船舶管路防腐防漏設(shè)計(jì)FMECA研究

曹 博

船舶管路防腐防漏設(shè)計(jì)FMECA研究

曹 博

（海軍裝備部，武漢 430000）

在充分理解船舶管路設(shè)計(jì)流程與要求的基礎(chǔ)上，本文基于故障模式、影響及危害度分析（FMECA）方法，明確管路腐蝕與泄露故障模式的嚴(yán)酷度等級、發(fā)生概率與可探測度，確定重大風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)與關(guān)鍵重要工序，最終通過提出與落實(shí)改進(jìn)措施控制其風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)（RPN），為某重點(diǎn)型號船舶產(chǎn)品的管路防腐與防漏設(shè)計(jì)提供參照與依據(jù)。

FMECA 風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù) 管路設(shè)計(jì) 防腐防漏

0 引言

船廠目前承擔(dān)的某重點(diǎn)型號產(chǎn)品未來將在南海相對高鹽、高濕度的惡劣環(huán)境中服役，導(dǎo)致防腐防漏成為目前管路設(shè)計(jì)中重點(diǎn)參考的指標(biāo)與要素。管路一旦出現(xiàn)腐蝕與泄露，將嚴(yán)重影響設(shè)備的正常運(yùn)行與船舶的安全。本文基于故障模式影響和危害度分析（FMECA）方法，聚焦某重點(diǎn)型號產(chǎn)品中的管路設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)過程中所有可能的工藝故障模式、原因與影響，并通過嚴(yán)酷度等級、發(fā)生概率等級與可探測度等級計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)（RPN），發(fā)掘管路設(shè)計(jì)中的薄弱環(huán)節(jié)或重大風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，采取相應(yīng)的工藝措施與控制手段，降低管路腐蝕與泄露風(fēng)險(xiǎn)，最終提升管路設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的質(zhì)量與可靠性。

1 FMECA方法技術(shù)流程

本文中涉及的FMECA方法屬于過程FMECA方法，旨在生產(chǎn)階段工藝可行性分析與生產(chǎn)工裝準(zhǔn)備之前，針對各層次產(chǎn)品在假定設(shè)計(jì)滿足要求的前提下，對零部件到系統(tǒng)加工安裝過程中每個(gè)工藝步驟可能發(fā)生的故障模式、原因及其對產(chǎn)品本身造成的所有影響，按故障模式的風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)（Risk Priority Number，RPN）值的大小進(jìn)行排序，對工藝薄弱環(huán)節(jié)制定改進(jìn)措施，并預(yù)測或跟蹤采取改進(jìn)措施后減少RPN值的有效性，直至RPN值達(dá)到可接受的水平，進(jìn)而提高各層次產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性，這其實(shí)是一個(gè)動態(tài)的、反復(fù)迭代分析的過程。

船舶各層次產(chǎn)品FMECA的技術(shù)流程如圖1所示，其中最主要的技術(shù)流程是RPN分析，其將定性分析得到的故障模式量化為具體的數(shù)值RPN值。RPN分析具體方法如下：

圖1 FMECA技術(shù)流程圖

首先得到故障模式的嚴(yán)酷度等級（S）、發(fā)生概率等級（O）與可探測度等級（D）。其中，嚴(yán)酷度等級是指各層次產(chǎn)品在加工、裝配過程中某個(gè)工序故障模式影響的最嚴(yán)重程度；發(fā)生概率等級是指其工序中故障模式發(fā)生的可能性；可探測度等級是描述其工序中故障模式被探測出的可能性。然后將嚴(yán)酷度等級(S) 、發(fā)生概率等級(O)和可探測度等級(D)三者相乘，得到故障模式的RPN值，即：

RPN = S×O×D (1)

RPN是對工藝潛在故障模式風(fēng)險(xiǎn)等級的評價(jià)，它反映了對工藝故障模式發(fā)生的可能性及其后果嚴(yán)重性的綜合度量。

2 船舶管路防腐防漏設(shè)計(jì)流程

給出FMECA方法技術(shù)流程后，需明確船舶管路防腐防漏的工藝流程、輸入?yún)?shù)與輸出結(jié)果，從而進(jìn)一步確定船舶管路零部件特性與工藝關(guān)系，為開展后續(xù)FMECA研究做準(zhǔn)備。

