FPSO单点系泊系统失效数据库的设计与实现

贺 辙，孙丽萍，康济川，于 斌

(哈尔滨工程大学 船舶工程学院，哈尔滨 150001)

FPSO单点系泊系统失效数据库的设计与实现

贺 辙，孙丽萍，康济川，于 斌

(哈尔滨工程大学 船舶工程学院，哈尔滨 150001)

为方便海洋结构物风险评估相关人员对失效数据的提取，设计浮式生产储油装置(FPSO)系泊设备失效数据库，通过故障模式及影响分析方法(FMEA)总结该数据库的基本数据需求，建立失效数据库的概念结构模型，并在现有的国内外数据库资料基础上收集FPSO系泊系统设备的失效模式、失效机制及失效案例等一系列数据。

FPSO; 失效数据库; FMEA; 风险评估

目前大部分浮式生产储油装置(FPSO)的系泊系统属于单点系泊系统，单点系泊系统的特点是允许FPSO绕单点自由转动，从而可有效地减少风浪流的作用力，系泊线的尺度也相应地减小[1]。本文涉及的单点系泊系统类型是目前FPSO最常用的可解脱的内转塔系泊系统。确保海洋工程结构物系泊系统的结构安全的重要性不言而喻。对FPSO系泊系统进行风险分析可以有效降低故障发生率，减小经济损失，为了清楚分析故障模式及其影响，采用FMEA对FPSO内转塔系泊系统进行风险评估[2-5]。

要建立计算机化的系泊失效数据库系统，需要进行的前期工作就是数据库的搭建和处理，以满足后期分析时的数据需求。为此，进行系泊系统失效数据库的设计。

1 风险分析

1.1 故障模式及基本流程

影响分析方法(FMEA)分析流程见图1[6]。

图1 FMEA分析流程

1.2 系泊系统失效分析

FPSO可解脱式内转塔系泊系统主要由内转塔系统和锚泊系统组成，结构见图2、3。

对世界上部分FPSO系泊系统失效案例进行整理分析，得到以下结论。

图2 内转塔系统结构组成

图3 锚泊系统结构组成

1)FPSO 系泊系统失效的位置主要是在系泊系统各联接处、终端部位及导缆器等部位。当这些组成部分暴露于强风暴条件下，容易失效，并导致一根或多根系泊缆实效。

2)导致系泊系统失效的原因有：材料失效、过载、疲劳断裂、脆性断裂、腐蚀、磨损及台风极端天气。

结合已有的内转塔单点系泊失效案列数据和调研结果，总结出系泊系统部分失效模式见表1。

表1 系泊系统失效模式和分类

系泊失效原因往往是设计制造和安装过程中形成的各类缺陷所引起的。因此对于失效原因分析来说，除了需要系泊系统FMEA分析人员对系泊系统具有深入理解以外，缺陷分类也可以作为借鉴因素。

案例分析表明，锚链、锚缆的断裂、断丝以及过度磨损是单点系泊失效的主要原因。

针对部分失效原因从4个方面进行收集和分类，见表2～5。

1.3 系泊系统FMEA

FMEA小组将每一系统进一步划分为组件，对每组件可能出现的问题及影响因素即故障模式

表2 磨损问题

表3 疲劳问题

和影响因素，通过经验和数据讨论来确定故障模式的严重度、发生率、检测率的等级和评估标准，如表6～8所示。通过严重度、发生率以及检测率的乘积可以计算风险顺序数(nRPN)[7]。

表4 腐蚀问题

表5 其他原因

表6 严重度评估表

设备失效危害性分析的主要目的是找出那些对系统危害程度大、发生频率高，并且不容易被检测的设备失效模式。

表7 发生率评估表

表8 检测率评估表

通过系泊系统FMEA，可以确定FPSO单点系泊系统各种失效模式及可能的发生原因和影响。对每种失效模式加以分析，确定优先级，对危害性最大的设备失效优先处理，对危害性小甚至是不会对系统运行产生影响的设备失效推后处理，或者暂不处理。为了给出量化的标准，进而对软件失效模式的危害性进行排序，通常采用RPN方法进行设备失效模式的危害性分析(SCA)。设备失效模式的nRPN由设备失效模式的严重度等级、设备失效模式的发生率等级和设备失效模式的检测度等级的乘积计算得出，即

式中：S——设备失效模式的严重度等级；O——设备失效模式的发生率等级；D——设备失效模式的检测度等级。

发生率等级(O)是指在设备的寿命中某一特定失效原因/机理发生的可能性。描述发生概率级别数是重在其含义，而不是具体的数值。通过设计更改或设计过程更改来预防或控制该失效模式原因/机理是降低发生率级别数的唯一途径。

被检测难度等级(D)是给出了一个设备失效可以被检测的难易程度。失效只有能被识别才能进一步提出改进措施。为了取得较低的被检测难度等级，需要不断地改进设计。

将FPSO内转塔单点系泊系统可能出现的失效模式、原因及影响制成FMEA工作表，并以问卷调查的方式请专家学者、管理人员以及一线工作人员依据评估标准进行严重度、发生率和检测率评估，最终确定失效模式的风险顺序数。

