FMEA在動力定位鉆井平臺中的廣泛應用

摘 要：以中遠船務工程集團有限公司生產建造的“創新者號”GM4000型深海鉆井平臺為實例，闡述FMEA（故障模式與影響分析）對動力定位鉆井平臺進行分析的概念和流程，以及FMEA分析報告和冗余度驗證試驗程序的內容。

關鍵詞：FMEA故障模式；影響分析；DP動力定位；冗余

引言

隨著全球經濟的快速發展，對石油的需求量與日俱增，人類已經將目光投向了深海。具備動力定位能力的深海鉆井平臺已經成為人類獲取深海石油的重要途徑和手段。深海鉆井平臺由于長期處于遠海作業，設計要求至少十年以上不入港維修，因此對平臺的穩定性和可靠性要求都非常嚴格，所有動力定位平臺在海上試航期間都必須進行FMEA試驗。本文以“創新者號”GM4000型深海鉆井平臺為實例介紹FMEA的概念分析方法、流程以及編寫FMEA分析報告和冗余度驗證試驗程序的基本內容。

1 基本概念

1.1 FMEA

FMEA（Failure Modes and Effects Analysis）是一種可靠性設計的重要方法。它是FMA（故障模式分析）和FEA（故障影響分析）的組合，對各種可能的風險進行評價、分析，以便在現有技術的基礎上消除這些風險或將這些風險減小到可接受的水平。

1.2 動力定位系統

動力定位系統Dynamic Positioning System是海洋工程船舶的一種定位方法，使用衛星、聲吶等測定船位，再利用自動控制系統，發出指令，控制全回轉推進器來保證固定在相對位置。動力定位的附加標志為DP-1、DP-2、DP-3三種，其中DP-1級別最低，DP-3級別最高。“創新者號”GM4000型深海鉆井平臺采用最高等級DP-3動力定位。船級社授予不同的動力定位附加標識，其要求的設備配置也不同，主要區別在設備配置的冗余度上，圖1為典型的GM4000型鉆井平臺動力定位組成：

1.3 動力定位系統的FMEA

動力定位系統的FMEA的主要目的是幫助評估鉆井平臺動力定位系統的冗余度，顯示在故障模式下平臺的位置保持能力，模擬和仿真的背景是所有設備都會故障，或將發生故障。同時，FMEA也會檢查動力定位系統是否滿足DP-3的要求。

FMEA必須包括：

（1）系統描述；（2）DP系統的單線圖；（3）每個獨立設備在物理和功能上描述和相關聯的故障模式；（4）整個動力定位系統中每個故障模式影響的描述（5）概論，總結和推薦；（6）排除故障的方法；（7）操作上的限制

2 FMEA分析方法

2.1 FMEA分析流程

（1）對進行FMEA的動力定位系統進行定位；（2）DP系統、電力系統的單線圖說明各系統、各設備之間的關系；（3）確定所有故障模式和他們之間的因果關系；（4）判定所有故障對平臺定位的影響；（5）明確發現各種故障的檢測方法；（6）正確評估各種故障模式；（7）完成FMEA分析報告和驗證試驗程序提交船級社審查。

2.2 FMEA 分析報告

當動力定位系統發生某個單一故障時候，這個故障可能無影響，或對系統局部產生影響，或對系統整體產生影響。

FMEA會用專門工作表進行分析和記錄，如表1所示：

“創新者號”GM4000型深海鉆井平臺DP系統FMEA分析報告基本內容如下：

2.2.1 動力系統

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.

2.2.2 配電系統

分析6.6kV主配電板，690V配電板、440V配電板，230V配電板，和690V、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。

2.2.3 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。

2.2.4 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、推進器管路系統、起動空氣系統、燃油、滑油系統、冷卻系統、空調通風系統等。

2.2.5 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“創新者號”GM4000型深海鉆井平臺設計了1套主DP和1套備用DP系統組成DP控制系統。

2.2.6 涉及DP系統的艙室物理分隔和布置

分析評價機艙、推進器艙、配電間、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2中動力和推進裝置艙室的分隔。創新者號上采用A60物理分隔來達到要求。

2.3 FMEA冗余度驗證試驗程序

“創新者號”GM4000型深海鉆井平臺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

2.3.1 發電系統

考慮操作工況在DP模式下6.6kV主配電板分兩段運行每段至少2臺主機運行6臺推進器同時在線。

（1）行時考慮失去1臺主機不會引起全船黑起動；（2）動調壓器失效故障不會引起1臺以上主機脫扣跳閘；（3）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。

2.3.2 配電系統

考慮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6.6kV主配電板、690V、440V配電板、230V配電板，690V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6.6KV主配電板的輔助電源如UPS，每個推進器的UPS，主機控制板的UPS，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；（4）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；（5）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；（6）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：①DP控制器的冗余度測試包括對主控制臺、備用控制臺、DP控制按鈕、報警指示燈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網絡分配單元、信號采集柜等設備失效故障驗證試驗。③驗證應急關斷系統控制柜和火氣系統控制柜單失效不會導致動力定位失位。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、聲納測深系統、電羅經系統、位移參考參照單元、風速風向儀系統等設備的失效故障測試。⑤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、機艙、配電間、泵艙、控制室和其他與DP相關的艙室單艙失效時不會導致喪失動力定位功能，即自動保持平臺的位置和方向。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。

3 結束語

在“創新者號”GM4000型深海鉆井平臺上運用FMEA方法對DP系統進行故障模式與影響分析，驗證了其DP系統的穩定性、安全性，并能及時發現潛在故障危險并處理，為鉆井平臺在海上安全可靠的生產提供了良好的保障。

參考文獻

[1]衛衛，動力定位DP3附加標志在鉆井平臺上的設計與應用[J]，船舶，2009（8）；34-41

[2]DYNAMIC POSITIONING SYSTEMS-MINI DNV[S].2004.

作者簡介：孫瑋（1986.1-），男，江蘇鎮江人，本科，助理工程師，電氣工程及其自動化