賀 轍，孫麗萍，康濟(jì)川，于 斌

(哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院，哈爾濱 150001)

FPSO單點(diǎn)系泊系統(tǒng)失效數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

賀 轍，孫麗萍，康濟(jì)川，于 斌

(哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院，哈爾濱 150001)

為方便海洋結(jié)構(gòu)物風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估相關(guān)人員對(duì)失效數(shù)據(jù)的提取，設(shè)計(jì)浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油裝置(FPSO)系泊設(shè)備失效數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)故障模式及影響分析方法(FMEA)總結(jié)該數(shù)據(jù)庫(kù)的基本數(shù)據(jù)需求，建立失效數(shù)據(jù)庫(kù)的概念結(jié)構(gòu)模型，并在現(xiàn)有的國(guó)內(nèi)外數(shù)據(jù)庫(kù)資料基礎(chǔ)上收集FPSO系泊系統(tǒng)設(shè)備的失效模式、失效機(jī)制及失效案例等一系列數(shù)據(jù)。

FPSO; 失效數(shù)據(jù)庫(kù); FMEA; 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

目前大部分浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油裝置(FPSO)的系泊系統(tǒng)屬于單點(diǎn)系泊系統(tǒng)，單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的特點(diǎn)是允許FPSO繞單點(diǎn)自由轉(zhuǎn)動(dòng)，從而可有效地減少風(fēng)浪流的作用力，系泊線的尺度也相應(yīng)地減小[1]。本文涉及的單點(diǎn)系泊系統(tǒng)類型是目前FPSO最常用的可解脫的內(nèi)轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)。確保海洋工程結(jié)構(gòu)物系泊系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)安全的重要性不言而喻。對(duì)FPSO系泊系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析可以有效降低故障發(fā)生率，減小經(jīng)濟(jì)損失，為了清楚分析故障模式及其影響，采用FMEA對(duì)FPSO內(nèi)轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[2-5]。

要建立計(jì)算機(jī)化的系泊失效數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，需要進(jìn)行的前期工作就是數(shù)據(jù)庫(kù)的搭建和處理，以滿足后期分析時(shí)的數(shù)據(jù)需求。為此，進(jìn)行系泊系統(tǒng)失效數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)。

1 風(fēng)險(xiǎn)分析

1.1 故障模式及基本流程

影響分析方法(FMEA)分析流程見圖1[6]。

圖1 FMEA分析流程

1.2 系泊系統(tǒng)失效分析

FPSO可解脫式內(nèi)轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)主要由內(nèi)轉(zhuǎn)塔系統(tǒng)和錨泊系統(tǒng)組成，結(jié)構(gòu)見圖2、3。

對(duì)世界上部分FPSO系泊系統(tǒng)失效案例進(jìn)行整理分析，得到以下結(jié)論。

圖2 內(nèi)轉(zhuǎn)塔系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

圖3 錨泊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

1)FPSO 系泊系統(tǒng)失效的位置主要是在系泊系統(tǒng)各聯(lián)接處、終端部位及導(dǎo)纜器等部位。當(dāng)這些組成部分暴露于強(qiáng)風(fēng)暴條件下，容易失效，并導(dǎo)致一根或多根系泊纜實(shí)效。

2)導(dǎo)致系泊系統(tǒng)失效的原因有：材料失效、過(guò)載、疲勞斷裂、脆性斷裂、腐蝕、磨損及臺(tái)風(fēng)極端天氣。

結(jié)合已有的內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點(diǎn)系泊失效案列數(shù)據(jù)和調(diào)研結(jié)果，總結(jié)出系泊系統(tǒng)部分失效模式見表1。

表1 系泊系統(tǒng)失效模式和分類

系泊失效原因往往是設(shè)計(jì)制造和安裝過(guò)程中形成的各類缺陷所引起的。因此對(duì)于失效原因分析來(lái)說(shuō)，除了需要系泊系統(tǒng)FMEA分析人員對(duì)系泊系統(tǒng)具有深入理解以外，缺陷分類也可以作為借鑒因素。

案例分析表明，錨鏈、錨纜的斷裂、斷絲以及過(guò)度磨損是單點(diǎn)系泊失效的主要原因。

針對(duì)部分失效原因從4個(gè)方面進(jìn)行收集和分類，見表2～5。

1.3 系泊系統(tǒng)FMEA

FMEA小組將每一系統(tǒng)進(jìn)一步劃分為組件，對(duì)每組件可能出現(xiàn)的問題及影響因素即故障模式

表2 磨損問題

表3 疲勞問題

和影響因素，通過(guò)經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)討論來(lái)確定故障模式的嚴(yán)重度、發(fā)生率、檢測(cè)率的等級(jí)和評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，如表6～8所示。通過(guò)嚴(yán)重度、發(fā)生率以及檢測(cè)率的乘積可以計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)順序數(shù)(nRPN)[7]。

