FMEA在DP-3深水半潛鉆井平臺上的應用

劉紅霞，宋金揚，熊 勇，袁飛暉，王克虎

（上海外高橋造船有限公司，上海 200137）

0 引 言

深水油氣能源的開發是當今能源發展的熱點也是未來海洋資源的開發和探索方向。具有動力定位功能的深水作業移動平臺，是深水油氣開發的重要工具，而安全可靠的DP動力定位系統是此類裝置的基本要求和必要保障。對DP系統的FMEA，是確保DP系統功能品質的一種可靠的分析方法，其對各種潛在的故障模式進行評價分析，以消除或減小這些風險。因此FMEA在具有動力定位能力的深水半潛平臺上的應用主要集中在對DP動力定位系統的故障模式與影響分析?；阢@井平臺環境中常常含有碳氫化合物，DP動力定位鉆井平臺通常要求動力定位系統的冗余度最低為DP-2[1]。本文以目前動力定位系統冗余度要求最高的 DP-3深水半潛鉆井平臺為實例，介紹了FMEA的基本概念，分析方法流程，以及編制FMEA分析報告和冗余度驗證試驗程序的基本內容。

1 故障模式與影響分析（FMEA）

1.1 基本概念

FMEA (Failure Modes and Effects Analysis) 是一種可靠的分析方法。目的在于通過認可及評價潛在失效以及該失效的后果，從而確定消除或減少潛在失效發生機會的措施。目前在船舶行業中，FMEA應用于各種重要系統的設計分析，如推進冗余系統、推進遙控系統和高速船舶的主要系統等，尤其應用于動力定位系統，且DP動力定位船舶在碼頭試驗，調試和CAT（客戶驗收試驗）后都必須進行FMEA冗余度驗證試驗[1]。

1.2 DPS動力定位系統

DPS（Dynamic Positioning System）動力定位系統是指使動力定位船舶實現動力定位所必需的一整套系統，含動力系統、推力器系統、動力定位控制系統和測量系統[2]。典型動力定位系統的組成如圖1所示。

1.3 DP-3

根據動力定位系統的不同冗余度，經船東申請，船級社對符合要求的DP動力定位船舶授予附加標志，例如：

DP-3是指安裝有動力定位系統的船舶，在出現任何單個故障（包括由于失火或進水造成一個艙室的完全損失）后，可在規定的最大環境條件下，在規定的工作范圍內自動保持船舶的位置和艏向[2]。

1.4 DP動力定位系統的FMEA

DP動力定位系統的FMEA是對整個DP系統進行故障模式與影響分析。FMEA的目的在于說明與動力定位系統功能有關設備的不同故障模式。對于系統中的某一設備可能有多種故障模式，從而對動力定位系統產生多種不同影響，在分析時應特別注意。對整個動力定位系統應進行故障模式與影響分析，包括所有系統的主要部件，一般應包括但不局限于下列內容：

圖1 典型的DPS組成

1) 所有系統主要部件的描述以及表示他們相互之間作用的功能框圖；

2) 所有嚴重故障模式；

3) 每一故障模式的主要可預測原因；

4) 每一故障對船位的瞬態影響；

5) 探測故障的方法；

6) 故障對系統剩余能力的影響；

7) 對可能的公共故障模式的分析[2]。

2 FMEA分析方法

2.1 FMEA分析方法流程

在DP-3深水半潛平臺上，使用FMEA方法對動力定位系統進行故障模式與影響分析的流程見圖2。

FMEA的分析過程與結論以其分析文檔為體現形式，這些文檔主要是指FMEA分析報告和FMEA冗余度驗證試驗程序。FMEA分析報告與試驗程序應提交船級社審查。

圖2 故障模式與影響分析流程

2.2 FMEA 分析報告

FMEA應涵蓋整個DP系統，并覆蓋所有系統的主要部件。在編制FMEA報告時，因系統中的某一設備可能有多種故障模式，將對動力定位系統產生多種不同影響, 所以應對每一單個故障模式對系統內其他部分的影響以及對整個DP系統的影響進行說明[2]。FMEA通常以一個專用的工作表進行分析和記錄如表1所示。

