船舶管路防腐防漏设计FMECA研究

曹 博

船舶管路防腐防漏设计FMECA研究

曹 博

（海军装备部，武汉 430000）

在充分理解船舶管路设计流程与要求的基础上，本文基于故障模式、影响及危害度分析（FMECA）方法，明确管路腐蚀与泄露故障模式的严酷度等级、发生概率与可探测度，确定重大风险点与关键重要工序，最终通过提出与落实改进措施控制其风险优先数（RPN），为某重点型号船舶产品的管路防腐与防漏设计提供参照与依据。

FMECA 风险优先数 管路设计 防腐防漏

船厂目前承担的某重点型号产品未来将在南海相对高盐、高湿度的恶劣环境中服役，导致防腐防漏成为目前管路设计中重点参考的指标与要素。管路一旦出现腐蚀与泄露，将严重影响设备的正常运行与船舶的安全。本文基于故障模式影响和危害度分析（FMECA）方法，聚焦某重点型号产品中的管路设计环节，系统分析设计过程中所有可能的工艺故障模式、原因与影响，并通过严酷度等级、发生概率等级与可探测度等级计算风险优先数（RPN），发掘管路设计中的薄弱环节或重大风险点，采取相应的工艺措施与控制手段，降低管路腐蚀与泄露风险，最终提升管路设计环节的质量与可靠性。

本文中涉及的FMECA方法属于过程FMECA方法，旨在生产阶段工艺可行性分析与生产工装准备之前，针对各层次产品在假定设计满足要求的前提下，对零部件到系统加工安装过程中每个工艺步骤可能发生的故障模式、原因及其对产品本身造成的所有影响，按故障模式的风险优先数（Risk Priority Number，RPN）值的大小进行排序，对工艺薄弱环节制定改进措施，并预测或跟踪采取改进措施后减少RPN值的有效性，直至RPN值达到可接受的水平，进而提高各层次产品的质量和可靠性，这其实是一个动态的、反复迭代分析的过程。

船舶各层次产品FMECA的技术流程如图1所示，其中最主要的技术流程是RPN分析，其将定性分析得到的故障模式量化为具体的数值RPN值。RPN分析具体方法如下：

图1 FMECA技术流程图

首先得到故障模式的严酷度等级（S）、发生概率等级（O）与可探测度等级（D）。其中，严酷度等级是指各层次产品在加工、装配过程中某个工序故障模式影响的最严重程度；
发生概率等级是指其工序中故障模式发生的可能性；
可探测度等级是描述其工序中故障模式被探测出的可能性。然后将严酷度等级(S) 、发生概率等级(O)和可探测度等级(D)三者相乘，得到故障模式的RPN值，即：

RPN = S×O×D (1)

RPN是对工艺潜在故障模式风险等级的评价，它反映了对工艺故障模式发生的可能性及其后果严重性的综合度量。

给出FMECA方法技术流程后，需明确船舶管路防腐防漏的工艺流程、输入参数与输出结果，从而进一步确定船舶管路零部件特性与工艺关系，为开展后续FMECA研究做准备。

船舶管路防腐防漏设计的工艺流程表见表1，初步可见零部件特性与工艺关系如下：（1）耐压度：压力与温度设计；
（2）耐温度：压力与温度设计；
（3）密封性：压力与温度设计、腐蚀余量设计、流速设计、管材与焊材设计、环境适应性设计、电化学腐蚀设计、焊接工艺设计、管路防护工艺设计、管路连接设计；
（4）腐蚀性：腐蚀余量设计、管材与焊材设计、环境适应性设计、电化学腐蚀设计、焊接工艺设计、管路防护工艺设计；
（5）振动量：流速设计、管路安装工艺设计；
（6）加工结果：管路加工工艺设计；
（7）安装结果：管路加工工艺设计、管路布置设计；
（8）变形度：管路安装工艺设计。

表1 管路防腐防漏设计工艺流程表

表2 管路防腐防漏设计故障模式、原因与影响分析表

3.1 故障模式、原因与影响分析

在明确船舶管路防腐防漏设计流程及其相关零部件特性后，本文进一步定性分析管路防腐防漏设计的故障模式、原因与影响。其中故障模式是指不能满足管路设计中防腐防漏要求的工艺缺陷。它可能是引起下一道工序故障的原因，也可能是上一道工序故障的结果。故障原因是指与故障模式相对应的工艺缺陷为何发生。故障影响是指与故障模式相对应的工艺缺陷对后续工序、组件/装备和最终使用者的影响。总结船舶管路防腐防漏设计的典型故障模式，对其故障原因影响进行分析，结果见表2。

3.2 RPN分析

如前文中FMECA方法技术流程所述，本节将船舶管路的故障模式通过严酷度等级（S）、发生概率等级（O）与可探测度等级（D）评分后计算RPN值。

表3 管路防腐防漏设计风险优先数（RPN）分析表

其中，故障模式的严酷度等级（S）评分准则如下：1）当船舶管路多处发生断裂，导致相关设备或系统无法工作，最终可能引发人员伤亡时，判定故障模式的影响等级为灾难级，其严酷度等级评分为10分或9分；
2）当船舶管路发生较大泄露，导致相关设备或系统无法正常工作，最终影响船舶正常服役时，判定故障模式的影响等级为严重级，其严酷度等级评分为8分或7分；
3）当船舶管路发生泄露现象，导致相关设备与系统工作性能降低时，判定故障模式的影响等级为中等级，其严酷度等级评分为6分、5分或4分；
4）当船舶管路发生渗漏现象，仅仅影响相关设备与系统美观时，其严酷度等级评分为3分、2分或1分。

