某船动力定位系统配置及FMEA试验研究

陈 明

（海军驻广州四二七厂军事代表室，广州 510715）

1 前言

随着我国经济快速发展对能源的需求大幅增长，石油天然气资源的勘探开发从陆地逐步转向海洋，各种高新技术被越来越多的应用于各类船舶和平台，动力定位便是其中的一种。CCS《钢质海船入级规范》对动力定位（简称DP）的描述是：DP系指凭借自动或手动控制的水动力系统，使船舶在作业时能够在规定的作业范围和环境条件下保持其船位和首向。在CCS《规范》中，船舶动力定位系统主要包括：传感器测量系统；动力定位控制系统；联合操纵杆系统和动力系统；推进器系统。

IMO及各船级社对DP的等级划分有明确要求，都以冗余性作为划分依据。根据CCS《规范》要求，对于DP-2和DP-3附加标志，其故障模式与影响分析（简称FMEA）需提交船级社批准。

FMEA分析应用了墨菲理论，即“任何事物均能发生故障，该故障应会发生”。在整个系统中，从系统到分系统再到单个设备﹑进而到设备内部组成均能进行分析。FMEA可以贯穿DP船舶设计﹑建造﹑检验和使用管理的所有过程；在实际定位作业时，对于系统中的某一设备可能有多种故障模式，这些不同的故障对动力定位系统的定位产生不同影响，对于DP船舶，单点故障不能导致位置定位和首向定向失效；通过开展FMEA分析，可以及时发现设计﹑设备﹑分系统及系统的问题并提出整改意见，从而避免造成多方面的损失。

FMEA分析，详细说明了DP各系统之间的相互作用和互为冗余的情况，评估每种可能发生的故障对定位效果的影响，特别是对最严重的单点故障进行分析，给出降低或消除每种故障模式的方法，撰写FMEA报告和试验程序，并做实船试验加以验证；同时，FMEA还能结合ROM（可靠性﹑可操作性和可维护性）开展分析。因此，FMEA分析及试验是验证船舶具有DP能力的有效手段。

2 动力定位系统配置及最大单点故障分析

2.1 动力定位系统的配置

CCS根据动力定位系统的不同冗余度，经船东申请授予DP-1﹑DP-2﹑DP-3附加标志。对于DP-2和DP-3附加标志，除配置常规设备外，需特别注意以下几点：

（1）需配置功率管理系统，并送审功率管理系统说明；

（2）需送审在线结果分析的原理说明；

（3）电力负荷计算书应反映出最大单点故障后的用电情况；

（4）在送审FMEA报告，报告应由有资质的单位出具；

（5）应设置急停止系统中回路故障报警；

（6）对DP-3附加标志，需送审防火和浸水的隔离布置图。

该船配置DP-2级动力定位系统，其相关设备配置及CCS《规范》要求见表1。

表1 动力定位系统相关设备配置

该船DP-2级动力定位系统中，推进器系统的冗余分组见图1。

图1 推进器系统的冗余分组图

（1）左冗余组：BT1前首侧推﹑DG1主柴油发电机﹑ME1左主机﹑SG1左轴带发电机﹑CPP1左主推进调距桨﹑RUDDER1左舵机；

（2）右冗余组：BT2后首侧推﹑DG2主柴油发电机﹑DG3主柴油发电机﹑ME2右主机﹑SG2右轴带发电机﹑CPP2右主推进调距桨﹑RUDDER2右舵机；

（3）ST3尾侧推可以通过开关分配到左或右冗余分组。当ST3所在冗余分组发生最大单点故障时，通过快速重启并手动切换ST3至正常运行的冗余分组并参与动力定位。此种做法较为经济，且利于船尾线型设计。

DNV作为最早进行动力定位系统入级的船级社，在其《规范》中列出了一种可以被接受的推进器配置的典型案例。该船推进器的配置是DNV船级社认可的DP-2级动力定位系统的典型案例。需要注意的是，船级社认可的自动切换一般为备用控制器或海水冷却泵的切换，DNV《规范》中明确说明，推进器故障或主开关脱扣不允许自动启动切换，需要人为干预。

2.2 最大单点故障分析

在DP船舶出现不久DNV船级社就引入了FMEA的概念，并要求DP-2及DP-3船舶应按规范进行FMEA试验（目前各船级社对FMEA的要求与DNV类似）。FMEA分析一般包括下列内容：

