基于一種鉆井船的DP FMEA海試分析與研究

摘 要：文章介紹和分析了一種超深水鉆井船動(dòng)力定位系統(tǒng)，在海上試航期間所進(jìn)行的失效模擬試驗(yàn)，從動(dòng)力定位相關(guān)各艙室分割及系統(tǒng)檢查，不間斷電源失電及放電試驗(yàn)，左右舷各電站失電試驗(yàn)等，按程序逐步模擬來驗(yàn)證所設(shè)計(jì)建造的三級動(dòng)力定位系統(tǒng)滿足分割和規(guī)范要求。

關(guān)鍵詞：鉆井船；三級動(dòng)力定位系統(tǒng)；失效模式影響分析；驗(yàn)證性試驗(yàn)

引言

文章是基于2013年11月此鉆井船在中國黃海海域進(jìn)行海試試驗(yàn)，所處水深47米，離岸62海里，通過對FMEA失效模擬試驗(yàn)整個(gè)過程的參與和控制，完整的記錄和分析了模擬試驗(yàn)的各步驟和關(guān)鍵點(diǎn)，并驗(yàn)證了動(dòng)力定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)和建造的合規(guī)合理性。

1 項(xiàng)目簡介

所測試項(xiàng)目為超深水鉆井船，工作水深3000米，鉆井深度10000米，船長292米，船寬50米，型深19.5米，航速12節(jié)，掛馬紹爾群島船旗，入DNV船級社，IMO號(hào)為9413145。發(fā)電系統(tǒng)為8臺(tái)7200KW瓦錫蘭W16V32柴油發(fā)電機(jī)，推進(jìn)系統(tǒng)為8臺(tái)5500KW瓦錫蘭全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器，動(dòng)力定位及控制系統(tǒng)由KONGSBERG公司提供，其中全船發(fā)電系統(tǒng)，推進(jìn)系統(tǒng)及相關(guān)的輔助系統(tǒng)為四個(gè)獨(dú)立分割設(shè)計(jì)，動(dòng)力定位的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)均為一主一備冗余設(shè)計(jì)。此鉆井船DP系統(tǒng)相關(guān)艙室和主要?jiǎng)恿υO(shè)備布置如圖1所示。

圖1 DP3系統(tǒng)冗余分割及推進(jìn)器電力路線圖解

2 DP相關(guān)艙室分割及系統(tǒng)檢查

在FMEA試驗(yàn)之前，第三方人員對駕駛室、機(jī)艙、配電盤間、分油機(jī)室、壓縮機(jī)室、消防設(shè)備間、泵艙及推進(jìn)器室進(jìn)行了A60防火分割、設(shè)備運(yùn)行和設(shè)置狀態(tài)、不同DP分割且相同系統(tǒng)間的旁通閥門開關(guān)狀態(tài)和快關(guān)閥箱進(jìn)行了檢查，確保DP相關(guān)各艙室的分割和布置滿足IMO和DNV規(guī)范要求。

3 UPS（不間斷電源）失電及放電試驗(yàn)

UPS的失電及放電試驗(yàn)是按左右舷分兩階段進(jìn)行：（1）當(dāng)模擬左舷電站失電（PS BLACKOUT）的時(shí)候，將推進(jìn)器室1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)UPS、本地電氣間LER A UPS、LER B UPS、生活區(qū)LQ UPS B、DP UPS 1、2、4共10個(gè)UPS進(jìn)行失電操作，然后進(jìn)行UPS放電試驗(yàn)，測試UPS的耐久性是否滿足半小時(shí)。（2）當(dāng)模擬右舷電站失電（SB BLACKOUT）的時(shí)候，將推進(jìn)器室5號(hào)、6號(hào)、7號(hào)、8號(hào)UPS、本地電氣間LER C UPS LER D UPS、生活區(qū)LQ UPS A、DP UPS 3 5共9個(gè)UPS進(jìn)行失電操作，然后進(jìn)行UPS放電試驗(yàn)，測試UPS的耐久性是否滿足半小時(shí)。

