基于FMECA法風(fēng)險評估的雙壁管通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

徐 謙 張文斌 蔣永旭 崔寶明 錢新春

（招商局郵輪研究院（上海）有限公司 上海 200137）

0 引 言

在控制碳排放的背景下，越來越多的船舶采用液化天然氣（liquefied natural gas， LNG）作為動力,配備了LNG動力的主機，但這也給船舶帶來了新的風(fēng)險。天然氣是非常危險的燃料，具有易燃易爆的特性。為了使LNG動力船的機艙成為本質(zhì)安全機器處所，需要采用通風(fēng)設(shè)計對燃?xì)夤庀到y(tǒng)進行氣密環(huán)圍，因此使用了通風(fēng)雙壁管和全封閉型的燃?xì)忾y組系統(tǒng)（gas valve unit, GVU）。雙壁管通風(fēng)系統(tǒng)是燃?xì)夤庀到y(tǒng)最重要的響應(yīng)型安全柵，用以減少燃?xì)庑孤┖蟮娘L(fēng)險。當(dāng)燃?xì)獍l(fā)生泄漏時，該系統(tǒng)可以迅速檢測到風(fēng)險并關(guān)閉燃?xì)夤庀到y(tǒng)，把主機轉(zhuǎn)換到燃油模式，同時把已經(jīng)泄漏的燃?xì)庥猛L(fēng)來稀釋和排空?？紤]到雙壁管通風(fēng)系統(tǒng)在保障LNG動力船燃?xì)夤獍踩矫娴闹匾?，此通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計需要非常謹(jǐn)慎。現(xiàn)在已經(jīng)有一些工程師對雙壁管通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計進行了研究。秦俊等對雙壁管通風(fēng)系統(tǒng)的通風(fēng)阻力等方面進行了完整的計算；姜華等對低流量高風(fēng)壓的雙壁管風(fēng)機選型進行了研究；范延品等對燃?xì)庵鏖y設(shè)計、通風(fēng)流量計算和危險區(qū)設(shè)置等方面進行了計算研究和分析。本文運用故障模式、 影響及危害性分析（failure mode, effects and criticality analysis, FMECA）法對雙壁管系統(tǒng)進行風(fēng)險評估，對高風(fēng)險值的因素進行設(shè)計優(yōu)化來降低風(fēng)險，進一步提高此通風(fēng)系統(tǒng)的安全性。

1 FMECA法

FMECA法是故障模式影響分析 （failure mode effects analysis, FMEA） 和危害性分析 （criticality analysis, CA） 的組合分析方法，主要在技術(shù)系統(tǒng)的設(shè)計階段運用，識別并分析潛在的失效，并通過設(shè)計優(yōu)化來提高可靠性。FMECA法的分析工作流程見圖1。FMECA法首先把系統(tǒng)分解到元件，識別每個元件的失效模式、失效原因和失效檢測；隨后分析現(xiàn)有的安全柵和失效影響，評價此元件失效的頻率、后果嚴(yán)重度和檢測難度，用以計算失效的風(fēng)險優(yōu)先級（risk priority number，RPN）；最后根據(jù)RPN的大小，確定失效的風(fēng)險等級。對于不可接受的失效，需尋找降低風(fēng)險的措施，進行設(shè)計修改來增加安全柵，并重新進行風(fēng)險評價。

圖1 FMECA法的分析工作流程

運用FMECA法的風(fēng)險評估可以由1個人或1個團隊完成，這取決于系統(tǒng)的復(fù)雜程度。FMECA法具有較多的優(yōu)勢：應(yīng)用廣泛，易于理解；對硬件進行全面檢查；適用于復(fù)雜系統(tǒng)；比較靈活，細(xì)節(jié)程度可以根據(jù)研究對象進行調(diào)整；系統(tǒng)而全面，可以識別出系統(tǒng)中的所有失效模式等。FMECA法的主要局限是風(fēng)險評估的結(jié)果取決于分析人員的經(jīng)驗，對分析有較高技術(shù)和管理方面的要求。

