基于風險的船舶結構安全評價方法及應用

方 舟 朱成華 徐紅昌 戴錦陽

（1.嘉興南洋職業技術學院 嘉興314031；2.華中科技大學 武漢430074；3.嘉興市港航管理服務中心 嘉興314031）

0 引 言

船舶結構在設計和運營過程中存在各類風險，目前船舶結構的安全風險評估主要通過入級檢驗、交付后的定期檢驗實現，其中定期檢驗以五年為周期進行年度檢驗、中間檢驗和特殊檢驗，傳統檢驗主要通過測量結構構件來實現的。該方法在工程應用中具有簡單實用的優點，但其缺乏靈活性，而且有效性無法輕易衡量，同時也不利于先進檢查技術的應用推廣。

傳統的船舶結構安全風險評估每五年進行一次全面定期檢驗是最廣泛的（因其涉及對所有要素的檢查），且是最昂貴的（因其需要長時間停靠船舶）。盡管檢驗范圍很廣，但如此大的間隔并不能反映船舶隨年齡增長所面臨的風險隨時間變化的性質。因為船體結構的風險隨著船齡增長而增加，并且很大程度上取決于與高風險的結構部件相關的風險水平［1］。例如，相對較新的船舶的風險水平可能要求每六至七年進行一次特殊檢驗，而對于老化的船舶，對關鍵部件的風險增加可能需要更頻繁定期檢驗（例如每四年一次）。

目前，針對船舶領域，國內外各船級社都已先后實施一種與入級無關的船舶狀態評估程序（CAP），是根據檢查檢驗、厚度測量、強度計算和性能測試等內容對船舶實際技術狀態進行等級劃分的一項獨立和完整的評定［2-3］，主要包括船體結構狀態評估程序（HCAP）和機械狀態評估程序（MCAP）。其中針對HCAP中的厚度測量評級主要通過對比實際測量板厚與允許剩余板厚進行對比評級，而允許剩余板厚是根據《現有船狀態評估程序（CAP）指南》［2］中“腐蝕磨耗百分比”計算得出，但其對船舶結構處所位置、船舶實際運營時長等因素均未考慮，具有一定的局限性。

基于風險的評估方法已廣泛應用于其他行業，也可用于船舶結構安全風險評估，輔助船舶結構檢驗，有助于驗船師監督現有法規在船舶建造運行階段的執行情況。

因此，對于現有的船舶結構檢驗可以引入基于風險的船舶結構安全評價方法，通過綜合考慮船舶結構隨船齡增長不斷增加的風險和高風險因素，有效識別薄弱點、評估風險等級、調整檢驗間隔周期，并通過采取合理的措施消除或減少相應的風險。

本文基于失效模式和影響分析（FMEA）方法建立船舶結構安全評價方法，并通過實例計算驗證了該方法的可行性。

1 船體結構安全風險評估方法

1.1 方法概述

風險評估方法根據風險的確定方式分為定量或定性分析，其中定性分析主要依賴專家經驗確定和評估不良事件的可能性和后果，而定量分析主要根據統計方法和數據庫進行計算得出［4］。定量或定性風險評估方法的選擇取決于風險評估的目的以及危害評估數據的可用性和可用性水平［5］。表1給出了各類風險評估方法的特征［6］。

表1 風險評估方法

在定量評估和分析與事件相關的風險時，風險代表系統故障而造成損失的可能性。因此，為定量評估船舶結構失效的風險，可從結構失效模式和影響分析入手，即失效模式和影響分析（FMEA），用事件發生的概率和事件發生的潛在相關后果兩個因素來評估船舶結構安全的風險。風險程度R可用式（1）［4］表示：

式中：Р為發生不良事件的概率；C為事件發生的后果。

為評估船舶結構的安全技術風險，需要分析船舶結構失效概率和失效后果，其中結構失效概率是指結構破壞傾向的度量，可以從腐蝕的角度來看，利用超聲測量技術測量甲板、舷側艙壁、縱艙壁艙壁和梁等結構元件的剩余厚度或計算船舶結構剩余強度，并與規范要求進行對比，從而確定結構元件失效的可能性，即船舶結構失效概率；失效后果借助專家經驗來評估結構部件失效的后果，并考慮與人身安全，對船舶的影響以及對環境的影響有關的故障影響。最終，船舶結構安全風險指標可以通過將結構失效概率和失效后果的指標組合獲得。

1.2 結構失效的概率分析

結構元件的損壞概率估算，也稱失效概率分析。結構元素可能會發生一種損壞或多種損壞，并且在某些情況下可能是相關的，如在容易發生強烈腐蝕的區域出現疲勞裂紋。

失效概率本質上是壽命周期內或年度內失效的可能性，很少會詳細計算損壞的可能性，因為這是計算量大的計算，并且在任何情況下，估算都是“有條件的”，而不是“實際的”。

因此，實際操作中，可以通過簡單的統計分析與技術判斷相結合來預計結構失效的可能性。具體而言，結構失效概率指標（РX）可以用船舶結構在操作過程中遭受腐蝕腐蝕的狀態特征來表征船舶結構失效的可能性，其中РX=1對應船級社對新船體結構板厚要求（無腐蝕）上限值，表示損壞船舶結構（或其單個零件和元素）失效的可能性極低；РX=3對應船級社對確認5年船齡船舶結構板厚的最低要求，表示船舶結構失效的概率高；РX=4表示船舶結構板厚腐蝕已經超過允許腐蝕值范圍，即緊急狀態，船舶結構失效的概率極高。