4 左舷電站及DP主控制系統(tǒng)失效模擬

左舷電站由4臺(tái)瓦錫蘭W16V32 （7200KW， 750RPM） 主柴油發(fā)電機(jī)組成，分別為主發(fā)電機(jī)1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)，其中1號(hào)和2號(hào)位于A機(jī)艙，3號(hào)和4號(hào)位于B機(jī)艙。

在PMS（電力管理系統(tǒng)）將全船電站配置為4個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)，即1號(hào)、2號(hào)主發(fā)電機(jī)并車為一組位于A機(jī)艙為11KV高壓配電盤A輸電，3號(hào)、4號(hào)主發(fā)電機(jī)并車為一組位于B機(jī)艙為11KV高壓配電盤B輸電，以此類推，將A，B，C，D高壓配電盤之間的母線斷開使各配電盤互為獨(dú)立，如圖2所示。

試驗(yàn)開始首先將2號(hào)主發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換為本地控制，接著對1號(hào)主發(fā)電機(jī)觸發(fā)應(yīng)急停止命令，由于1號(hào)和2號(hào)主發(fā)電機(jī)為一組為高壓11KV配電盤A供電，所以當(dāng)執(zhí)行完以上命令時(shí)，整個(gè)11KV高壓配電盤A立即處于失電狀態(tài)，繼而A分割內(nèi)所有的下游配電盤和用戶也將失電，包括1號(hào)和2號(hào)推進(jìn)器也將停止工作。

然后將4號(hào)主發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換為本地控制，接著對3號(hào)主發(fā)電機(jī)觸發(fā)應(yīng)急停止命令，由于3號(hào)和4號(hào)主發(fā)電機(jī)為一組為高壓11KV配電盤B供電，所以當(dāng)執(zhí)行完以上命令時(shí)，整個(gè)11KV高壓配電盤B立即處于失電狀態(tài)，繼而B分割內(nèi)所有的下游配電盤和用戶也將失電，包括3號(hào)和4號(hào)推進(jìn)器也將停止工作。

當(dāng)完成上述試驗(yàn)步驟后，1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)主發(fā)電機(jī)相繼停止，高壓配電盤A和B完全失電，推進(jìn)器1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)以及相關(guān)的輔助系統(tǒng)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。然后檢驗(yàn)推進(jìn)器淡水冷卻系統(tǒng)的軟件設(shè)置，當(dāng)模擬主泵失效和相應(yīng)遙控閥門關(guān)閉時(shí)，備用泵和相應(yīng)遙控閥門會(huì)自動(dòng)開啟來接替推進(jìn)器的冷卻工作，此過程完全由中央集控系統(tǒng)ICS自動(dòng)實(shí)現(xiàn)無需人為干涉。

接著關(guān)閉上文提到的所有UPS的電力輸出，此時(shí)會(huì)失去DP的主控制，DP的控制將由備用控制系統(tǒng)接管。

最后關(guān)閉24V直流分電盤除磁羅經(jīng)外的所有用戶，因?yàn)榇帕_經(jīng)不但為DP而且為船舶航行提供信息，為了保證海上安全，保留磁羅經(jīng)處于工作狀態(tài)。

此時(shí)對左舷電站失效模擬的試驗(yàn)已經(jīng)完成，DP主控制室處于失控狀態(tài)，且中央集控系統(tǒng)ICS、電力管理系統(tǒng)PMS控制臺(tái)上和DP控制臺(tái)上接連報(bào)警，此時(shí)需查看所有的實(shí)際報(bào)警和預(yù)期報(bào)警是否對應(yīng)且正確，查看所有的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)是否正確，包括主發(fā)電機(jī)，推進(jìn)器，動(dòng)力定位控制設(shè)備，動(dòng)力定位參考系統(tǒng)設(shè)備等，當(dāng)檢查完所有左舷電站相關(guān)的設(shè)備和系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和報(bào)警狀態(tài)，做好記錄，詢問測試相關(guān)各方負(fù)責(zé)人，然后決定終止此測試。恢復(fù)上述測試涉及到的所有設(shè)備和系統(tǒng)到正常運(yùn)行狀態(tài)，此次左舷電站失效模擬的測試目的是為了驗(yàn)證電站A和B所供應(yīng)的設(shè)備和系統(tǒng)以及主DP控制系統(tǒng)的分割正確性，無交叉影響，如圖3所示。

