基于FMEA的快速壓排載系統(tǒng)可靠性分析

　　摘要：采用故障模式和影響分析(FailureModeandEffectAnalysis，F(xiàn)MEA)方法，以快速壓排載系統(tǒng)為研究對象，對其涉及的壓載系統(tǒng)、液位遙測系統(tǒng)、艙底水系統(tǒng)、集成控制與監(jiān)測系統(tǒng)(IntegratedCon-trolandMonitoringSystem，IAS)和閥門遙控系統(tǒng)進行深入分析。結果表明，艙底水系統(tǒng)的潛在風險較大，為整個快速壓排載系統(tǒng)最薄弱的環(huán)節(jié)，液位遙測系統(tǒng)則為系統(tǒng)中可靠性較高的子系統(tǒng)。

　　關鍵詞：快速壓排載系統(tǒng);FMEA;可靠性

　　0引言

　　半潛式起重拆解平臺在工作時需要在任務時間內進行起吊操作，并且起吊物體往往重達千噸。通常使用與潛艇類似的壓縮空氣快速壓排載系統(tǒng)設計以達到維持平臺穩(wěn)性的目的，進而確保拆解平臺快 速壓排載功能的實現(xiàn)[1-2]。整個平臺相關子系統(tǒng)或構件的損壞可能會影響整個平臺的正常運行，甚至會危及平臺工作人員和平臺自身的安全。為確�？焖賶号泡d系統(tǒng)乃至整個半潛式起重拆解平臺的正常運行，預先識別系統(tǒng)的潛在風險并進行嚴重性評價和可靠性評估很有必要。本文采用故障模式和影響分析(FailureModeandEffectAnalysis，F(xiàn)MEA)對快速壓排載系統(tǒng)進行可靠性的定性分析，找出系統(tǒng)中存在的薄弱環(huán)節(jié)及潛在風險。

　　1快速壓排載系統(tǒng)

　　在整個拆解工作中，快速壓排載系統(tǒng)是維持整個平臺正常運行不可或缺的一部分。半潛式起重拆解平臺存在4個立柱，每個立柱中分別有1個立柱壓載艙用來實現(xiàn)快速壓排載功能。輔浮筒中分別存在體積為1570.7m3、1563.6m3的立柱壓載艙，主浮筒中分別存在體積為2193.8m3、2188.0m3的立柱壓載艙。在平臺中，存在4個額定排氣量為8391.6m3/h、額定排氣壓力為0.26MPa的空氣壓縮機，4臺空氣壓縮機以數(shù)量平均的方式分別放置于主、輔浮筒的側后方立柱內，用于實現(xiàn)快速壓排載功能。

　　在立柱壓載艙上方存在4個進氣閥和2個泄氣閥，其中進氣閥用于快速排載時超壓的實現(xiàn)，并且6個閥門的開閉皆由船舶管理系統(tǒng)控制。艙室底部裝置的海水閥包含1個自動閥和1個手動閥，并且該海水閥直通舷外，自動閥的開閉也由船舶管理系統(tǒng)控制。4個立柱艙室的連接媒介為高壓空氣環(huán)形總管。在進行起重拆解作業(yè)時，空氣壓縮機會向起重側打入高壓空氣實現(xiàn)超壓，進而快速清除艙內海水，這種排載速度比常規(guī)離心泵高數(shù)十倍，可達到維持整個拆解平臺穩(wěn)性的目的[3-4]。

　　2可靠性框圖及潛在故障模式

　　基于大量的資料歸納總結得出系統(tǒng)所具有的故障模式，并采用FMEA對快速壓排載系統(tǒng)進行深入分析，及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)及潛在風險，以定性分析的方式提高系統(tǒng)可靠性[5]。

　　2.1可靠性邊界條件

　　基于FMEA方法，完成對系統(tǒng)的可靠性分析，并找出對系統(tǒng)及子系統(tǒng)運行產(chǎn)生較大影響的故障模式，在提出相應的改進措施和補償手段的基礎上完成系統(tǒng)可靠性的提升。快速壓排載系統(tǒng)的可靠性邊界條件如下：(1)所有與快速壓排載系統(tǒng)相關的子系統(tǒng)及組件都正常運行;(2)在采用FMEA方法進行可靠性分析時故障模式之間相互獨立，當相關子系統(tǒng)出現(xiàn)故障時備用系統(tǒng)工作正常，使整個系統(tǒng)無障礙運轉。

