某船動力定位系統配置及FMEA試驗研究

陳 明

（海軍駐廣州四二七廠軍事代表室，廣州 510715）

1 前言

隨著我國經濟快速發展對能源的需求大幅增長，石油天然氣資源的勘探開發從陸地逐步轉向海洋，各種高新技術被越來越多的應用于各類船舶和平臺，動力定位便是其中的一種。CCS《鋼質海船入級規范》對動力定位（簡稱DP）的描述是：DP系指憑借自動或手動控制的水動力系統，使船舶在作業時能夠在規定的作業范圍和環境條件下保持其船位和首向。在CCS《規范》中，船舶動力定位系統主要包括：傳感器測量系統；動力定位控制系統；聯合操縱桿系統和動力系統；推進器系統。

IMO及各船級社對DP的等級劃分有明確要求，都以冗余性作為劃分依據。根據CCS《規范》要求，對于DP-2和DP-3附加標志，其故障模式與影響分析（簡稱FMEA）需提交船級社批準。

FMEA分析應用了墨菲理論，即“任何事物均能發生故障，該故障應會發生”。在整個系統中，從系統到分系統再到單個設備﹑進而到設備內部組成均能進行分析。FMEA可以貫穿DP船舶設計﹑建造﹑檢驗和使用管理的所有過程；在實際定位作業時，對于系統中的某一設備可能有多種故障模式，這些不同的故障對動力定位系統的定位產生不同影響，對于DP船舶，單點故障不能導致位置定位和首向定向失效；通過開展FMEA分析，可以及時發現設計﹑設備﹑分系統及系統的問題并提出整改意見，從而避免造成多方面的損失。

FMEA分析，詳細說明了DP各系統之間的相互作用和互為冗余的情況，評估每種可能發生的故障對定位效果的影響，特別是對最嚴重的單點故障進行分析，給出降低或消除每種故障模式的方法，撰寫FMEA報告和試驗程序，并做實船試驗加以驗證；同時，FMEA還能結合ROM（可靠性﹑可操作性和可維護性）開展分析。因此，FMEA分析及試驗是驗證船舶具有DP能力的有效手段。

2 動力定位系統配置及最大單點故障分析

2.1 動力定位系統的配置

CCS根據動力定位系統的不同冗余度，經船東申請授予DP-1﹑DP-2﹑DP-3附加標志。對于DP-2和DP-3附加標志，除配置常規設備外，需特別注意以下幾點：

（1）需配置功率管理系統，并送審功率管理系統說明；

（2）需送審在線結果分析的原理說明；

（3）電力負荷計算書應反映出最大單點故障后的用電情況；

（4）在送審FMEA報告，報告應由有資質的單位出具；

（5）應設置急停止系統中回路故障報警；

（6）對DP-3附加標志，需送審防火和浸水的隔離布置圖。

該船配置DP-2級動力定位系統，其相關設備配置及CCS《規范》要求見表1。

表1 動力定位系統相關設備配置

該船DP-2級動力定位系統中，推進器系統的冗余分組見圖1。

圖1 推進器系統的冗余分組圖

（1）左冗余組：BT1前首側推﹑DG1主柴油發電機﹑ME1左主機﹑SG1左軸帶發電機﹑CPP1左主推進調距槳﹑RUDDER1左舵機；

（2）右冗余組：BT2后首側推﹑DG2主柴油發電機﹑DG3主柴油發電機﹑ME2右主機﹑SG2右軸帶發電機﹑CPP2右主推進調距槳﹑RUDDER2右舵機；

（3）ST3尾側推可以通過開關分配到左或右冗余分組。當ST3所在冗余分組發生最大單點故障時，通過快速重啟并手動切換ST3至正常運行的冗余分組并參與動力定位。此種做法較為經濟，且利于船尾線型設計。

DNV作為最早進行動力定位系統入級的船級社，在其《規范》中列出了一種可以被接受的推進器配置的典型案例。該船推進器的配置是DNV船級社認可的DP-2級動力定位系統的典型案例。需要注意的是，船級社認可的自動切換一般為備用控制器或海水冷卻泵的切換，DNV《規范》中明確說明，推進器故障或主開關脫扣不允許自動啟動切換，需要人為干預。

2.2 最大單點故障分析

在DP船舶出現不久DNV船級社就引入了FMEA的概念，并要求DP-2及DP-3船舶應按規范進行FMEA試驗（目前各船級社對FMEA的要求與DNV類似）。FMEA分析一般包括下列內容：

