后果，基于失效模式和影響分析（FMEA）方法建立船舶結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法，經(jīng)實(shí)例應(yīng)用驗(yàn)證了該方法的可行性。

盡管船舶結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估不能取代現(xiàn)有的船舶結(jié)構(gòu)安全檢驗(yàn)和監(jiān)督系統(tǒng)，但是可以擴(kuò)展其現(xiàn)有船舶結(jié)構(gòu)檢驗(yàn)功能：

（1）船舶結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估可以使從初始檢查策略得到更新，使結(jié)構(gòu)構(gòu)件檢查程序得以發(fā)展，主要可以通過(guò)調(diào)整檢驗(yàn)范圍和時(shí)間表來(lái)優(yōu)化船舶結(jié)構(gòu)檢驗(yàn)程序；

（2）根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的結(jié)果，可以預(yù)測(cè)船體元素的技術(shù)狀況、損壞風(fēng)險(xiǎn)高的結(jié)構(gòu)區(qū)域，提前計(jì)劃所需的維修量，有效減少舊船的檢查、維護(hù)和修理費(fèi)用；

（3）評(píng)估方法的應(yīng)用有助于通過(guò)制定措施來(lái)提高船舶結(jié)構(gòu)的可靠性，并顯著減少破壞財(cái)產(chǎn)，人員和環(huán)境的事件和事故的數(shù)量。