方 舟 朱成華 徐紅昌 戴錦陽

（1.嘉興南洋職業(yè)技術(shù)學(xué)院 嘉興314031；2.華中科技大學(xué) 武漢430074；3.嘉興市港航管理服務(wù)中心 嘉興314031）

0 引 言

船舶結(jié)構(gòu)在設(shè)計和運營過程中存在各類風(fēng)險，目前船舶結(jié)構(gòu)的安全風(fēng)險評估主要通過入級檢驗、交付后的定期檢驗實現(xiàn)，其中定期檢驗以五年為周期進行年度檢驗、中間檢驗和特殊檢驗，傳統(tǒng)檢驗主要通過測量結(jié)構(gòu)構(gòu)件來實現(xiàn)的。該方法在工程應(yīng)用中具有簡單實用的優(yōu)點，但其缺乏靈活性，而且有效性無法輕易衡量，同時也不利于先進檢查技術(shù)的應(yīng)用推廣。

傳統(tǒng)的船舶結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險評估每五年進行一次全面定期檢驗是最廣泛的（因其涉及對所有要素的檢查），且是最昂貴的（因其需要長時間停靠船舶）。盡管檢驗范圍很廣，但如此大的間隔并不能反映船舶隨年齡增長所面臨的風(fēng)險隨時間變化的性質(zhì)。因為船體結(jié)構(gòu)的風(fēng)險隨著船齡增長而增加，并且很大程度上取決于與高風(fēng)險的結(jié)構(gòu)部件相關(guān)的風(fēng)險水平［1］。例如，相對較新的船舶的風(fēng)險水平可能要求每六至七年進行一次特殊檢驗，而對于老化的船舶，對關(guān)鍵部件的風(fēng)險增加可能需要更頻繁定期檢驗（例如每四年一次）。

目前，針對船舶領(lǐng)域，國內(nèi)外各船級社都已先后實施一種與入級無關(guān)的船舶狀態(tài)評估程序（CAP），是根據(jù)檢查檢驗、厚度測量、強度計算和性能測試等內(nèi)容對船舶實際技術(shù)狀態(tài)進行等級劃分的一項獨立和完整的評定［2-3］，主要包括船體結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估程序（HCAP）和機械狀態(tài)評估程序（MCAP）。其中針對HCAP中的厚度測量評級主要通過對比實際測量板厚與允許剩余板厚進行對比評級，而允許剩余板厚是根據(jù)《現(xiàn)有船狀態(tài)評估程序（CAP）指南》［2］中“腐蝕磨耗百分比”計算得出，但其對船舶結(jié)構(gòu)處所位置、船舶實際運營時長等因素均未考慮，具有一定的局限性。

基于風(fēng)險的評估方法已廣泛應(yīng)用于其他行業(yè)，也可用于船舶結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險評估，輔助船舶結(jié)構(gòu)檢驗，有助于驗船師監(jiān)督現(xiàn)有法規(guī)在船舶建造運行階段的執(zhí)行情況。

因此，對于現(xiàn)有的船舶結(jié)構(gòu)檢驗可以引入基于風(fēng)險的船舶結(jié)構(gòu)安全評價方法，通過綜合考慮船舶結(jié)構(gòu)隨船齡增長不斷增加的風(fēng)險和高風(fēng)險因素，有效識別薄弱點、評估風(fēng)險等級、調(diào)整檢驗間隔周期，并通過采取合理的措施消除或減少相應(yīng)的風(fēng)險。

本文基于失效模式和影響分析（FMEA）方法建立船舶結(jié)構(gòu)安全評價方法，并通過實例計算驗證了該方法的可行性。

1 船體結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險評估方法

1.1 方法概述

風(fēng)險評估方法根據(jù)風(fēng)險的確定方式分為定量或定性分析，其中定性分析主要依賴專家經(jīng)驗確定和評估不良事件的可能性和后果，而定量分析主要根據(jù)統(tǒng)計方法和數(shù)據(jù)庫進行計算得出［4］。定量或定性風(fēng)險評估方法的選擇取決于風(fēng)險評估的目的以及危害評估數(shù)據(jù)的可用性和可用性水平［5］。表1給出了各類風(fēng)險評估方法的特征［6］。

