艦船設備系統的可靠性研究

王征 唐文俊 賈磊

（海裝駐廣州地區軍事代表局）

0 前言

為提高艦船交付后的安全性和可維修性隨著我國艦船大型化、多樣化的發展，遂行任務更加復雜，艦船自動化水平隨之提升，配置設備的技術難度越來越大。在首制船建造時采用了更多的新研制設備和系統，隨之帶來了更多的故障隱患，從如何提高首制船設備系統的可靠性成為當前我國艦船設計建造的最迫切要求，也是最終實現整船安全性、可靠性、維修性、保障性、測試性、環境適應性和擴展性的必然要求。以下是根據一起典型故障問題處理探討如何推進艦船首制船設備系統的可靠性。

1 某船全船失電引起異常擦碰問題

根據“墨菲定律”，即有可能發生的事情就會發生，隱藏的故障風險將會在不可判斷的時間爆發，一旦爆發將會造成不可估量的損失。

某船在一次進港過程中，由于工況需要側推，當時1號、2號和5號發電機并網在線，3號、4號、6號發電機備用。當側推啟動時，1號發電機組內部短路故障報警停機，幾乎同時2號發電機組也出現內部短路故障停機，其后極短時間內5號發電機組外部短路故障，出現短延時停機，此時在網的3臺發電機組停機，造成全船失電，舵機和主機油泵失電，導致某船失去動力和舵效，最終造成船體擦碰事故。該船電網的可靠性受到質疑。

2 本船電力系統失電故障排查

為保證全船電網的安全和環保節能，本船電力系統設計時根據實際使用工況配備發電機聯網臺數，并采取分區供電模式。在分區供電模式下前、后電站至少均有2臺發電機組在網，當單臺發電機或者單個電站發生故障時，最多會造成部分重要設備臨時失電（備用電源5秒內自動切換后需要人工重新起動相關設備）和非重要設備自動脫扣斷電，但不影響全船動力系統等重要設備的使用，理論上該船的電網系統框架可以保證船舶的供電安全。

通過進一步對設備系統的功能排查，發現隱患如下：

（1）電網系統設計時雖然考慮了正常使用時的過載卸載功能，但忽視了某些異常環境下（如側推裝置被異物卡死等），部分大功率設備的起動電流會超過電站設計時的安全保護值，觸發設備誤報警乃至誤動作的風險，沒有采取有效手段進行負載切斷，導致故障擴大，直至造成全網失電。只有設計更加深入的考慮，才能確保設備系統的可靠性。

（2）船上雖然配備了6臺主發電機組，但電站設計時存在隱患。隱患是在網的最后一臺發電機因故障停機掉網以后，備用發電機不能自動起動、并網并恢復供電，而是需要手動起動發電機，理論上存在較長時間全船故障失電風險。雖然這是常規保護設備安全設計，但為了更好的可靠性，此方式值得商榷。

（3）雖然有分區供電模式，但是在設計說明中并沒有提供某些特殊工況（如進出港工況、補給工況時電站具體運行模式）的操作說明，使用部隊實際使用時缺少操作指導書。此問題說明，要提高設備系統的可靠性，操作說明、人員培訓等缺一不可。

3 如何提高首制船設備系統的可靠性

3.1 全面性設計提高設備系統的可靠性

首制船的設計要根據該新船型的使命任務，充分考慮完成使命任務所需要的條件；同時考慮隨著技術的進步和發展具有擴展的空間。設計方案規定了新船型的使命任務，并把使命任務分解到各任務系統，同時確定了承載任務系統的船體平臺。首制船設計的全面性主要體現在以下幾個方面：

（1）各任務系統的可達性。充分研究各任務系統并進行分解，尋求解決方案，最終實現各任務系統功能，需要考慮的是設計方案的各指標、參數的實現和考核，特別是邊界條件的考核。

（2）任務系統要考慮環境適應性。各任務系統不僅能在一般條件下正常工作，還能滿足設計指標范圍內的外部環境和條件，例如環境溫度、高濕高鹽且多變的海洋環境、艦船在各設計海況和工況下的振動以及必要的抗機械損害等。

（3）工作平臺的可靠性。這里的工作平臺是指艦船的船體結構、舾裝管系、電站和必要的支撐艦船運行的控制系統等，若工作平臺在某些設計的工況下不能正常運轉，搭載的任務系統就失去了支撐。工作平臺在設計工況下的可靠性直接關系到任務是否能正常的進行，例如上述船出現全船失電，并造成了擦碰，直接導致該船失去執行任務的能力。

（4）必須有必要的設計冗余，即設計既要滿足當前完成使命的要求，又要要考慮隨著技術發展存在任務系統擴展的可能。一般情況下，由于受當前技術能力、工藝水平的限制，在首制船設計時只能根據現有條件進行任務系統的可完成性設計，隨著后期的任務需要，應該在設計之初對任務擴展能力留下預留空間和冗余量。

3.2 故障隱患前瞻性研究提高設備系統的可靠性

系統、設備故障的發生不一定能在系泊航行期間出現，甚至有時在整個服役期間也不會發生，但是只要發生故障的極端條件出現，就有可能發生意想不到的結果，輕則影響影響系統的運行，重則影響艦船的安全。因此，故障隱患的前瞻性研究尤為必要。故障隱患的前瞻性研究可從以下幾個方面進行。

（1）單個系統或設備的選用應該充分考慮系統或設備的可靠性。根據各系統和設備的使用條件和作用范圍的不同，制定相應的可靠性指標并予以驗證；同時要考慮系統或設備的兼容性，以保證在聯調時各系統或設備的協調統一。

（2）應該進行反向故障樹排查。即充分考慮各種故障發生后會造成什么樣的后果，并根據后果的可接受性，制定必要的預防整改措施。具體可以參照對船舶動力定位系統進行FMEA測試（故障模式模擬分析），盡量做到對可能發生的故障準備好解決預案。

（3）對重要系統和故障災害性較大的系統設計時要考慮充分必要的冗余。例如對重要系統配置必要的監測并采取雙路供電等措施，在故障發生前有報警提醒，故障發生后也不影響該船的主要功能。

3.3 充分性試驗保證了設備系統的可靠性

設計指標的實現與否要通過試驗來驗證，只有充分地試驗驗證才能保證試驗的有效性。在編制試驗大綱和試驗冊時，要針對不同的試驗項目和使用的工況，提出對應的試驗方法和預期達到的試驗結果。為保證試驗的充分性和驗證的有效性，要重點檢查試驗條件是否能充分覆蓋使用工況，試驗內容是否已充分考慮了試驗邊界條件，試驗方法是否能充分模擬實際工作狀態，試驗人員是否能按照試驗要求進行充分試驗，對于首制船尤其重要。只有通過一整套完整、充分的試驗，才能保證試驗驗證的有效性，進而保證艦船交付后的安全有效的運營。

3.4 專項試驗確保大型復雜項目的可靠性

由于船廠試驗設備和調試人員的條件限制，某些大型復雜試驗項目無法在船廠開展，需要在首制船交付后組織專項試驗驗證。專項試驗會針對該項目制定專有的試驗大綱和試驗冊，由專業的試驗團隊進行試驗組織和專項驗收，首制船只有完成了該型船的所有專項試驗驗收，才能完工交付。

4 結束語

通過一起典型故障問題的研究，從全面性設計、故障隱患的前瞻性研究、充分性試驗、專項試驗等方法來提高首制船設備系統的可靠性，最終實現整船的安全性、可靠性、維修性、保障性、測試性、環境適應性和擴展性。