余建星 王爾芳 晉文超 周清基 柴松 楊源

(天津大學(xué))

FLNG/FLPG新型裝置設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法研究*

余建星 王爾芳 晉文超 周清基 柴松 楊源

(天津大學(xué))

針對(duì)FLNG/FLPG新型裝置上設(shè)備數(shù)量多，故障模式復(fù)雜，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型層次不清導(dǎo)致風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果往往不準(zhǔn)確的問(wèn)題，提出了一種FLNG/FLPG新型裝置的設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法:以層次分析法構(gòu)造工藝模塊、設(shè)備、故障模式3個(gè)層次的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，然后采用改進(jìn)的FMEA對(duì)最低層次的設(shè)備故障模式進(jìn)行評(píng)估，最后運(yùn)用多級(jí)模糊綜合評(píng)判方法逐層上推，得出FLNG/FLPG新型裝置整船層次上各工藝模塊的設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果。應(yīng)用實(shí)例表明，該方法可為FLNG/FLPG新型裝置設(shè)備的維修及設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)管理提供決策依據(jù)，同時(shí)對(duì)其他系統(tǒng)的設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估可提供一定的參考。

FLNG/FLPG新型裝置設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法研究

0 引言

FLNG/FLPG新型裝置集液化天然氣/液化石油氣的生產(chǎn)、儲(chǔ)存與卸載于一體，具有投資低、建造周期短、便于遷移等優(yōu)點(diǎn)，特別適合于深海油氣田、小型油氣田的開(kāi)發(fā)。FLNG/FLPG新型裝置的工藝流程中存在諸多壓力容器、壓力管道等承壓設(shè)備，各設(shè)備通道的過(guò)程介質(zhì)是液化天然氣、液化石油氣和原油等易燃易爆物質(zhì)，而且海上作業(yè)的特殊環(huán)境要求FLNG/FLPG液化工藝中機(jī)械設(shè)備布置相對(duì)緊湊，一旦設(shè)備發(fā)生故障導(dǎo)致介質(zhì)泄露，很可能引發(fā)火災(zāi)、爆炸和中毒事故，不僅影響生產(chǎn)、破壞環(huán)境，甚至?xí)斐扇藛T傷亡。所以，開(kāi)展FLNG/FLPG新型裝置的系統(tǒng)設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究，可以為設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)管理控制提供依據(jù)和支持，對(duì)降低未來(lái)風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生的概率和事件發(fā)生后果的嚴(yán)重程度具有十分重要的意義。

針對(duì)FLNG/FLPG新型裝置上設(shè)備數(shù)量多、故障模式復(fù)雜、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型層次不清導(dǎo)致評(píng)估結(jié)果往往不準(zhǔn)確的問(wèn)題，本文提出了FLNG/FLPG新型裝置設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法:通過(guò)層次分析法建立設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的層次結(jié)構(gòu)模型，計(jì)算各層次中評(píng)價(jià)對(duì)象因素的權(quán)重，然后采用改進(jìn)的FMEA(Failure Mode and Effects Analysis，故障模式和影響分析)對(duì)最低層次的設(shè)備故障模式進(jìn)行評(píng)估，最后運(yùn)用模糊綜合評(píng)判方法逐層逆推，得出FLNG/FLPG新型裝置整船層次上各工藝模塊的設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果。

1 FLNG/FLPG新型裝置設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法

1.1 層次分析法建立設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的層次結(jié)構(gòu)模型

層次分析法是一種將復(fù)雜的決策系統(tǒng)層次化，通過(guò)逐層比較各個(gè)關(guān)聯(lián)因素的重要性來(lái)為決策提供定量依據(jù)的系統(tǒng)分析方法［1］。FLNG/FLPG新型裝置上的設(shè)備一般按照工藝流程進(jìn)行集中化、模塊化布置，本文將整艘FLNG/FLPG新型裝置劃分為8個(gè)工藝模塊，即原料氣計(jì)量和脫酸單元、脫水脫汞單元、過(guò)冷單元、液化單元、分餾單元、胺液及熱媒油罐區(qū)、壓縮機(jī)單元和LNG/LPG儲(chǔ)罐區(qū)，這8個(gè)工藝模塊構(gòu)成FLNG/FLPG新型裝置設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的第1層次——模塊層次。每個(gè)工藝模塊由若干個(gè)設(shè)備組成，將同一工藝模塊下的設(shè)備劃分為一個(gè)層次，構(gòu)成FLNG/FLPG新型裝置設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的第2層——設(shè)備層次。設(shè)備的某個(gè)功能故障模式可能導(dǎo)致該設(shè)備的失效，將同一設(shè)備下的各個(gè)故障模式劃為FLNG/FLPG新型裝置設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的第3層——故障模式層次。這樣就建立起了由整船工藝模塊、設(shè)備、故障模式組成的FLNG/FLPG新型裝置設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估層次結(jié)構(gòu)模型。

