船舶管路防腐防漏設計FMECA研究

曹 博

船舶管路防腐防漏設計FMECA研究

曹 博

（海軍裝備部，武漢 430000）

在充分理解船舶管路設計流程與要求的基礎上，本文基于故障模式、影響及危害度分析（FMECA）方法，明確管路腐蝕與泄露故障模式的嚴酷度等級、發生概率與可探測度，確定重大風險點與關鍵重要工序，最終通過提出與落實改進措施控制其風險優先數（RPN），為某重點型號船舶產品的管路防腐與防漏設計提供參照與依據。

FMECA 風險優先數 管路設計 防腐防漏

0 引言

船廠目前承擔的某重點型號產品未來將在南海相對高鹽、高濕度的惡劣環境中服役，導致防腐防漏成為目前管路設計中重點參考的指標與要素。管路一旦出現腐蝕與泄露，將嚴重影響設備的正常運行與船舶的安全。本文基于故障模式影響和危害度分析（FMECA）方法，聚焦某重點型號產品中的管路設計環節，系統分析設計過程中所有可能的工藝故障模式、原因與影響，并通過嚴酷度等級、發生概率等級與可探測度等級計算風險優先數（RPN），發掘管路設計中的薄弱環節或重大風險點，采取相應的工藝措施與控制手段，降低管路腐蝕與泄露風險，最終提升管路設計環節的質量與可靠性。

1 FMECA方法技術流程

本文中涉及的FMECA方法屬于過程FMECA方法，旨在生產階段工藝可行性分析與生產工裝準備之前，針對各層次產品在假定設計滿足要求的前提下，對零部件到系統加工安裝過程中每個工藝步驟可能發生的故障模式、原因及其對產品本身造成的所有影響，按故障模式的風險優先數（Risk Priority Number，RPN）值的大小進行排序，對工藝薄弱環節制定改進措施，并預測或跟蹤采取改進措施后減少RPN值的有效性，直至RPN值達到可接受的水平，進而提高各層次產品的質量和可靠性，這其實是一個動態的、反復迭代分析的過程。

船舶各層次產品FMECA的技術流程如圖1所示，其中最主要的技術流程是RPN分析，其將定性分析得到的故障模式量化為具體的數值RPN值。RPN分析具體方法如下：

圖1 FMECA技術流程圖

首先得到故障模式的嚴酷度等級（S）、發生概率等級（O）與可探測度等級（D）。其中，嚴酷度等級是指各層次產品在加工、裝配過程中某個工序故障模式影響的最嚴重程度；發生概率等級是指其工序中故障模式發生的可能性；可探測度等級是描述其工序中故障模式被探測出的可能性。然后將嚴酷度等級(S) 、發生概率等級(O)和可探測度等級(D)三者相乘，得到故障模式的RPN值，即：

RPN = S×O×D (1)

RPN是對工藝潛在故障模式風險等級的評價，它反映了對工藝故障模式發生的可能性及其后果嚴重性的綜合度量。

2 船舶管路防腐防漏設計流程

給出FMECA方法技術流程后，需明確船舶管路防腐防漏的工藝流程、輸入參數與輸出結果，從而進一步確定船舶管路零部件特性與工藝關系，為開展后續FMECA研究做準備。

船舶管路防腐防漏設計的工藝流程表見表1，初步可見零部件特性與工藝關系如下：（1）耐壓度：壓力與溫度設計；（2）耐溫度：壓力與溫度設計；（3）密封性：壓力與溫度設計、腐蝕余量設計、流速設計、管材與焊材設計、環境適應性設計、電化學腐蝕設計、焊接工藝設計、管路防護工藝設計、管路連接設計；（4）腐蝕性：腐蝕余量設計、管材與焊材設計、環境適應性設計、電化學腐蝕設計、焊接工藝設計、管路防護工藝設計；（5）振動量：流速設計、管路安裝工藝設計；（6）加工結果：管路加工工藝設計；（7）安裝結果：管路加工工藝設計、管路布置設計；（8）變形度：管路安裝工藝設計。

