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(duì)象，對(duì)其涉及的壓載系統(tǒng)、液位遙測(cè)系統(tǒng)、艙底水系統(tǒng)、集成控制與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(IntegratedCon-trolandMonitoringSystem，IAS)和閥門(mén)遙控系統(tǒng)進(jìn)行深入分析。結(jié)果表明，艙底水系統(tǒng)的潛在風(fēng)險(xiǎn)較大，為整個(gè)快速壓排載系統(tǒng)最薄弱的環(huán)節(jié)，液位遙測(cè)系統(tǒng)則為系統(tǒng)中可靠性較高的子系統(tǒng)。

　　關(guān)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(tái)在工作時(shí)需要在任務(wù)時(shí)間內(nèi)進(jìn)行起吊操作，并且起吊物體往往重達(dá)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(shè)計(jì)以達(dá)到維持平臺(tái)穩(wěn)性的目的，進(jìn)而確保拆解平臺(tái)快 速壓排載功能的實(shí)現(xiàn)[1-2]。整個(gè)平臺(tái)相關(guān)子系統(tǒng)或構(gòu)件的損壞可能會(huì)影響整個(gè)平臺(tái)的正常運(yùn)行，甚至?xí)�危及平臺(tái)工作人員和平臺(tái)自身的安全。為確�？焖賶号泡d系統(tǒng)乃至整個(gè)半潛式起重拆解平臺(tái)的正常運(yùn)行，預(yù)先識(shí)別系統(tǒng)的潛在風(fēng)險(xiǎn)并進(jìn)行嚴(yán)重性評(píng)價(jià)和可靠性評(píng)估很有必要。本文采用故障模式和影響分析(FailureModeandEffectAnalysis，F(xiàn)MEA)對(duì)快速壓排載系統(tǒng)進(jìn)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(fēng)險(xiǎn)。

　　1快速壓排載系統(tǒng)

　　在整個(gè)拆解工作中，快速壓排載系統(tǒng)是維持整個(gè)平臺(tái)正常運(yùn)行不可或缺的一部分。半潛式起重拆解平臺(tái)存在4個(gè)立柱，每個(gè)立柱中分別有1個(gè)立柱壓載艙用來(lái)實(shí)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(tái)中，存在4個(gè)額定排氣量為8391.6m3/h、額定排氣壓力為0.26MPa的空氣壓縮機(jī)，4臺(tái)空氣壓縮機(jī)以數(shù)量平均的方式分別放置于主、輔浮筒的側(cè)后方立柱內(nèi)，用于實(shí)現(xiàn)快速壓排載功能。

　　在立柱壓載艙上方存在4個(gè)進(jìn)氣閥和2個(gè)泄氣閥，其中進(jìn)氣閥用于快速排載時(shí)超壓的實(shí)現(xiàn)，并且6個(gè)閥門(mén)的開(kāi)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(gè)自動(dòng)閥和1個(gè)手動(dòng)閥，并且該海水閥直通舷外，自動(dòng)閥的開(kāi)閉也由船舶管理系統(tǒng)控制。4個(gè)立柱艙室的連接媒介為高壓空氣環(huán)形總管。在進(jìn)行起重拆解作業(yè)時(shí)，空氣壓縮機(jī)會(huì)向起重側(cè)打入高壓空氣實(shí)現(xiàn)超壓，進(jìn)而快速清除艙內(nèi)海水，這種排載速度比常規(guī)離心泵高數(shù)十倍，可達(dá)到維持整個(gè)拆解平臺(tái)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(jié)得出系統(tǒng)所具有的故障模式，并采用FMEA對(duì)快速壓排載系統(tǒng)進(jìn)行深入分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)及潛在風(fēng)險(xiǎn)，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(duì)系統(tǒng)的可靠性分析，并找出對(duì)系統(tǒng)及子系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生較大影響的故障模式，在提出相應(yīng)的改進(jìn)措施和補(bǔ)償手段的基礎(chǔ)上完成系統(tǒng)可靠性的提升�？焖賶号泡d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(guān)的子系統(tǒng)及組件都正常運(yùn)行;(2)在采用FMEA方法進(jìn)行可靠性分析時(shí)故障模式之間相互獨(dú)立，當(dāng)相關(guān)子系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)備用系統(tǒng)工作正常，使整個(gè)系統(tǒng)無(wú)障礙運(yùn)轉(zhuǎn)。

