Stosowanie analizy możliwych błędów i ich skutków (FMEA) na statkach z systemami dynamicznego pozycjonowania

Transkrypt

1 HERDZIK Jerzy 1 Stosowanie analizy możliwych błędów i ich skutków (FMEA) na statkach z systemami dynamicznego pozycjonowania WSTĘP Przeprowadzenie analizy możliwych błędów i ich skutków (FMEA failure mode and effect analysis) i uzyskanie pozytywnych wniosków, odnośnie poprawnej konfiguracji i działania określonych systemów, jest konieczne dla statków, które chcą uzyskać klasy dynamicznego pozycjonowania DP2 lub DP3. Statki z systemami dynamicznego pozycjonowania mają zapewnić utrzymywanie założonego kursu i prędkości lub pozycji i zorientowania jednostki z użyciem układów napędowych pracujących w dopuszczalnych reżimach pracy. Zwyczajowo analizie FMEA podlegają następujące systemy [1,2,3,4,5,6]: wytwarzania energii; urządzeń pomocniczych siłowni; kontroli i automatyki dynamicznego pozycjonowania DP; zarządzania mocą lub energią; napędowe wraz z pędnikami; dystrybucji (rozsyłu) energii. Schemat ideowy ww. systemów okrętowych podlegających przeglądowi i analizie przedstawiono na rys.1. Rys.1. Schemat ideowy systemów podlegających analizie FMEA [13] 1 Dr inż. Jerzy Herdzik prof. nadzw. AM, Katedra Siłowni Okrętowych, Akademia Morska w Gdyni, georgher@am.gdynia.pl 1792

2 Oprócz uzyskania dokumentów potwierdzających uzyskanie przez statek klasy dynamicznego pozycjonowania, która jest niezbędna, aby statek mógł wykonywać określone prace na rynku offshorowym, przeprowadzenie analizy możliwych błędów i ich skutków przynosi dla statku (armatora) szereg dodatkowych korzyści m.in. [3,8]: zmniejszenie ryzyka awarii lub niesprawności systemów DP; wsparcie dla biura projektowego i stoczni, aby uniknąć w fazie projektowania słabych punktów lub niewłaściwych rozwiązań; przeprowadzona jest dodatkowa niezależna analiza projektowa, niezależnie od działań biura projektowego i stoczni; oszczędność czasu i pieniędzy poprzez określenie danych wejściowych (wymagań odnośnie projektu) na etapie wstępnym projektowania; przygotowanie dokumentacji uwzględniającej wszystkie propozycje rozwiązań poszczególnych systemów; analiza FMEA sprzyja jakości narzędzi projektowania poprzez identyfikację i znalezienie słabych punktów projektu; raport z analizy FMEA jest kompletnym dokumentem zawierającym wszystkie potrzebne rysunki oraz opisy projektu; raport z analizy FMEA jest zalecanym (koniecznym) dokumentem dla czarterujących statki tego typu; raport z analizy FMEA jest podstawą do dalszych usprawnień, korekt i zmian. 1. ZASADY ANALIZY FMEA DLA STATKÓW Z SYSTEMAMI DP System redundancyjny podlegający analizie FMEA musi zawierać jako minimum następujące elementy [3]: ogólne informacje o statku; określenie warunków (kryteriów) akceptacji klasy DP; specyfikacja ogólnych granic systemu podlegających ocenie FMEA; założenia nadmiarowości (redundancji) projektu, założenia najgorszego przypadku błędu (niesprawności), wymagania czasowe oraz stany eksploatacyjne statku; specyfikacje wszystkich elementów nadmiarowych i grup pojedynczych elementów zawartych w ogólnych granicach systemu podlegających ocenie FMEA, nazwy powiązanych systemów, głównych elementów, przedziałów wodoszczelnych oraz innych głównych funkcji mających związek z systemem wraz z ich strukturą i powiązaniami oraz opisem tekstowym; specyfikację wszystkich założeń mających związek z połączeniami (interfaces) systemu i zależnościami z systemami zewnętrznymi; analizy pojedynczych błędów (niesprawności) i zwykłych przypadków (sytuacji) w systemie (unit - U) i na poziomach niższych (podsystemach); jeśli dotyczy, założenia projektowe i opisy instalacji grup redundancyjnych umieszczonych w oddzielnych przedziałach (w tym wodoszczelnych) na wypadek pożaru, zalania itp., dotyczy również torów kablowych, linii komunikacyjnych i wyposażenia towarzyszącego; program testowy identyfikujący i weryfikujący założenia oraz pozwalający na wyciągnięcie wniosków; podsumowanie oraz wnioski końcowe: każdego analizowanego podsystemu wraz z wnioskami, ocenę ogólną systemu ze wskazaniem słabych punktów oraz ewentualnych błędów wymagających zmian w projekcie; dokument zgodności określający ogólne granice analizowanego systemu, stany eksploatacyjne, testy weryfikacyjne i akceptację kryterium wymagań czasowych winny być zawarte w dokumencie końcowym analizy FMEA. Ideę systemów nadmiarowych (redundancyjnych) przedstawiono na rys.2. Dzięki połączeniom między systemami możliwa jest praca niezależna: układ energetyczno-napędowy nr 1 z GTR1 oraz układ energetyczno-napędowy nr 2 z GTR2 zapewniający spełnienie założonych wymagań (np. klasy 1793

