某船動力定位系統(tǒng)配置及FMEA試驗研究

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)濟快速發(fā)展對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，動力定位便是其中的一種。CCS《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》對動力定位（簡稱DP）的描述是：DP系指憑借自動或手動控制的水動力系統(tǒng)，使船舶在作業(yè)時能夠在規(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，船舶動力定位系統(tǒng)主要包括：傳感器測量系統(tǒng)；動力定位控制系統(tǒng)；聯(lián)合操縱桿系統(tǒng)和動力系統(tǒng)；推進器系統(tǒng)。

IMO及各船級社對DP的等級劃分有明確要求，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)會發(fā)生”。在整個系統(tǒng)中，從系統(tǒng)到分系統(tǒng)再到單個設(shè)備﹑進而到設(shè)備內(nèi)部組成均能進行分析。FMEA可以貫穿DP船舶設(shè)計﹑建造﹑檢驗和使用管理的所有過程；在實際定位作業(yè)時，對于系統(tǒng)中的某一設(shè)備可能有多種故障模式，這些不同的故障對動力定位系統(tǒng)的定位產(chǎn)生不同影響，對于DP船舶，單點故障不能導(dǎo)致位置定位和首向定向失效；通過開展FMEA分析，可以及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計﹑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，評估每種可能發(fā)生的故障對定位效果的影響，特別是對最嚴(yán)重的單點故障進行分析，給出降低或消除每種故障模式的方法，撰寫FMEA報告和試驗程序，并做實船試驗加以驗證；同時，F(xiàn)MEA還能結(jié)合ROM（可靠性﹑可操作性和可維護性）開展分析。因此，F(xiàn)MEA分析及試驗是驗證船舶具有DP能力的有效手段。

2 動力定位系統(tǒng)配置及最大單點故障分析

2.1 動力定位系統(tǒng)的配置

CCS根據(jù)動力定位系統(tǒng)的不同冗余度，經(jīng)船東申請授予DP-1﹑DP-2﹑DP-3附加標(biāo)志。對于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：

（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)荷計算書應(yīng)反映出最大單點故障后的用電情況；

（4）在送審FMEA報告，報告應(yīng)由有資質(zhì)的單位出具；

（5）應(yīng)設(shè)置急停止系統(tǒng)中回路故障報警；

（6）對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級動力定位系統(tǒng)，其相關(guān)設(shè)備配置及CCS《規(guī)范》要求見表1。

表1 動力定位系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備配置

該船DP-2級動力定位系統(tǒng)中，推進器系統(tǒng)的冗余分組見圖1。

圖1 推進器系統(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﹑ME1左主機﹑SG1左軸帶發(fā)電機﹑CPP1左主推進調(diào)距槳﹑RUDDER1左舵機；

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

（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)生最大單點故障時，通過快速重啟并手動切換ST3至正常運行的冗余分組并參與動力定位。此種做法較為經(jīng)濟，且利于船尾線型設(shè)計。

DNV作為最早進行動力定位系統(tǒng)入級的船級社，在其《規(guī)范》中列出了一種可以被接受的推進器配置的典型案例。該船推進器的配置是DNV船級社認(rèn)可的DP-2級動力定位系統(tǒng)的典型案例。需要注意的是，船級社認(rèn)可的自動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，推進器故障或主開關(guān)脫扣不允許自動啟動切換，需要人為干預(yù)。

2.2 最大單點故障分析

在DP船舶出現(xiàn)不久DNV船級社就引入了FMEA的概念，并要求DP-2及DP-3船舶應(yīng)按規(guī)范進行FMEA試驗（目前各船級社對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）每一故障對船位的瞬態(tài)影響；

（5）探測故障的方法；

（6）故障對系統(tǒng)能力的影響；

（7）對可能的公共故障模式的分析。

對于該船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)生最大單點故障時尾側(cè)推的切換為FMEA試驗的重點及難點。

3 FMEA試驗情況

3.1 FMEA分析報告

根據(jù)該船的動力定位系統(tǒng)配置，F(xiàn)MEA分析報告主要包括：總體﹑動力系統(tǒng)﹑推進器系統(tǒng)﹑動力定位控制系統(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：對該船船型﹑船級﹑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）動力系統(tǒng)：對主機﹑軸系﹑齒輪箱﹑發(fā)電機﹑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DP的影響及處置方法；

（3）推進器系統(tǒng)：對CPP﹑舵機﹑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DP的影響及處置方法；

（4）動力定位控制系統(tǒng)：對動力定位控制系統(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DP的影響及處置方法；

（5）船舶輔助系統(tǒng)：對燃油﹑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DP的影響及處置方法。

3.2 FMEA航行試驗

FMEA試驗?zāi)康氖球炞C該船故障時的定位能力﹑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)試驗全部完成﹑故障已全部消除后，方能進行FMEA試驗。

3.2.1 試驗前檢查

試驗前應(yīng)確保船舶DP2運行正常，需特別檢查如下事項：

（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）除單項試驗另有說明外，應(yīng)急發(fā)電機應(yīng)處于手動狀態(tài)；

（4）CPP﹑舵機的主用泵運行，備用泵同時運行或處于備用狀態(tài)；

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

3.2.2試驗內(nèi)容

FMEA試驗內(nèi)容，主要按照分析報告中對該船動力定位系統(tǒng)的分組進行：

（1）動力分配系統(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)的報警及結(jié)果是否滿足要求；驗證相關(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，會造成最大單點故障而需要切換尾側(cè)推供電的情況，操作步驟見分析報告中推進器系統(tǒng)齒輪箱滑油低低位的處置情況；

（2）動力系統(tǒng)：主要驗證主機轉(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)的報警信息；主機單一故障時，不會引起推力突變或失去控制；

（3）動力定位控制系統(tǒng)：主要模擬動力定位UPS﹑信號采集箱﹑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，驗證動力定位控制系統(tǒng)控制單元及網(wǎng)絡(luò)等的冗余度，單一故障不會影響動力定位能力；

（4）推進器系統(tǒng)：主要模擬側(cè)推﹑CPP﹑舵機等單個故障，確認(rèn)推進器系統(tǒng)單個故障不會引起其推力突變或是失去控制；對船舶應(yīng)急切斷回路進行驗證，確認(rèn)推進器應(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)合對應(yīng)的輪機管系試驗進行。

3.2.3試驗中注意事項

FMEA試驗持續(xù)時間長﹑驗證項目多，在試驗過程中需特別注意以下事項：

（1）FMEA試驗?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發(fā)生的情況。在分析文件及試驗中，應(yīng)體現(xiàn)船舶最大單點故障及應(yīng)對措施；

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

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

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

（5）在進行電站管理PMS試驗時，應(yīng)將PMS功能斷開，配電板應(yīng)能手動操作，此時船舶能夠保持定位；

（6）主機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）試驗時的環(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)對水深要求較高，如水深不足可能會影響設(shè)備定位精度或正常應(yīng)用；

（9）相關(guān)推進器反饋信號丟失后，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級動力定位進行了航行試驗考核，并針對該系統(tǒng)進行了FMEA試驗。在試驗過程中發(fā)現(xiàn)并解決了潛在問題，分析了船舶最大單點故障并提出了應(yīng)對措施，從而降低了動力定位系統(tǒng)故障的可能性，為類似船舶開展動力定位作業(yè)任務(wù)打下了堅實的基礎(chǔ)。