　　2.2可靠性框圖

　　在發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中各子系統(tǒng)及構(gòu)件之間的相互聯(lián)系之后，進(jìn)行可靠性框圖的繪制，這是進(jìn)行FMEA的關(guān)鍵步驟之一[6]。在快速壓排載系統(tǒng)的5個(gè)子系統(tǒng)中，每個(gè)子系統(tǒng)出現(xiàn)故障都會(huì)直接影響壓排載系統(tǒng)的正常運(yùn)行，即為“或”門(mén)邏輯。在一個(gè)系統(tǒng)中，子系統(tǒng)之間呈現(xiàn)“與”門(mén)的邏輯關(guān)系，即意味著只有當(dāng)所有子系統(tǒng)出現(xiàn)故障才會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行�？焖賶号泡d系統(tǒng)的第一水平級(jí)為壓載系統(tǒng)、艙底水系統(tǒng)、液位遙測(cè)系統(tǒng)、集成控制與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(IntegratedControlandMonitoringSystem，IAS)、閥門(mén)遙控系統(tǒng);第二水平級(jí)為1.重吊壓載系統(tǒng)、2.普通壓載和掃倉(cāng)系統(tǒng)、3.浮筒艙底水泵、4.掃倉(cāng)泵、5.艙底水支管上過(guò)濾箱、6.艙底水輸送泵、7.艙底水井液位開(kāi)關(guān)、8.油水分離、9.吹泡式傳感器控制柜(LEVELMASTERH8柜)、10.外部測(cè)站、11.反饋裝置、12.外部測(cè)站、13.現(xiàn)場(chǎng)測(cè)站、14.雙路Modbus通信模塊、15.電源、16.液壓?jiǎn)卧��?7.電磁閥箱、18.閥門(mén)控制單元;第三水平級(jí)為19.壓載泵、20.過(guò)濾器、21.電解催化單元(ElectrolyticCatalyticUnit，EUT)、22.和26.壓載艙、23.空氣壓縮機(jī)、24.立柱壓載艙、25.快速壓載艙;第四水平級(jí)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(gè)集壓載艙、閥門(mén)、管路、泵和空氣壓縮機(jī)、信息采集和通信設(shè)備等在內(nèi)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(huì)有所差異，其中較為常見(jiàn)的故障模式為退化型和損壞型，除此之外還存在失調(diào)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(shí)別故障模式對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響并進(jìn)行有效的可靠性評(píng)估，基于FMEA進(jìn)行可靠重要度劃分。在將整個(gè)快速壓排載系統(tǒng)劃分為5個(gè)子系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對(duì)子系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步劃分并完成FMEA。在繪制可靠性框圖時(shí)，將快速壓排載系統(tǒng)劃分為4個(gè)水平級(jí)，直至系統(tǒng)構(gòu)件這一層面。將故障模式對(duì)系統(tǒng)影響以可靠重要度等級(jí)分類，并據(jù)此制得FMEA表，其構(gòu)件水平級(jí)故障橫式項(xiàng)“-”前后不同數(shù)字分別表示不同的構(gòu)件水平級(jí)和基本事件，每個(gè)基本事件相互獨(dú)立并僅隸屬于上一層中的系統(tǒng)水平級(jí)。

　　3.2可靠性分析

　　可靠重要度大致為Ⅳ類和Ⅲ類，并且當(dāng)結(jié)構(gòu)控制部件、測(cè)量及通信單元發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)都具有足夠的冗余設(shè)置以確保子系統(tǒng)和快速壓排載系統(tǒng)的正常運(yùn)行。各子系統(tǒng)在最壞情況下產(chǎn)生的故障影響和補(bǔ)償措施也需重點(diǎn)考慮，具體如下：

　　(1)對(duì)于第3水平級(jí)壓載泵下分的第4水平級(jí)事件，應(yīng)急配電板故障會(huì)導(dǎo)致4個(gè)壓載水泵故障。此時(shí)，系統(tǒng)中仍然存在4個(gè)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(jìn)行日常狀態(tài)檢查和維護(hù)以避免故障產(chǎn)生。