　　2.2可靠性框圖

　　在發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中各子系統(tǒng)及構件之間的相互聯(lián)系之后，進行可靠性框圖的繪制，這是進行FMEA的關鍵步驟之一[6]。在快速壓排載系統(tǒng)的5個子系統(tǒng)中，每個子系統(tǒng)出現(xiàn)故障都會直接影響壓排載系統(tǒng)的正常運行，即為“或”門邏輯。在一個系統(tǒng)中，子系統(tǒng)之間呈現(xiàn)“與”門的邏輯關系，即意味著只有當所有子系統(tǒng)出現(xiàn)故障才會影響整個系統(tǒng)的正常運行�？焖賶号泡d系統(tǒng)的第一水平級為壓載系統(tǒng)、艙底水系統(tǒng)、液位遙測系統(tǒng)、集成控制與監(jiān)測系統(tǒng)(IntegratedControlandMonitoringSystem，IAS)、閥門遙控系統(tǒng);第二水平級為1.重吊壓載系統(tǒng)、2.普通壓載和掃倉系統(tǒng)、3.浮筒艙底水泵、4.掃倉泵、5.艙底水支管上過濾箱、6.艙底水輸送泵、7.艙底水井液位開關、8.油水分離、9.吹泡式傳感器控制柜(LEVELMASTERH8柜)、10.外部測站、11.反饋裝置、12.外部測站、13.現(xiàn)場測站、14.雙路Modbus通信模塊、15.電源、16.液壓單元、17.電磁閥箱、18.閥門控制單元;第三水平級為19.壓載泵、20.過濾器、21.電解催化單元(ElectrolyticCatalyticUnit，EUT)、22.和26.壓載艙、23.空氣壓縮機、24.立柱壓載艙、25.快速壓載艙;第四水平級為壓載泵子系統(tǒng)。

　　2.3潛在故障模式

　　快速壓排載系統(tǒng)是一個集壓載艙、閥門、管路、泵和空氣壓縮機、信息采集和通信設備等在內的龐大系統(tǒng)。系統(tǒng)所涉及的故障模式因其表現(xiàn)形式不同會有所差異，其中較為常見的故障模式為退化型和損壞型，除此之外還存在失調型、松脫型、阻漏型等3種故障模式[7]。

　　3基于FMEA的可靠性分析

　　3.1FMEA表

　　為更好地識別故障模式對系統(tǒng)產(chǎn)生的影響并進行有效的可靠性評估，基于FMEA進行可靠重要度劃分。在將整個快速壓排載系統(tǒng)劃分為5個子系統(tǒng)的基礎上，對子系統(tǒng)進行進一步劃分并完成FMEA。在繪制可靠性框圖時，將快速壓排載系統(tǒng)劃分為4個水平級，直至系統(tǒng)構件這一層面。將故障模式對系統(tǒng)影響以可靠重要度等級分類，并據(jù)此制得FMEA表，其構件水平級故障橫式項“-”前后不同數(shù)字分別表示不同的構件水平級和基本事件，每個基本事件相互獨立并僅隸屬于上一層中的系統(tǒng)水平級。

　　3.2可靠性分析

　　可靠重要度大致為Ⅳ類和Ⅲ類，并且當結構控制部件、測量及通信單元發(fā)生故障時，系統(tǒng)都具有足夠的冗余設置以確保子系統(tǒng)和快速壓排載系統(tǒng)的正常運行。各子系統(tǒng)在最壞情況下產(chǎn)生的故障影響和補償措施也需重點考慮，具體如下：

　　(1)對于第3水平級壓載泵下分的第4水平級事件，應急配電板故障會導致4個壓載水泵故障。此時，系統(tǒng)中仍然存在4個壓載水泵可繼續(xù)維持壓、排載的正常操作。在管理上，可在壓、排載操作之前進行日常狀態(tài)檢查和維護以避免故障產(chǎn)生。

　　(2)對于第2水平級的重吊壓載系統(tǒng)以及普通壓載和掃艙系統(tǒng)下分的第3水平級事件：前者的4個壓載泵和1個空氣壓縮機可能會因壓載系統(tǒng)而發(fā)生故障，然而該系統(tǒng)具有足夠的冗余使系統(tǒng)正常運行;后者的不可控管道泄漏會造成無法控制的漏水。正確使用隔離閥和水密門可控制或隔離這種故障。