表1 典型工作表

在半潛式鉆井平臺上應用FMEA驗證動力定位系統及其輔助系統的設計是否滿足DP-3要求，是通過對動力系統、推進器系統、電力分配系統、DP控制系統、DP參照系統以及DP相關的其他輔助系統（壓縮空氣系統、燃油系統、滑油系統、冷卻系統、安全系統、應急關斷系統、火氣系統等）進行故障模式和影響的分析，來評價系統的安全可靠性[3]。

為滿足 DP-3附加標志要求，動力定位系統在平臺上的布置如表2所示。

表2 DP-3深水半潛平臺動力定位系統的布置

FMEA考查動力定位系統是否滿足DP-3要求，主要考慮以下幾種單個失效故障模式：

1) 與DP相關的單設備或單個子系統失效（例如：推進器系統、DP控制系統、電力分配系統、輔助系統等）；

2) 單艙失效故障（因浸水或失火導致安裝在此艙室內的設備、子系統故障失效）。

DP-3深水半潛平臺DP系統FMEA分析報告基本內容如下：

1) 動力發電系統。分析主發電機單機的控制及輔助系統的配置冗余度是否滿足DP-3的操作要求,在考慮單故障的條件下不能引起其他主機的故障，這里涉及電源的冗余配置及元器件或設備的冗余是否滿足 DP-3要求. 注意還應包含發電機生產廠家對設備及其內部做的FMEA。

2) 配電系統。分析11kV主配電板，480V配電板，230V配電板和480V和230V應急配電板失效故障情況，以及發生故障后替代系統或設備冗余度是否滿足DP-3要求。同時應注意各區域配電板，DP控制系統的電力分配。注意配電系統的 FMEA還應包含配電板生產廠家對設備及其內部做的FMEA。

3) 推進器系統。分析因推進器失控而導致平臺失去原本位置的可能性。注意包含推進器生產廠家對設備的FMEA。為滿足DP-3要求，平臺上動力系統、電力分配系統和推進器系統裝置的布置如圖3所示。

圖3 平臺動力配電和推進裝置布置

上述3個部分的FMEA分析報告中的故障模式還應重點考慮失火或進水造成一個艙室完全損失的失效故障模式。

4) 輔助機械系統。分析包括為DP相關設備服務的平臺空氣系統（包括壓縮空氣系統、儀表空氣系統和雜用空氣系統等）、推進器管路系統、起動空氣系統、燃油系統（包括燃油輸送系統、燃油泄放系統、燃油凈化系統和燃油注入系統等）、滑油系統（包括滑油輸送與泄放系統）、冷卻系統（包括主機冷卻系統、中央冷卻系統和推進器冷卻系統等）以及空調冷藏通風系統等。

5) 動力定位控制系統。分析DP控制系統網絡的冗余度和包括動力定位參照系統在內的所有 DP控制系統設備的冗余情況是否滿足 DP-3要求。為滿足要求平臺設計了1套主DP和1套備用DP系統組成DP控制系統。注意應包含DP控制系統設備生產廠家的FMEA。

6) 艙室物理分隔和布置。分析評價推進器艙、主發電機艙、配電板室、控制室和其他與DP相關的艙室物理分隔是否滿足DP-3的要求（如圖3中動力配電和推進裝置艙室的分隔）。上述艙室在平臺上采用A60物理分隔來達到要求。

2.3 FMEA冗余度驗證試驗程序

DP-3深水半潛平臺DP系統的FMEA冗余度驗證試驗按如下系統和操作模式來驗證可能潛在失效故障模式：

1) 動力發電系統?？紤]操作工況在DP模式下，11kV主配電板分兩段運行，每段至少 2臺主機運行，8臺推進器同時在線。

(1) 當分兩段運行時，考慮失去 1臺主機不會導致全船黑起動；

(2) 單臺主機自動調壓器失效故障，不會引起1臺以上主機脫扣跳閘；

(3) 還應考慮主機調速器失效、主機調速器控制單元失效等，DP不失位。

對于主發電機組來說，故障模式主要參考了主機設備生產廠家對設備的FMEA驗證程序。

2) 配電系統?？紤]配電板的故障模式主要是母排短路、母排斷路器故障、配電板室失火或淹艙、UPS（不間斷電源）故障等，當發生故障后對電力平衡分配，負載轉移等的影響是否會導致DP失位。按如下幾個部分進行驗證試驗：

