基于FMEA和FTA的VLCC翼型風帆裝置風險分析

陳海成,張道坤,張榮鑫,樊付見

(1.中國船級社 技術研究開發中心,北京 100007;2.中國船級社 大連分社,大連 116013)

2018年全球首艘安裝翼型風帆的30萬t級VLCC“凱力”號成功交付,填補了該領域的國際空白,為有效利用風力助推超大型船舶航行進行了實船應用的初步嘗試。相關的研究有對翼型風帆的液壓系統和控制原理進行研究,并通過陸基試驗開展復雜工況下的加載和數據分析研究[1];構建翼型風帆的數值分析模型,計算不同風向角下的空氣動力特性,并通過風洞試驗對升力系數和阻力系數計算結果進行對比驗證[2];分析風帆助航船與裝有推進器的傳統帆船之間的區別,探討《1972年國際海上避碰規則》對翼型帆的適用性,并給出相關條款的修改建議[3]。2020年,中國船級社發布了《船用硬質翼面帆評估與檢驗指南》,針對風帆助推船舶設計、風帆裝置設計制造和安裝檢驗,風帆安全操作要求、風帆裝置營運檢驗要求、風帆助推船舶EEDI驗證要求等提出了安全性技術標準[4]。然而,已有的文獻鮮有對翼型風帆裝置的系統構成和安全風險進行全面分析。

為此,考慮結合失效模式與影響分析(failure mode and effects analysis, FMEA)和故障樹分析(fault tree analysis, FTA)方法對VLCC翼型風帆裝置開展系統性風險評估[5-6],基于專家知識和實踐經驗,針對不同工況辨識潛在失效模式及其風險水平,判定關鍵風險事項并提出安全防控措施,針對關鍵故障開展故障樹分析,逐項分析基本事件的控制措施,并在后續的系泊試驗和航行試驗中進行試驗驗證。

1 翼型風帆系統功能及構成

在VLCC主甲板上設置4套獨立控制的翼型風帆裝置,見圖1,采用左右對稱的高升力系數的U形剖面,當側向來風時,可以在帆的凹面和凸面之間產生壓力差,從而產生沿船舶首向的輔助推進力。

圖1 VLCC翼型風帆裝置實船效果

1.1 風帆的結構與布置

裝置的基本結構包括甲板基座、中柱、骨架和帆面。中柱和帆面為3節可伸縮套接結構,通過軌道和滑道實現升降。帆面為碳纖維材料,可有效減輕風帆結構重量;帆面內部設置人員檢驗通道;中柱最底層設置檢驗通道。

1.2 升降液壓系統

風帆裝置安裝在貨油艙區域的甲板上,依靠在艏部倉庫安裝的液壓站提供升降驅動動力,風帆結構升起后,通過電動馬達提供風帆旋轉驅動力。風帆裝置設有一套補油泵站,液壓油泄漏時進行及時補油,使帆面保持在正常工作狀態的高度。

1.3 電氣控制系統

為兼顧風帆操作的便利性和安全性,控制系統設置遠程PLC控制(位于駕駛室)和本地手動應急操縱控制(位于露天甲板),本地控制具有更高的優先級。設有緊急降帆安全系統,單獨作用于緊急卸油閥組,獨立于風帆控制系統。緊急降帆操作的下降過程慢于正常降帆操作,避免對底部支撐結構和甲板造成較大沖擊。

2 風險評估步驟

本文針對翼型風帆裝置,結合現有技術資料和數據條件,提出了一種基于FMEA和FTA方法的半定量風險評估方法,包括以下步驟,見圖2。

圖2 翼型風帆裝置風險評估流程

1)準備工作。收集目標系統的基本信息,明確基本功能,召集設計、施工、檢驗等領域的專家,建立專家工作組,對目標系統進行預先分析。

2)失效模式分析與辨識。組織專家討論會,確定目標系統所涉及子系統和設備的潛在故障模式。

3)分析每個失效模式出現的原因,確定該原因發生的可能性等級指標(occurrence,O)。

4)判斷每個失效模式對系統的局部影響和全局影響,確定每個失效模式的嚴重的等級指標(severity,S)。

5)判斷每個失效模式是否發生的檢查方法,確定該失效模式的探測性等級指標(detection,D)。

6)計算每個失效模式的風險優先數,并根據制定的評價原則確定系統失效的關鍵失效模式。評價原則的制訂可基于RPN的閾值,同時考慮嚴重性指標的單獨影響。

7)判斷風險是否可接受。若根據評價原則,系統中不存在關鍵失效模式,則結束FMEA分析流程,否則,逐條提出事故預防措施或事故后補救措施,降低風險水平,針對關鍵失效模式重新實施步驟3)至步驟7)。

8)分析保證裝置安全平穩運行和及時有效管控的關鍵事件,作為關鍵風險事件進行故障樹分析,逐層確定各類原因,構建風險故障樹。

9)開展故障樹定性分析,判斷最小割集和關鍵失效路徑,分析基本事件的預防或減緩措施。

10)形成風險分析報告。

3 翼型風帆裝置風險評估

3.1 準備工作

邀請17名專家組成專家組,涵蓋機械、結構、液壓、電氣4個專業領域,均具有VLCC風帆裝置設計、建造或檢驗等工程的多年實踐經驗,組織專家組對目標系統信息進行預先了解。

3.2 失效模式分析

專家組針對升帆、降帆、升帆旋轉、降帆旋轉、回歸零位5種工況進行失效模式分析,共識別失效模式211個,逐項判斷其失效原因、局部影響、全局影響,以及失效探測方法。選取其中部分失效模式為例,對評估過程進行說明,見表1。