3 DP). W przypadku częściowej niesprawności możliwe jest jej ominięcie i poprawna praca pozostałych elementów. Rys.2. Idea układów redundancyjnych (nadmiarowych) W obiekcie rzeczywistym (statek) ideę układów redundancyjnych przedstawiono na rys.3. Z lewej strony rysunku przedstawiono położenie pędników w kadłubie statku, po środku zdublowane układy napędowe zapewniające zdolność pozycjonowania statku, które są dla siebie wzajemnie układami redundancyjnymi oraz po prawej stronie drzewo niesprawności, które prowadzi do utraty pozycji i/lub kursu statku. Rys.3. Układ grup redundancyjnych pędników: umieszczenie w kadłubie statku, schemat ideowy oraz drzewo błędów z podziałem na przypadki niesprawności od systemów określania pozycji statku i napędowych [3] Przedstawiony układ jest najbardziej prostym z możliwych. Zwiększenie liczby pędników i rozbudowa głównych tablic rozdzielczych daje większe możliwości manewru utrzymania klasy DP mimo wielokrotnej niesprawności [9,11]. Na rys.4 przedstawiono układ podobny do rys.3 dokładając piąty pędnik umiejscowiony centralnie w osi głównej statku, który może wspomagać pozycjonowanie dla układów napędowych rozważanych powyżej. Piąty pędnik pracuje niezależnie, może być zasilany z obu tablic rozdzielczych. Elektrownia okrętowa składa się z pięciu zespołów prądotwórczych zasilających swoje tablice rozdzielcze, które mogą być rozłączone lub połączone umożliwiając przesył energii np. z zespołów prądotwórczych z lewej burty poprzez połączone tablice rozdzielcze do pędników umiejscowionych po prawej burcie. 1794

