零部件研發(fā)風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與分析

李春，關(guān)慶齡，喻修其，許瑩

（中海油田服務(wù)股份有限公司，河北 三河 065201）

0 引言

隨著國內(nèi)制造業(yè)的蓬勃發(fā)展，石油行業(yè)機(jī)械零部件自主研發(fā)數(shù)量急劇增加。在研發(fā)中應(yīng)做好風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)與分析以保證研發(fā)效果。本文以船位儀為例闡述零部件研發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與分析過程。

船位儀應(yīng)用在半潛式鉆井平臺(tái)，其功能是在平臺(tái)作業(yè)過程中，利用水聲技術(shù)監(jiān)視平臺(tái)與井口的水平方向相對(duì)位移，為船長操船提供依據(jù)。船位儀系統(tǒng)功能多、技術(shù)復(fù)雜，涉及到多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域，如深海低功耗應(yīng)答器設(shè)計(jì)、寬帶超短基線目標(biāo)定位技術(shù)、超短基線陣設(shè)計(jì)及防海洋生物設(shè)計(jì)技術(shù)、信號(hào)傳輸抗干擾技術(shù)、超短基線陣校準(zhǔn)技術(shù)等。進(jìn)行該項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)分析與評(píng)估是保證項(xiàng)目研制成功的必要條件之一，可為項(xiàng)目研制進(jìn)程中的各種管理決策提供參考，又可通過預(yù)見風(fēng)險(xiǎn)從而實(shí)施風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避，進(jìn)而在制造、生產(chǎn)、維修保障等各個(gè)環(huán)節(jié)中，能有效地控制或消除風(fēng)險(xiǎn)，達(dá)到降低損失、控制成本的目的。

1 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

1.1 風(fēng)險(xiǎn)辯識(shí)

零部件研制風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)采用分解分析法結(jié)合流程分析法完成。以船位儀為例，先將船位儀分解為零部件，再按研制應(yīng)用流程對(duì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行辨識(shí)和分析，并制定預(yù)防措施。分解分析法是指將一復(fù)雜的事物分解為多個(gè)比較簡單的事物，將大系統(tǒng)分解為具體的組成要素，從中分析可能存在的風(fēng)險(xiǎn)及潛在損失的威脅。船位儀系統(tǒng)按工程及模塊分解為深海應(yīng)答部件、信號(hào)接收處理部件、超短基線陣部件、后置處理顯控部件等幾部分，如圖1所示。

圖1 主要零部件構(gòu)成

流程分析法是指在研制投產(chǎn)過程中，從設(shè)計(jì)開發(fā)到成品產(chǎn)出，通過一定的設(shè)備按順序連續(xù)地進(jìn)行加工的過程。該種方法強(qiáng)調(diào)根據(jù)不同的流程，對(duì)每一階段和環(huán)節(jié)逐個(gè)進(jìn)行調(diào)查分析，找出風(fēng)險(xiǎn)存在的原因。船位儀系統(tǒng)總體分成設(shè)計(jì)階段、試制階段、實(shí)驗(yàn)使用階段、維修保障階段等4個(gè)流程。項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)或風(fēng)險(xiǎn)技術(shù)過程考慮如表1所示。根據(jù)其使用的條件、環(huán)境、性能指標(biāo)要求進(jìn)行分析，收集風(fēng)險(xiǎn)信息，總結(jié)出可能對(duì)系統(tǒng)或功能組件產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)的事件或因素，并研究采取應(yīng)對(duì)措施[1]。

表1 項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)或風(fēng)險(xiǎn)技術(shù)過程

1.2 風(fēng)險(xiǎn)分析及糾正

1.2.1 設(shè)計(jì)階段風(fēng)險(xiǎn)分析

1）分析方法。完成分解及流程拆解后，在實(shí)際研發(fā)過程中，通過風(fēng)險(xiǎn)辯識(shí)，認(rèn)為該系統(tǒng)有10個(gè)風(fēng)險(xiǎn)。采用專家技術(shù)定性評(píng)估法對(duì)上述風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析評(píng)估[2]，同時(shí)制定糾正預(yù)防措施。

2）寬帶超短基線目標(biāo)定位方法風(fēng)險(xiǎn)。風(fēng)險(xiǎn)描述：在進(jìn)行超短基線目標(biāo)定位時(shí)，如果方法選取不當(dāng)，信號(hào)抗干擾能力差，在深海復(fù)雜條件下，信噪比不是太好時(shí)，難以保證信號(hào)檢測(cè)和相位估計(jì)的精度；同時(shí)為克服相位跨周期、產(chǎn)生相位估計(jì)模糊，必須通過增加水聽器基元才能解決，使基陣更加復(fù)雜。糾正措施：在超短基線定位中，采用寬帶信號(hào)進(jìn)行定位是近年來發(fā)展的重要方向，其原理為利用基陣陣元間的時(shí)延差進(jìn)行定位。寬帶信號(hào)抗干擾能力強(qiáng)，同時(shí)通過提高采樣率和相關(guān)峰時(shí)延內(nèi)插技術(shù)，在一定的信噪比條件下可以實(shí)現(xiàn)兩路信號(hào)時(shí)延差的精確估計(jì)，精度優(yōu)于采樣周期的一半，本系統(tǒng)擬采用寬帶超短基線目標(biāo)定位技術(shù)[3]。