　　(2)對(duì)于第2水平級(jí)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(jí)事件：前者的4個(gè)壓載泵和1個(gè)空氣壓縮機(jī)可能會(huì)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(yùn)行;后者的不可控管道泄漏會(huì)造成無(wú)法控制的漏水。正確使用隔離閥和水密門(mén)可控制或隔離這種故障。

　　(3)對(duì)于第1水平級(jí)子系統(tǒng)下分的第2水平級(jí)事件：在液位遙測(cè)系統(tǒng)中最壞的情況下空氣供應(yīng)故障導(dǎo)致吹泡式傳感器控制柜(停止服務(wù))故障，但是系統(tǒng)設(shè)置4臺(tái)機(jī)柜系統(tǒng)具有足夠的冗余;在艙底水系統(tǒng)中1號(hào)浮筒艙底泵和2號(hào)浮筒艙底泵同時(shí)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(dǎo)致相關(guān)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(guān)鍵部件都設(shè)置相應(yīng)的冗余及應(yīng)急手動(dòng)裝置，從而確保其正常運(yùn)行;在IAS中最壞的情況是1個(gè)外部測(cè)站的輸出模塊或控制器丟失，2個(gè)壓載泵的遠(yuǎn)程控制丟失，因?yàn)槠脚_(tái)每舷各配備4臺(tái)壓載泵有足夠冗余，所以2個(gè)壓載泵失去遠(yuǎn)程控制并沒(méi)有影響其他壓載泵的正常運(yùn)行;閥門(mén)遙控系統(tǒng)最嚴(yán)重的故障是電磁閥箱故障，其將在IAS中發(fā)出警報(bào)，如果需要，相關(guān)的閥門(mén)可進(jìn)行局部緊急操作。

　　對(duì)每個(gè)水平級(jí)子系統(tǒng)進(jìn)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(huì)影響第1水平級(jí)系統(tǒng)可靠性外，其他都可正常運(yùn)行。并且，在5個(gè)子系統(tǒng)中：壓載系統(tǒng)在FMEA中為Ⅲ類和Ⅳ類;液位測(cè)量系統(tǒng)均為Ⅳ類;艙底水系統(tǒng)、IAS和 閥門(mén)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(huì)升至Ⅱ類。因此，根據(jù)上述分析進(jìn)行可靠重要性的排序：艙底水系統(tǒng)>壓載系統(tǒng)>IAS>閥門(mén)遙控系統(tǒng)>液位遙測(cè)系統(tǒng)。得出5個(gè)子系統(tǒng)可靠性：艙底水系統(tǒng)<壓載系統(tǒng)

　　在4個(gè)水平級(jí)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(huì)使可靠性降低，可靠重要度上升至Ⅱ類進(jìn)而影響系統(tǒng)運(yùn)行。針對(duì)可靠性分析結(jié)果，在快速壓排載系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與建造中，需要對(duì)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(guān)鍵部件，通過(guò)使用K-混合冗余策略替代傳統(tǒng)冗余策略的方式進(jìn)行可靠性優(yōu)化[9]。對(duì)于通信控制中軟件設(shè)備除了關(guān)鍵設(shè)備的冗余外還應(yīng)該加強(qiáng)設(shè)備的日常監(jiān)測(cè)和維護(hù)。

　　4結(jié)論

　　以Serooskerke半潛式起重拆解平臺(tái)的快速壓排載系統(tǒng)為研究對(duì)象，分析快速壓排載系統(tǒng)的工作原理、子系統(tǒng)及構(gòu)件組成，進(jìn)一步結(jié)合實(shí)際建造的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)找出所涉及的故障模式，采用FMEA對(duì)快速壓排載系統(tǒng)的可靠性進(jìn)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(guò)一種定性的分析方式進(jìn)行識(shí)別，確定系統(tǒng)可靠性優(yōu)化的關(guān)鍵部件，為今后快速壓排載系統(tǒng)的設(shè)計(jì)建造與運(yùn)行提供參考。未來(lái)應(yīng)著眼于定性與定量分析的有效結(jié)合，在系統(tǒng)的可靠性分析中更為精準(zhǔn)地對(duì)薄弱環(huán)節(jié)及潛在風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行識(shí)別，進(jìn)而提高快速壓排載系統(tǒng)的可靠性。

　　參考文獻(xiàn)：

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

　　作者：葛海洋1，高海波1*，陳伶翔2，嚴(yán)柳2

 

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