1.2 改進(jìn)的FMEA方法評(píng)估設(shè)備故障模式

FMEA是用于分析系統(tǒng)中每一產(chǎn)品可能產(chǎn)生的故障模式及其對(duì)系統(tǒng)造成的影響，并按每一故障模式的發(fā)生頻率O、后果嚴(yán)重程度S以及檢測(cè)難易程度D予以分類(lèi)的一種可靠性分析方法［2］。針對(duì)傳統(tǒng)FMEA方法的不足，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者進(jìn)行了深入的研究和探索，本文采用基于模糊數(shù)和熵權(quán)理論改進(jìn)的FMEA方法進(jìn)行設(shè)備故障模式的評(píng)估分析。該方法首先通過(guò)引進(jìn)熵權(quán)理論求得3個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素的權(quán)重，之后結(jié)合模糊數(shù)學(xué)理論計(jì)算得出模糊風(fēng)險(xiǎn)排序數(shù)FRPN。

1.2.1 評(píng)價(jià)準(zhǔn)則

參考SAE標(biāo)準(zhǔn)J1739-2002［3］，建立了關(guān)于發(fā)生頻率O、后果嚴(yán)重程度S和檢測(cè)難易程度D的模糊語(yǔ)意的評(píng)判準(zhǔn)則，列于表1。在評(píng)估過(guò)程中，專(zhuān)家通過(guò)此準(zhǔn)則對(duì)各個(gè)故障模式進(jìn)行帶有模糊語(yǔ)意的等級(jí)打分。

1.2.2 確定模糊等級(jí)對(duì)應(yīng)的模糊數(shù)

根據(jù)3個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素的統(tǒng)計(jì)特性，本文對(duì)O、S、D分別采用梯形、三角形、三角形隸屬函數(shù)進(jìn)行量化處理，得到對(duì)應(yīng)的模糊數(shù)和列于表2。

表1 基于SAE標(biāo)準(zhǔn)改進(jìn)的FMEA等級(jí)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則

表2 風(fēng)險(xiǎn)因素O、S、D的模糊等級(jí)對(duì)應(yīng)的模糊數(shù)表

1.2.3計(jì)算指標(biāo)權(quán)重

對(duì)各個(gè)故障模式關(guān)于O、S、D三個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的值進(jìn)行無(wú)量綱化處理，得到評(píng)價(jià)矩陣

定義第j個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵為

1.2.4 計(jì)算模糊風(fēng)險(xiǎn)排序數(shù)FRPN

結(jié)合上文求得的指標(biāo)權(quán)重，利用加權(quán)幾何平均方法求得

由于這樣求得的結(jié)果還是模糊數(shù)，所以結(jié)合α截集理論并運(yùn)用重心解模糊化方法求得

1.3 FLNG/FLPG新型裝置的多級(jí)模糊綜合評(píng)判

計(jì)算出FLNG/FLPG新型裝置上各設(shè)備的各個(gè)故障失效模式的FRPN后，按FRPN由高至低進(jìn)行排序。為了確定FLNG/FLPG上各設(shè)備、各工藝模塊風(fēng)險(xiǎn)值的相對(duì)大小，在前述模糊理論應(yīng)用的基礎(chǔ)上，研究采用多級(jí)模糊綜合評(píng)判方法，由故障模式—設(shè)備—工藝模塊層層逆推，逐級(jí)綜合評(píng)判，最終求得整船層次上各個(gè)工藝模塊風(fēng)險(xiǎn)值的排序結(jié)果。

FLNG/FLPG新型裝置多級(jí)模糊綜合評(píng)判的步驟如下:①確定備擇的對(duì)象集X=(x1，x2，…，xt);②找出因素集U=(u1，u2，…，um);③找出評(píng)判等級(jí)集V=(v1，v2，…，vn);④確定評(píng)判矩陣Q=(qij)m×n;⑤由前述的層次分析法確定權(quán)數(shù)向量W=(W1，W2，…，Wm);⑥計(jì)算評(píng)判結(jié)果B=W×Q。最后，還需要將所有對(duì)象的綜合評(píng)判結(jié)果進(jìn)行排序，從對(duì)象集中選出優(yōu)勝對(duì)象。

2 應(yīng)用實(shí)例

將整船劃分為8個(gè)工藝模塊，每個(gè)工藝模塊包括若干個(gè)設(shè)備，每個(gè)設(shè)備又包括若干個(gè)潛在的故障模式。通過(guò)分析，得到以脫水脫汞單元的脫汞塔為例的FLNG/FLPG新型裝置設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估層次結(jié)構(gòu)模型，如圖1所示。

對(duì)各個(gè)設(shè)備的功能進(jìn)行分析，得出詳細(xì)的功能故障分析表，邀請(qǐng)專(zhuān)家對(duì)各個(gè)故障模式進(jìn)行打分，并求得各個(gè)故障模式的FRPN值。以脫水脫汞單元的脫汞塔為例，設(shè)備功能故障分析過(guò)程如表3所示，專(zhuān)家打分及FRPN計(jì)算結(jié)果示于表4(限于篇幅，這里只給出1位專(zhuān)家的打分情況)。

