艦船設(shè)備系統(tǒng)的可靠性研究

王征 唐文俊 賈磊

（海裝駐廣州地區(qū)軍事代表局）

0 前言

為提高艦船交付后的安全性和可維修性隨著我國(guó)艦船大型化、多樣化的發(fā)展，遂行任務(wù)更加復(fù)雜，艦船自動(dòng)化水平隨之提升，配置設(shè)備的技術(shù)難度越來越大。在首制船建造時(shí)采用了更多的新研制設(shè)備和系統(tǒng)，隨之帶來了更多的故障隱患，從如何提高首制船設(shè)備系統(tǒng)的可靠性成為當(dāng)前我國(guó)艦船設(shè)計(jì)建造的最迫切要求，也是最終實(shí)現(xiàn)整船安全性、可靠性、維修性、保障性、測(cè)試性、環(huán)境適應(yīng)性和擴(kuò)展性的必然要求。以下是根據(jù)一起典型故障問題處理探討如何推進(jìn)艦船首制船設(shè)備系統(tǒng)的可靠性。

1 某船全船失電引起異常擦碰問題

根據(jù)“墨菲定律”，即有可能發(fā)生的事情就會(huì)發(fā)生，隱藏的故障風(fēng)險(xiǎn)將會(huì)在不可判斷的時(shí)間爆發(fā)，一旦爆發(fā)將會(huì)造成不可估量的損失。

某船在一次進(jìn)港過程中，由于工況需要側(cè)推，當(dāng)時(shí)1號(hào)、2號(hào)和5號(hào)發(fā)電機(jī)并網(wǎng)在線，3號(hào)、4號(hào)、6號(hào)發(fā)電機(jī)備用。當(dāng)側(cè)推啟動(dòng)時(shí)，1號(hào)發(fā)電機(jī)組內(nèi)部短路故障報(bào)警停機(jī)，幾乎同時(shí)2號(hào)發(fā)電機(jī)組也出現(xiàn)內(nèi)部短路故障停機(jī)，其后極短時(shí)間內(nèi)5號(hào)發(fā)電機(jī)組外部短路故障，出現(xiàn)短延時(shí)停機(jī)，此時(shí)在網(wǎng)的3臺(tái)發(fā)電機(jī)組停機(jī)，造成全船失電，舵機(jī)和主機(jī)油泵失電，導(dǎo)致某船失去動(dòng)力和舵效，最終造成船體擦碰事故。該船電網(wǎng)的可靠性受到質(zhì)疑。

2 本船電力系統(tǒng)失電故障排查

為保證全船電網(wǎng)的安全和環(huán)保節(jié)能，本船電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)實(shí)際使用工況配備發(fā)電機(jī)聯(lián)網(wǎng)臺(tái)數(shù)，并采取分區(qū)供電模式。在分區(qū)供電模式下前、后電站至少均有2臺(tái)發(fā)電機(jī)組在網(wǎng)，當(dāng)單臺(tái)發(fā)電機(jī)或者單個(gè)電站發(fā)生故障時(shí)，最多會(huì)造成部分重要設(shè)備臨時(shí)失電（備用電源5秒內(nèi)自動(dòng)切換后需要人工重新起動(dòng)相關(guān)設(shè)備）和非重要設(shè)備自動(dòng)脫扣斷電，但不影響全船動(dòng)力系統(tǒng)等重要設(shè)備的使用，理論上該船的電網(wǎng)系統(tǒng)框架可以保證船舶的供電安全。

通過進(jìn)一步對(duì)設(shè)備系統(tǒng)的功能排查，發(fā)現(xiàn)隱患如下：

（1）電網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)雖然考慮了正常使用時(shí)的過載卸載功能，但忽視了某些異常環(huán)境下（如側(cè)推裝置被異物卡死等），部分大功率設(shè)備的起動(dòng)電流會(huì)超過電站設(shè)計(jì)時(shí)的安全保護(hù)值，觸發(fā)設(shè)備誤報(bào)警乃至誤動(dòng)作的風(fēng)險(xiǎn)，沒有采取有效手段進(jìn)行負(fù)載切斷，導(dǎo)致故障擴(kuò)大，直至造成全網(wǎng)失電。只有設(shè)計(jì)更加深入的考慮，才能確保設(shè)備系統(tǒng)的可靠性。