4 Rys.4. Układ napędowy statku z 5 pędnikami [3] Z formalnego punktu widzenia można rozróżnić dwa stany eksploatacji systemów DP statku, przedstawiono je w tab.1. Tab.1. Stany eksploatacji systemów DP statku z układem energetyczno-napędowym z rys.4 [na podstawie 3] Stan eksploatacji 1 Stan redundancji systemu DP Normalny, przed wystąpieniem (T1A i T3A) i (T2B i T4B i T5) Aktywna redundancja niesprawności Po wystąpieniu pojedynczej niesprawności Stan eksploatacji 2 Normalny, przed wystąpieniem niesprawności Po wystąpieniu pojedynczej niesprawności (T1A i T3A) albo (T2B i T4B i T5) Możliwość utrzymania pozycji statku bez redundancji (T1A i T3A i T5) i (T2B i T4B) Aktywna redundancja (T1A i T3A i T5) albo (T2B i T4B) Możliwość utrzymania pozycji statku bez redundancji Bardziej szczegółowy układ przepływu energii od zespołów prądotwórczych poprzez tablice rozdzielcze do pędników zobrazowano na rys.5. Został przygotowany do spełnienia wymagań klasy dynamicznego pozycjonowania DP2. W układzie rozłącznym tablic rozdzielczych pędnik nr 5 (T5) zasilany jest z obu szyn tablic obciążając je proporcjonalnie. W przypadku połączenia szyn tablic rozdzielczych, prądnice wszystkich zespołów prądotwórczych pracują równolegle na wspólną sieć. W rezultacie z szyn pobierana jest sumaryczna moc wszystkich pędników. Przedstawiony przykład obrazuje połączenia funkcjonalne systemu energetyczno-napędowego w jednej z prostszych wersji. Dla klas dynamicznego pozycjonowania DP3 układy te są znacznie bardziej rozbudowane [1,2,6]. Analizie FMEA podlega również system określania pozycji statku, jego zorientowania względem stron świata lub jednostki, którą obsługuje oraz system pomiaru wymuszeń działających na kadłub statku (prędkość i kierunek siły wiatru, prędkość i kierunek prądów i/lub pływów, wysokość fal i ogólnie parametry falowania itp.). Poprawna praca wszystkich systemów biorących udział w pozycjonowaniu dynamicznym statku poprawnie zaprojektowanego i zbudowanego, pozwala na osiągnięcie poziomu, który zapewni możliwość spełnienia wszystkich wymagań nakładanych przez towarzystwa klasyfikacyjne (i Międzynarodową Organizację Morską - IMO) odnośnie nadawanej klasie dynamicznego pozycjonowania [4,10]. 1795

5 Rys.5. Przykład systemu spełniającego wymagania klasy dynamicznego pozycjonowania DP2 [3], SWBA (switchboard A) tablica rozdzielcza A, SWBX łącznik tablic rozdzielczych A i B 2. PRZYKŁADY STOSOWANIA ANALIZY FMEA DLA STATKÓW Z SYSTEMAMI DP Analiza konsekwencji niesprawności (błędu) każdego podsystemu winna zawierać odpowiedzi na następujące pytania: czy jakikolwiek pojedynczy błąd (niesprawność) może spowodować stan niespełniający wymagań odpowiedniej klasy systemu DP? czy wnioski z analizy mogą być zweryfikowane odpowiednim testem? Wskaż ten test. jeśli nie ma możliwości przeprowadzenia testu, czy zachodzi potrzeba dalszej weryfikacji funkcjonalności systemu lub zastosowania innych metod kompensacji? czy zachodzi potrzeba dalszych analiz wewnątrz systemu? Wskaż pojedynczy lub redundancyjny podsystem. Ogólnie, wnioski z teoretycznej analizy winny być weryfikowane przy pomocy wskazanego testu. Jeśli testowanie jest niemożliwe lub nierozważane, takie stwierdzenie powinny być uzasadnione w analizie FMEA dostatecznymi wnioskami (dowód, dane eksperymentalne itp.) [3,7]. Wyniki analizy FMEA wszystkich podsystemów winny być zebrane i przedstawione jako wyniki całości. System przedstawiony w FMEA winien zawierać pełny (zupełny) układ powiązań jego systemów i komponentów. Winien odnosić się do kryterium uznania z wymaganiami czasowymi i wskazać rozstrzygnięcia zgodności, spełnienia kryteriów. Schemat blokowy kolejności działań (czynności) wykonywanych w trakcie analizy możliwych błędów i ich skutków (FMEA) lub analizy możliwych błędów i oceny poziomów krytyczności (FMECA) przedstawiono na rys