故障模式的发生概率等级（O）评分准则如下：1）当船舶管路故障模式持续发生，发生的可能性很高时，判定故障模式的发生概率等级为10分或9分；
2）当船舶管路故障模式经常发生，发生的可能性高时，判定故障模式的发生概率等级为8分或7分；
3）当船舶管路故障模式偶尔发生，发生的可能性中等时，判定故障模式的发生概率等级为6分、5分或4分；
4）当船舶管路故障模式很少发生，发生的可能性低时，判定故障模式的发生概率等级为3分或2分；
5）当船舶管路故障模式不大可能发生，发生的可能性极低时，判定故障模式的发生概率等级为1分。

故障模式的被检测难度等级（D）评分准则如下：通过现行检查方法无法检测出故障模式时，被检测难度等级判定为10分，几乎不可能检测出故障模式时，判定为9分，以此类推，当现行检查方法肯定可以检测出故障模式时，判定为1分。可见评分与被检测难度成正比，且一般通过人工检查方式可检测出故障模式的评分区间为6-10分，通过量具测量方式可检测出故障模式的评分区间为2-6分，通过防错措施方式检测出故障模式的评分区间为1-4分。

根据RPN判定风险级别与类别进一步给出该风险的接受方式与处置方式定义为风险接受准则：1）A类风险：即最大风险级别，其RPN值大于或等于20，属于不可接受风险；
2）B类风险：即高风险级别，其RPN值大于或等于15，且小于20，属于不可接受风险；
3）C类风险：即中等风险级别，其RPN值大于或等于10，且小于15，属于不可接受风险；
4）D类风险：即低风险级别，其RPN值大于或等于4，且小于10，属于可接受风险；
5）E类风险：即最小风险级别，其RPN值小于4，属于可接受风险。其中，属于A类风险的工序，严酷度等级、发生概率与被检测难度一般均很高，风险优先数排序最高，定义为不可接受风险，确定为关键工序；
属于 B类与C类风险的工序，严酷度等级与发生概率一般较高，风险优先数其次，也定义为不可接受风险，确定为重要工序。并且关键工序与重要工序均属于重大风险点。

在计算出管路防腐防漏设计各工序的RPN值并进行RPN分析后，需提出相应的改进措施使其RPN值降至可接受范围内。其中改进措施是基于降低故障模式的严酷度、发生概率和被检测难度的任何技术或管理措施，以控制与避免各种故障模式的产生。在制定改进措施后，应预测或跟踪改进措施的落实结果与实施有效性，计算实施改进措施后的RPN值是否满足可接受水平。若不满足要求，需按上述步骤反复进行，直到RPN值满足可接受水平为止。管路防腐防漏设计的RPN分析结果见表3。

3.3 重大风险点与关键重要工序分析

根据管路防腐防漏设计RPN分析结果，工序3“流速设计”、工序6“电化学腐蚀设计”、工序7“焊接工艺设计”、工序9“加工工艺设计”、工序10“布置设计”与工序11“安装工艺设计”属于A类风险，且工序9“加工工艺设计”与工序6“电化学腐蚀设计”RPN值最高；
工序8“管路防护工艺设计”属于B类风险；
工序2“腐蚀余量设计”、工序4“管材焊材设计”、工序5“环境适应性设计”与工序12“连接设计”属于C类风险。以上11项工序的RPN值均大于可接受范围，为不可接受风险，均属于重大风险点。可见船舶管路防腐防漏设计中的重大风险率高达91.67%。

RPN分析结果除发掘管路防腐防漏设计中的重大风险点外，还能进一步界定设计过程中的关键与重要工序。其中工序3“流速设计”、工序6“电化学腐蚀设计”、工序7“焊接工艺设计”、工序9“加工工艺设计”、工序10“布置设计”与工序11“安装工艺设计”这6个工序故障模式对应的RPN值大于（或等于）20，属于关键工序；
而工序2“腐蚀余量设计”、工序4“管材焊材设计”、工序5“环境适应性设计”、工序8“管路防护工艺设计”与工序12“连接设计”这5个工序故障模式对应RPN值大于（或等于）10且小于20，属于重要工序。可见船舶管路防腐防漏设计中的关键工序占50%，而重要工序占41.67%。

对于管路防腐防漏设计中的关键工序，本文建议主要采取编制相关工艺文件的方式大幅降低故障模式的发生概率等级，最终使RPN值降至可接受范围内；
对于其重要工序，本文建议主要采取评审相关工艺过程或核算相关物理参数的方式有效降低故障模式的可探测度等级，最终使RPN值降至可接受范围内。

本文基于某重点型号产品的管路防腐防漏设计对FMECA的具体工作方法与实际操作进行了针对性说明，发掘了管路防腐防漏设计中的薄弱环节或重大风险点，界定了关键与重要工序。通过采取编制、评审相关工艺文件与核算相关物理参数的方式，提升船舶管路防腐防漏设计的质量与可靠性。船厂应进一步深化FMECA工作方法，同时将现阶段的研究成果有效应用于更多型号船舶产品的管路防腐防漏设计工作中。

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Research on marine pipeline anti-corrosion and anti-leak design based on FMECA

Cao Bo

( Naval Armament Department, Wuhan 430000, China)

U664

A

1003-4862（2022）09-0069-05

2022-03-15

曹博（1979-），男，研究方向：船舶系统工程。E-mail: cb625yh121@163.com