（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）故障對系統能力的影響；

（7）對可能的公共故障模式的分析。

對于該船ST3尾側推兩冗余組切換的的特殊情況，根據DNV《規范》可知，本船發生最大單點故障時尾側推的切換為FMEA試驗的重點及難點。

3 FMEA試驗情況

3.1 FMEA分析報告

根據該船的動力定位系統配置，FMEA分析報告主要包括：總體﹑動力系統﹑推進器系統﹑動力定位控制系統﹑船舶輔助系統﹑總結和建議六大部分，各部分主要內容如下：

（1）總體：對該船船型﹑船級﹑型線尺寸﹑冗余分組作簡要介紹，概括該船不同情況下的定位能力；

（2）動力系統：對主機﹑軸系﹑齒輪箱﹑發電機﹑電力分配﹑PMS作簡要介紹，并說明各設備假定發生的故障﹑故障誘因及后果﹑對DP的影響及處置方法；

（3）推進器系統：對CPP﹑舵機﹑側推作簡要介紹，并說明各設備假定發生的故障﹑故障誘因及后果﹑對DP的影響及處置方法；

（4）動力定位控制系統：對動力定位控制系統作簡要介紹，包括系統供電安排﹑冗余通訊﹑傳感器和位置參考系統等，并說明各設備假定發生的故障﹑故障誘因及后果﹑對DP的影響及處置方法；

（5）船舶輔助系統：對燃油﹑滑油﹑淡水及海水冷卻﹑壓縮空氣﹑通風﹑應急停止等系統作簡要介紹，并說明各設備假定發生的故障﹑故障誘因及后果﹑對DP的影響及處置方法。

3.2 FMEA航行試驗

FMEA試驗目的是驗證該船故障時的定位能力﹑發現并處理潛在影響定位能力分組的故障，故應在所有與DP有關的系統試驗全部完成﹑故障已全部消除后，方能進行FMEA試驗。

3.2.1 試驗前檢查

試驗前應確保船舶DP2運行正常，需特別檢查如下事項：

（1）母排聯絡開關斷開；

（2）燃油﹑冷卻水和壓縮空氣等輔助管系左右冗余組之間隔離閥關閉；

（3）除單項試驗另有說明外，應急發電機應處于手動狀態；

（4）CPP﹑舵機的主用泵運行，備用泵同時運行或處于備用狀態；

（5）所有戰位人員加強值班，應對可能的突發狀況。

3.2.2試驗內容

FMEA試驗內容，主要按照分析報告中對該船動力定位系統的分組進行：

（1）動力分配系統：主要模擬DC24 V配電板﹑230 V配電母排﹑390 V配電母排的短路情況，觀察相應的報警及結果是否滿足要求；驗證相關的配電情況是否滿足冗余分組要求；當模擬390 V母排短路時，會造成最大單點故障而需要切換尾側推供電的情況，操作步驟見分析報告中推進器系統齒輪箱滑油低低位的處置情況；

（2）動力系統：主要驗證主機轉速反饋及通訊網絡的冗余情況，當模擬一路反饋或網路故障后，應有相應的報警信息；主機單一故障時，不會引起推力突變或失去控制；

（3）動力定位控制系統：主要模擬動力定位UPS﹑信號采集箱﹑控制單元﹑網絡﹑模式開關﹑傳感器及位置參考系統等單一故障，驗證動力定位控制系統控制單元及網絡等的冗余度，單一故障不會影響動力定位能力；

（4）推進器系統：主要模擬側推﹑CPP﹑舵機等單個故障，確認推進器系統單個故障不會引起其推力突變或是失去控制；對船舶應急切斷回路進行驗證，確認推進器應急切斷回路監測功能；

（5）船舶系統：主要包括燃油﹑淡水及海水冷卻﹑壓縮空氣﹑通風等系統的功能及故障切換；結合對應的輪機管系試驗進行。

3.2.3試驗中注意事項

FMEA試驗持續時間長﹑驗證項目多，在試驗過程中需特別注意以下事項：

（1）FMEA試驗目的主要是考察各系統及設備的單一故障，不考慮多種故障同時發生的情況。在分析文件及試驗中，應體現船舶最大單點故障及應對措施；

（2）FMEA試驗著重考核與DP相關的系統的反應，試驗中可能會出現部分區域照明關閉或其他設備停電的情況，在試驗前應及時廣播，避免船員誤操作而影響試驗的開展；

（3）如試驗中發現相應的結果不符合試驗要求時，需及時解決后方可進行后續試驗，以免造成重大影響；

（4）除特別說明外，模擬完某個單個故障后應及時恢復初始狀態，方能進行后續試驗；

（5）在進行電站管理PMS試驗時，應將PMS功能斷開，配電板應能手動操作，此時船舶能夠保持定位；

（6）主機低溫淡水溫控閥失電后，應能保持開度開到最大；

（7）相應的位置參考系統的位置合理，滿足船舶執行任務的要求，最大限度利用所配設備的性能；

（8）試驗時的環境條件應根據設備性能參數予以明確，諸如超短基線HPR等聲學定位系統對水深要求較高，如水深不足可能會影響設備定位精度或正常應用；

（9）相關推進器反饋信號丟失后，其螺距應保持或歸零，不能出現跑螺距﹑跑舵或飛車的情況。

4 結論

該船配備的DP-2級動力定位進行了航行試驗考核，并針對該系統進行了FMEA試驗。在試驗過程中發現并解決了潛在問題，分析了船舶最大單點故障并提出了應對措施，從而降低了動力定位系統故障的可能性，為類似船舶開展動力定位作業任務打下了堅實的基礎。