表4 腐蝕問題

表5 其他原因

表6 嚴(yán)重度評(píng)估表

設(shè)備失效危害性分析的主要目的是找出那些對(duì)系統(tǒng)危害程度大、發(fā)生頻率高，并且不容易被檢測(cè)的設(shè)備失效模式。

表7 發(fā)生率評(píng)估表

表8 檢測(cè)率評(píng)估表

通過(guò)系泊系統(tǒng)FMEA，可以確定FPSO單點(diǎn)系泊系統(tǒng)各種失效模式及可能的發(fā)生原因和影響。對(duì)每種失效模式加以分析，確定優(yōu)先級(jí)，對(duì)危害性最大的設(shè)備失效優(yōu)先處理，對(duì)危害性小甚至是不會(huì)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生影響的設(shè)備失效推后處理，或者暫不處理。為了給出量化的標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而對(duì)軟件失效模式的危害性進(jìn)行排序，通常采用RPN方法進(jìn)行設(shè)備失效模式的危害性分析(SCA)。設(shè)備失效模式的nRPN由設(shè)備失效模式的嚴(yán)重度等級(jí)、設(shè)備失效模式的發(fā)生率等級(jí)和設(shè)備失效模式的檢測(cè)度等級(jí)的乘積計(jì)算得出，即

式中：S——設(shè)備失效模式的嚴(yán)重度等級(jí)；O——設(shè)備失效模式的發(fā)生率等級(jí)；D——設(shè)備失效模式的檢測(cè)度等級(jí)。

發(fā)生率等級(jí)(O)是指在設(shè)備的壽命中某一特定失效原因/機(jī)理發(fā)生的可能性。描述發(fā)生概率級(jí)別數(shù)是重在其含義，而不是具體的數(shù)值。通過(guò)設(shè)計(jì)更改或設(shè)計(jì)過(guò)程更改來(lái)預(yù)防或控制該失效模式原因/機(jī)理是降低發(fā)生率級(jí)別數(shù)的唯一途徑。

被檢測(cè)難度等級(jí)(D)是給出了一個(gè)設(shè)備失效可以被檢測(cè)的難易程度。失效只有能被識(shí)別才能進(jìn)一步提出改進(jìn)措施。為了取得較低的被檢測(cè)難度等級(jí)，需要不斷地改進(jìn)設(shè)計(jì)。

將FPSO內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點(diǎn)系泊系統(tǒng)可能出現(xiàn)的失效模式、原因及影響制成FMEA工作表，并以問卷調(diào)查的方式請(qǐng)專家學(xué)者、管理人員以及一線工作人員依據(jù)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行嚴(yán)重度、發(fā)生率和檢測(cè)率評(píng)估，最終確定失效模式的風(fēng)險(xiǎn)順序數(shù)。

2 失效數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)的需求分析

根據(jù)前面FMEA風(fēng)險(xiǎn)定性分析以及案例事故分析可知，F(xiàn)PSO系泊系統(tǒng)失效數(shù)據(jù)庫(kù)需要包括失效事件相關(guān)信息、失效海況、失效模式、失效原因、失效機(jī)制、嚴(yán)重度、故障發(fā)生概率等級(jí)、檢測(cè)度、風(fēng)險(xiǎn)順序數(shù)、維修工時(shí)、維修措施等數(shù)據(jù)，以下為用戶對(duì)系泊系統(tǒng)失效數(shù)據(jù)庫(kù)的需求分析[7-9]。

1)必須記錄失效事件的基本信息，比如發(fā)生時(shí)間地點(diǎn)等。

2)需要記錄各失效設(shè)備的失效信息。

3)用戶的權(quán)限設(shè)置非常重要。

4)在添加信息時(shí)要記錄添加日期和添加人。

20世紀(jì)80年代，有關(guān)政府批準(zhǔn)三明鋼鐵廠將被譽(yù)為“南方周口店”的萬(wàn)壽巖史前遺址作為采礦點(diǎn)進(jìn)行開山采礦。 習(xí)近平得知后對(duì)此立即批示：“萬(wàn)壽巖史前遺址是重要的文化遺產(chǎn)且不可再生，這個(gè)文化遺產(chǎn)不僅屬于我們，同樣屬于我們的后代，為了謀取眼前的物質(zhì)利益破壞文化遺產(chǎn)的任何行為都是不可取的，需立即停止?！辈?duì)萬(wàn)壽巖史前遺址采取保護(hù)措施，幫助三明鋼鐵廠重新選址以及決定由省財(cái)政撥款用于遺址發(fā)掘與保護(hù)。 經(jīng)過(guò)習(xí)近平的努力，文化遺產(chǎn)保護(hù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展才能相協(xié)調(diào)，三明鋼鐵廠選取了新的采礦點(diǎn)，萬(wàn)壽巖史前遺址也在2013年被確定為國(guó)家考古遺址公園。