船舶管路防腐防漏設(shè)計(jì)的工藝流程表見表1，初步可見零部件特性與工藝關(guān)系如下：（1）耐壓度：壓力與溫度設(shè)計(jì)；（2）耐溫度：壓力與溫度設(shè)計(jì)；（3）密封性：壓力與溫度設(shè)計(jì)、腐蝕余量設(shè)計(jì)、流速設(shè)計(jì)、管材與焊材設(shè)計(jì)、環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)、電化學(xué)腐蝕設(shè)計(jì)、焊接工藝設(shè)計(jì)、管路防護(hù)工藝設(shè)計(jì)、管路連接設(shè)計(jì)；（4）腐蝕性：腐蝕余量設(shè)計(jì)、管材與焊材設(shè)計(jì)、環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)、電化學(xué)腐蝕設(shè)計(jì)、焊接工藝設(shè)計(jì)、管路防護(hù)工藝設(shè)計(jì)；（5）振動量：流速設(shè)計(jì)、管路安裝工藝設(shè)計(jì)；（6）加工結(jié)果：管路加工工藝設(shè)計(jì)；（7）安裝結(jié)果：管路加工工藝設(shè)計(jì)、管路布置設(shè)計(jì)；（8）變形度：管路安裝工藝設(shè)計(jì)。

表1 管路防腐防漏設(shè)計(jì)工藝流程表

表2 管路防腐防漏設(shè)計(jì)故障模式、原因與影響分析表

3 船舶管路防腐防漏設(shè)計(jì)FMECA

3.1 故障模式、原因與影響分析

在明確船舶管路防腐防漏設(shè)計(jì)流程及其相關(guān)零部件特性后，本文進(jìn)一步定性分析管路防腐防漏設(shè)計(jì)的故障模式、原因與影響。其中故障模式是指不能滿足管路設(shè)計(jì)中防腐防漏要求的工藝缺陷。它可能是引起下一道工序故障的原因，也可能是上一道工序故障的結(jié)果。故障原因是指與故障模式相對應(yīng)的工藝缺陷為何發(fā)生。故障影響是指與故障模式相對應(yīng)的工藝缺陷對后續(xù)工序、組件/裝備和最終使用者的影響?？偨Y(jié)船舶管路防腐防漏設(shè)計(jì)的典型故障模式，對其故障原因影響進(jìn)行分析，結(jié)果見表2。

3.2 RPN分析

如前文中FMECA方法技術(shù)流程所述，本節(jié)將船舶管路的故障模式通過嚴(yán)酷度等級（S）、發(fā)生概率等級（O）與可探測度等級（D）評分后計(jì)算RPN值。

表3 管路防腐防漏設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)（RPN）分析表

其中，故障模式的嚴(yán)酷度等級（S）評分準(zhǔn)則如下：1）當(dāng)船舶管路多處發(fā)生斷裂，導(dǎo)致相關(guān)設(shè)備或系統(tǒng)無法工作，最終可能引發(fā)人員傷亡時(shí)，判定故障模式的影響等級為災(zāi)難級，其嚴(yán)酷度等級評分為10分或9分；2）當(dāng)船舶管路發(fā)生較大泄露，導(dǎo)致相關(guān)設(shè)備或系統(tǒng)無法正常工作，最終影響船舶正常服役時(shí)，判定故障模式的影響等級為嚴(yán)重級，其嚴(yán)酷度等級評分為8分或7分；3）當(dāng)船舶管路發(fā)生泄露現(xiàn)象，導(dǎo)致相關(guān)設(shè)備與系統(tǒng)工作性能降低時(shí)，判定故障模式的影響等級為中等級，其嚴(yán)酷度等級評分為6分、5分或4分；4）當(dāng)船舶管路發(fā)生滲漏現(xiàn)象，僅僅影響相關(guān)設(shè)備與系統(tǒng)美觀時(shí)，其嚴(yán)酷度等級評分為3分、2分或1分。

故障模式的發(fā)生概率等級（O）評分準(zhǔn)則如下：1）當(dāng)船舶管路故障模式持續(xù)發(fā)生，發(fā)生的可能性很高時(shí)，判定故障模式的發(fā)生概率等級為10分或9分；2）當(dāng)船舶管路故障模式經(jīng)常發(fā)生，發(fā)生的可能性高時(shí)，判定故障模式的發(fā)生概率等級為8分或7分；3）當(dāng)船舶管路故障模式偶爾發(fā)生，發(fā)生的可能性中等時(shí)，判定故障模式的發(fā)生概率等級為6分、5分或4分；4）當(dāng)船舶管路故障模式很少發(fā)生，發(fā)生的可能性低時(shí)，判定故障模式的發(fā)生概率等級為3分或2分；5）當(dāng)船舶管路故障模式不大可能發(fā)生，發(fā)生的可能性極低時(shí)，判定故障模式的發(fā)生概率等級為1分。

