陈建良 袁 对

目前，全球航运业仍在低位徘徊，有效控制船舶的运营成本对广大船东来说至关重要。航行于全球各航线的商船，除了在对环境控制有严格要求的区域以外，基本都以劣质燃料油作为船舶燃料。由于劣质燃油在提炼过程中残留了大量的固体颗粒和催化剂残留物，其预处理的质量往往直接影响柴油机等设备的运行稳定性。

目前，分油机作为燃油、滑油等油料的预处理净化设备，在船舶上广泛使用。其中又以ALPHA LAVAL、WESTFALIA、三菱等品牌为主流产品，其结构和性能各有特点。由于分油机的系统庞大复杂，工作条件恶劣，其故障率相对比较高。传统上轮机管理人员往往依赖个人的管理经验进行故障诊断，既耗时又费力，而且准确性差，严重影响船舶动力装置的安全运行。

一、故障树分析法简介

故障树分析法（Fault Tree Analysis，FTA）是目前在系统可靠性分析、评估和故障诊断领域应用最重要的逻辑和概率技术之一。[1]

所谓故障树分析法是一种基于图形演绎的故障分析方法[1]。它从顶事件开始，系统性地向下发展，逐级确定造成系统故障的下一级事件，并明确下一级事件与顶事件的逻辑关系，最终找出系统内部可能导致顶事件的元件故障为止。

利用故障树可以形象地将导致系统故障的原因以图形演绎的形式展现出来，方便工程技术人员查找出导致系统故障的因果链和故障谱。

二、三菱SJ系列分油机系统简介

目前，三菱SJ系列分油机在船舶上广泛应用。其系统基本由燃油回路、控制水回路、压缩空气回路、分油机、启动箱、自动控制板、油加热器等组成。系统结构原理如图1所示。

未净化的燃油由机带齿轮泵从A口吸入，送至油加热器加热至分离温度，由三通电磁阀SV4控制压缩空气打开原液三通阀CV1，使燃油进入分油机，经过分油机分离后的净液由B口出送至日用柜，分离出的重液（水和油泥）由D管排出。

开阀用电磁阀SV1控制分离筒排渣口开启。闭阀用电磁阀SV2控制分离筒排渣口关闭。封水用电磁阀SV3控制置换水。

该系列分油机的控制系统是以单片机为核心的HIDENS系统，能实现分油机的全自动时序控制、运行状态监测报警控制等功能，从而提高了系统整体的操作性能和可靠性。

从图1可以看出，该系统机电相结合，结构复杂。当发生故障时，轮机管理人员往往无法及时、全面掌握故障产生的因果链关系，为故障的准确、迅速诊断带来困难。

图1 三菱SJ系列分油机系统结构原理图

三、故障树的建立和应用

故障树模型一般从确定顶事件开始，逐级往下分解，通过多层中间事件直至底事件为止，其基本过程为确定顶事件，顶事件分析、分解，限定边界条件，建立故障树，分析应用等。[2]

1.确定顶事件

故障树的顶事件就是用于诊断系统故障和评估系统故障率的事件，是诊断分析对象的系统级故障模式[3]。选取恰当的顶事件，能将复杂系统的各种故障模式有效合理地相互联系，以利于对系统进行整体的分析和诊断。

对于分油机而言，在运行中由于其运动部件高速回转，内部分离筒部件直接与高温的劣质燃油接触，各水腔直接与高温淡水接触等恶劣条件，往往使各部件产生磨损、腐蚀、裂纹等，从而导致各类运行功能故障。根据设备说明书和笔者平时的管理经验，三菱SJ系列分油机的常见运行功能故障主要有异常流出、排出不良、异常振动等。现以此三种功能故障作为顶事件进行分析和建树。

2.顶事件的分析和分解

在确定顶事件后，就要进一步分析造成顶事件和各级事件之间的相互关系，使建树的思路清晰，逻辑缜密，从而使建立的故障树布局合理，便于分析和理解。

按照以上造成系统故障的三个典型功能故障（顶事件）逐级分解至基本元部件，确定造成功能故障的底事件，参考SELFJECTOR系列使用说明书，其具体分析结果如表1、表2、表3所示[4]。

3.限定边界条件

与任何其他建模技术一样，故障树的边界条件必须明确限定。限定故障树的边界条件的目的主要是设定合理的分析范围，减少不必要的分析过程，从而能抓住故障的主要矛盾，迅速确定故障位置。