2.2 數(shù)據(jù)庫(kù)概念設(shè)計(jì)

結(jié)合以上用戶對(duì)失效數(shù)據(jù)庫(kù)的需求和考慮將來(lái)在功能上作相應(yīng)的擴(kuò)展，設(shè)計(jì)了如圖4所示的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

圖4 FPSO系泊失效數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)ER實(shí)體聯(lián)系圖

2.3 數(shù)據(jù)庫(kù)邏輯設(shè)計(jì)

邏輯設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是把概念結(jié)構(gòu)模式轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)據(jù)邏輯結(jié)構(gòu)，將實(shí)體關(guān)系模型轉(zhuǎn)換成關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)模式。數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)包括1個(gè)用戶信息表、1個(gè)失效案例表、1個(gè)設(shè)備數(shù)據(jù)表、7個(gè)失效信息表、1個(gè)維修信息表和1個(gè)風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算數(shù)據(jù)表。

3 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)需求說(shuō)明

1)需要設(shè)立系統(tǒng)管理員、高級(jí)用戶、普通用戶等。其中系統(tǒng)管理員的工作是對(duì)該數(shù)據(jù)庫(kù)每一個(gè)用戶進(jìn)行管理，高級(jí)用戶的工作是管理系統(tǒng)中各個(gè)模塊的信息，普通用戶指需要用到數(shù)據(jù)庫(kù)中相關(guān)數(shù)據(jù)的工作研究人員。

2)管理人員可以對(duì)各個(gè)模塊基本信息進(jìn)行添加、編輯、查詢和刪除的操作。

3)自動(dòng)將添加的數(shù)據(jù)保存到相應(yīng)的表中。

4)可以根據(jù)關(guān)鍵字進(jìn)行查詢。

5)用戶操作界面簡(jiǎn)單、美觀。

6)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在功能方面要有擴(kuò)展性，以便將來(lái)添加新的功能。

3.2 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)以上系統(tǒng)需求分析，一個(gè)海洋工程失效數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)應(yīng)該包括用戶管理、失效案例管理、設(shè)備數(shù)據(jù)管理、失效信息管理及維修信息等功能。失效信息管理模塊下又包含了失效模式、失效原因、失效后果、改進(jìn)措施、危害性、失效頻率和設(shè)備FMEA數(shù)據(jù)子模塊。

3.3 數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

基于FPSO單點(diǎn)系泊系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)結(jié)果以及設(shè)備FMEA數(shù)據(jù)庫(kù)，設(shè)計(jì)添加、維護(hù)和查詢和刪除數(shù)據(jù)的界面，以便進(jìn)行數(shù)據(jù)的顯示、查詢和維護(hù)。FPSO單點(diǎn)系泊系統(tǒng)失效數(shù)據(jù)庫(kù)的主界面主要包括失效案例管理、設(shè)備數(shù)據(jù)管理、失效信息管理、維修信息管理、風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算數(shù)據(jù)管理及用戶管理六大模塊。各模塊都設(shè)計(jì)了相應(yīng)數(shù)據(jù)添加、編輯、查詢和刪除等基本功能。

在添加一系列數(shù)據(jù)后以查詢?cè)O(shè)備FMEA數(shù)據(jù)為例，運(yùn)用查詢條件直接或間接查詢?cè)O(shè)備FMEA時(shí)，可以根據(jù)提示的條件類型和所需要查詢的內(nèi)容輸入關(guān)鍵字進(jìn)行檢索。

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Design and Implementation of Failure Database of Single Point Mooring System for FPSO

HE Zhe, SUN Li-ping, KANG Ji-chuan, YU Bin

(College of Shipbuilding Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

In order to facilitate the extraction of failure data, a failure database for mooring equipment of floating production storage and offloading (FPSO) is designed. Through the failure mode and effects analysis (FMEA), the database of the basic data requirements is summed up. The conceptual structure model of failure database is established. At the same time, a series of data of the equipment failure mode, failure mechanism and failure cases for FPSO’s mooring system are collected from the existing domestic and foreign database.

FPSO; failure database; FMEA; risk assessment

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.06.030

2015-07-23

國(guó)家工業(yè)和信息化部項(xiàng)目(G014614002)

賀 轍(1990-),男，碩士生

U674.38；P751

A

1671-7953(2015)06-0129-05

修回日期：2015-08-11

研究方向:深海工程

E-mail: 664851384@qq.com