(1) 分別對 11kV主配電板，480V配電板，230V配電板和480V和230V應急配電板的每一段進行失效故障模擬測試，考查設備及系統的冗余度是否滿足DP-3要求；

(2) 分別驗證每段中壓配電板的輔助電源如UPS（4個）,每個推進器的UPS（8個），主機控制板的UPS（4個），主DP系統UPS和備用DP系統UPS的設備冗余度；

(3) 驗證PMS電站管理系統中單個就地操作站失效故障，不能引起全船黑啟動，在分4段運行模式和2段運行模式下模擬此類失效故障。

3) 推進器系統。驗證推進器調速裝置由于失電或失去控制信號等原因失效故障，不會導致DP失位。主要參照推進器生產廠家對設備的FMEA。

4) 輔助機械系統。主要通過隔離來自雜用空氣和起動空氣系統的空氣供應，并釋放控制空氣管線壓力來模擬儀表控制空氣供應失效故障，驗證其不會對DP造成影響導致失位；另外驗證1臺主機海水冷卻系統或淡水冷卻系統失效故障，不會導致DP失位。

5) 動力定位DP控制系統。驗證DP控制系統的冗余度，主要通過切斷相關設備的供電，模擬設備失效故障。主要參考DP控制系統設備生產廠家的FMEA。分別對如下設備或系統進行驗證：

(1) DP控制器的冗余度測試，包括對主控制器、備用控制器、DP控制按鈕、報警指示燈、DP控制臺等設備進行失效故障驗證試驗；

(2) 控制網絡的冗余度測試，包括對NDU（網絡分配單元）、FS（就地光纖柜）等設備失效故障驗證試驗；

(3) 驗證ESD（應急關斷）系統控制柜和F&G（火氣）系統控制柜單失效，不會導致DP失位；

(4) 驗證 DP參照系統設備的冗余度，包括DGPS（差分全球定位系統）、HiPAP（聲納）測深系統、Gyro（電羅經）系統、MRU（運動參照單元）、風速風向儀系統等設備的失效故障測試。

6) 艙室物理分隔和布置。分別驗證單艙故障失效，包括推進器艙、主發電機艙、配電板室、泵艙、控制室和其他與DP相關的艙室單艙失效時，不會導致DP失位（即自動保持平臺的位置和艏向）。上述各艙室間采用 A60級防火材料進行物理分隔以避免火勢蔓延到相鄰的艙室。

2.4 FMEA分析的注意事項

1) 與DP有關的系統眾多，范圍廣泛，幾乎遍布整個平臺。所以在做故障模式與影響分析時，首先應定義分析范圍即分析對象，對與DP相關系統有明確的定義；

2) 確定 FMEA的故障模式是重點，要盡量考慮全面；

3) 驗證試驗方法應切實可行，簡單易于操作，盡量驗證全部FMEA中的故障模式；

4) 因驗證試驗貫穿系泊試驗與海上試驗階段，需要統籌規劃；

5) FMEA 試驗是模擬故障模型，所以試驗前要考慮詳盡，否則有引發事故的可能。應先完成設備或系統的功能性試驗之后，再進行FMEA的驗證試驗。

3 結 語

在DP-3深水半潛平臺上運用FMEA方法對DP系統進行故障模式與影響分析，驗證了DP系統的穩定性，安全性，并有助及時發現潛在失效故障危險，有效評價了DP系統設計是否滿足IMO（國際防止船舶污染公約）、船級社等對DP-3系統的要求，確保為平臺提供安全穩定有效可靠的DP系統，提高平臺操作人員的安全系數，使平臺在海上生產能安全有效地運行。

[1] IMCA M103 Rev. I [S]. December 2007.

[2] 中國船級社 (CCS). 動力定位系統檢驗指南[S]. 2002.

[3] 畢雨佳，吳斐文. DP-2/DP-3船舶電力系統設計要點[J].上海造船，2008, (4): 59-63.