基于一種鉆井船的DP FMEA海試分析與研究

摘 要：文章介紹和分析了一種超深水鉆井船動力定位系統，在海上試航期間所進行的失效模擬試驗，從動力定位相關各艙室分割及系統檢查，不間斷電源失電及放電試驗，左右舷各電站失電試驗等，按程序逐步模擬來驗證所設計建造的三級動力定位系統滿足分割和規范要求。

關鍵詞：鉆井船；三級動力定位系統；失效模式影響分析；驗證性試驗

引言

文章是基于2013年11月此鉆井船在中國黃海海域進行海試試驗，所處水深47米，離岸62海里，通過對FMEA失效模擬試驗整個過程的參與和控制，完整的記錄和分析了模擬試驗的各步驟和關鍵點，并驗證了動力定位系統設計和建造的合規合理性。

1 項目簡介

所測試項目為超深水鉆井船，工作水深3000米，鉆井深度10000米，船長292米，船寬50米，型深19.5米，航速12節，掛馬紹爾群島船旗，入DNV船級社，IMO號為9413145。發電系統為8臺7200KW瓦錫蘭W16V32柴油發電機，推進系統為8臺5500KW瓦錫蘭全回轉推進器，動力定位及控制系統由KONGSBERG公司提供，其中全船發電系統，推進系統及相關的輔助系統為四個獨立分割設計，動力定位的網絡系統和控制系統均為一主一備冗余設計。此鉆井船DP系統相關艙室和主要動力設備布置如圖1所示。

圖1 DP3系統冗余分割及推進器電力路線圖解

2 DP相關艙室分割及系統檢查

在FMEA試驗之前，第三方人員對駕駛室、機艙、配電盤間、分油機室、壓縮機室、消防設備間、泵艙及推進器室進行了A60防火分割、設備運行和設置狀態、不同DP分割且相同系統間的旁通閥門開關狀態和快關閥箱進行了檢查，確保DP相關各艙室的分割和布置滿足IMO和DNV規范要求。

3 UPS（不間斷電源）失電及放電試驗

UPS的失電及放電試驗是按左右舷分兩階段進行：（1）當模擬左舷電站失電（PS BLACKOUT）的時候，將推進器室1號、2號、3號、4號UPS、本地電氣間LER A UPS、LER B UPS、生活區LQ UPS B、DP UPS 1、2、4共10個UPS進行失電操作，然后進行UPS放電試驗，測試UPS的耐久性是否滿足半小時。（2）當模擬右舷電站失電（SB BLACKOUT）的時候，將推進器室5號、6號、7號、8號UPS、本地電氣間LER C UPS LER D UPS、生活區LQ UPS A、DP UPS 3 5共9個UPS進行失電操作，然后進行UPS放電試驗，測試UPS的耐久性是否滿足半小時。

4 左舷電站及DP主控制系統失效模擬

左舷電站由4臺瓦錫蘭W16V32 （7200KW， 750RPM） 主柴油發電機組成，分別為主發電機1號、2號、3號、4號，其中1號和2號位于A機艙，3號和4號位于B機艙。

在PMS（電力管理系統）將全船電站配置為4個獨立系統，即1號、2號主發電機并車為一組位于A機艙為11KV高壓配電盤A輸電，3號、4號主發電機并車為一組位于B機艙為11KV高壓配電盤B輸電，以此類推，將A，B，C，D高壓配電盤之間的母線斷開使各配電盤互為獨立，如圖2所示。

試驗開始首先將2號主發電機轉換為本地控制，接著對1號主發電機觸發應急停止命令，由于1號和2號主發電機為一組為高壓11KV配電盤A供電，所以當執行完以上命令時，整個11KV高壓配電盤A立即處于失電狀態，繼而A分割內所有的下游配電盤和用戶也將失電，包括1號和2號推進器也將停止工作。

然后將4號主發電機轉換為本地控制，接著對3號主發電機觸發應急停止命令，由于3號和4號主發電機為一組為高壓11KV配電盤B供電，所以當執行完以上命令時，整個11KV高壓配電盤B立即處于失電狀態，繼而B分割內所有的下游配電盤和用戶也將失電，包括3號和4號推進器也將停止工作。

當完成上述試驗步驟后，1號、2號、3號、4號主發電機相繼停止，高壓配電盤A和B完全失電，推進器1號、2號、3號、4號以及相關的輔助系統停止運轉。然后檢驗推進器淡水冷卻系統的軟件設置，當模擬主泵失效和相應遙控閥門關閉時，備用泵和相應遙控閥門會自動開啟來接替推進器的冷卻工作，此過程完全由中央集控系統ICS自動實現無需人為干涉。

接著關閉上文提到的所有UPS的電力輸出，此時會失去DP的主控制，DP的控制將由備用控制系統接管。

最后關閉24V直流分電盤除磁羅經外的所有用戶，因為磁羅經不但為DP而且為船舶航行提供信息，為了保證海上安全，保留磁羅經處于工作狀態。

此時對左舷電站失效模擬的試驗已經完成，DP主控制室處于失控狀態，且中央集控系統ICS、電力管理系統PMS控制臺上和DP控制臺上接連報警，此時需查看所有的實際報警和預期報警是否對應且正確，查看所有的設備運行狀態是否正確，包括主發電機，推進器，動力定位控制設備，動力定位參考系統設備等，當檢查完所有左舷電站相關的設備和系統的運行狀態和報警狀態，做好記錄，詢問測試相關各方負責人，然后決定終止此測試。恢復上述測試涉及到的所有設備和系統到正常運行狀態，此次左舷電站失效模擬的測試目的是為了驗證電站A和B所供應的設備和系統以及主DP控制系統的分割正確性，無交叉影響，如圖3所示。