表1 風(fēng)險評估方法

在定量評估和分析與事件相關(guān)的風(fēng)險時，風(fēng)險代表系統(tǒng)故障而造成損失的可能性。因此，為定量評估船舶結(jié)構(gòu)失效的風(fēng)險，可從結(jié)構(gòu)失效模式和影響分析入手，即失效模式和影響分析（FMEA），用事件發(fā)生的概率和事件發(fā)生的潛在相關(guān)后果兩個因素來評估船舶結(jié)構(gòu)安全的風(fēng)險。風(fēng)險程度R可用式（1）［4］表示：

式中：Р為發(fā)生不良事件的概率；C為事件發(fā)生的后果。

為評估船舶結(jié)構(gòu)的安全技術(shù)風(fēng)險，需要分析船舶結(jié)構(gòu)失效概率和失效后果，其中結(jié)構(gòu)失效概率是指結(jié)構(gòu)破壞傾向的度量，可以從腐蝕的角度來看，利用超聲測量技術(shù)測量甲板、舷側(cè)艙壁、縱艙壁艙壁和梁等結(jié)構(gòu)元件的剩余厚度或計算船舶結(jié)構(gòu)剩余強度，并與規(guī)范要求進行對比，從而確定結(jié)構(gòu)元件失效的可能性，即船舶結(jié)構(gòu)失效概率；失效后果借助專家經(jīng)驗來評估結(jié)構(gòu)部件失效的后果，并考慮與人身安全，對船舶的影響以及對環(huán)境的影響有關(guān)的故障影響。最終，船舶結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險指標(biāo)可以通過將結(jié)構(gòu)失效概率和失效后果的指標(biāo)組合獲得。

1.2 結(jié)構(gòu)失效的概率分析

結(jié)構(gòu)元件的損壞概率估算，也稱失效概率分析。結(jié)構(gòu)元素可能會發(fā)生一種損壞或多種損壞，并且在某些情況下可能是相關(guān)的，如在容易發(fā)生強烈腐蝕的區(qū)域出現(xiàn)疲勞裂紋。

失效概率本質(zhì)上是壽命周期內(nèi)或年度內(nèi)失效的可能性，很少會詳細計算損壞的可能性，因為這是計算量大的計算，并且在任何情況下，估算都是“有條件的”，而不是“實際的”。

因此，實際操作中，可以通過簡單的統(tǒng)計分析與技術(shù)判斷相結(jié)合來預(yù)計結(jié)構(gòu)失效的可能性。具體而言，結(jié)構(gòu)失效概率指標(biāo)（РX）可以用船舶結(jié)構(gòu)在操作過程中遭受腐蝕腐蝕的狀態(tài)特征來表征船舶結(jié)構(gòu)失效的可能性，其中РX=1對應(yīng)船級社對新船體結(jié)構(gòu)板厚要求（無腐蝕）上限值，表示損壞船舶結(jié)構(gòu)（或其單個零件和元素）失效的可能性極低；РX=3對應(yīng)船級社對確認5年船齡船舶結(jié)構(gòu)板厚的最低要求，表示船舶結(jié)構(gòu)失效的概率高；РX=4表示船舶結(jié)構(gòu)板厚腐蝕已經(jīng)超過允許腐蝕值范圍，即緊急狀態(tài)，船舶結(jié)構(gòu)失效的概率極高。

根據(jù)C.W.Robb等［6］對船舶安全風(fēng)險分析的研究，可將船舶結(jié)構(gòu)失效概率分為緊急、高、中等、低四類，并為不同概率和失效可能分配了概率指標(biāo)。

