某船動(dòng)力定位系統(tǒng)配置及FMEA試驗(yàn)研究

陳 明

（海軍駐廣州四二七廠軍事代表室，廣州 510715）

1 前言

隨著我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展對(duì)能源的需求大幅增長，石油天然氣資源的勘探開發(fā)從陸地逐步轉(zhuǎn)向海洋，各種高新技術(shù)被越來越多的應(yīng)用于各類船舶和平臺(tái)，動(dòng)力定位便是其中的一種。CCS《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》對(duì)動(dòng)力定位（簡稱DP）的描述是：DP系指憑借自動(dòng)或手動(dòng)控制的水動(dòng)力系統(tǒng)，使船舶在作業(yè)時(shí)能夠在規(guī)定的作業(yè)范圍和環(huán)境條件下保持其船位和首向。在CCS《規(guī)范》中，船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)主要包括：傳感器測量系統(tǒng)；動(dòng)力定位控制系統(tǒng)；聯(lián)合操縱桿系統(tǒng)和動(dòng)力系統(tǒng)；推進(jìn)器系統(tǒng)。

IMO及各船級(jí)社對(duì)DP的等級(jí)劃分有明確要求，都以冗余性作為劃分依據(jù)。根據(jù)CCS《規(guī)范》要求，對(duì)于DP-2和DP-3附加標(biāo)志，其故障模式與影響分析（簡稱FMEA）需提交船級(jí)社批準(zhǔn)。

FMEA分析應(yīng)用了墨菲理論，即“任何事物均能發(fā)生故障，該故障應(yīng)會(huì)發(fā)生”。在整個(gè)系統(tǒng)中，從系統(tǒng)到分系統(tǒng)再到單個(gè)設(shè)備﹑進(jìn)而到設(shè)備內(nèi)部組成均能進(jìn)行分析。FMEA可以貫穿DP船舶設(shè)計(jì)﹑建造﹑檢驗(yàn)和使用管理的所有過程；在實(shí)際定位作業(yè)時(shí)，對(duì)于系統(tǒng)中的某一設(shè)備可能有多種故障模式，這些不同的故障對(duì)動(dòng)力定位系統(tǒng)的定位產(chǎn)生不同影響，對(duì)于DP船舶，單點(diǎn)故障不能導(dǎo)致位置定位和首向定向失效；通過開展FMEA分析，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)﹑設(shè)備﹑分系統(tǒng)及系統(tǒng)的問題并提出整改意見，從而避免造成多方面的損失。

FMEA分析，詳細(xì)說明了DP各系統(tǒng)之間的相互作用和互為冗余的情況，評(píng)估每種可能發(fā)生的故障對(duì)定位效果的影響，特別是對(duì)最嚴(yán)重的單點(diǎn)故障進(jìn)行分析，給出降低或消除每種故障模式的方法，撰寫FMEA報(bào)告和試驗(yàn)程序，并做實(shí)船試驗(yàn)加以驗(yàn)證；同時(shí)，F(xiàn)MEA還能結(jié)合ROM（可靠性﹑可操作性和可維護(hù)性）開展分析。因此，F(xiàn)MEA分析及試驗(yàn)是驗(yàn)證船舶具有DP能力的有效手段。

2 動(dòng)力定位系統(tǒng)配置及最大單點(diǎn)故障分析

2.1 動(dòng)力定位系統(tǒng)的配置

CCS根據(jù)動(dòng)力定位系統(tǒng)的不同冗余度，經(jīng)船東申請(qǐng)授予DP-1﹑DP-2﹑DP-3附加標(biāo)志。對(duì)于DP-2和DP-3附加標(biāo)志，除配置常規(guī)設(shè)備外，需特別注意以下幾點(diǎn)：