圖1 FLNG/FLPG新型裝置設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估層次結(jié)構(gòu)模型示意圖(以脫水脫汞單元的脫汞塔為例)

表3 FLNG/FLPG新型裝置脫汞塔設(shè)備的功能故障分析表

表4 FLNG/FLPG新型裝置脫汞塔設(shè)備功能故障模式的專(zhuān)家打分和FRPN計(jì)算結(jié)果表

根據(jù)FLNG/FLPG新型裝置設(shè)備運(yùn)行的實(shí)際情況，并結(jié)合專(zhuān)家意見(jiàn)，確定風(fēng)險(xiǎn)接受準(zhǔn)則，如表5所示。

表5 FLNG/FLPG新型裝置設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)接受準(zhǔn)則

由各個(gè)故障模式的FRPN值，結(jié)合層次分析法求得的權(quán)重，運(yùn)用模糊綜合評(píng)判法，計(jì)算各設(shè)備的FRPN值。以脫汞塔設(shè)備為例，計(jì)算結(jié)果示于表6。

同理，根據(jù)求得的各個(gè)設(shè)備的FRPN計(jì)算各工藝模塊的FRPN值。以脫水脫汞模塊為例，計(jì)算結(jié)果示于表7。

表6 FLNG/FLPG新型裝置脫汞塔設(shè)備的FRPN計(jì)算結(jié)果

表7 FLNG/FLPG新型裝置脫水脫汞模塊FRPN計(jì)算結(jié)果

利用該文提出的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法對(duì)FLNG/FLPG新型裝置各工藝模塊的FRPN進(jìn)行計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果排序列于表8。

表8 FLNG/FLPG新型裝置各工藝模塊FRPN計(jì)算結(jié)果

由表8可以得出，此FLNG/FLPG新型裝置上各工藝模塊的風(fēng)險(xiǎn)都處于一個(gè)較低或低的水平。相對(duì)于其它工藝模塊而言，液化單元模塊、過(guò)冷單元模塊、壓縮機(jī)單元模塊和LNG/LPG儲(chǔ)罐區(qū)風(fēng)險(xiǎn)值較大，需要采取重點(diǎn)的控制措施以降低整船的設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)。

3 結(jié)論

提出了一種FLNG/FLPG新型裝置的設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，通過(guò)層次分析法建立FLNG/FLPG新型裝置設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的層次結(jié)構(gòu)模型，然后采用改進(jìn)的FMEA方法對(duì)設(shè)備的各個(gè)故障模式進(jìn)行分析，最后結(jié)合模糊綜合評(píng)判方法層層逆推，得出FLNG/ FLPG新型裝置整船層次上各工藝模塊的設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果。應(yīng)用實(shí)例表明，該方法可以為FLNG/ FLPG新型裝置設(shè)備以可靠性為中心的維修以及設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)管理提供決策依據(jù)，同時(shí)對(duì)其它系統(tǒng)的設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估可提供一定的參考。

［1］謝承華．AHP及其應(yīng)用［J］．蘭州商學(xué)院學(xué)報(bào)，2001，4(2):79-82．

［2］張?bào)糜?，任福林．潛水器恒張力收放轎車(chē)系統(tǒng)的建模與仿真［J］．機(jī)床與液壓，2006(9):132-136．

［3］SAE．J1739-2002 Potential failure mode and effects analysis in design［S］．2002．

Research on risk assessment method of FLNG/FLPG installation’s equipments

Yu JianxingWang ErfangJin Wenchao Zhou QingjiChai SongYang Yuan
(Tianjin University，Tianjin，300072)

There is a large quantity of equipments in a FLNG/FLPG installation and their fault modes are always complicated and messy．All of these will lead to an inaccurate result in the risk assessment．In this paper，a risk assessment method is established for FLNG/FLPG installation’s equipments．The method of AHP is used firstly to build the three-level model: module，equipment and fault．Then the bottom level of fault mode is analyzed by the improved FMEA．Lastly the method of fuzzy comprehensive evaluation is adopted to calculate the risk of equipments in the level of modules in the FLNG/FLPG installation．The application case shows that the method can provide references and decision-making bases for equipment repair and risk management of FLNG/FLPG installation and other systems．

FLNG/FLPG installation;risk assessment of equipment;research on method

2011-07-05改回日期:2011-09-18

(編輯:夏立軍)

*國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)“FLNG/FLPG、FDPSO新型裝置應(yīng)用的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究(編號(hào):2008ZX05026-006-07)”部分研究成果。

余建星，男，現(xiàn)任天津大學(xué)副校長(zhǎng)。地址:天津市南開(kāi)區(qū)衛(wèi)津路天津大學(xué)建筑工程學(xué)院(郵編:300072)。