允許腐蝕增加值 為新建船舶結(jié)構(gòu)所需的板厚S與概率指標(biāo)（РX=1，2，3）所需的最小允許剩余板厚 的之差。

表2 船舶結(jié)構(gòu)失效可能性的分類示例

在分配允許的剩余板厚特性和剩余的梁抗彎矩特性時，采用統(tǒng)一的方法：對于分類評估框架內(nèi)的每個“合適”概率指標(biāo)（РX= 1、2、3），在整個使用壽命內(nèi)分配允許腐蝕范圍的1/3。

在一般腐蝕的情況下，用于分配概率指標(biāo)（РX= 1、2、3）的 允許剩余板厚由式（2）確定：為《現(xiàn)有船狀態(tài)評估程序（CAP）指南》［3］所要求的一般腐蝕允許的剩余板厚（mm）；S為建造規(guī)則［5］要求的板材厚度，mm； ?S為腐蝕余量，mm，由建造規(guī)則確定［1］；

式中：m1為根據(jù)《現(xiàn)有船狀態(tài)評估程序（CAP）指南》［3］進行選取。

允許概率指標(biāo)（Р= 1，2，3）下，結(jié)構(gòu)元件橫截面允許剩余剖面模數(shù) 由式（3）確定：

一組結(jié)構(gòu)元件失效概率的最終指標(biāo)被確定為元件失效概率的算術(shù)平均值，即式（4）：

式中：Рi為結(jié)構(gòu)中1個元素（一部分）失效概率的指標(biāo)；i為主體連接組中的元素（零件）數(shù)。

1.3 結(jié)構(gòu)元件失效的影響分析

對于一般的海上結(jié)構(gòu)設(shè)施，特別是對于船舶結(jié)構(gòu)，通常從以下三個方面考慮事故后果進行風(fēng)險評估：

（1）人員傷亡；

（2）環(huán)境污染；

（3）財產(chǎn)損失，其中財產(chǎn)損失包括對人員傷亡賠償、環(huán)境的治理、結(jié)構(gòu)的修復(fù)等。

直接計算這3個影響類別中的任何一個的影響都是困難的，主要在于確定事故后果的范圍，例如，疲勞失效的后果至少包括維修成本和可能的設(shè)計成本，較小的初始破壞會導(dǎo)致涉及結(jié)構(gòu)很大一部分的更廣泛的損壞，而且結(jié)構(gòu)性故障會導(dǎo)致全船結(jié)構(gòu)應(yīng)力的重新分配，這使得結(jié)構(gòu)件失效后果的影響分析變得非常復(fù)雜，

因此，本文為簡化結(jié)構(gòu)件失效的影響分析，根據(jù)B.M.Ayyub［7］等人的研究結(jié)果，從人員傷亡、環(huán)境污染、財產(chǎn)損失三個方面對船舶結(jié)構(gòu)失效后果進行分類，分為災(zāi)難性、嚴(yán)重、中等和低4個級別。表3為船舶結(jié)構(gòu)故障的后果示例。

表3 船舶結(jié)構(gòu)失效后果示例

1.4 確定風(fēng)險指標(biāo)

風(fēng)險指標(biāo)用于描述風(fēng)險的相對量級，由結(jié)構(gòu)失效概率和失效后果指標(biāo)組合。風(fēng)險指標(biāo)可表示為：風(fēng)險指標(biāo)（R）=失效概率（Р）×失效后果指標(biāo)（C）。

結(jié)構(gòu)失效概率和失效后果指標(biāo)組合所得的風(fēng)險指標(biāo)如下頁表4所示，其中以失效概率為低Р=1、失效后果為災(zāi)難性C= 4為例，失效風(fēng)險R=Р×C= 4。

表4 風(fēng)險指標(biāo)表

R≤4，則對象（部件，零件）風(fēng)險較低；4

根據(jù)概率和影響等級分類，可以認為1~3級是可接受的低風(fēng)險區(qū)，4~9級被認為可接受的風(fēng)險區(qū)，12~16表示不允許的風(fēng)險區(qū)。

