同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院 周偉國 尹宇龍 張 夏

基于FMEA小型LNG氣化站可靠性分析

同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院 周偉國 尹宇龍 張 夏

LNG氣化站作為管道氣的有力補(bǔ)充，能夠滿足城鎮(zhèn)燃?xì)夤?yīng)的多樣化需求，同時(shí)具有建站投資少、周期短以及安全可靠的特點(diǎn)，在燃?xì)夤?yīng)體系中發(fā)揮非常重要的作用，具有非常廣闊的市場前景。近年來，隨著燃?xì)鈶?yīng)用的不斷推廣，氣化覆蓋率迅速增大，為了提升系統(tǒng)運(yùn)行和維護(hù)的安全管理，對LNG氣化站的可靠性分析愈發(fā)受到重視。故障模式與影響分析(FMEA)是工程應(yīng)用中最常用的可靠性分析方法之一，廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)并逐步發(fā)展成熟，該方法對發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)潛在和已知故障、了解故障對系統(tǒng)影響，分析風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先排序具有重要意義。文章基于FMEA評價(jià)模型對小型LNG氣化站進(jìn)行了可靠性分析。

小型LNG氣化站 可靠性 FMEA

0 引言

LNG氣化站的主要工藝是通過氣化器將液態(tài)的LNG吸熱后相變轉(zhuǎn)化為氣態(tài)的天然氣，然后向下游市場進(jìn)行供應(yīng)。LNG氣化站在系統(tǒng)設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)及實(shí)際運(yùn)行中，需要考慮到諸如以下等各個(gè)方面的潛在風(fēng)險(xiǎn)：燃?xì)獾囊兹家妆?；低溫深冷特性、低溫傷害性、設(shè)備潛在風(fēng)險(xiǎn)、環(huán)境問題等。

FMEA(Failure Mode and Effect Analysis)即故障模式與影響分析，為可靠性工程中常用的手法，是用來評估系統(tǒng)、設(shè)計(jì)、過程或服務(wù)等所有可能會發(fā)生的故障(問題、錯(cuò)誤、風(fēng)險(xiǎn)和利害)的方法。通過FMEA的分析和應(yīng)用，找出潛在或已知的故障，消除工藝設(shè)計(jì)、設(shè)備維護(hù)、管理方式上的盲點(diǎn)與弊端，在實(shí)施過程中能夠?qū)Ω鞣N可能的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評價(jià)、分析，以便在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上消除這些風(fēng)險(xiǎn)或?qū)⑦@些風(fēng)險(xiǎn)減小到可接受的水平。

本文基于FMEA法進(jìn)行小型LNG氣化站的可靠性分析。

1 項(xiàng)目簡介

某小型LNG氣化站的工藝為LNG的儲存、LNG氣化和天然氣調(diào)壓、計(jì)量、加臭、放散等多項(xiàng)工藝，主要設(shè)備按成撬方案提供，其相關(guān)參數(shù)匯總見表1。

表1 某小型LNG氣化站的相關(guān)參數(shù)匯總

2 FMEA對LNG氣化站的分析層級

按照失效模式與其后果鑒定各單元存在的潛在風(fēng)險(xiǎn)，確定該小型LNG氣化站的FMEA分析層級如下：

(1)確定可靠性分析的評價(jià)對象。

(2)針對各個(gè)評價(jià)對象，展開對故障模式、故障影響、故障原因及糾正措施的分析。

風(fēng)險(xiǎn)控制是風(fēng)險(xiǎn)管理體系的重要組成部分。實(shí)際操作FMEA的過程中，要求針對每個(gè)可能出現(xiàn)問題的故障模式，都應(yīng)給出相關(guān)糾正措施，以提高項(xiàng)目的安全性及可靠性。

(3)專家團(tuán)隊(duì)對各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)從三個(gè)風(fēng)險(xiǎn)屬性角度進(jìn)行可靠性評價(jià)。

為了便于評價(jià)，基于以上分析層級，建立FMEA表格化的分析層級，見圖1。

圖1 分析層級的表格化

3 風(fēng)險(xiǎn)屬性等級劃分

FMEA需建立打分機(jī)制，評價(jià)指標(biāo)為RPN(風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù))，對綜合性指標(biāo)RPN分析時(shí)，需從發(fā)生度(O)、嚴(yán)重度(S)和檢測度(D)三個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素角度入手。由于客觀事物的復(fù)雜性和模糊性，在評估的過程中，評判信息往往以語言形式給出。為了對語言信息量化處理，針對評估的各個(gè)定性描述，需要建立O、S、D評估的定量描述。

“有人！”缺一指對陳大勇打了個(gè)臥倒的手勢，他迅速趴下，耳朵緊緊貼著大地，遠(yuǎn)處有七八匹馬蹄零亂的腳步，蹄聲不急不徐正朝這個(gè)方向走來，聽得出，騎馬的人并不慌張，倒像是一次遠(yuǎn)足。

常采用建立評分等級的方法。目前工業(yè)界對風(fēng)險(xiǎn)屬性(O、S、D)多采用兩種等級劃分：基于數(shù)字1~5與1~10的評分等級。后者因?yàn)樵u價(jià)精度高而廣泛使用。在數(shù)值上，RPN是O、S、D三者之積，即RPN=O×S×D。在已知各個(gè)故障模式RPN的數(shù)值大小基礎(chǔ)上，即可對故障模式的風(fēng)險(xiǎn)糾正優(yōu)先次序進(jìn)行排列，得到各個(gè)故障模式之間的相對風(fēng)險(xiǎn)的高低關(guān)系。