（2）船上雖然配備了6臺(tái)主發(fā)電機(jī)組，但電站設(shè)計(jì)時(shí)存在隱患。隱患是在網(wǎng)的最后一臺(tái)發(fā)電機(jī)因故障停機(jī)掉網(wǎng)以后，備用發(fā)電機(jī)不能自動(dòng)起動(dòng)、并網(wǎng)并恢復(fù)供電，而是需要手動(dòng)起動(dòng)發(fā)電機(jī)，理論上存在較長(zhǎng)時(shí)間全船故障失電風(fēng)險(xiǎn)。雖然這是常規(guī)保護(hù)設(shè)備安全設(shè)計(jì)，但為了更好的可靠性，此方式值得商榷。

（3）雖然有分區(qū)供電模式，但是在設(shè)計(jì)說明中并沒有提供某些特殊工況（如進(jìn)出港工況、補(bǔ)給工況時(shí)電站具體運(yùn)行模式）的操作說明，使用部隊(duì)實(shí)際使用時(shí)缺少操作指導(dǎo)書。此問題說明，要提高設(shè)備系統(tǒng)的可靠性，操作說明、人員培訓(xùn)等缺一不可。

3 如何提高首制船設(shè)備系統(tǒng)的可靠性

3.1 全面性設(shè)計(jì)提高設(shè)備系統(tǒng)的可靠性

首制船的設(shè)計(jì)要根據(jù)該新船型的使命任務(wù)，充分考慮完成使命任務(wù)所需要的條件；同時(shí)考慮隨著技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展具有擴(kuò)展的空間。設(shè)計(jì)方案規(guī)定了新船型的使命任務(wù)，并把使命任務(wù)分解到各任務(wù)系統(tǒng)，同時(shí)確定了承載任務(wù)系統(tǒng)的船體平臺(tái)。首制船設(shè)計(jì)的全面性主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）各任務(wù)系統(tǒng)的可達(dá)性。充分研究各任務(wù)系統(tǒng)并進(jìn)行分解，尋求解決方案，最終實(shí)現(xiàn)各任務(wù)系統(tǒng)功能，需要考慮的是設(shè)計(jì)方案的各指標(biāo)、參數(shù)的實(shí)現(xiàn)和考核，特別是邊界條件的考核。

（2）任務(wù)系統(tǒng)要考慮環(huán)境適應(yīng)性。各任務(wù)系統(tǒng)不僅能在一般條件下正常工作，還能滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)范圍內(nèi)的外部環(huán)境和條件，例如環(huán)境溫度、高濕高鹽且多變的海洋環(huán)境、艦船在各設(shè)計(jì)海況和工況下的振動(dòng)以及必要的抗機(jī)械損害等。

（3）工作平臺(tái)的可靠性。這里的工作平臺(tái)是指艦船的船體結(jié)構(gòu)、舾裝管系、電站和必要的支撐艦船運(yùn)行的控制系統(tǒng)等，若工作平臺(tái)在某些設(shè)計(jì)的工況下不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，搭載的任務(wù)系統(tǒng)就失去了支撐。工作平臺(tái)在設(shè)計(jì)工況下的可靠性直接關(guān)系到任務(wù)是否能正常的進(jìn)行，例如上述船出現(xiàn)全船失電，并造成了擦碰，直接導(dǎo)致該船失去執(zhí)行任務(wù)的能力。

（4）必須有必要的設(shè)計(jì)冗余，即設(shè)計(jì)既要滿足當(dāng)前完成使命的要求，又要要考慮隨著技術(shù)發(fā)展存在任務(wù)系統(tǒng)擴(kuò)展的可能。一般情況下，由于受當(dāng)前技術(shù)能力、工藝水平的限制，在首制船設(shè)計(jì)時(shí)只能根據(jù)現(xiàn)有條件進(jìn)行任務(wù)系統(tǒng)的可完成性設(shè)計(jì)，隨著后期的任務(wù)需要，應(yīng)該在設(shè)計(jì)之初對(duì)任務(wù)擴(kuò)展能力留下預(yù)留空間和冗余量。