（1）需配置功率管理系統(tǒng)，并送審功率管理系統(tǒng)說明；

（2）需送審在線結(jié)果分析的原理說明；

（3）電力負(fù)荷計(jì)算書應(yīng)反映出最大單點(diǎn)故障后的用電情況；

（4）在送審FMEA報(bào)告，報(bào)告應(yīng)由有資質(zhì)的單位出具；

（5）應(yīng)設(shè)置急停止系統(tǒng)中回路故障報(bào)警；

（6）對(duì)DP-3附加標(biāo)志，需送審防火和浸水的隔離布置圖。

該船配置DP-2級(jí)動(dòng)力定位系統(tǒng)，其相關(guān)設(shè)備配置及CCS《規(guī)范》要求見表1。

表1 動(dòng)力定位系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備配置

該船DP-2級(jí)動(dòng)力定位系統(tǒng)中，推進(jìn)器系統(tǒng)的冗余分組見圖1。

圖1 推進(jìn)器系統(tǒng)的冗余分組圖

（1）左冗余組：BT1前首側(cè)推﹑DG1主柴油發(fā)電機(jī)﹑ME1左主機(jī)﹑SG1左軸帶發(fā)電機(jī)﹑CPP1左主推進(jìn)調(diào)距槳﹑RUDDER1左舵機(jī)；

（2）右冗余組：BT2后首側(cè)推﹑DG2主柴油發(fā)電機(jī)﹑DG3主柴油發(fā)電機(jī)﹑ME2右主機(jī)﹑SG2右軸帶發(fā)電機(jī)﹑CPP2右主推進(jìn)調(diào)距槳﹑RUDDER2右舵機(jī)；

（3）ST3尾側(cè)推可以通過開關(guān)分配到左或右冗余分組。當(dāng)ST3所在冗余分組發(fā)生最大單點(diǎn)故障時(shí)，通過快速重啟并手動(dòng)切換ST3至正常運(yùn)行的冗余分組并參與動(dòng)力定位。此種做法較為經(jīng)濟(jì)，且利于船尾線型設(shè)計(jì)。

DNV作為最早進(jìn)行動(dòng)力定位系統(tǒng)入級(jí)的船級(jí)社，在其《規(guī)范》中列出了一種可以被接受的推進(jìn)器配置的典型案例。該船推進(jìn)器的配置是DNV船級(jí)社認(rèn)可的DP-2級(jí)動(dòng)力定位系統(tǒng)的典型案例。需要注意的是，船級(jí)社認(rèn)可的自動(dòng)切換一般為備用控制器或海水冷卻泵的切換，DNV《規(guī)范》中明確說明，推進(jìn)器故障或主開關(guān)脫扣不允許自動(dòng)啟動(dòng)切換，需要人為干預(yù)。

2.2 最大單點(diǎn)故障分析

在DP船舶出現(xiàn)不久DNV船級(jí)社就引入了FMEA的概念，并要求DP-2及DP-3船舶應(yīng)按規(guī)范進(jìn)行FMEA試驗(yàn)（目前各船級(jí)社對(duì)FMEA的要求與DNV類似）。FMEA分析一般包括下列內(nèi)容：

（1）所有系統(tǒng)主要部件的描述以及表示他們相互之間作用的功能框圖；

（2）所有嚴(yán)重故障模式；

（3）每一故障模式的主要可預(yù)測原因；

（4）每一故障對(duì)船位的瞬態(tài)影響；

（5）探測故障的方法；

（6）故障對(duì)系統(tǒng)能力的影響；

（7）對(duì)可能的公共故障模式的分析。

對(duì)于該船ST3尾側(cè)推兩冗余組切換的的特殊情況，根據(jù)DNV《規(guī)范》可知，本船發(fā)生最大單點(diǎn)故障時(shí)尾側(cè)推的切換為FMEA試驗(yàn)的重點(diǎn)及難點(diǎn)。

3 FMEA試驗(yàn)情況

3.1 FMEA分析報(bào)告

根據(jù)該船的動(dòng)力定位系統(tǒng)配置，F(xiàn)MEA分析報(bào)告主要包括：總體﹑動(dòng)力系統(tǒng)﹑推進(jìn)器系統(tǒng)﹑動(dòng)力定位控制系統(tǒng)﹑船舶輔助系統(tǒng)﹑總結(jié)和建議六大部分，各部分主要內(nèi)容如下：