表1 管路防腐防漏設計工藝流程表

表2 管路防腐防漏設計故障模式、原因與影響分析表

3 船舶管路防腐防漏設計FMECA

3.1 故障模式、原因與影響分析

在明確船舶管路防腐防漏設計流程及其相關零部件特性后，本文進一步定性分析管路防腐防漏設計的故障模式、原因與影響。其中故障模式是指不能滿足管路設計中防腐防漏要求的工藝缺陷。它可能是引起下一道工序故障的原因，也可能是上一道工序故障的結果。故障原因是指與故障模式相對應的工藝缺陷為何發生。故障影響是指與故障模式相對應的工藝缺陷對后續工序、組件/裝備和最終使用者的影響。總結船舶管路防腐防漏設計的典型故障模式，對其故障原因影響進行分析，結果見表2。

3.2 RPN分析

如前文中FMECA方法技術流程所述，本節將船舶管路的故障模式通過嚴酷度等級（S）、發生概率等級（O）與可探測度等級（D）評分后計算RPN值。

表3 管路防腐防漏設計風險優先數（RPN）分析表

其中，故障模式的嚴酷度等級（S）評分準則如下：1）當船舶管路多處發生斷裂，導致相關設備或系統無法工作，最終可能引發人員傷亡時，判定故障模式的影響等級為災難級，其嚴酷度等級評分為10分或9分；2）當船舶管路發生較大泄露，導致相關設備或系統無法正常工作，最終影響船舶正常服役時，判定故障模式的影響等級為嚴重級，其嚴酷度等級評分為8分或7分；3）當船舶管路發生泄露現象，導致相關設備與系統工作性能降低時，判定故障模式的影響等級為中等級，其嚴酷度等級評分為6分、5分或4分；4）當船舶管路發生滲漏現象，僅僅影響相關設備與系統美觀時，其嚴酷度等級評分為3分、2分或1分。

故障模式的發生概率等級（O）評分準則如下：1）當船舶管路故障模式持續發生，發生的可能性很高時，判定故障模式的發生概率等級為10分或9分；2）當船舶管路故障模式經常發生，發生的可能性高時，判定故障模式的發生概率等級為8分或7分；3）當船舶管路故障模式偶爾發生，發生的可能性中等時，判定故障模式的發生概率等級為6分、5分或4分；4）當船舶管路故障模式很少發生，發生的可能性低時，判定故障模式的發生概率等級為3分或2分；5）當船舶管路故障模式不大可能發生，發生的可能性極低時，判定故障模式的發生概率等級為1分。

故障模式的被檢測難度等級（D）評分準則如下：通過現行檢查方法無法檢測出故障模式時，被檢測難度等級判定為10分，幾乎不可能檢測出故障模式時，判定為9分，以此類推，當現行檢查方法肯定可以檢測出故障模式時，判定為1分。可見評分與被檢測難度成正比，且一般通過人工檢查方式可檢測出故障模式的評分區間為6-10分，通過量具測量方式可檢測出故障模式的評分區間為2-6分，通過防錯措施方式檢測出故障模式的評分區間為1-4分。

根據RPN判定風險級別與類別進一步給出該風險的接受方式與處置方式定義為風險接受準則：1）A類風險：即最大風險級別，其RPN值大于或等于20，屬于不可接受風險；2）B類風險：即高風險級別，其RPN值大于或等于15，且小于20，屬于不可接受風險；3）C類風險：即中等風險級別，其RPN值大于或等于10，且小于15，屬于不可接受風險；4）D類風險：即低風險級別，其RPN值大于或等于4，且小于10，屬于可接受風險；5）E類風險：即最小風險級別，其RPN值小于4，屬于可接受風險。其中，屬于A類風險的工序，嚴酷度等級、發生概率與被檢測難度一般均很高，風險優先數排序最高，定義為不可接受風險，確定為關鍵工序；屬于 B類與C類風險的工序，嚴酷度等級與發生概率一般較高，風險優先數其次，也定義為不可接受風險，確定為重要工序。并且關鍵工序與重要工序均屬于重大風險點。

在計算出管路防腐防漏設計各工序的RPN值并進行RPN分析后，需提出相應的改進措施使其RPN值降至可接受范圍內。其中改進措施是基于降低故障模式的嚴酷度、發生概率和被檢測難度的任何技術或管理措施，以控制與避免各種故障模式的產生。在制定改進措施后，應預測或跟蹤改進措施的落實結果與實施有效性，計算實施改進措施后的RPN值是否滿足可接受水平。若不滿足要求，需按上述步驟反復進行，直到RPN值滿足可接受水平為止。管路防腐防漏設計的RPN分析結果見表3。