6 Rys.6. Schemat blokowy czynności w analizie FMEA [opracowano na podstawie 12] Określono cztery poziomy krytyczności niesprawności (błędów) (tab.2). Jest to podział umowny. Jeśli w analizie FMEA wykryje się niesprawności (błędy) o poziomie stanów krytycznych klasy 3 i 4 (katastrofalny i krytyczny), to konieczne jest wskazanie i podjęcie działań przeciwdziałających wystąpieniu tej niesprawności lub zmniejszających jej skutki. W przypadku wykrycia poziomów stanów krytycznych klasy 1 i 2 (marginalny i o mniejszym znaczeniu) wskazane jest przekazanie sugestii, propozycji usuwających te niesprawności lub zmniejszających ich skutki. Należy ocenić prawdopodobieństwo wystąpienia takiej niesprawności. W przypadku wysokiego prawdopodobieństwa należy wskazać środki zaradcze. Podjęcie działań zależy od decyzji zarządzającego systemem podlegającym analizie FMEA. 1797

7 Tab.1. Poziomy stanów krytycznych w ocenie niesprawności błędów podczas analizy FMEA lub FMECA [1,2,3,12] Klasa Poziom stanów Konsekwencje dla użytkownika i środowiska krytycznych 4 katastrofalny Niesprawność, która może spowodować błąd w funkcjach pierwotnych (utrata możliwości dynamicznego pozycjonowania) i być przyczyną poważnych uszkodzeń w badanym systemie lub szkód dla środowiska 3 krytyczny Niesprawność, która może spowodować błąd w funkcjach pierwotnych (utrata możliwości dynamicznego pozycjonowania) i być przyczyną znacznych uszkodzeń w badanym systemie lub szkód dla środowiska. Takie niesprawności prowadzą zwykle do szkód lub obrażeń ciała (bez utraty życia). 2 marginalny Niesprawność, która może spowodować ograniczenia w funkcjonalności systemu, bez znacznych uszkodzeń w badanym systemie lub szkód dla środowiska. 1 o mniejszym znaczeniu Niesprawność, która może spowodować ograniczenia w funkcjonalności systemu, bez znacznych uszkodzeń w badanym systemie lub szkód dla środowiska. Bez konsekwencji dla użytkownika i środowiska. WNIOSKI Analiza możliwych błędów i ich skutków (FMEA) znalazła powszechne zastosowanie do oceny systemów dynamicznego pozycjonowania statków dla klas DP2 i DP3. Przeprowadzana jest począwszy od projektu poprzez próby zdawczo-odbiorcze, aż po kolejne potwierdzenia klasy. Towarzystwa klasyfikacyjne opracowały przepisy, które pozwalają na stworzenie procedur, na bazie których przeprowadza się testy sprawdzające. Opracowane procedury, dla konkretnego statku, są tak szczegółowe [7], że ułatwiają później załodze statku poprzez określone stany alarmowe (informujące o skutkach) znalezienie przyczyny niesprawności. Możliwości wykrycia niepoprawnej pracy elementów systemu dynamicznego pozycjonowania dają szansę na wyłączenie tego elementu z systemu DP, zachowując często możliwości jego dalszej pracy bez redundancji lub z ograniczeniami. Dzięki diagnozie oceny poprawności działania systemów DP, operator tych systemów ma narzędzie ułatwiające mu podejmowanie bezpiecznych (poprawnych) decyzji, przywoła go w stanie zagrożeń systemu, poinformuje o aktualnym stanie oraz w niektórych przypadkach zaproponuje środki zaradcze. Streszczenie Analiza możliwych błędów i ich skutków (FMEA) umożliwia spełnienie jej misji znalezienia i identyfikacji niesprawności (błędów), które mogą mieć negatywny na system dynamicznego pozycjonowania statku jako całości oraz zagrażać operatorowi systemu DP i bezpieczeństwu statku. Jej implementacja może spełnić wymagania kontraktu i zamawiającego poprzez analizę wszystkich stopni od procesu projektowania do eksploatacji statku. Możliwa jest podniesienie niezawodności i bezpieczeństwa systemów DP poprzez dalsze modyfikacje, procedury zapewniające jakość, zwiększenie odporności systemu na niesprawności itp. Przedstawiono sposoby informowania operatora DPO o wykryciu podejrzenia niesprawności w konkretnym pędniku oraz wskazano na sposoby reagowania w zaistniałych sytuacjach. W przypadku niesprawności i wyłączenia z pracy jednego z pędników, należy dokonać oceny możliwości dalszej bezpiecznej pracy systemów DP. W przypadku wystąpienia niesprawności należy rozważyć pracę systemów DP na ograniczeniach. Przeprowadzenie FMEA pozwala to na usunięcie większości błędów w systemach dynamicznego pozycjonowania. Podano, że bezpieczna eksploatacja statków z systemami dynamicznego pozycjonowania jest zależna od poprawnie i dogłębnie przeprowadzonej analizy FMEA. Słowa kluczowe: FMEA, analiza błędów, statek, dynamiczne pozycjonowanie, system DP 1798