圖3 左舷電站A / B失效模擬

5 右舷電站及DP備用控制系統失效模擬

右舷電站由4臺瓦錫蘭W16V32（7200KW， 750RPM） 主柴油發電機組成，分別為主發電機5號、6號、7號、8號，其中5號和6號位于C機艙，7號和8號位于D機艙。

在PMS（電力管理系統）將全船電站配置為4個獨立系統，即1號、2號主發電機并車為一組位于A機艙為11KV高壓配電盤A輸電，3號、4號主發電機并車為一組位于B機艙為11KV高壓配電盤B輸電，以此類推，將A，B，C，D高壓配電盤之間的母線斷開使各配電盤互為獨立，如圖2所示。

對右舷電站及DP備用控制系統失效的模擬，與上文中對左舷電站及DP主控制系統失效的模擬采用相同的步驟，所要模擬失效的DP分割為C和D。

首先將主發電機5號和7號轉為本地控制，將右舷電站及DP備用控制系統相關的所有UPS進行失電然后進行半小時放電試驗，參照上文，做好詳細的記錄。

然后對主發電機6號和主發電機8號進行應急停止操作，接著關斷所有上述測試中涉及到的UPS的電力輸出，此刻右舷電站4臺主發電機完全停止工作，11KV高壓配電盤C/D和C/D分割內11KV下游的所有配電盤以及5號、6號、7號、8號推進器都將停止工作，且C/D分割內相關的所有設備和系統處于失效狀態，但此時不影響左舷電站及DP主控制系統下的所有設備和系統的正常運行狀態，如圖4所示。

6 輔助系統燃油、滑油、液壓油、空氣及冷卻水失效模擬

6.1 對主機各輔助系統進行失效模擬

燃油系統：測試燃油日用柜和重力柜的低液位報警。檢查油柜與相鄰機艙油柜間的旁通閥處于關閉狀態并標識“常關”，檢查快關閥箱對各機艙各油柜氣動隔離閥的獨立控制。

滑油系統：測試滑油柜的低液位和低低液位報警。模擬滑油自吸泵失效，產生的影響是30分鐘后系統失去滑油壓力，主機控制系統將主機從待命狀態調整為手動模式。

空氣系統：關斷到主機的啟動空氣、控制空氣、儀表空氣并且放空相應管線，此類失效對運行中的主機和動力定位能力無影響。

冷卻系統：模擬主系統低壓報警，驗證備用系統自動啟動來接替主系統，然后主系統自動停止。

6.2 對推進器各輔助系統進行失效模擬

滑油系統：測試滑油柜的低液位報警，模擬運行中的滑油泵失效，產生的影響是推進器停止工作由于系統對滑油壓力有互鎖設置。

液壓系統：測試液壓油柜的低液位和低低液位報警，模擬運行中的液壓油泵失效，產生的影響是推進器轉向能力減弱，由于系統正常工作需要的兩臺液壓轉向泵失去了其中一臺。

冷卻系統：模擬主系統低壓報警，驗證備用系統自動啟動來接替主系統，然后主系統自動停止。

7 遙控閥液壓泵站失效模擬

此船配備一艏一艉兩個HPU（液壓泵站）為全船的液控閥門服務，首先將船的艉部HPU進行失電操作，此時HPU的電機將停止工作，然后將艉部遙控閥液壓系統的壓力釋放為零，此時觀察推進器冷卻水系統的液壓遙控閥門的動作狀態，如圖3所示，由于閥門為FL失效保持設計，所以液控閥門無動作，保持原有的開關狀態，不影響運行中的系統，再采用相同的測試步驟對船的艏部HPU進行失效模擬，試驗結果應一致即推進器冷卻水系統液壓遙控閥門（FL，閥門為失效保持設計）無動作。而對于燃油系統的液控閥門設計采用FC失效關閉，所以當艏部或艉部的HPU失效時，所有的燃油系統液控閥門將自行關閉，然而當燃油沉淀柜液位低觸發報警時，操作人員也有足夠的時間對液控閥門進行手動操作將其打開，可以保證主發電機的連續運轉和DP的能力。

8 結束語

本次FMEA驗證性試驗主要過程為左、右舷電站失效模擬分兩階段進行，大約耗時一天，其它模擬或測試例如主發電機和推進器的輔助系統失效模擬以及推進器控制、命令和反饋等則可以穿插完成，節省海上時間，特別需要指出的是，動力定位系統失效模擬試驗開始有一個必要條件為DP CAT動力定位系統的用戶可接受測試必須完成，即鉆井船的DP相關各設備和系統處于可操作狀態，否則不建議進行FMEA失效模擬，避免日后重復試驗。

參考文獻

[1]DNV Rules for Classification of Ships， Part 6， Chapter 7， Dynamic Positioning Systems， July 2010.

[2]DNV Rules for Classification of Ships， Part 6， Chapter 26， Dynamic Positioning System - Enhanced Reliability DYNPOS-ER， July 2010.

[3]IMO MSC/Circ.645， Guidelines for Vessels with Dynamic Positioning Systems， 6 June 1994.

[4]IMCA M 103 Rev. 1， Guidelines for The Design and Operation of Dynamically Positioned Vessels， December 2007.

作者簡介：于化宇（1986-），男，助理工程師，主要從事船舶與海洋工程項目研究設計工作。