（1）總體：對(duì)該船船型﹑船級(jí)﹑型線尺寸﹑冗余分組作簡要介紹，概括該船不同情況下的定位能力；

（2）動(dòng)力系統(tǒng)：對(duì)主機(jī)﹑軸系﹑齒輪箱﹑發(fā)電機(jī)﹑電力分配﹑PMS作簡要介紹，并說明各設(shè)備假定發(fā)生的故障﹑故障誘因及后果﹑對(duì)DP的影響及處置方法；

（3）推進(jìn)器系統(tǒng)：對(duì)CPP﹑舵機(jī)﹑側(cè)推作簡要介紹，并說明各設(shè)備假定發(fā)生的故障﹑故障誘因及后果﹑對(duì)DP的影響及處置方法；

（4）動(dòng)力定位控制系統(tǒng)：對(duì)動(dòng)力定位控制系統(tǒng)作簡要介紹，包括系統(tǒng)供電安排﹑冗余通訊﹑傳感器和位置參考系統(tǒng)等，并說明各設(shè)備假定發(fā)生的故障﹑故障誘因及后果﹑對(duì)DP的影響及處置方法；

（5）船舶輔助系統(tǒng)：對(duì)燃油﹑滑油﹑淡水及海水冷卻﹑壓縮空氣﹑通風(fēng)﹑應(yīng)急停止等系統(tǒng)作簡要介紹，并說明各設(shè)備假定發(fā)生的故障﹑故障誘因及后果﹑對(duì)DP的影響及處置方法。

3.2 FMEA航行試驗(yàn)

FMEA試驗(yàn)?zāi)康氖球?yàn)證該船故障時(shí)的定位能力﹑發(fā)現(xiàn)并處理潛在影響定位能力分組的故障，故應(yīng)在所有與DP有關(guān)的系統(tǒng)試驗(yàn)全部完成﹑故障已全部消除后，方能進(jìn)行FMEA試驗(yàn)。

3.2.1 試驗(yàn)前檢查

試驗(yàn)前應(yīng)確保船舶DP2運(yùn)行正常，需特別檢查如下事項(xiàng)：

（1）母排聯(lián)絡(luò)開關(guān)斷開；

（2）燃油﹑冷卻水和壓縮空氣等輔助管系左右冗余組之間隔離閥關(guān)閉；

（3）除單項(xiàng)試驗(yàn)另有說明外，應(yīng)急發(fā)電機(jī)應(yīng)處于手動(dòng)狀態(tài)；

（4）CPP﹑舵機(jī)的主用泵運(yùn)行，備用泵同時(shí)運(yùn)行或處于備用狀態(tài)；

（5）所有戰(zhàn)位人員加強(qiáng)值班，應(yīng)對(duì)可能的突發(fā)狀況。

3.2.2試驗(yàn)內(nèi)容

FMEA試驗(yàn)內(nèi)容，主要按照分析報(bào)告中對(duì)該船動(dòng)力定位系統(tǒng)的分組進(jìn)行：

（1）動(dòng)力分配系統(tǒng)：主要模擬DC24 V配電板﹑230 V配電母排﹑390 V配電母排的短路情況，觀察相應(yīng)的報(bào)警及結(jié)果是否滿足要求；驗(yàn)證相關(guān)的配電情況是否滿足冗余分組要求；當(dāng)模擬390 V母排短路時(shí)，會(huì)造成最大單點(diǎn)故障而需要切換尾側(cè)推供電的情況，操作步驟見分析報(bào)告中推進(jìn)器系統(tǒng)齒輪箱滑油低低位的處置情況；

（2）動(dòng)力系統(tǒng)：主要驗(yàn)證主機(jī)轉(zhuǎn)速反饋及通訊網(wǎng)絡(luò)的冗余情況，當(dāng)模擬一路反饋或網(wǎng)路故障后，應(yīng)有相應(yīng)的報(bào)警信息；主機(jī)單一故障時(shí)，不會(huì)引起推力突變或失去控制；