（1）所有系统主要部件的描述以及表示他们相互之间作用的功能框图；

（2）所有严重故障模式；

（3）每一故障模式的主要可预测原因；

（4）每一故障对船位的瞬态影响；

（5）探测故障的方法；

（6）故障对系统能力的影响；

（7）对可能的公共故障模式的分析。

对于该船ST3尾侧推两冗余组切换的的特殊情况，根据DNV《规范》可知，本船发生最大单点故障时尾侧推的切换为FMEA试验的重点及难点。

3 FMEA试验情况

3.1 FMEA分析报告

根据该船的动力定位系统配置，FMEA分析报告主要包括：总体﹑动力系统﹑推进器系统﹑动力定位控制系统﹑船舶辅助系统﹑总结和建议六大部分，各部分主要内容如下：

（1）总体：对该船船型﹑船级﹑型线尺寸﹑冗余分组作简要介绍，概括该船不同情况下的定位能力；

（2）动力系统：对主机﹑轴系﹑齿轮箱﹑发电机﹑电力分配﹑PMS作简要介绍，并说明各设备假定发生的故障﹑故障诱因及后果﹑对DP的影响及处置方法；

（3）推进器系统：对CPP﹑舵机﹑侧推作简要介绍，并说明各设备假定发生的故障﹑故障诱因及后果﹑对DP的影响及处置方法；

（4）动力定位控制系统：对动力定位控制系统作简要介绍，包括系统供电安排﹑冗余通讯﹑传感器和位置参考系统等，并说明各设备假定发生的故障﹑故障诱因及后果﹑对DP的影响及处置方法；

（5）船舶辅助系统：对燃油﹑滑油﹑淡水及海水冷却﹑压缩空气﹑通风﹑应急停止等系统作简要介绍，并说明各设备假定发生的故障﹑故障诱因及后果﹑对DP的影响及处置方法。

3.2 FMEA航行试验

FMEA试验目的是验证该船故障时的定位能力﹑发现并处理潜在影响定位能力分组的故障，故应在所有与DP有关的系统试验全部完成﹑故障已全部消除后，方能进行FMEA试验。

3.2.1 试验前检查

试验前应确保船舶DP2运行正常，需特别检查如下事项：

（1）母排联络开关断开；

（2）燃油﹑冷却水和压缩空气等辅助管系左右冗余组之间隔离阀关闭；

（3）除单项试验另有说明外，应急发电机应处于手动状态；

（4）CPP﹑舵机的主用泵运行，备用泵同时运行或处于备用状态；

（5）所有战位人员加强值班，应对可能的突发状况。

3.2.2试验内容

FMEA试验内容，主要按照分析报告中对该船动力定位系统的分组进行：

（1）动力分配系统：主要模拟DC24 V配电板﹑230 V配电母排﹑390 V配电母排的短路情况，观察相应的报警及结果是否满足要求；验证相关的配电情况是否满足冗余分组要求；当模拟390 V母排短路时，会造成最大单点故障而需要切换尾侧推供电的情况，操作步骤见分析报告中推进器系统齿轮箱滑油低低位的处置情况；

（2）动力系统：主要验证主机转速反馈及通讯网络的冗余情况，当模拟一路反馈或网路故障后，应有相应的报警信息；主机单一故障时，不会引起推力突变或失去控制；

（3）动力定位控制系统：主要模拟动力定位UPS﹑信号采集箱﹑控制单元﹑网络﹑模式开关﹑传感器及位置参考系统等单一故障，验证动力定位控制系统控制单元及网络等的冗余度，单一故障不会影响动力定位能力；

（4）推进器系统：主要模拟侧推﹑CPP﹑舵机等单个故障，确认推进器系统单个故障不会引起其推力突变或是失去控制；对船舶应急切断回路进行验证，确认推进器应急切断回路监测功能；

（5）船舶系统：主要包括燃油﹑淡水及海水冷却﹑压缩空气﹑通风等系统的功能及故障切换；结合对应的轮机管系试验进行。

3.2.3试验中注意事项

FMEA试验持续时间长﹑验证项目多，在试验过程中需特别注意以下事项：

（1）FMEA试验目的主要是考察各系统及设备的单一故障，不考虑多种故障同时发生的情况。在分析文件及试验中，应体现船舶最大单点故障及应对措施；

（2）FMEA试验着重考核与DP相关的系统的反应，试验中可能会出现部分区域照明关闭或其他设备停电的情况，在试验前应及时广播，避免船员误操作而影响试验的开展；

（3）如试验中发现相应的结果不符合试验要求时，需及时解决后方可进行后续试验，以免造成重大影响；

（4）除特别说明外，模拟完某个单个故障后应及时恢复初始状态，方能进行后续试验；

（5）在进行电站管理PMS试验时，应将PMS功能断开，配电板应能手动操作，此时船舶能够保持定位；

（6）主机低温淡水温控阀失电后，应能保持开度开到最大；

（7）相应的位置参考系统的位置合理，满足船舶执行任务的要求，最大限度利用所配设备的性能；

（8）试验时的环境条件应根据设备性能参数予以明确，诸如超短基线HPR等声学定位系统对水深要求较高，如水深不足可能会影响设备定位精度或正常应用；

（9）相关推进器反馈信号丢失后，其螺距应保持或归零，不能出现跑螺距﹑跑舵或飞车的情况。

4 结论

该船配备的DP-2级动力定位进行了航行试验考核，并针对该系统进行了FMEA试验。在试验过程中发现并解决了潜在问题，分析了船舶最大单点故障并提出了应对措施，从而降低了动力定位系统故障的可能性，为类似船舶开展动力定位作业任务打下了坚实的基础。