8 Application the failure mode and effect analysis (FMEA) on dynamic positioning vessels Abstract FMEA and FMECA analysis has fulfilled its mission to find and identify failures (faults) which have a negative impact on the vessel DP system as a whole and threaten the DP operator and vessel safety. Its implementation can meet all the contract obligations towards the contractor through the analysis of all steps from designing process to vessel operation. There is a possibility of improving reliability and safety of the DP system due to next modifications, quality ensuring procedures, improving system sustainability etc. It was submitted the ways of providing information to dynamic positioning operator DPO about detecting of suspicion of failure in specific thruster and shown the ways of response in such situations. In the case of failure and shut down one of working thrusters it must be done the possibility assessment of continuation of DP system safe operation. If any fault is occurred it ought to be consider the work of DP system on limitations. The failure mode and effect analysis (FMEA) allows the elimination of majority of faults in the DP systems. It was communicated that the safe operation of vessels with DP systems are dependent on the properly and detailed carrying out the analysis based on FMEA. Keywords: FMEA, fault analysis, vessel, dynamic positioning, DP system BIBLIOGRAFIA 1. Dynamic Positioning Systems Operation Guidance, Recommended Practice DNV-RP-E307, DNV Guide for Dynamic Positioning Systems, ABS, Failure Mode and Effect Analysis (FMEA) of Redundant Systems, DNV, International Guidelines for The Safe Operation of Dynamically Positioned Offshore Supply Vessels, IMCA, Rules for Classification and Construction Ship Technology, 15, Dynamic Positioning Systems, Germanischer Lloyd, A Guide to DP Electrical Power and Control Systems, IMCA M206, Global 1200 DP2 FMEA, Noble Denton Marine, Inc., Herdzik J., Possibilities of improving safety and reliability of ship propulsion system during DP operation, Journal of KONES, WARSAW ISSN Vol. 19 No. 2. pages Herdzik J., Verifications of Thrusters Number and Orientation In Ship s Dynamic Positioning Systems, Navigation and Safety of Sea Transportation, Maritime Transport & Shipping, ISBN , Herdzik J., Raportowanie i analiza raportów zdarzeń wypadkowych ze statków z systemami dynamicznego pozycjonowania, Logistyka nr 6/2013, ISSN Herdzik J., Aspekty niezawodności systemów dynamicznego pozycjonowania statków, Logistyka nr 6/2014, ISSN , str Reljić M. i inni, Dynamic Positioning of Offshore Anchor Handling Tug Supply (AHTS) Vessels (UT 788 CD Project), ISSN X, Brodogradnja/Shipbuilding, Chorwacja, 65 (1)