淺析深水起重鋪管船故障模式及影響分析（FMEA）

摘要：介紹深水起重鋪管船Failure Mode Effects Analyses簡稱FMEA（故障模式及影響分析）的內容，結合規范要求，對DP2單一故障和DP3艙室火災或進水等情況下，鋪管船如何滿足相關規范要求。

關鍵詞：鋪管船；動力定位；FMEA

一、前言

江蘇熔盛重工建造的深水起重鋪管船采用DP3動力定位系統，全船采用電力推進。本船入ABS和CCS雙重船級。本船在起重作業狀態滿足DP3（ABS：DPS-3，CCS：DP-3）要求，在鋪管作業狀態滿足DP2（ABS：DPS-2，CCS：DP-2）要求。無論是CCS還是ABS均要求提交FMEA報告。

二、FMEA概述

FMEA是一種可靠性設計的重要方法，它對各種可能的風險進行評價、分析，以便在現有技術的基礎上消除這些風險或將這些風險減小到可接受的水平。對于船舶行業而言，FMEA主要是船級社為了檢驗船舶是否滿足IMO（國際海事組織）對于DP2和DP3的要求。IMO對于動力定位系統DP的要求：DP1安裝有動力定位系統餓船舶，可在規定的環境條件下，自動保持船舶的位置和首向，同時還應設有獨立的集中手動船位控制盒自動首向控制；DP2在出現單個故障（不包括一個或多個艙室損失）后，可在規定的環境條件下，在規定的作業范圍內自動保持船位和首向；DP3在出現任一故障（包括由于火災或者進水造成一個艙室損失）后，可在規定的環境條件下，在規定的作業范圍內自動保持船位和首向。FMEA應在設計形成之時或之前開始，并且在設計各階段中，當設計有變化或得到其他信息時及時不斷地修改，并在圖紙完成之前結束。就目前而言，由于船舶系統龐大而復雜，其評價與分析的對象僅僅是動力定位系統以及每個與之相關的系統、子系統和設備。在完成了FMEA之后，就可以從報告中得知是否在設計階段就滿足船級社對于動力定位系統（DP2和DP3）的要求。當然設計階段的滿足要求僅僅只是理論上的，FMEA還將會進行實際驗證，對已建造完成的船舶在試航階段進行驗證，如果仍有風險，應修改設計或采取措施以滿足要求直到所有風險消除或將這些風險減小到可接受的水平。

當然沒有動力定位的船舶也可進行FMEA報告，船東、租船方、使用方通過FMEA得知此船是否能滿足其要求，并在以后的使用或維護期間通過日常維護等方式改善失效模式下的影響。

三、風險評估

某個單一故障產生的影響與其發生的概率結合起來就可進行風險評估，FMEA分析就是讓風險消除或達到可接受水平。

表1：風險評估表

在試航期間根據FMEA報告進行驗證后，對船舶仍存在的風險進行評估，根據上表進行整改。鋪管船在試航期間FMEA驗證過程中，發現露天區域推進器冷卻水備用管路電伴熱無監控，DP3情況下當某一機艙丟失時（推進器冷卻水主管路不可用），推進器冷卻水備用管路如此時凍結則影響推進器，船舶無法實現動力定位。此項屬于中度風險，需降低風險，增加電伴熱電源故障報警。

四、FMEA主要內容

首先應明確FMEA分析的范圍，對于起重鋪管船而言，是指與動力定位相關的各系統；除此之外，還應明確船舶在規定的最惡劣海況下維持作業時，該系統在發生單一故障之前和之后，其功能所能達到的水平，以確認是否達到為可接受的水平。下面就深水起重鋪管船介紹該船FMEA的主要內容：

（一）分析系統中單個故障產生后的影響

1、分析的范圍。動力定位系統包括DP控制系統、推進器系統、電力系統。與動力定位系統相關但無緊密聯系的系統也在此分析范圍之內，如通風系統、分油機系統、電伴熱系統等。除此之外管路、電纜走向也包括在分析的范圍內。當對其他系統進行簡單的故障模式分析后確認其系統失效也不會對船舶定位產生影響的情況下，如消防水系統、照明系統等，這些系統將不考慮在此次FMEA分析范圍之內。

2、動力定位系統框圖：

圖1：動力定位系統框圖

從上圖包括了相關動力定位系統的主要系統，FMEA應從兩方面來分析：

a.功能上。從系統功能上分析，上圖各系統中任意單一故障后，整個系統功能（即保持船位）所能達到的水平。如DP2情況下，某臺發電機故障停機，此時DP系統的負載超過了當前電網可用功率，船舶管理系統報警；DP系統根據允許負荷值限制推進器的轉速，降低其功率；功率管理系統啟動備用發電機，重新調整可用功率值，待備用發電機啟動后推進器正常工作，此過程中船舶仍保持船位。因此FMEA的分析必須充分理解各系統的工作原理以及各系統之間或系統內部之間的邏輯關系。

b.結構上。從系統結構上分析，上圖各系統中任意單一故障對整個系統功能（即保持船位）的影響。如上述例子，DP2情況下，某臺發電機故障停機后，必須在發電系統結構上配置一臺備用發電機才能使船舶保持船位。鋪管船上配置的多個位置參考系統及三套網絡系統等也是根據FMEA分析而設計的。

（二）分析系統中電纜或管路的走向

電纜和管路的走向對于DP2情況下應考慮火災和機械損傷對與這些電纜及管路相連的設備的影響，互為冗余的設備的電纜及管路應盡量分開布置。對于DP3情況下冗余的設備的電纜及管路不得與主系統一起穿過同一艙室，當不可避免時，必須安裝在A60通道內。

鋪管船設計過程中增加了多個A60電纜通道以滿足以上要求。根據船廠的設計圖紙進行FMEA分析，設計過程中不斷完善設計，如存在風險應修改設計方案以消除或降低風險。如鋪管船在試航期間進行FMEA驗證過程中，發現A網絡的UPS充電電源電纜與B網絡的UPS充電電源電纜穿過同一個防火區域，此時修改電纜走向已不可能，因此在A網系統設備增加一路充電電源以消除此風險。

（三）分析某個艙室丟失后的影響

DP3要求由于火災或者進水造成一個艙室損失仍能保持船位，FMEA主要是分析以下幾個艙室損失后引起的動力定位系統功能的水平：

1號，2號機艙：安裝有主發電機及其輔助系統

1號，2號，3號高壓配電板間：安裝有6.6kV高壓配電板

1號，2號集控室：安裝有400V低壓配電板

DP控制室：安裝有DP控制系統

DP備用控制室：安裝有DP備用控制系統

所有的設備布置應滿足冗余系統的設備不得與主系統安裝在同一艙室，兩艙室必須由A60分隔。

五、結語

FMEA是設計人員應熟知的一種分析方法，有助于設計要求與設計方案的相互權衡，為將來分析研究現場情況、評價設計的更改以及開發更先進的設計提供參考，提高在設計過程中考慮潛在故障模式及其對系統和設備影響的可能性等等。

FMEA能在早期確定項目中的風險，提高設計圖紙的正確性，可以提高船舶建造生產能力和效率，縮短建造周期。

參考文獻：

a. 國家、國際標準

[1] American Bureau of Shipping – ABS rules for building and classing steel vessels 2010

[2]The International Marine Contractors Association – IMCA M166 2002