2 船體結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險評估

為證明以上方法的可行性，選取1艘船齡22年并仍在運行的油輪作為研究對象［7-8］，并對其外板和上甲板結(jié)構(gòu)件厚度進行了超聲測量。

如表5和下頁表6所示，基于測量厚度計算得出外板和上甲板結(jié)構(gòu)件的失效概率，分析結(jié)果得出：

表5 外板失效概率計算

表6 上甲板構(gòu)件失效概率計算

（1）外板總的失效概率為2.15，取值Р= 2，屬于中等水平的故障可能；

（2）上甲板總的失效概率為1.13，取值Р= 1，屬于低水平的故障可能；

（3）外板第2、3、4、5、6號結(jié)構(gòu)件具有極高的失效概率，其腐蝕超過法規(guī)所允許的腐蝕，需要緊急更換。

按照船體結(jié)構(gòu)類別對造成的后果進行分類，船舶結(jié)構(gòu)損壞后果的指標(biāo)見表7。

表7 結(jié)構(gòu)構(gòu)建組失效后果的影響指標(biāo)

上甲板的概率指標(biāo)和故障影響指標(biāo)，可以計算每一構(gòu)件和整個耦合組的風(fēng)險程度。在此應(yīng)注意，對于一個局部連接結(jié)構(gòu)中的每個結(jié)構(gòu)元素，損壞的結(jié)果與對該局部連接結(jié)構(gòu)的影響相同，并且含義相同，因為一個局部結(jié)構(gòu)元素執(zhí)行相同的功能。

以本次測量和結(jié)構(gòu)風(fēng)險評估第22年為起點，并假設(shè)船舶外板板厚和上甲板板厚均按《現(xiàn)有船狀態(tài)評估程序（CAP）指南》所述腐蝕速率減少［2］，如圖1所示。

圖1 船舶外板和上甲板腐蝕速率模型

基于本次對22年船齡油船的結(jié)構(gòu)元件的測量和圖1所示的甲板腐蝕速率，下頁表8計算本次測量后第5、7、10、13、15、20、25年的損傷概率指標(biāo)，其中損壞后果指標(biāo)保持不變。表中Р是損傷概率指標(biāo)，C是損壞后果，R表示船體結(jié)構(gòu)失效的風(fēng)險度。

表8 結(jié)構(gòu)元件隨時間故障的風(fēng)險程度

從風(fēng)險程度的計算結(jié)果可以得出：

（1）外板結(jié)構(gòu)的總風(fēng)險在本船船齡40年時（即本次測厚評估后的第18年）達到了不可接受的水平；

（2）上甲板的總風(fēng)險在本船船齡37年時（即本次測厚評估后的第15年）達到了不可接受的水平。

3 結(jié) 語

通過測量船舶結(jié)構(gòu)剩余厚度與規(guī)范對比，并借助專家經(jīng)驗評價結(jié)構(gòu)失效后果，基于失效模式和影響分析（FMEA）方法建立船舶結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險評價方法，經(jīng)實例應(yīng)用驗證了該方法的可行性。

盡管船舶結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險評估不能取代現(xiàn)有的船舶結(jié)構(gòu)安全檢驗和監(jiān)督系統(tǒng)，但是可以擴展其現(xiàn)有船舶結(jié)構(gòu)檢驗功能：

（1）船舶結(jié)構(gòu)風(fēng)險評估可以使從初始檢查策略得到更新，使結(jié)構(gòu)構(gòu)件檢查程序得以發(fā)展，主要可以通過調(diào)整檢驗范圍和時間表來優(yōu)化船舶結(jié)構(gòu)檢驗程序；

（2）根據(jù)風(fēng)險評估的結(jié)果，可以預(yù)測船體元素的技術(shù)狀況、損壞風(fēng)險高的結(jié)構(gòu)區(qū)域，提前計劃所需的維修量，有效減少舊船的檢查、維護和修理費用；

（3）評估方法的應(yīng)用有助于通過制定措施來提高船舶結(jié)構(gòu)的可靠性，并顯著減少破壞財產(chǎn)，人員和環(huán)境的事件和事故的數(shù)量。