基于QFD的超大型海上起重船舶質量創新體系研究

1背景

隨著全球海洋資源開發向深水領域推進，超大型海上起重船舶作為海洋工程裝備體系的核心設備，其作業能力與可靠性直接關系到海上油氣田開發的效率與安全。“振華30”輪作為目前全球單臂起重能力最大（12000t）的重型全回轉起重船，在中東海域油氣模塊吊裝項目中面臨前所未有的技術挑戰：大噸位偏心模塊吊裝導致雙鉤載荷偏差達 1900t 對船舶結構及DP系統穩定性構成嚴峻考驗；超長鋼絲繩（直徑 78mm ，長度 6000m ）更換存在高成本與高風險；傳統質量管控體系難以滿足國際高端海工市場的嚴苛要求。

以此為基礎，提出了基于QFD的質量創新體系，并且采取一系列質量工程方法把各個環節之間聯系起來，完成了由顧客需求轉成技術特性，并完成了質量創新上的突破。攻克了“振華30”輪項目實施過程中的關鍵技術難題，建立了海上起重船舶質量管理系統，為中國海工裝備產品的國際質量管理提供了借鑒與參考。

2 質量創新體系構建

2.1基于QFD的顧客需求轉化

項目團隊運用QFD質量屋工具，建立了多層次顧客需求分解模型，如圖1所示。為了安全高效地完成海上油氣模塊吊裝任務，將此作為頂層需求往下細化拆分為技術性能、安全可靠、經濟合理、環保達標和售后服務等方面需求，共計二級需求17項，包括主鉤最大起重能力， （12000t） 、吊裝半徑 （40m） 、DP系統定位精度（ ±0.5m， 等具體要求；利用專家評分法得出各二級需求權重，并建立顧客需求一質量特性矩陣，進而識別出關鍵質量特性“DP系統穩定性”“鋼絲繩可靠性”“偏載驗證方法”等共12項。

圖1QFD質量屋構建流程

2.2TRIZ理論解決技術沖突

在驗證起重機偏載能力時，面臨“安全性”與“驗證精準性”的技術矛盾。運用TRIZ沖突矩陣（如圖2所示）分析，“安全性”對應的工程參數為第37個工程參數“安全性”；“驗證的精準性”對應的工程參數為第48個工程參數“測量的準確度”。

從沖突矩陣可以看出，可以利用第37、4、26、3、12、25、2條發明和原理來解決這個沖突。經仔細研究原理37、4、26、3、12、25、2，決定采用原理26“復制”：“用簡潔、廉價的復制品代替簡單、昂貴、不便利、易損、不易獲得的物體虛擬現實系統。”

創新提出“雙鉤全噸位載荷驗證 + 有限元模擬”的復合驗證方案：將設計工況（ 2000t+4 000t 偏載）轉化為對稱載荷（ 4000+4000t ）進行實際測試，再通過高精度有限元仿真驗證偏載工況下的結構安全性。

“物理試驗-數值仿真”雙驗證體系：

全噸位試驗：雙鉤同步加載至 8000t （安全系數

1.25），實測結構應力分布。

有限元分析：建立包含1.2M單元的精細化試驗載荷仿真模型（如圖3所示），模擬 2000t+4000t 偏載工況。

數據融合：試驗數據用來修正模型邊界條件，最后得到偏載工況下最大應力達 355MPa （ lt; 許用值390MPa）。

2.3FMEA風險管控體系

建立三級FMEA分析框架：

（1）系統級FMEA：對DP動力系統及起重機等關鍵系

統進行故障模式識別。（2）設計級FMEA：對涉及鋼絲繩更換的關鍵工藝做失

效評估。（3）操作級FMEA：分析吊裝作業中的各種操作風險。

識別出217項潛在失效模式，制定相應控制措施，如：DP

系統采用“二段排”模式（將全船電站分兩排運行），使得

吊裝作業出現故障風險優先級數（RPN）平均下降了 68% 。

3關鍵技術創新與應用

3.1DP動力系統優化

針對傳統“一字排”（經濟性好，但安全性差）與“六段排”（可靠性高，但能耗大）模式的不足，創新設計“二段排”模式：

功能隔離：為了“二段排”模式運行需要，將全船電站與動力設備兩排分開布置，并將關鍵設備之間加裝電氣隔離開關，對于可能存在二段排相互干擾的設備進行切斷分離。在單獨排中，單獨運行時能保證各自能獨立運行，滿足本排船舶動力定位需要，這樣就實現了各個排單獨，互不影響，降低安全隱患，提高船舶可靠性。