2 失效数据库设计

2.1 数据的需求分析

根据前面FMEA风险定性分析以及案例事故分析可知，FPSO系泊系统失效数据库需要包括失效事件相关信息、失效海况、失效模式、失效原因、失效机制、严重度、故障发生概率等级、检测度、风险顺序数、维修工时、维修措施等数据，以下为用户对系泊系统失效数据库的需求分析[7-9]。

1)必须记录失效事件的基本信息，比如发生时间地点等。

2)需要记录各失效设备的失效信息。

3)用户的权限设置非常重要。

4)在添加信息时要记录添加日期和添加人。

20世纪80年代，有关政府批准三明钢铁厂将被誉为“南方周口店”的万寿岩史前遗址作为采矿点进行开山采矿。 习近平得知后对此立即批示：“万寿岩史前遗址是重要的文化遗产且不可再生，这个文化遗产不仅属于我们，同样属于我们的后代，为了谋取眼前的物质利益破坏文化遗产的任何行为都是不可取的，需立即停止。”并对万寿岩史前遗址采取保护措施，帮助三明钢铁厂重新选址以及决定由省财政拨款用于遗址发掘与保护。 经过习近平的努力，文化遗产保护和经济发展才能相协调，三明钢铁厂选取了新的采矿点，万寿岩史前遗址也在2013年被确定为国家考古遗址公园。

2.2 数据库概念设计

结合以上用户对失效数据库的需求和考虑将来在功能上作相应的扩展，设计了如图4所示的数据结构。

图4 FPSO系泊失效数据库系统ER实体联系图

2.3 数据库逻辑设计

逻辑设计的主要任务是把概念结构模式转换成相应的数据逻辑结构，将实体关系模型转换成关系数据库模式。数据库结构包括1个用户信息表、1个失效案例表、1个设备数据表、7个失效信息表、1个维修信息表和1个风险计算数据表。

3 系统的设计和实现

3.1 系统需求说明

1)需要设立系统管理员、高级用户、普通用户等。其中系统管理员的工作是对该数据库每一个用户进行管理，高级用户的工作是管理系统中各个模块的信息，普通用户指需要用到数据库中相关数据的工作研究人员。

2)管理人员可以对各个模块基本信息进行添加、编辑、查询和删除的操作。

3)自动将添加的数据保存到相应的表中。

4)可以根据关键字进行查询。

5)用户操作界面简单、美观。

6)所设计的系统在功能方面要有扩展性，以便将来添加新的功能。

3.2 系统的总体结构设计

根据以上系统需求分析，一个海洋工程失效数据库系统应该包括用户管理、失效案例管理、设备数据管理、失效信息管理及维修信息等功能。失效信息管理模块下又包含了失效模式、失效原因、失效后果、改进措施、危害性、失效频率和设备FMEA数据子模块。

3.3 数据库系统的实现

基于FPSO单点系泊系统风险辨识结果以及设备FMEA数据库，设计添加、维护和查询和删除数据的界面，以便进行数据的显示、查询和维护。FPSO单点系泊系统失效数据库的主界面主要包括失效案例管理、设备数据管理、失效信息管理、维修信息管理、风险计算数据管理及用户管理六大模块。各模块都设计了相应数据添加、编辑、查询和删除等基本功能。

在添加一系列数据后以查询设备FMEA数据为例，运用查询条件直接或间接查询设备FMEA时，可以根据提示的条件类型和所需要查询的内容输入关键字进行检索。

[1] 刘志刚,何炎平.FPSO转塔系泊系统的技术特征和发展趋势[J].中国海洋平台,2006,21(5):1-5.

[2] 张道坤.FPSO全生命周期结构风险研究[D].上海:上海交通大学,2007.

[3] 陈捷俊,周 莉.FPSO单点系泊系统风险与检验[J].石油工程建设,2014,40(4):24-28.

[4] 张圣坤,白 勇,唐文勇.船舶与海洋工程风险评估[M].北京:国防工业出版社,2003.

[5] 秦炳军,张圣坤.海洋工程风险评估的现状和发展[J].海洋工程,1998,16(1):14-19.

[6] 白 旭,孙丽萍. 基于FMEA和FTA的海洋结构物吊装运输过程风险分析[J].中国造船,2012,53(4):171-178.

[7] 谭耀模.FPSO单点系泊监测系统设计[J].船海工程,2014,43(5):25-27.

[8] 夏海波.海事调查数据库系统的设计及应用[J].上海:上海海运学院学报,2002,23(2):26-29.

[9] 周志逵,汪 涛,数据库理论与新技术[M].北京:北京理工大学出版社,2001.

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

国家工业和信息化部项目(G014614002)

贺 辙(1990-),男，硕士生

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