　　(3)對于第1水平級子系統(tǒng)下分的第2水平級事件：在液位遙測系統(tǒng)中最壞的情況下空氣供應故障導致吹泡式傳感器控制柜(停止服務)故障，但是系統(tǒng)設置4臺機柜系統(tǒng)具有足夠的冗余;在艙底水系統(tǒng)中1號浮筒艙底泵和2號浮筒艙底泵同時失效，或艙底水由于管道腐蝕、墊片損壞、膨脹節(jié)失效等造成艙底水泄漏，艙底水不能有效泵送，可能導致相關艙底水淹水或出現(xiàn)緊急情況可上升至Ⅱ類，該系統(tǒng)整體的可靠重要度大于其他系統(tǒng)，系統(tǒng)中各關鍵部件都設置相應的冗余及應急手動裝置，從而確保其正常運行;在IAS中最壞的情況是1個外部測站的輸出模塊或控制器丟失，2個壓載泵的遠程控制丟失，因為平臺每舷各配備4臺壓載泵有足夠冗余，所以2個壓載泵失去遠程控制并沒有影響其他壓載泵的正常運行;閥門遙控系統(tǒng)最嚴重的故障是電磁閥箱故障，其將在IAS中發(fā)出警報，如果需要，相關的閥門可進行局部緊急操作。

　　對每個水平級子系統(tǒng)進行最壞情況下的分析可知，除了艙底水在最壞情況下可能會影響第1水平級系統(tǒng)可靠性外，其他都可正常運行。并且，在5個子系統(tǒng)中：壓載系統(tǒng)在FMEA中為Ⅲ類和Ⅳ類;液位測量系統(tǒng)均為Ⅳ類;艙底水系統(tǒng)、IAS和 閥門遙控系統(tǒng)皆為Ⅲ類，但是艙底水系統(tǒng)在最壞的情況下可能會升至Ⅱ類。因此，根據(jù)上述分析進行可靠重要性的排序：艙底水系統(tǒng)>壓載系統(tǒng)>IAS>閥門遙控系統(tǒng)>液位遙測系統(tǒng)。得出5個子系統(tǒng)可靠性：艙底水系統(tǒng)<壓載系統(tǒng)

　　在4個水平級中歸屬于Ⅲ類故障的可靠重要度 大于Ⅳ類，因Ⅲ類定位臨界狀態(tài)，在部件損壞及冗余策略失效的情況下可能會使可靠性降低，可靠重要度上升至Ⅱ類進而影響系統(tǒng)運行。針對可靠性分析結果，在快速壓排載系統(tǒng)的設計與建造中，需要對上述可靠性薄弱環(huán)節(jié)，尤其是第Ⅲ類故障所涉及的系統(tǒng)及關鍵部件，通過使用K-混合冗余策略替代傳統(tǒng)冗余策略的方式進行可靠性優(yōu)化[9]。對于通信控制中軟件設備除了關鍵設備的冗余外還應該加強設備的日常監(jiān)測和維護。

　　4結論

　　以Serooskerke半潛式起重拆解平臺的快速壓排載系統(tǒng)為研究對象，分析快速壓排載系統(tǒng)的工作原理、子系統(tǒng)及構件組成，進一步結合實際建造的系統(tǒng)結構找出所涉及的故障模式，采用FMEA對快速壓排載系統(tǒng)的可靠性進行分析。快速壓排載系統(tǒng)中的可靠性優(yōu)劣及薄弱環(huán)節(jié)通過一種定性的分析方式進行識別，確定系統(tǒng)可靠性優(yōu)化的關鍵部件，為今后快速壓排載系統(tǒng)的設計建造與運行提供參考。未來應著眼于定性與定量分析的有效結合，在系統(tǒng)的可靠性分析中更為精準地對薄弱環(huán)節(jié)及潛在風險進行識別，進而提高快速壓排載系統(tǒng)的可靠性。

　　參考文獻：

　　[1]楊學磊.大型半潛式起重平臺壓載系統(tǒng)及吊機配合優(yōu)化研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2014.

　　[2]李德江，李磊，曹慶禺，等.非對稱半潛式重型起吊平臺總體屈曲強度評估[J].中國海洋平臺，2014，29(2)：40-44.

　　[3]黃超.大型駁船型起重船的復合壓載管路系統(tǒng)的優(yōu)化研究[D].上海：上海交通大學，2012.

　　[4]ZHAOT，SUNC.Anewspudcanwithbuoyancymodulesformobilejack-uprigs[J].AppliedOceanResearch，2014，47：154-161.

　　[5]中國船級社.船舶綜合安全評估應用指南[S].1999.

　　[6]VONTAI，RAMM.ReliabilityEngineering[M].BocaRaton：CRCPress，2019.

　　作者：葛海洋1，高海波1*，陳伶翔2，嚴柳2

 

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