圖3 左舷電站A / B失效模擬

5 右舷電站及DP備用控制系統(tǒng)失效模擬

右舷電站由4臺(tái)瓦錫蘭W16V32（7200KW， 750RPM） 主柴油發(fā)電機(jī)組成，分別為主發(fā)電機(jī)5號(hào)、6號(hào)、7號(hào)、8號(hào)，其中5號(hào)和6號(hào)位于C機(jī)艙，7號(hào)和8號(hào)位于D機(jī)艙。

在PMS（電力管理系統(tǒng)）將全船電站配置為4個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)，即1號(hào)、2號(hào)主發(fā)電機(jī)并車為一組位于A機(jī)艙為11KV高壓配電盤A輸電，3號(hào)、4號(hào)主發(fā)電機(jī)并車為一組位于B機(jī)艙為11KV高壓配電盤B輸電，以此類推，將A，B，C，D高壓配電盤之間的母線斷開使各配電盤互為獨(dú)立，如圖2所示。

對右舷電站及DP備用控制系統(tǒng)失效的模擬，與上文中對左舷電站及DP主控制系統(tǒng)失效的模擬采用相同的步驟，所要模擬失效的DP分割為C和D。

首先將主發(fā)電機(jī)5號(hào)和7號(hào)轉(zhuǎn)為本地控制，將右舷電站及DP備用控制系統(tǒng)相關(guān)的所有UPS進(jìn)行失電然后進(jìn)行半小時(shí)放電試驗(yàn)，參照上文，做好詳細(xì)的記錄。

然后對主發(fā)電機(jī)6號(hào)和主發(fā)電機(jī)8號(hào)進(jìn)行應(yīng)急停止操作，接著關(guān)斷所有上述測試中涉及到的UPS的電力輸出，此刻右舷電站4臺(tái)主發(fā)電機(jī)完全停止工作，11KV高壓配電盤C/D和C/D分割內(nèi)11KV下游的所有配電盤以及5號(hào)、6號(hào)、7號(hào)、8號(hào)推進(jìn)器都將停止工作，且C/D分割內(nèi)相關(guān)的所有設(shè)備和系統(tǒng)處于失效狀態(tài)，但此時(shí)不影響左舷電站及DP主控制系統(tǒng)下的所有設(shè)備和系統(tǒng)的正常運(yùn)行狀態(tài)，如圖4所示。

6 輔助系統(tǒng)燃油、滑油、液壓油、空氣及冷卻水失效模擬

6.1 對主機(jī)各輔助系統(tǒng)進(jìn)行失效模擬

燃油系統(tǒng)：測試燃油日用柜和重力柜的低液位報(bào)警。檢查油柜與相鄰機(jī)艙油柜間的旁通閥處于關(guān)閉狀態(tài)并標(biāo)識(shí)“常關(guān)”，檢查快關(guān)閥箱對各機(jī)艙各油柜氣動(dòng)隔離閥的獨(dú)立控制。

滑油系統(tǒng)：測試滑油柜的低液位和低低液位報(bào)警。模擬滑油自吸泵失效，產(chǎn)生的影響是30分鐘后系統(tǒng)失去滑油壓力，主機(jī)控制系統(tǒng)將主機(jī)從待命狀態(tài)調(diào)整為手動(dòng)模式。

空氣系統(tǒng)：關(guān)斷到主機(jī)的啟動(dòng)空氣、控制空氣、儀表空氣并且放空相應(yīng)管線，此類失效對運(yùn)行中的主機(jī)和動(dòng)力定位能力無影響。

冷卻系統(tǒng)：模擬主系統(tǒng)低壓報(bào)警，驗(yàn)證備用系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)來接替主系統(tǒng)，然后主系統(tǒng)自動(dòng)停止。