3）水下部件可靠性風(fēng)險(xiǎn)。風(fēng)險(xiǎn)描述：應(yīng)答器和超短基線陣等設(shè)備置于水下長期使用，因此系統(tǒng)電子部件的可靠性和水密桶等機(jī)械部件的水密特性特別重要，一旦出現(xiàn)問題，將給整個(gè)系統(tǒng)造成影響。糾正措施：從每一級(jí)組部件、每一個(gè)質(zhì)量環(huán)節(jié)嚴(yán)格抓起，充分認(rèn)識(shí)到使用環(huán)境的惡劣性給系統(tǒng)帶來的影響。電子器件按可靠性要求進(jìn)行老化篩選，開展系統(tǒng)的環(huán)境試驗(yàn)，新研制的應(yīng)答器電路和超短基線陣內(nèi)電路要體積小巧、可靠性高，滿足海上長期顛簸環(huán)境下及深水條件下的使用。

4）信號(hào)抗干擾風(fēng)險(xiǎn)。風(fēng)險(xiǎn)描述：鉆井平臺(tái)上工作環(huán)境復(fù)雜，信號(hào)的干擾包括噪聲干擾和電磁干擾。糾正措施：a.工作頻率的確定。應(yīng)充分考慮平臺(tái)的工作環(huán)境和海洋的聲學(xué)環(huán)境。由于低頻段受到鉆井機(jī)械等設(shè)備的強(qiáng)噪聲源的干擾，工作頻段的選取應(yīng)避開該頻段，盡可能選高端頻率。而高頻段又對(duì)信號(hào)傳輸不利，特別在海水中，隨著頻率的升高，信號(hào)的衰減明顯加大，因此高端又受到信號(hào)傳輸?shù)南拗啤＞C合兩方面因素，選擇20 kHz左右的頻段作為工作頻段較為合適[4]。b.環(huán)境噪聲干擾。對(duì)平臺(tái)上的機(jī)械設(shè)備施工和周圍船只航行帶來的噪聲干擾，以及信號(hào)對(duì)海面及平臺(tái)的反射干擾，可通過聲學(xué)基陣接收指向性設(shè)計(jì)加以部分消除。c.平臺(tái)上的電磁干擾。由于平臺(tái)大型設(shè)備較多，工作環(huán)境惡劣，加之本船位儀濕端、干端之間的距離較遠(yuǎn)，走線路徑不確定，因此信號(hào)在傳輸過程中很可能受到不明干擾源的干擾。為此，本系統(tǒng)的微弱信號(hào)通過放大后差分傳輸，數(shù)據(jù)由RS485或RS422口完成傳輸，保證了命令和控制信息的下傳不受干擾。通過采取上述設(shè)計(jì)技術(shù)，再加上對(duì)信號(hào)處理機(jī)箱的電磁兼容性設(shè)計(jì)，有效地解決系統(tǒng)的干擾問題。

5）深海應(yīng)答器電路功耗風(fēng)險(xiǎn)。風(fēng)險(xiǎn)描述：作業(yè)工況要求應(yīng)答器在一個(gè)作業(yè)周期內(nèi)長期放置于水下，一般在90 d以上，功耗大導(dǎo)致應(yīng)答器不能完成既定作業(yè)即失效。糾正措施：應(yīng)答器電路組件包括了模擬、數(shù)字及控制電路，為保證應(yīng)答器布放后能更長時(shí)間地工作，必須采用低功耗電路設(shè)計(jì)技術(shù)。經(jīng)對(duì)數(shù)字電路DSP的運(yùn)算量的計(jì)算，和應(yīng)答器電路工作環(huán)境的分析，應(yīng)答器的電路設(shè)計(jì)主要采用3.3 V的低壓電路芯片，此類芯片的功耗明顯低于5 V芯片，可滿足系統(tǒng)對(duì)功耗的要求，同時(shí)又可滿足運(yùn)算速度的要求。

6）基陣校準(zhǔn)風(fēng)險(xiǎn)。風(fēng)險(xiǎn)描述：超短基線基元的機(jī)械安裝會(huì)存在一定的誤差，由于水聽器加工的不均勻性，其聲學(xué)中心與幾何中心也存在差異，這些均給系統(tǒng)帶來了附加相移（時(shí)延），造成性能指標(biāo)下降。糾正措施：在使用前通過測(cè)量進(jìn)行修正。對(duì)聲學(xué)基陣的校準(zhǔn)，可以采用聲學(xué)的方法進(jìn)行[5]。實(shí)際使用前在湖上對(duì)基陣進(jìn)行校準(zhǔn)，采用GPS測(cè)量數(shù)據(jù)與水聲測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)的方法，運(yùn)用最小二乘原理，以GPS測(cè)量數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，對(duì)基陣參數(shù)和安裝偏差進(jìn)行測(cè)量和校準(zhǔn)。