（3）動(dòng)力定位控制系統(tǒng)：主要模擬動(dòng)力定位UPS﹑信號(hào)采集箱﹑控制單元﹑網(wǎng)絡(luò)﹑模式開關(guān)﹑傳感器及位置參考系統(tǒng)等單一故障，驗(yàn)證動(dòng)力定位控制系統(tǒng)控制單元及網(wǎng)絡(luò)等的冗余度，單一故障不會(huì)影響動(dòng)力定位能力；

（4）推進(jìn)器系統(tǒng)：主要模擬側(cè)推﹑CPP﹑舵機(jī)等單個(gè)故障，確認(rèn)推進(jìn)器系統(tǒng)單個(gè)故障不會(huì)引起其推力突變或是失去控制；對(duì)船舶應(yīng)急切斷回路進(jìn)行驗(yàn)證，確認(rèn)推進(jìn)器應(yīng)急切斷回路監(jiān)測功能；

（5）船舶系統(tǒng)：主要包括燃油﹑淡水及海水冷卻﹑壓縮空氣﹑通風(fēng)等系統(tǒng)的功能及故障切換；結(jié)合對(duì)應(yīng)的輪機(jī)管系試驗(yàn)進(jìn)行。

3.2.3試驗(yàn)中注意事項(xiàng)

FMEA試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間長﹑驗(yàn)證項(xiàng)目多，在試驗(yàn)過程中需特別注意以下事項(xiàng)：

（1）FMEA試驗(yàn)?zāi)康闹饕强疾旄飨到y(tǒng)及設(shè)備的單一故障，不考慮多種故障同時(shí)發(fā)生的情況。在分析文件及試驗(yàn)中，應(yīng)體現(xiàn)船舶最大單點(diǎn)故障及應(yīng)對(duì)措施；

（2）FMEA試驗(yàn)著重考核與DP相關(guān)的系統(tǒng)的反應(yīng)，試驗(yàn)中可能會(huì)出現(xiàn)部分區(qū)域照明關(guān)閉或其他設(shè)備停電的情況，在試驗(yàn)前應(yīng)及時(shí)廣播，避免船員誤操作而影響試驗(yàn)的開展；

（3）如試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)相應(yīng)的結(jié)果不符合試驗(yàn)要求時(shí)，需及時(shí)解決后方可進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)，以免造成重大影響；

（4）除特別說明外，模擬完某個(gè)單個(gè)故障后應(yīng)及時(shí)恢復(fù)初始狀態(tài)，方能進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)；

（5）在進(jìn)行電站管理PMS試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)將PMS功能斷開，配電板應(yīng)能手動(dòng)操作，此時(shí)船舶能夠保持定位；

（6）主機(jī)低溫淡水溫控閥失電后，應(yīng)能保持開度開到最大；

（7）相應(yīng)的位置參考系統(tǒng)的位置合理，滿足船舶執(zhí)行任務(wù)的要求，最大限度利用所配設(shè)備的性能；

（8）試驗(yàn)時(shí)的環(huán)境條件應(yīng)根據(jù)設(shè)備性能參數(shù)予以明確，諸如超短基線HPR等聲學(xué)定位系統(tǒng)對(duì)水深要求較高，如水深不足可能會(huì)影響設(shè)備定位精度或正常應(yīng)用；

（9）相關(guān)推進(jìn)器反饋信號(hào)丟失后，其螺距應(yīng)保持或歸零，不能出現(xiàn)跑螺距﹑跑舵或飛車的情況。

4 結(jié)論

該船配備的DP-2級(jí)動(dòng)力定位進(jìn)行了航行試驗(yàn)考核，并針對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了FMEA試驗(yàn)。在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)并解決了潛在問題，分析了船舶最大單點(diǎn)故障并提出了應(yīng)對(duì)措施，從而降低了動(dòng)力定位系統(tǒng)故障的可能性，為類似船舶開展動(dòng)力定位作業(yè)任務(wù)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。