劉國恒 王紅紅 中海石油（中國）有限公司北京研究中心

熊振南 周世波 集美大學(xué)航海學(xué)院

在役油氣生產(chǎn)平臺自井口流出的天然氣都會攜帶一定量的液態(tài)水，水分與天然氣中二氧化碳、硫化氫等其他發(fā)生化學(xué)作用，形成容易腐蝕設(shè)備和輸氣管路的有害物質(zhì)，對輸氣管路和設(shè)備有不利影響，造成不必要的動力消耗，因此天然氣脫水非常必要。

在役油氣生產(chǎn)平臺天然氣脫水系統(tǒng)的主要功能是為進(jìn)入平臺的天然氣脫水，其結(jié)構(gòu)和設(shè)備的可靠性直接影響到在役油氣生產(chǎn)平臺的安全生產(chǎn)效益，因而，天然氣脫水系統(tǒng)的可靠性受到油氣平臺安全管理人員的高度關(guān)注。目前，在役油氣生產(chǎn)平臺廣泛使用的天然氣脫水工藝是三甘醇脫水法。三甘醇脫水系統(tǒng)主要由高壓吸收系統(tǒng)和低壓再生系統(tǒng)組成，其組成部分有進(jìn)口氣滌器、吸收塔、閃蒸罐、甘醇泵、甘醇過濾器、甘醇緩沖罐和一些換熱器等，這些設(shè)備的組成部件發(fā)生故障的模式多樣，設(shè)備失效的后果嚴(yán)重程度不一，因此，如何及時發(fā)現(xiàn)這些設(shè)備可能存在的潛在缺陷，對于在役油氣生產(chǎn)平臺的安全營運(yùn)至關(guān)重要。

圖1 FMECA分析流程圖

故障模式影響及危害性分析（Failure Mode,Effects and Criticality Analysis,FMECA）作為評估系統(tǒng)可靠性的分析方法，已被廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品的研發(fā)、改進(jìn)及可靠性研究。對在役油氣生產(chǎn)平臺脫水系統(tǒng)采用FMECA分析方法進(jìn)行可靠性研究，將有助于查找出脫水系統(tǒng)中對可靠性危害較大的單元設(shè)備及故障模式，為油氣平臺的安全管理提供理論依據(jù)。

1.FMECA方法介紹

1.1 FMECA分析流程

FMECA的基本原理為：根據(jù)以往的歷史資料、相關(guān)的各種技術(shù)文件以及用戶需求及使用意見反饋進(jìn)行前期資料準(zhǔn)備，在對分析對象的功能結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)接口類型及工作環(huán)境與時間影響進(jìn)行分析后，鑒別失效模式，確定引起各個失效模式的的原因，并依據(jù)以往失效資料統(tǒng)計(jì)估算故障模式產(chǎn)生時其最終影響的嚴(yán)酷度，繼而計(jì)算危害度，然后根據(jù)危害度值的大小對故障模式進(jìn)行排序，從而針對性地采取相應(yīng)的措施，提高系統(tǒng)可靠性。

FMECA的分析流程是一個不斷迭代和完善的過程，主要包括資料收集調(diào)研的準(zhǔn)備階段、系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)及可靠性的標(biāo)識階段、故障模式識別和故障原因及影響的分析階段、檢查方法與改進(jìn)措施及危害性分析階段，F(xiàn)MECA步驟見圖1。

FMECA通用的基本步驟主要包括以下內(nèi)容：

（1）準(zhǔn)備工作：收集被分析設(shè)備的有關(guān)信息，設(shè)計(jì)FMECA分析的總要求。

（2）系統(tǒng)定義：確定需要進(jìn)行FMECA分析的設(shè)備范圍，描述系統(tǒng)的功能任務(wù)，對設(shè)備進(jìn)行功能分析、繪制相關(guān)的框圖，確定設(shè)備機(jī)器組成構(gòu)件的正常與故障的準(zhǔn)則等。

（3）進(jìn)行FMEA工作：主要內(nèi)容有故障模式的判斷、故障原因的分析及其發(fā)生概率、各種故障模式可能產(chǎn)生的后果及其嚴(yán)酷的等級等。