7）應(yīng)答器電池供電能力不足風(fēng)險(xiǎn)。風(fēng)險(xiǎn)描述：電池供電能力不足而不能滿足為系統(tǒng)提供連續(xù)工作90 d以上的電能。糾正措施：優(yōu)選能力密度比較高的鋰離子電池組，同時(shí)水下電池采用冗余設(shè)計(jì)，增加電池單元。在上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)中增加了對(duì)應(yīng)答器電池電壓的信息遙測(cè)功能，能方便、實(shí)時(shí)地了解電池狀況，以便及時(shí)充電。

8）水下設(shè)備海洋生物侵蝕風(fēng)險(xiǎn)。風(fēng)險(xiǎn)描述：系統(tǒng)水下設(shè)備長期置于水下，受海洋生物影響較大，換能器一旦被海洋生物所覆蓋，則系統(tǒng)無法正常工作。糾正措施：換能器生產(chǎn)過程中添加化學(xué)制劑，防止海洋生物寄生在換能器表面，保證系統(tǒng)正常工作。

1.2.2 試制階段風(fēng)險(xiǎn)分析

風(fēng)險(xiǎn)描述：根據(jù)對(duì)超短基線陣的性能要求和使用環(huán)境的分析，超短基線陣制造精度是該系統(tǒng)試制階段的風(fēng)險(xiǎn)。超短基線陣的精度低，導(dǎo)致產(chǎn)品測(cè)量不準(zhǔn)確，難以滿足生產(chǎn)需求。糾正措施：超短基線陣要精確設(shè)計(jì)、制造，在完成加工后，進(jìn)行水池測(cè)試，精確測(cè)量基陣孔徑、正交性、基元共面度等參數(shù)，在湖上系統(tǒng)校準(zhǔn)試驗(yàn)中對(duì)各項(xiàng)誤差進(jìn)行綜合測(cè)量。

1.2.3 試驗(yàn)使用階段風(fēng)險(xiǎn)分析

風(fēng)險(xiǎn)描述：試驗(yàn)使用階段的風(fēng)險(xiǎn)主要是基陣安裝精度。由于基陣安裝誤差、基陣傾斜等因素對(duì)系統(tǒng)定位測(cè)量帶來影響，導(dǎo)致設(shè)備最終定位數(shù)據(jù)偏差較大。糾正措施：對(duì)基陣的安裝偏差進(jìn)行校準(zhǔn)，以保證系統(tǒng)的水平定位性能考核準(zhǔn)確性。校準(zhǔn)工作可在停泊于岸邊的工作母船上進(jìn)行，由可編程信號(hào)源發(fā)射模擬應(yīng)答信號(hào)，DGPS配合標(biāo)校出基陣水平安裝偏角，基陣的姿態(tài)傾斜由安裝于超短基線陣中的高精度姿態(tài)傳感器測(cè)量得到[6]。

1.2.4 維修保障階段風(fēng)險(xiǎn)分析

風(fēng)險(xiǎn)描述：維修保障階段的風(fēng)險(xiǎn)主要是水下設(shè)備的診斷維修，整套設(shè)備工作在水面以下，出現(xiàn)問題不宜實(shí)時(shí)取出診斷。糾正措施：超短基線陣的姿態(tài)、深度、水溫等參數(shù)都可由上位機(jī)軟件實(shí)時(shí)獲?。粦?yīng)答器的信息可通過水聲遙測(cè)獲得。實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程診斷。故障定位準(zhǔn)確的情況下通過更換零件或元器件解決問題，故障判斷不夠準(zhǔn)確或緊急情況下通過更換相關(guān)部件解決問題。

2 結(jié)論

設(shè)備、工具及零部件研制過程中的風(fēng)險(xiǎn)是客觀存在的，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的分析和評(píng)價(jià)是主觀、客觀結(jié)論相結(jié)合的過程，且在研發(fā)過程中各風(fēng)險(xiǎn)因素之間存在相互關(guān)聯(lián)，對(duì)某些過程中潛在風(fēng)險(xiǎn)因素的評(píng)估也很難用定量數(shù)字來描述，本文對(duì)明確認(rèn)識(shí)到的風(fēng)險(xiǎn)或某些潛在的風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行了定性分析，并提出了相應(yīng)的規(guī)避辦法。實(shí)際研制過程中采用了專家評(píng)估法對(duì)本項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)作了定性分析，在研制過程中強(qiáng)化風(fēng)險(xiǎn)意識(shí)，以便在零部件及設(shè)備系統(tǒng)研制過程中做出正確的決策，防患于未然，為保證零部件及設(shè)備系統(tǒng)研制成功提供了更大的保障。