故障模式的被檢測難度等級（D）評分準(zhǔn)則如下：通過現(xiàn)行檢查方法無法檢測出故障模式時(shí)，被檢測難度等級判定為10分，幾乎不可能檢測出故障模式時(shí)，判定為9分，以此類推，當(dāng)現(xiàn)行檢查方法肯定可以檢測出故障模式時(shí)，判定為1分?？梢娫u分與被檢測難度成正比，且一般通過人工檢查方式可檢測出故障模式的評分區(qū)間為6-10分，通過量具測量方式可檢測出故障模式的評分區(qū)間為2-6分，通過防錯(cuò)措施方式檢測出故障模式的評分區(qū)間為1-4分。

根據(jù)RPN判定風(fēng)險(xiǎn)級別與類別進(jìn)一步給出該風(fēng)險(xiǎn)的接受方式與處置方式定義為風(fēng)險(xiǎn)接受準(zhǔn)則：1）A類風(fēng)險(xiǎn)：即最大風(fēng)險(xiǎn)級別，其RPN值大于或等于20，屬于不可接受風(fēng)險(xiǎn)；2）B類風(fēng)險(xiǎn)：即高風(fēng)險(xiǎn)級別，其RPN值大于或等于15，且小于20，屬于不可接受風(fēng)險(xiǎn)；3）C類風(fēng)險(xiǎn)：即中等風(fēng)險(xiǎn)級別，其RPN值大于或等于10，且小于15，屬于不可接受風(fēng)險(xiǎn)；4）D類風(fēng)險(xiǎn)：即低風(fēng)險(xiǎn)級別，其RPN值大于或等于4，且小于10，屬于可接受風(fēng)險(xiǎn)；5）E類風(fēng)險(xiǎn)：即最小風(fēng)險(xiǎn)級別，其RPN值小于4，屬于可接受風(fēng)險(xiǎn)。其中，屬于A類風(fēng)險(xiǎn)的工序，嚴(yán)酷度等級、發(fā)生概率與被檢測難度一般均很高，風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)排序最高，定義為不可接受風(fēng)險(xiǎn)，確定為關(guān)鍵工序；屬于 B類與C類風(fēng)險(xiǎn)的工序，嚴(yán)酷度等級與發(fā)生概率一般較高，風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)其次，也定義為不可接受風(fēng)險(xiǎn)，確定為重要工序。并且關(guān)鍵工序與重要工序均屬于重大風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。

在計(jì)算出管路防腐防漏設(shè)計(jì)各工序的RPN值并進(jìn)行RPN分析后，需提出相應(yīng)的改進(jìn)措施使其RPN值降至可接受范圍內(nèi)。其中改進(jìn)措施是基于降低故障模式的嚴(yán)酷度、發(fā)生概率和被檢測難度的任何技術(shù)或管理措施，以控制與避免各種故障模式的產(chǎn)生。在制定改進(jìn)措施后，應(yīng)預(yù)測或跟蹤改進(jìn)措施的落實(shí)結(jié)果與實(shí)施有效性，計(jì)算實(shí)施改進(jìn)措施后的RPN值是否滿足可接受水平。若不滿足要求，需按上述步驟反復(fù)進(jìn)行，直到RPN值滿足可接受水平為止。管路防腐防漏設(shè)計(jì)的RPN分析結(jié)果見表3。

3.3 重大風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)與關(guān)鍵重要工序分析

根據(jù)管路防腐防漏設(shè)計(jì)RPN分析結(jié)果，工序3“流速設(shè)計(jì)”、工序6“電化學(xué)腐蝕設(shè)計(jì)”、工序7“焊接工藝設(shè)計(jì)”、工序9“加工工藝設(shè)計(jì)”、工序10“布置設(shè)計(jì)”與工序11“安裝工藝設(shè)計(jì)”屬于A類風(fēng)險(xiǎn)，且工序9“加工工藝設(shè)計(jì)”與工序6“電化學(xué)腐蝕設(shè)計(jì)”RPN值最高；工序8“管路防護(hù)工藝設(shè)計(jì)”屬于B類風(fēng)險(xiǎn)；工序2“腐蝕余量設(shè)計(jì)”、工序4“管材焊材設(shè)計(jì)”、工序5“環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)”與工序12“連接設(shè)計(jì)”屬于C類風(fēng)險(xiǎn)。以上11項(xiàng)工序的RPN值均大于可接受范圍，為不可接受風(fēng)險(xiǎn)，均屬于重大風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)?？梢姶肮苈贩栏缆┰O(shè)計(jì)中的重大風(fēng)險(xiǎn)率高達(dá)91.67%。