2 雙壁管通風(fēng)系統(tǒng)的分解

FMECA法風(fēng)險評估的第1步是把雙壁管通風(fēng)系統(tǒng)分解成各個組成元件。通風(fēng)雙壁管用于輸送氣化后的燃?xì)猓瑥腖NG罐的連接室（tank connection space, TCS）到GVU，再到主機。按照《使用氣體或其他低閃點燃料船舶國際安全規(guī)則》（IGF規(guī)則）的要求,換氣次數(shù)要達到30次/ h，通風(fēng)的容積包括雙壁管夾層空間、GVU內(nèi)部空間及主機上雙壁管夾層空間，此空間屬于Zone 1的危險區(qū)。雙壁管夾層的通風(fēng)阻力難以計算，如果風(fēng)機壓頭不足就會直接影響船舶交付。高壓頭低流量風(fēng)機的選型是很大的難點和風(fēng)險，所以建議設(shè)計時選擇從位于系統(tǒng)中部的GVU進行抽風(fēng)，從兩端進風(fēng)，這種形式的系統(tǒng)通風(fēng)阻力相對于一端進風(fēng)另一端抽風(fēng)較小。排風(fēng)管上布置有流量開關(guān)，用于檢測進風(fēng)量的大小是否達到設(shè)計值。當(dāng)風(fēng)量小于流量開關(guān)的設(shè)定值，流量開關(guān)會發(fā)出報警信號，備用抽風(fēng)機自動啟動；如果延遲20 s后，流量開關(guān)仍報警，就切斷LNG供氣系統(tǒng)。

在GVU的出風(fēng)口布置2個危險氣體傳感器，可以監(jiān)測GVU、主機和雙壁管是否存在燃?xì)庑孤?，其布置在排風(fēng)管上的原因是：在風(fēng)機的作用下，內(nèi)部泄漏的燃?xì)舛紩?jīng)過此處。當(dāng)空氣中的危險氣體達到爆炸下限（lower explosive limited, LEL）的20%時，危險氣體傳感器發(fā)出報警；當(dāng)達到40%的LEL時，自動切斷供氣系統(tǒng)。雙壁管通風(fēng)系統(tǒng)有效運行的要點是通風(fēng)和監(jiān)測都是正常的，在發(fā)生燃?xì)庑孤r，才能迅速的監(jiān)測到，并采取下一步動作。當(dāng)雙壁管通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)量不足時發(fā)出風(fēng)量開關(guān)報警或者當(dāng)發(fā)生燃?xì)庑孤r發(fā)出危險氣體傳感器報警，這2種情況都會導(dǎo)致燃?xì)庵鏖y關(guān)閉。

雙壁管的通風(fēng)系統(tǒng)主要由通風(fēng)、檢測和燃?xì)夤苈愤@3部分組成，系統(tǒng)分解見圖2。通風(fēng)部分由風(fēng)機、電氣箱、軟接頭、止回風(fēng)閘和節(jié)流孔板等元件組成，檢測部分由風(fēng)機的運行監(jiān)控、流量開關(guān)和危險氣體傳感器來組成，燃?xì)夤苈分饕p壁管、主機和GVU。

圖2 雙壁管通風(fēng)系統(tǒng)的分解

3 失效分析和評價

對雙壁管通風(fēng)系統(tǒng)的組成元件進行失效分析，包括識別失效的模式、原因和檢測，分析現(xiàn)有安全柵和失效影響。雙壁管通風(fēng)系統(tǒng)的失效模式主要有通風(fēng)量不足、漏風(fēng)及燃?xì)夤苄孤┑?，失效原因主要有元件的故障、損壞等。失效檢測是控制風(fēng)險的重要措施，當(dāng)元件發(fā)生失效時，高效的檢測可以讓船員立刻得到報警信號，便于其立刻采取進一步的動作，流量開關(guān)和危險氣體傳感器是雙壁管通風(fēng)系統(tǒng)中主要的失效檢測措施。

現(xiàn)有的安全柵是系統(tǒng)對此元件發(fā)生失效時已經(jīng)具備的安全措施，如風(fēng)機的冗余設(shè)計。當(dāng)一臺風(fēng)機故障時，另一臺風(fēng)機隨即啟動，以保證通風(fēng)量。失效影響主要有自動關(guān)閉燃?xì)庵鏖y和通風(fēng)系統(tǒng)失效。當(dāng)某元件失效，但未發(fā)出報警信號，甚至當(dāng)燃?xì)庑孤r，仍未發(fā)生報警信號，便發(fā)生了通風(fēng)系統(tǒng)失效，而這也是最嚴(yán)重的失效影響。對原雙壁管通風(fēng)系統(tǒng)的不同元件進行風(fēng)險分析，共識別13條失效，見表1。

表1 原雙壁管通風(fēng)系統(tǒng)的失效分析

FMECA法的風(fēng)險評估依賴于評估人員的經(jīng)驗，存在主觀性過強的缺點。為了克服此缺點，并結(jié)合雙壁管通風(fēng)系統(tǒng)和LNG動力船的實際情況，文章把失效發(fā)生的頻率、后果嚴(yán)重度和檢測難度等級劃分為5級。