節能優化：在DP定位運行時，每段只需2臺發電機投入運行，較六段排模式降低燃油消耗 23% 。

新增DPHEAVYLIFT功能：為滿足船舶吊裝精確定位的需要和市場及業主對高端海工船舶的要求，在起重船舶吊機操作平臺增加“DPHEAVYLIFT”重吊模式功能。該功能可解決過去吊裝作業中因缺少該功能導致的船舶定位不準、貨物起升下放過程中沖擊負荷大等問題，提高吊裝作業的精度和安全性。

3.2鋼絲繩更換技術創新

傳統的更換鋼絲繩方式是在船塢內，靠近起重機人字架一側，在陸上安裝重型絞車，將鋼絲繩牽引到主甲板，在“振華30”輪自身主甲板上布置重型絞車，新舊鋼絲繩連成一個回路，邊抽邊放，從而完成鋼絲繩的更換。在碼頭通過駁船更換鋼絲繩相比干船塢，費用低廉，但作業持續時間超過三周，占用碼頭時間長，一旦遭遇臺風等惡劣天氣，船舶無法撤離，安全風險高。為了克服以上問題，創新性地提出“甲板自主更換方案”，如圖4所示。該方案施工期間，遇到惡劣天氣，隨時可以撤離，安全可控。同時不占用昂貴的干船塢，最大限度節省成本。

圖4鋼絲繩甲板更換方案示意圖

（1）結構創新：在起重機人字架設置250噸級導向滑輪組，利用船舶甲板（面積 ≈1.7 個標準足球場）布置液壓絞車系統。

（2）工藝創新：采用新舊鋼絲繩直接焊接技術（新舊鋼絲繩開坡口 120^° ，選用高強度UTP690焊條，雙面環向對稱焊接），焊接工藝簡單，接頭熱影響區小，接頭強度大且柔性好，不改變原鋼絲繩的最小彎曲半徑；與滑輪溝槽貼合度好，接頭不容易磨損。新舊鋼絲繩同等規格，強度得以保證，取消引繩，無斷裂風險。該方案較傳統引繩牽引方案效率提升 40% 。

（3）經濟性：節省高額的塢期成本費，該技術已推廣應用于5艘同類船舶。

4 創新成果與效益分析

4.1技術創新成果

項目構建了國內首個海上起重船QFD質量創新體系，綜合運用QFD、FMEA、TRIZ、等質量技術，將顧客需求轉化為質量技術特性、工藝方案及生產控制要求，為復雜海工項目提供了系統化的創新思路，關鍵指標提升表現為：

DP定位精度：從 ±1.2m 提升至 ±0.3m 。

鋼絲繩更換成本：較傳統的更換模式，成本降低了 76% 。吊裝作業效率：單模塊吊裝時間從 ^8h 縮短至 4h， 0

4.2經濟效益

直接收益：項目利潤率較創新優化前提升了1個百分點。成本節約：鋼絲繩更換方案累計節約近100萬元；DP優化后可使船舶每年節省一筆可觀的燃油費。

-資產增值：船舶的設備改造升級使得“振華30”輪船況得到了進一步提升，為后續的市場開拓提供了保障。

4.3社會效益

項目的創新實踐提高了船舶的作業效率、穩定性和安全性，減少了海上作業事故的發生風險，保障了海上油氣模塊吊裝等作業安全，為海上起重船行業提供了寶貴的經驗借鑒，對維護海洋資源開發和海上運輸的安全穩定具有積極意義。

項目的開展表明我國海工裝備制造業擁有較強的自主研發技術能力及管理能力，并通過該項目在國際市場上的知名度與影響力得到增加，能夠更好地促進我國海工裝備制造業走出國門的步伐，為中國海工企業在國際上樹立典型標桿和領軍形象。

5結論與展望

基于QFD的質量創新體系，并利用QFD融合多種質量工具的方法解決超大型起重船所面臨的技術和管理問題，實踐結果表明這種方法能有效解決相關技術與管理問題。1）QFD可將顧客的需求轉換為產品技術特性，使創新的方向同市場的要求相吻合。2）將TRIZ原理與FMEA結合起來處理復雜的技術問題是創新解決途徑的一種和風險管控的手段。3）甲板自主更換鋼絲繩方案等多項創新成果是行業內領先的技術代表。

今后可以考慮在起重船全生命周期質量管理中應用數字孿生技術、針對新型海工裝備的質量創新體系開展適用性拓展。