6.2 對推進(jìn)器各輔助系統(tǒng)進(jìn)行失效模擬

滑油系統(tǒng)：測試滑油柜的低液位報(bào)警，模擬運(yùn)行中的滑油泵失效，產(chǎn)生的影響是推進(jìn)器停止工作由于系統(tǒng)對滑油壓力有互鎖設(shè)置。

液壓系統(tǒng)：測試液壓油柜的低液位和低低液位報(bào)警，模擬運(yùn)行中的液壓油泵失效，產(chǎn)生的影響是推進(jìn)器轉(zhuǎn)向能力減弱，由于系統(tǒng)正常工作需要的兩臺(tái)液壓轉(zhuǎn)向泵失去了其中一臺(tái)。

冷卻系統(tǒng)：模擬主系統(tǒng)低壓報(bào)警，驗(yàn)證備用系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)來接替主系統(tǒng)，然后主系統(tǒng)自動(dòng)停止。

7 遙控閥液壓泵站失效模擬

此船配備一艏一艉兩個(gè)HPU（液壓泵站）為全船的液控閥門服務(wù)，首先將船的艉部HPU進(jìn)行失電操作，此時(shí)HPU的電機(jī)將停止工作，然后將艉部遙控閥液壓系統(tǒng)的壓力釋放為零，此時(shí)觀察推進(jìn)器冷卻水系統(tǒng)的液壓遙控閥門的動(dòng)作狀態(tài)，如圖3所示，由于閥門為FL失效保持設(shè)計(jì)，所以液控閥門無動(dòng)作，保持原有的開關(guān)狀態(tài)，不影響運(yùn)行中的系統(tǒng)，再采用相同的測試步驟對船的艏部HPU進(jìn)行失效模擬，試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)一致即推進(jìn)器冷卻水系統(tǒng)液壓遙控閥門（FL，閥門為失效保持設(shè)計(jì)）無動(dòng)作。而對于燃油系統(tǒng)的液控閥門設(shè)計(jì)采用FC失效關(guān)閉，所以當(dāng)艏部或艉部的HPU失效時(shí)，所有的燃油系統(tǒng)液控閥門將自行關(guān)閉，然而當(dāng)燃油沉淀柜液位低觸發(fā)報(bào)警時(shí)，操作人員也有足夠的時(shí)間對液控閥門進(jìn)行手動(dòng)操作將其打開，可以保證主發(fā)電機(jī)的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)和DP的能力。

8 結(jié)束語

本次FMEA驗(yàn)證性試驗(yàn)主要過程為左、右舷電站失效模擬分兩階段進(jìn)行，大約耗時(shí)一天，其它模擬或測試?yán)缰靼l(fā)電機(jī)和推進(jìn)器的輔助系統(tǒng)失效模擬以及推進(jìn)器控制、命令和反饋等則可以穿插完成，節(jié)省海上時(shí)間，特別需要指出的是，動(dòng)力定位系統(tǒng)失效模擬試驗(yàn)開始有一個(gè)必要條件為DP CAT動(dòng)力定位系統(tǒng)的用戶可接受測試必須完成，即鉆井船的DP相關(guān)各設(shè)備和系統(tǒng)處于可操作狀態(tài)，否則不建議進(jìn)行FMEA失效模擬，避免日后重復(fù)試驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

[1]DNV Rules for Classification of Ships， Part 6， Chapter 7， Dynamic Positioning Systems， July 2010.

[2]DNV Rules for Classification of Ships， Part 6， Chapter 26， Dynamic Positioning System - Enhanced Reliability DYNPOS-ER， July 2010.

[3]IMO MSC/Circ.645， Guidelines for Vessels with Dynamic Positioning Systems， 6 June 1994.

[4]IMCA M 103 Rev. 1， Guidelines for The Design and Operation of Dynamically Positioned Vessels， December 2007.

作者簡介：于化宇（1986-），男，助理工程師，主要從事船舶與海洋工程項(xiàng)目研究設(shè)計(jì)工作。