3.3 重大風險點與關鍵重要工序分析

根據管路防腐防漏設計RPN分析結果，工序3“流速設計”、工序6“電化學腐蝕設計”、工序7“焊接工藝設計”、工序9“加工工藝設計”、工序10“布置設計”與工序11“安裝工藝設計”屬于A類風險，且工序9“加工工藝設計”與工序6“電化學腐蝕設計”RPN值最高；工序8“管路防護工藝設計”屬于B類風險；工序2“腐蝕余量設計”、工序4“管材焊材設計”、工序5“環境適應性設計”與工序12“連接設計”屬于C類風險。以上11項工序的RPN值均大于可接受范圍，為不可接受風險，均屬于重大風險點。可見船舶管路防腐防漏設計中的重大風險率高達91.67%。

RPN分析結果除發掘管路防腐防漏設計中的重大風險點外，還能進一步界定設計過程中的關鍵與重要工序。其中工序3“流速設計”、工序6“電化學腐蝕設計”、工序7“焊接工藝設計”、工序9“加工工藝設計”、工序10“布置設計”與工序11“安裝工藝設計”這6個工序故障模式對應的RPN值大于（或等于）20，屬于關鍵工序；而工序2“腐蝕余量設計”、工序4“管材焊材設計”、工序5“環境適應性設計”、工序8“管路防護工藝設計”與工序12“連接設計”這5個工序故障模式對應RPN值大于（或等于）10且小于20，屬于重要工序。可見船舶管路防腐防漏設計中的關鍵工序占50%，而重要工序占41.67%。

對于管路防腐防漏設計中的關鍵工序，本文建議主要采取編制相關工藝文件的方式大幅降低故障模式的發生概率等級，最終使RPN值降至可接受范圍內；對于其重要工序，本文建議主要采取評審相關工藝過程或核算相關物理參數的方式有效降低故障模式的可探測度等級，最終使RPN值降至可接受范圍內。

4 結語

本文基于某重點型號產品的管路防腐防漏設計對FMECA的具體工作方法與實際操作進行了針對性說明，發掘了管路防腐防漏設計中的薄弱環節或重大風險點，界定了關鍵與重要工序。通過采取編制、評審相關工藝文件與核算相關物理參數的方式，提升船舶管路防腐防漏設計的質量與可靠性。船廠應進一步深化FMECA工作方法，同時將現階段的研究成果有效應用于更多型號船舶產品的管路防腐防漏設計工作中。

[1] GJB/Z 1391-2006. 故障模式、影響及危害性分析指南, 2006-5.

[2] 馬麟．保障性設計分析與評價[M]. 北京: 國防工業出版社, 2012.

[3] 沈祖顯譯. 美國軍標一一進行失效模式影響及危險性分析的程序MIL― STD― 1629A. 美國國防部, 1980. 11.

[4] 羅姆可靠性分析中心. 故障模式、影響及危害性分析, 1993.

[5] 《可靠性維修性保障性術語集》編寫組. 可靠性維修性保障性術語集[M]. 北京: 國防工業出版社, 2002. 1.

[6] 楊為民等編著. 可靠性、維修性、保障性總論（可靠性、維修性、保障性叢書之一）[M]. 北京: 國防工業出版社, 1995.

[7] 《可靠性維修性保障性術語集》編寫組. 可靠性維修性保障性術語集[M]. 北京: 國防工業出版社, 2002.

[8] HB失效模式、影響及危害性分析程序. 中華人民共和國航空航天工業部, 1989.

[9] GB系統可靠性分析技術、失效模式和效應分析（FMEA）程序. 國家標準局, 1987.

[10] 石榮德. 失效模式、影響及后果分析. 北京: 中國航空協會科普與教育工作委員會, 1984.

Research on marine pipeline anti-corrosion and anti-leak design based on FMECA

Cao Bo

( Naval Armament Department, Wuhan 430000, China)

U664

A

1003-4862（2022）09-0069-05

2022-03-15

曹博（1979-），男，研究方向：船舶系統工程。E-mail: cb625yh121@163.com