根據C.W.Robb等［6］對船舶安全風險分析的研究，可將船舶結構失效概率分為緊急、高、中等、低四類，并為不同概率和失效可能分配了概率指標。

允許腐蝕增加值 為新建船舶結構所需的板厚S與概率指標（РX=1，2，3）所需的最小允許剩余板厚 的之差。

表2 船舶結構失效可能性的分類示例

在分配允許的剩余板厚特性和剩余的梁抗彎矩特性時，采用統一的方法：對于分類評估框架內的每個“合適”概率指標（РX= 1、2、3），在整個使用壽命內分配允許腐蝕范圍的1/3。

在一般腐蝕的情況下，用于分配概率指標（РX= 1、2、3）的 允許剩余板厚由式（2）確定：為《現有船狀態評估程序（CAP）指南》［3］所要求的一般腐蝕允許的剩余板厚（mm）；S為建造規則［5］要求的板材厚度，mm； ?S為腐蝕余量，mm，由建造規則確定［1］；

式中：m1為根據《現有船狀態評估程序（CAP）指南》［3］進行選取。

允許概率指標（Р= 1，2，3）下，結構元件橫截面允許剩余剖面模數 由式（3）確定：

一組結構元件失效概率的最終指標被確定為元件失效概率的算術平均值，即式（4）：

式中：Рi為結構中1個元素（一部分）失效概率的指標；i為主體連接組中的元素（零件）數。

1.3 結構元件失效的影響分析

對于一般的海上結構設施，特別是對于船舶結構，通常從以下三個方面考慮事故后果進行風險評估：

（1）人員傷亡；

（2）環境污染；

（3）財產損失，其中財產損失包括對人員傷亡賠償、環境的治理、結構的修復等。

直接計算這3個影響類別中的任何一個的影響都是困難的，主要在于確定事故后果的范圍，例如，疲勞失效的后果至少包括維修成本和可能的設計成本，較小的初始破壞會導致涉及結構很大一部分的更廣泛的損壞，而且結構性故障會導致全船結構應力的重新分配，這使得結構件失效后果的影響分析變得非常復雜，

因此，本文為簡化結構件失效的影響分析，根據B.M.Ayyub［7］等人的研究結果，從人員傷亡、環境污染、財產損失三個方面對船舶結構失效后果進行分類，分為災難性、嚴重、中等和低4個級別。表3為船舶結構故障的后果示例。

表3 船舶結構失效后果示例

1.4 確定風險指標

風險指標用于描述風險的相對量級，由結構失效概率和失效后果指標組合。風險指標可表示為：風險指標（R）=失效概率（Р）×失效后果指標（C）。

結構失效概率和失效后果指標組合所得的風險指標如下頁表4所示，其中以失效概率為低Р=1、失效后果為災難性C= 4為例，失效風險R=Р×C= 4。

表4 風險指標表

R≤4，則對象（部件，零件）風險較低；4

根據概率和影響等級分類，可以認為1~3級是可接受的低風險區，4~9級被認為可接受的風險區，12~16表示不允許的風險區。

2 船體結構安全風險評估

為證明以上方法的可行性，選取1艘船齡22年并仍在運行的油輪作為研究對象［7-8］，并對其外板和上甲板結構件厚度進行了超聲測量。

如表5和下頁表6所示，基于測量厚度計算得出外板和上甲板結構件的失效概率，分析結果得出：

表5 外板失效概率計算

表6 上甲板構件失效概率計算

（1）外板總的失效概率為2.15，取值Р= 2，屬于中等水平的故障可能；

（2）上甲板總的失效概率為1.13，取值Р= 1，屬于低水平的故障可能；

（3）外板第2、3、4、5、6號結構件具有極高的失效概率，其腐蝕超過法規所允許的腐蝕，需要緊急更換。

按照船體結構類別對造成的后果進行分類，船舶結構損壞后果的指標見表7。

表7 結構構建組失效后果的影響指標

上甲板的概率指標和故障影響指標，可以計算每一構件和整個耦合組的風險程度。在此應注意，對于一個局部連接結構中的每個結構元素，損壞的結果與對該局部連接結構的影響相同，并且含義相同，因為一個局部結構元素執行相同的功能。

以本次測量和結構風險評估第22年為起點，并假設船舶外板板厚和上甲板板厚均按《現有船狀態評估程序（CAP）指南》所述腐蝕速率減少［2］，如圖1所示。

圖1 船舶外板和上甲板腐蝕速率模型

基于本次對22年船齡油船的結構元件的測量和圖1所示的甲板腐蝕速率，下頁表8計算本次測量后第5、7、10、13、15、20、25年的損傷概率指標，其中損壞后果指標保持不變。表中Р是損傷概率指標，C是損壞后果，R表示船體結構失效的風險度。

表8 結構元件隨時間故障的風險程度

從風險程度的計算結果可以得出：

（1）外板結構的總風險在本船船齡40年時（即本次測厚評估后的第18年）達到了不可接受的水平；

（2）上甲板的總風險在本船船齡37年時（即本次測厚評估后的第15年）達到了不可接受的水平。

3 結 語

通過測量船舶結構剩余厚度與規范對比，并借助專家經驗評價結構失效后果，基于失效模式和影響分析（FMEA）方法建立船舶結構安全風險評價方法，經實例應用驗證了該方法的可行性。

盡管船舶結構安全風險評估不能取代現有的船舶結構安全檢驗和監督系統，但是可以擴展其現有船舶結構檢驗功能：

（1）船舶結構風險評估可以使從初始檢查策略得到更新，使結構構件檢查程序得以發展，主要可以通過調整檢驗范圍和時間表來優化船舶結構檢驗程序；

（2）根據風險評估的結果，可以預測船體元素的技術狀況、損壞風險高的結構區域，提前計劃所需的維修量，有效減少舊船的檢查、維護和修理費用；

（3）評估方法的應用有助于通過制定措施來提高船舶結構的可靠性，并顯著減少破壞財產，人員和環境的事件和事故的數量。