RPN分析結(jié)果除發(fā)掘管路防腐防漏設(shè)計(jì)中的重大風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)外，還能進(jìn)一步界定設(shè)計(jì)過程中的關(guān)鍵與重要工序。其中工序3“流速設(shè)計(jì)”、工序6“電化學(xué)腐蝕設(shè)計(jì)”、工序7“焊接工藝設(shè)計(jì)”、工序9“加工工藝設(shè)計(jì)”、工序10“布置設(shè)計(jì)”與工序11“安裝工藝設(shè)計(jì)”這6個(gè)工序故障模式對應(yīng)的RPN值大于（或等于）20，屬于關(guān)鍵工序；而工序2“腐蝕余量設(shè)計(jì)”、工序4“管材焊材設(shè)計(jì)”、工序5“環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)”、工序8“管路防護(hù)工藝設(shè)計(jì)”與工序12“連接設(shè)計(jì)”這5個(gè)工序故障模式對應(yīng)RPN值大于（或等于）10且小于20，屬于重要工序?？梢姶肮苈贩栏缆┰O(shè)計(jì)中的關(guān)鍵工序占50%，而重要工序占41.67%。

對于管路防腐防漏設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵工序，本文建議主要采取編制相關(guān)工藝文件的方式大幅降低故障模式的發(fā)生概率等級，最終使RPN值降至可接受范圍內(nèi)；對于其重要工序，本文建議主要采取評審相關(guān)工藝過程或核算相關(guān)物理參數(shù)的方式有效降低故障模式的可探測度等級，最終使RPN值降至可接受范圍內(nèi)。

4 結(jié)語

本文基于某重點(diǎn)型號產(chǎn)品的管路防腐防漏設(shè)計(jì)對FMECA的具體工作方法與實(shí)際操作進(jìn)行了針對性說明，發(fā)掘了管路防腐防漏設(shè)計(jì)中的薄弱環(huán)節(jié)或重大風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，界定了關(guān)鍵與重要工序。通過采取編制、評審相關(guān)工藝文件與核算相關(guān)物理參數(shù)的方式，提升船舶管路防腐防漏設(shè)計(jì)的質(zhì)量與可靠性。船廠應(yīng)進(jìn)一步深化FMECA工作方法，同時(shí)將現(xiàn)階段的研究成果有效應(yīng)用于更多型號船舶產(chǎn)品的管路防腐防漏設(shè)計(jì)工作中。

[1] GJB/Z 1391-2006. 故障模式、影響及危害性分析指南, 2006-5.

[2] 馬麟．保障性設(shè)計(jì)分析與評價(jià)[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2012.

[3] 沈祖顯譯. 美國軍標(biāo)一一進(jìn)行失效模式影響及危險(xiǎn)性分析的程序MIL― STD― 1629A. 美國國防部, 1980. 11.

[4] 羅姆可靠性分析中心. 故障模式、影響及危害性分析, 1993.

[5] 《可靠性維修性保障性術(shù)語集》編寫組. 可靠性維修性保障性術(shù)語集[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2002. 1.

[6] 楊為民等編著. 可靠性、維修性、保障性總論（可靠性、維修性、保障性叢書之一）[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 1995.

[7] 《可靠性維修性保障性術(shù)語集》編寫組. 可靠性維修性保障性術(shù)語集[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2002.

[8] HB失效模式、影響及危害性分析程序. 中華人民共和國航空航天工業(yè)部, 1989.

[9] GB系統(tǒng)可靠性分析技術(shù)、失效模式和效應(yīng)分析（FMEA）程序. 國家標(biāo)準(zhǔn)局, 1987.

[10] 石榮德. 失效模式、影響及后果分析. 北京: 中國航空協(xié)會科普與教育工作委員會, 1984.

Research on marine pipeline anti-corrosion and anti-leak design based on FMECA

Cao Bo

( Naval Armament Department, Wuhan 430000, China)

U664

A

1003-4862（2022）09-0069-05

2022-03-15

曹博（1979-），男，研究方向：船舶系統(tǒng)工程。E-mail: cb625yh121@163.com