根据设备实际运行工况，此故障树的边界条件设置如下：

（1）考虑人为因素的影响；

（2）由于HIDENS系统可靠性较高，因此暂不考虑控制系统的故障；

（3）各流体管路连接正常；

（4）各电路接口和线路正常；

（5）考虑环境的影响，例如船体振动等。

表1 异常流出功能故障分析

表2 排出不良功能故障分析

表3 异常振动功能故障分析

4.建立故障树

根据上述限定的边界条件和表1、表2、表3的分析结果，分别画出三种功能故障树模型如图2、图3、图4所示。在建立模型以后，应对故障树进行整体仔细核查，删减其中相同的事件，合并逻辑门，进一步简化模型。

5.故障树的应用

在建立了设备的故障树模型后，我们可以方便地应用故障树模型进行故障诊断。

案例分析1：某船同品牌分油机在运行中发生无法排渣的现象。利用上述“排出不良”的故障树模型（如图3所示）进行故障诊断。

首先对该故障树模型进行基本的定性分析。利用上行法求得该模型的布尔代数表达式为

根据该布尔表达式，可求出该模型有13个最小割集，表示造成分油机无法排渣的故障模式有13种。

再根据式（2）求出所有底事件的结构重要度的近似值。

其中：I（j）为基本事件nj结构重要度的近似值；Kr为第r个最小割集；mj为包含nj的最小割集的基本事件数量。[3]

因此该故障模型的底事件的结构重要度为

根据式（3）可知各底事件的结构重要度数值相等，因此导致该类型故障的所有底事件具有相同的重要性。

根据上述定性分析的结果，在不扩大检修范围的原则下，先将分油机的控制模式转至手动控制。从故障树顶事件f2出发，首先进行手动排渣操作，判断开阀电磁阀SV1是否正常动作。经操作确认电磁阀SV1动作正常，因此可以排除中间事件n1。继续从n2事件向下查找。对分离筒进行整体吊离纵轴，检查配水装置出水量情况。发现出水量正常，因此排除中间事件n7，从中间事件n13处继续向下查找。检查主阀体的密封圈和活络情况，基本可以排除n14和n15两个底事件。最后将故障定位在先导阀组件的两个底事件n16和n17。

该先导阀组件是三菱SJ系列分油机在结构上的独特部分，其结构可参考图5。两只先导阀组对角安装在回转体上随回转体高速旋转。在密封阶段，先导阀体产生的离心力使阀芯压紧在密封垫上形成密封，闭阀水进入密封水腔产生向上的推力，使主阀体上移关闭排渣口。在排渣阶段，开阀水从开启水流道大量进入先导阀体的左腔，其产生向内的推力大于阀芯产生的离心力，从而使先导阀向内移动，打开密封面，将密封水腔的水通过排水口泄放掉。主阀体下移打开排渣口，分油机排渣完成。

根据以上的诊断，故障应该是先导阀引起的。通过解体先导阀组，发现其阀腔内有少量水垢且O形密封圈已经磨损。清洁阀腔，更换O形密封圈后，故障排除，排渣功能恢复正常。

案例分析2：某船同类型分油机在运行过程中发生排渣口异常排出的故障报警。

查阅HIDENS系统的报警信息，显示该分油机并未发生轻液出口水分超标的报警，因此可以排除水分超标产生的连续排渣。在系统转换至手动操作模式后仍然在建立水封短时运行后发生自动排渣的情况。根据故障树模型（图2）及上述定性分析结果，基本确定发生在中间事件l14上。解体分油机后，检查配水装置出水情况正常，进一步排除中间事件l25。再根据故障树所示，检查主阀体的动作情况，未发现主阀体卡阻，排除中间事件l30。

到此故障只剩下先导阀组件和排水口情况。通过检查，发现排水口通畅。那么问题发生在先导阀组上。最后发现主要是先导阀组的密封垫老化，造成密封不良，在密封水进入密封水腔抬起主阀体后，密封水腔的水从先导阀组的密封面处缓慢泄漏，最终导致在分离过程中排渣口异常打开。

通过以上两个案例可以发现，该型分油机的先导阀由于尺寸限制、工作条件等各种因素影响，在运行中存在较高的故障率，因此在每次的拆解保养过程中应加强检查，及时了解该部件的实际状况，根据需要更换易损零件，提前预防此类故障的发生。

图3 排出不良故障树

图4 异常振动故障树

图5 先导阀组件

四、结束语

利用故障树分析法诊断复杂系统的功能故障，具有明显的便利性和可行性。除此之外，利用故障树分析法（FTA）还可以进一步指导轮机管理人员分析复杂设备和系统的薄弱环节，进行有针对性的预防维护保养，有效降低系统发生故障的概率，提升系统整体的可靠性。