3.2 故障隱患前瞻性研究提高設(shè)備系統(tǒng)的可靠性

系統(tǒng)、設(shè)備故障的發(fā)生不一定能在系泊航行期間出現(xiàn)，甚至有時(shí)在整個(gè)服役期間也不會(huì)發(fā)生，但是只要發(fā)生故障的極端條件出現(xiàn)，就有可能發(fā)生意想不到的結(jié)果，輕則影響影響系統(tǒng)的運(yùn)行，重則影響艦船的安全。因此，故障隱患的前瞻性研究尤為必要。故障隱患的前瞻性研究可從以下幾個(gè)方面進(jìn)行。

（1）單個(gè)系統(tǒng)或設(shè)備的選用應(yīng)該充分考慮系統(tǒng)或設(shè)備的可靠性。根據(jù)各系統(tǒng)和設(shè)備的使用條件和作用范圍的不同，制定相應(yīng)的可靠性指標(biāo)并予以驗(yàn)證；同時(shí)要考慮系統(tǒng)或設(shè)備的兼容性，以保證在聯(lián)調(diào)時(shí)各系統(tǒng)或設(shè)備的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

（2）應(yīng)該進(jìn)行反向故障樹排查。即充分考慮各種故障發(fā)生后會(huì)造成什么樣的后果，并根據(jù)后果的可接受性，制定必要的預(yù)防整改措施。具體可以參照對(duì)船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)進(jìn)行FMEA測(cè)試（故障模式模擬分析），盡量做到對(duì)可能發(fā)生的故障準(zhǔn)備好解決預(yù)案。

（3）對(duì)重要系統(tǒng)和故障災(zāi)害性較大的系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要考慮充分必要的冗余。例如對(duì)重要系統(tǒng)配置必要的監(jiān)測(cè)并采取雙路供電等措施，在故障發(fā)生前有報(bào)警提醒，故障發(fā)生后也不影響該船的主要功能。

3.3 充分性試驗(yàn)保證了設(shè)備系統(tǒng)的可靠性

設(shè)計(jì)指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)與否要通過試驗(yàn)來驗(yàn)證，只有充分地試驗(yàn)驗(yàn)證才能保證試驗(yàn)的有效性。在編制試驗(yàn)大綱和試驗(yàn)冊(cè)時(shí)，要針對(duì)不同的試驗(yàn)項(xiàng)目和使用的工況，提出對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)方法和預(yù)期達(dá)到的試驗(yàn)結(jié)果。為保證試驗(yàn)的充分性和驗(yàn)證的有效性，要重點(diǎn)檢查試驗(yàn)條件是否能充分覆蓋使用工況，試驗(yàn)內(nèi)容是否已充分考慮了試驗(yàn)邊界條件，試驗(yàn)方法是否能充分模擬實(shí)際工作狀態(tài)，試驗(yàn)人員是否能按照試驗(yàn)要求進(jìn)行充分試驗(yàn)，對(duì)于首制船尤其重要。只有通過一整套完整、充分的試驗(yàn)，才能保證試驗(yàn)驗(yàn)證的有效性，進(jìn)而保證艦船交付后的安全有效的運(yùn)營(yíng)。

3.4 專項(xiàng)試驗(yàn)確保大型復(fù)雜項(xiàng)目的可靠性

由于船廠試驗(yàn)設(shè)備和調(diào)試人員的條件限制，某些大型復(fù)雜試驗(yàn)項(xiàng)目無法在船廠開展，需要在首制船交付后組織專項(xiàng)試驗(yàn)驗(yàn)證。專項(xiàng)試驗(yàn)會(huì)針對(duì)該項(xiàng)目制定專有的試驗(yàn)大綱和試驗(yàn)冊(cè)，由專業(yè)的試驗(yàn)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行試驗(yàn)組織和專項(xiàng)驗(yàn)收，首制船只有完成了該型船的所有專項(xiàng)試驗(yàn)驗(yàn)收，才能完工交付。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過一起典型故障問題的研究，從全面性設(shè)計(jì)、故障隱患的前瞻性研究、充分性試驗(yàn)、專項(xiàng)試驗(yàn)等方法來提高首制船設(shè)備系統(tǒng)的可靠性，最終實(shí)現(xiàn)整船的安全性、可靠性、維修性、保障性、測(cè)試性、環(huán)境適應(yīng)性和擴(kuò)展性。