表1 海洋石油設(shè)備相關(guān)系統(tǒng)的嚴(yán)酷度類別及定義

圖2 三甘醇脫水工藝的典型流程

進(jìn)行危害性（CA）分析，根據(jù)計(jì)算所得到設(shè)備的每種故障模式發(fā)生的概率及及其對應(yīng)的嚴(yán)酷度等級，確定系統(tǒng)中設(shè)備的薄弱環(huán)節(jié)和關(guān)鍵項(xiàng)目，進(jìn)行系統(tǒng)的可靠性分析。

1.2 FMECA故障等級

故障等級是故障發(fā)生后對系統(tǒng)危害程度的分級，一般需要綜合考慮系統(tǒng)的功能喪失情況、設(shè)備停機(jī)時間長短、對人員傷害的情況、對環(huán)境的影響情況等因素。結(jié)合在役油氣生產(chǎn)平臺上部設(shè)施海洋石油設(shè)備產(chǎn)品的功能，確定系統(tǒng)嚴(yán)酷度類別及定義見表1。

2.在役油氣平臺天然氣脫水流程

三甘醇脫水法是目前鉆井平臺上廣泛使用的一種天然氣脫水工藝，其工藝流程見圖2。一般來說，達(dá)到一定壓力的帶有水蒸氣的天然氣首先進(jìn)入過濾分離器，以除去固體雜質(zhì)和游離的液滴，經(jīng)過分離器初步處理的天然氣隨后進(jìn)入脫水塔的底部，自下而上與三甘醇溶液逆向接觸，在接觸的過程中，水蒸氣被三甘醇溶液吸收。離開脫水塔頂?shù)母蓺饨?jīng)天然氣/三甘醇換熱器與來自再生系統(tǒng)的貧甘醇溶液換熱，以降低貧甘醇的入塔溫度，冷卻后的貧甘醇與天然氣逆向接觸過程中吸收天然氣中的水蒸氣，以及富甘醇溶液從脫水塔塔底流出，進(jìn)入二甘醇再生系統(tǒng)。經(jīng)過脫水處理后的天然氣經(jīng)由外輸管道輸入到其他終端設(shè)備進(jìn)行進(jìn)一步的處理。

從脫水塔塔底流出的冷的富甘醇溶液首先經(jīng)精餾柱頂部的加熱盤管預(yù)熱后，在冷甘醇換熱器中與再生好的熱貧甘醇換熱，然后進(jìn)入甘醇閃蒸罐，將三甘醇溶液吸收的烴類氣體閃蒸出去。經(jīng)閃蒸罐處理的除去固體、化學(xué)藥劑等雜志的富甘醇溶液再經(jīng)熱甘醇換熱器加熱后進(jìn)入重沸器，汽化后的水蒸氣排入空氣中。而再生好的貧甘醇從重沸器底部流出并經(jīng)熱甘醇換熱器、冷甘醇換熱器兩次冷卻后進(jìn)入甘醇緩沖罐緩沖，經(jīng)甘醇泵增壓后去天然氣/三甘醇換熱器進(jìn)一步冷卻，最后進(jìn)入天然氣脫水塔頂部循環(huán)使用。

3.天然氣脫水系統(tǒng)FMECA分析

3.1 天然氣脫水系統(tǒng)故障模式危害性的計(jì)算

天然氣脫水系統(tǒng)故障危害性的計(jì)算主要是故障模式危害度和設(shè)備危害度，其計(jì)算公式分別見式（1）和式（2）。

式中：

故障模式危害度Cmj是設(shè)備危害度的一部分，是為在工作時間t內(nèi)以第j種故障模式發(fā)生的某嚴(yán)酷度等級下的危害度；

αj為某種設(shè)備第j種故障模式發(fā)生的次數(shù)與設(shè)備所有可能的故障模式數(shù)的比率。αj一般可通過統(tǒng)計(jì)方法獲得。

λp為故障率（1/h），其中，t是設(shè)備的工作時間（h）；

表2 天然氣脫水系統(tǒng)FMECA分析表

βj為故障模式影響概率，通常根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行定量估計(jì)，一般采用GJB/Z 1391的推薦值，即實(shí)際喪失時值為1，很有可能喪失時值為0.1-1，有可能喪失時值為0-0.1，不發(fā)生時值為0。