失效風(fēng)險評估的等級見表2。

表2 失效風(fēng)險評估的等級

RPN為失效頻率、后果嚴(yán)重度和檢測難度這3者的等級之和，原雙壁管通風(fēng)系統(tǒng)的失效評估見表3。

表3 原雙壁管通風(fēng)系統(tǒng)的失效評估

根據(jù)在合理范圍內(nèi)盡量低（as low as reasonably practicable，ALARP）的原則，把失效的風(fēng)險等級分為低、中、高3級，分別采用不同的處理方式，見表4。RPN＞8時的失效為高風(fēng)險，屬于ALARP原則下的不可接受區(qū)域，必須采用改進措施來降低其風(fēng)險等級。

表4 失效的風(fēng)險等級劃分

4 系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

根據(jù)上述雙壁管通風(fēng)系統(tǒng)失效風(fēng)險評估的表3和表4，共有5項高風(fēng)險的失效，必須采取措施來降低風(fēng)險。系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計通過增加新的安全柵，可以降低失效頻率、后果嚴(yán)重度和檢查難度的等級，從而減小RPN，使失效的風(fēng)險等級降低。優(yōu)化設(shè)計后的雙壁管通風(fēng)系統(tǒng)見圖3。

圖3 雙壁管通風(fēng)系統(tǒng)

（1） 對風(fēng)機電氣箱的失電，從接單路電源更改為接雙路電源，這種冗余設(shè)計可以大幅度降低失效發(fā)生的可能性。

（2）風(fēng)機軟接頭處的燃?xì)庑孤?，會?dǎo)致夾層空間構(gòu)成的危險區(qū)域蔓延到機艙內(nèi)，大幅度增加了燃?xì)膺M入機艙的可能性，破壞了本質(zhì)安全機艙的定義?？梢酝ㄟ^設(shè)置獨立的風(fēng)機房，減少失效后果的嚴(yán)重度。

（3）節(jié)流孔板損壞，使兩路進風(fēng)支管的進風(fēng)量失去平衡，導(dǎo)致一路支管的風(fēng)量小于要求而另一路支管風(fēng)量增加，但總排風(fēng)量沒有改變；GVU殼體漏氣，總排風(fēng)量反而增加。在這2種失效下，安裝在排風(fēng)管上的流量開關(guān)并不會報警，如果發(fā)生燃?xì)庑孤?，危險氣體傳感器就不能迅速報警，這樣就發(fā)生了通風(fēng)系統(tǒng)失效。為了減少這種風(fēng)險，在兩路進風(fēng)支管上分別設(shè)置流量開關(guān)，可以在節(jié)流孔板故障而進風(fēng)支管風(fēng)量失衡時，或者當(dāng)GVU殼體漏氣、進風(fēng)量減少的情況下， 流量開關(guān)都會發(fā)出報警信號。這同時增加了冗余設(shè)計，原設(shè)計的1個流量開關(guān)變成了2個，當(dāng)某個流量開關(guān)發(fā)生故障時，另一個流量開關(guān)依舊能工作。

雙壁管通風(fēng)系統(tǒng)的新安全柵和風(fēng)險評估參見表5。高風(fēng)險等級元件失效的RPN都降至9以下，成為可以容忍的中風(fēng)險。

表5 優(yōu)化設(shè)計的新安全柵和風(fēng)險評估

5 結(jié) 論

（1）運用FMECA 法對LNG動力船雙壁管通風(fēng)系統(tǒng)進行風(fēng)險評估，可以有效地識別各個元件的失效風(fēng)險，并通過失效頻率、后果嚴(yán)重度和檢查難度這3方面定量化地計算風(fēng)險優(yōu)先級RPN，便于對失效進行等級劃分，從而有針對性地對系統(tǒng)設(shè)計進行優(yōu)化。

（2）對原雙壁管通風(fēng)系統(tǒng)共識別13條失效，其中高風(fēng)險5條，通過在進風(fēng)管布置風(fēng)量開關(guān)、設(shè)置獨立風(fēng)機房和風(fēng)機雙電源供電等優(yōu)化設(shè)計，把高風(fēng)險失效的風(fēng)險等級降低到可接受的范圍內(nèi)。

（3）以FMECA法的風(fēng)險評估結(jié)果為基礎(chǔ)進行設(shè)計優(yōu)化，能有效地提高系統(tǒng)設(shè)計的可靠性，具有廣闊的應(yīng)用前景。