表1 翼型風帆FMEA分析表

3.3 可能性、嚴重性和探測性分析

為了便于專家組成員對每個失效模式進行風險等級評估,將可能性、嚴重性和探測性3個評估指標分別劃分為5個等級并分配1～5的等級分值,以問卷形式收集17位專家的評價結果,計算每個失效模式的綜合評價結果,見表1。

3.4 RPN計算與關鍵失效模式分析

分別將可能性、嚴重性和探測性的綜合評價結果進行相乘,得到風險優先度指數RPN結果,見表1。基于RPN指數和后果嚴重性指數,建立關鍵失效模式的評價原則,即將RPN排序前20%的失效模式,以及嚴重性指數S高于3的失效模式定義為高風險。

3.5 設置防控措施

將關鍵失效模式定義為不可接受,提出針對性的改進意見和防控措施,包括以下三種類型。

3.5.1 開展陸基試驗或其他試驗

1)針對PLC控制單元、變頻器、加速度儀、風速風向儀、油管壓力傳感器等設備開展陸基試驗。

2)針對升降編碼器開展實驗測試,保證邏輯控制準確,且一臺損壞時能啟用備用編碼器,兩臺損壞時執行手動歸零操作。

3)對風帆繼電器控制柜、供電模塊、安全截止閥塊、液壓動力泵、升降閥組等設備開展陸基試驗,保證功能正常,備用邏輯準確無誤。

4)對液壓缸套、液壓活塞等設備進行計算驗證,開展壓力試驗以保證功能正常,設計溢流閥。

5)此外,對設有故障報警的設備均開展陸基試驗或其他試驗,保證報警功能及時有效。

3.5.2 改進風帆裝置系統設計

1)針對風帆繼電器控制柜,設置兩個獨立的控制柜,實現物理隔離。

2)為避免軟管吊撞擊風帆,設定軟管吊操控程序限定,實現程序保護和人員監控的雙重保護。

3)針對風速風向儀、加速度儀等設備,增加備用設備,損壞時能夠自動切換到備用設備。

4)針對液壓油缸缸頭過渡法蘭與第二節中柱下部連接結構,采用螺栓止動措施,對液壓油缸連接銷的設計應適當提高安全系數。

3.5.3 制定定期檢驗計劃,完善船舶營運保養手冊

1)對帆面滑道及滑板裝置開展定期檢驗,防止結構過度磨損或變形。

2)定期檢驗避雷針卷線器,避免卷線器故障導致電纜斷裂,引發避雷和防靜電系統失效。

3)針對風帆本地控制箱和繼電器控制柜,進行定期本地手動操帆,避免應急時控制失效。

4)針對回轉支承以及連接螺栓結構,每5年開展一次無損探傷,若出現損壞還應進行抽檢。

5)針對風速風向儀、加速度儀等設備進行年度檢驗。

3.6 開展再評估

專家組對施加了防控措施后的失效模式進行再次評估打分,重復風險分析流程中的步驟3)至步驟7),在評估打分結果見表2。再評估分析結果顯示,施加糾正措施后的RPN指數與首次評價結果有顯著降低,不必做進一步改進。

表2 再評估打分結果

3.7 關鍵風險事件及其故障樹

風帆裝置設有緊急降帆系統,單獨作用于緊急卸油閥組,與風帆運行控制系統相獨立。在VLCC遭遇極端天氣或重大故障時,如風速風向儀等傳感器故障、升壓泵系統異常、滑道結構受損、旋轉編碼器設備故障等,可通過緊急降帆操作,減少極端載荷或其他不緊急情況帶來的安全風險。通過FMEA分析得出,緊急降帆是保證風帆裝置及VLCC安全的最后屏障,應深入分析導致該功能異常的所有因素。因此,將“無法緊急降帆”作為頂事件,確定可能造成“無法緊急降帆”的各事件及其邏輯關系,構建如圖3所示的故障樹。

圖3 “無法緊急降帆”故障樹

3.8 故障樹分析

故障樹中各事件間均為“或”門關系,可直接判斷各個基本事件的結構重要度相同,且均為最小割集。因此,逐個分析每個基本事件是否有充足的防控措施,以保證緊急狀態下的降帆順利。經與FMEA結果比對,以下幾種基本事件超出了FMEA評估范圍,需要額外加以考慮。

X3異物摻入,風帆滑道中摻入異物將增大滑倒磨損,建議營運期間開展定期巡檢和清理,保證滑道的清潔潤滑。

針對X7焊接殘余應力,X8焊接質量差,X14安裝偏差,建議在建造階段加強焊接質量控制和安裝精度控制,避免焊接缺陷導致中柱變形卡死,或安裝精度不夠導致油缸活塞桿變形。

3.9 風險分析結果與試驗情況

基于上述設計改進意見和防控措施,搭載有4臺翼型風帆裝置的VLCC開展了系泊試驗和航行試驗。結果表明,航行試驗中未出現上述分析以外的失效模式,分析結果全面、深入;未發生“無法緊急降帆”故障,航行試驗中出現的失效模式均得到了有效控制,未造成明顯后果。

4 結論

1)所提出的基于FMEA和FTA的風險評估流程和方法,能夠有效評估VLCC翼型風帆裝置的風險程度,挖掘系統中的關鍵失效問題和原因,具有較高的可行性和適用性。

2)針對VLCC翼型風帆裝置開展的風險評估,系統全面地分析了升帆、降帆、升帆旋轉、降帆旋轉和回歸零位等五種不同工況下的潛在失效模式,對機械、結構、液壓、電氣等各專業領域的關鍵環節進行了深入剖析,并針對性地提出了風險防控措施,為改進系統設計,提高安全等級提供了有價值的建議。

3)經過本次風險評估,VLCC順利完成系泊與航行試驗,表明風險評估的結果有效、可行、全面,可為類似設備設施開展風險評估提供參考。