式中，j=1,2,…,N，N為該設(shè)備在相應(yīng)嚴(yán)酷度類別下的故障模式總數(shù)。危害度Cr是該設(shè)備在給定的嚴(yán)酷度類別和任務(wù)階段下的各種故障模式危害度之和。

為了評價(jià)某一產(chǎn)品的危害性，計(jì)算該產(chǎn)品的危害度Cr，見式（3）。

式中：

i=1,2,…,n，n為在第j類嚴(yán)酷度類別下的故障模式總數(shù)；j=Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ；C r(j)為在工作時間t內(nèi)第j類嚴(yán)酷度類別的故障次數(shù)。

3.2 故障模式危害性矩陣

根據(jù)3.1節(jié)的計(jì)算方法，選取在役鉆井平臺天然氣脫水系統(tǒng)中的節(jié)流閥、干燥器、過濾分離器、換熱器、往復(fù)泵等主要設(shè)備，得出天然氣脫水系統(tǒng)FMECA分析表見表2。其中，發(fā)生故障的百分比α按文獻(xiàn)中統(tǒng)計(jì)的每種設(shè)備的故障模式發(fā)生次數(shù)進(jìn)行計(jì)算。發(fā)生故障而導(dǎo)致任務(wù)失敗的條件概率β，依據(jù)故障模式對目標(biāo)任務(wù)的影響程度在0-1之間取值，工作時間t為工作總時間(量級為106)由文獻(xiàn)查詢獲取。

表3 天然氣脫水系統(tǒng)FMECA分析設(shè)備危害度結(jié)果表

3.3 危害性矩陣圖

根據(jù)表2 的天然氣脫水系統(tǒng)FMECA分析，主要設(shè)備危害度計(jì)算結(jié)果見表3，相應(yīng)的危害性矩陣圖見圖3。

3.4 故障模式危害性分析

對FMECA表格進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析，結(jié)合危害性矩陣圖可得如下結(jié)論：

(1)就故障模式而言，在役天然氣天然氣脫水系統(tǒng)共有37個故障模式，其中嚴(yán)酷度為Ⅰ類的有6個，Ⅱ類有8個，Ⅲ類有16個，Ⅳ類有7個。但考慮模式發(fā)生概率等級，危害性最大的故障模式是那些嚴(yán)酷度為Ⅰ類的模式，即節(jié)流閥中的內(nèi)部泄露故障、換熱器中的參數(shù)偏差故障、加熱器中的插入/阻塞故障、往復(fù)泵泵中的參數(shù)偏差、噪聲和中斷故障，這些故障模式可定為關(guān)鍵的故障模式。

圖3 天然氣脫水系統(tǒng)危害性矩陣示意圖

(2)天然氣脫水系統(tǒng)中的主要設(shè)備中節(jié)流閥、換熱器、加熱器和往復(fù)泵存在嚴(yán)酷度等級為Ⅰ類的災(zāi)難性故障，但是綜合考慮各類故障模式發(fā)生的次數(shù)與設(shè)備所有可能的故障模式數(shù)的比率，以及故障模式影響概率，危害性最大的設(shè)備是往復(fù)泵，其故障模式屬于潛在決定性故障模式，該設(shè)備可定為關(guān)鍵設(shè)備，其中往復(fù)泵中中斷危害度最大，達(dá)到1.5108，需要重點(diǎn)關(guān)注。

4.結(jié)論

根據(jù)在役鉆井平臺天然氣脫水系統(tǒng)的工作流程和設(shè)備情況，定義了失效模式的嚴(yán)酷度等級，采用FMECA對天然氣脫水系統(tǒng)主要設(shè)備進(jìn)行故障模式和危害性分析，確定了該系統(tǒng)中主要設(shè)備的失效模式，計(jì)算了各失效模式的危害度，在此基礎(chǔ)上繪制了天然氣脫水系統(tǒng)主要設(shè)備的危害度矩陣，為在役油氣平臺可靠性分析和安全管理提供理論支持。