打分準(zhǔn)則見表2、表3和表4。相關(guān)專家依據(jù)打分準(zhǔn)則對各個(gè)故障模式分別從三個(gè)角度(發(fā)生度、嚴(yán)重度、檢測度)作出評價(jià)。

表2 FMEA發(fā)生度等級劃分準(zhǔn)則

表3 FMEA嚴(yán)重度等級劃分準(zhǔn)則

表4 FMEA檢測度等級劃分準(zhǔn)則

4 功能故障分析

故障可以是已知的或者潛在的。FMEA從設(shè)備本身的材料、結(jié)構(gòu)、功能出發(fā)，在FMEA團(tuán)隊(duì)的集體討論下，將19種已知或潛在的故障總結(jié)見表5。

表5 故障模式匯總

FMEA團(tuán)隊(duì)分別對每一個(gè)故障模式進(jìn)行系統(tǒng)化分析，考慮引起該故障的原因，分析該故障所能引起的局部及整體影響，討論結(jié)果匯總見表6、表7。

表6 故障原因及影響匯總(1)

表7 故障原因及影響匯總(2)

5 專家評估

專家評估法是確定故障風(fēng)險(xiǎn)的常用方法之一。對于FMEA項(xiàng)目，由于是一種對于產(chǎn)品或工藝過程存在潛在失效故障模式的預(yù)先判斷，其特點(diǎn)就是缺少實(shí)際資料及數(shù)據(jù)，是以專家作為索取信息的對象，依靠專家的知識和經(jīng)驗(yàn)，由專家通過調(diào)查研究對問題作出判斷、評估和預(yù)測是有效可行的。

結(jié)合故障原因及故障影響，從 O、S、D三個(gè)角度進(jìn)行評價(jià)，專家Ei對故障模式Mj的評分表格匯總表8。

表8 專家評判信息匯總

本論文采用郭金玉等和鄧雪等提出的層次分析法(AHP)，即是將與決策總是有關(guān)的元素分解成目標(biāo)、準(zhǔn)則和方案等層次，在此基礎(chǔ)之上進(jìn)行定性和定量分析的決策方法，來分析風(fēng)險(xiǎn)屬性之間的相對重要性，進(jìn)而量化屬性的權(quán)重值。利用 Matlab軟件經(jīng)計(jì)算得到權(quán)重值為：[0.316，0.473，0.211]。

由AHP法獲得屬性O(shè)、S、D的權(quán)重值后，對專家Ei對故障Mj的評估值Fij匯總見表9。

表9 專家評判信息匯總

實(shí)際工程中，專家群決策往往具有主觀性和隨機(jī)性的特點(diǎn)，容易出現(xiàn)較高或較低的評價(jià)值，影響決策信息的準(zhǔn)確性。為了解決該問題，文中從相關(guān)分析出發(fā)，研究某一變量與所屬變量組的相關(guān)程度。對存在偏見的評價(jià)，應(yīng)賦予較低的權(quán)重，即對偏離程度較大的決策信息通過較低權(quán)重修正的方法來達(dá)到信息處理的最優(yōu)化。本文利用王曉暾等和衛(wèi)貴武等提出的相關(guān)算子(DLOWG)求得針對每個(gè)故障模式的專家意見權(quán)重，見表10。

表10 基于相關(guān)算子的專家意見權(quán)重

專家群決策的故障模式評價(jià)值 RPN數(shù)值匯總見表11。

表11 綜合指數(shù)RPN

從表 11可見，各故障模式的風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先次序排列為：

M13>M15>M16>M17>M14>M19>M7>M6>M18>M3>M1>M4>M12>M2>M5>M11>M8>M9>M10。

6 FMEA評估分析結(jié)果與糾正措施

基于FMEA對小型LNG氣化站的評估結(jié)果糾正措施見匯總表12、表13、表14。

表12 基于FMEA的小型LNG氣化站可靠性評估結(jié)果與糾正措施匯總(1)

表13 基于FMEA的小型LNG氣化站可靠性評估結(jié)果與糾正措施匯總(2)

表14 基于FMEA的小型LNG氣化站可靠性評估結(jié)果與糾正措施匯總(3)

6 結(jié)語

本文主要基于層次分析法(AHP)和相關(guān)算子(DLOWG)提出改進(jìn)RPN的計(jì)算方法，并將其應(yīng)用于小型LNG氣化站的FMEA分析中。

(1)建立了 FMEA評估模型，探討了從故障模式、故障影響到故障原因的分析層級，建立風(fēng)險(xiǎn)屬性(O、S、D)的等級劃分制，闡述了專家評估法和FMEA持續(xù)改進(jìn)的評估方式。在此模型的基礎(chǔ)上，對小型LNG氣化站的主要設(shè)備、閥門、管道等進(jìn)行系統(tǒng)化的歸類和整理，F(xiàn)MEA團(tuán)隊(duì)得出了針對該小型LNG氣化站的19種故障模式，并對其故障影響和故障原因進(jìn)行分析研究。

(2)采用綜合指數(shù)RPN法對各個(gè)故障從嚴(yán)重度、發(fā)生度和檢測度進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)，得到各個(gè)故障模式的風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先次序，針對 19種故障模式提出后續(xù)糾正改進(jìn)措施，便于集中有限資源合理分配對各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)注度。

(3)提出了該小型LNG氣化站的FMEA評估表格，這對于工程人員在實(shí)際運(yùn)營操作時(shí)，具有一定的指導(dǎo)意義。

Reliability Analysis of Small LNG Gasification Station Based on FMEA College of Mechanical & Energy Engineering Tongji University

Zhou Weiguo Yin Yulong Zhang Xia

LNG gasification station as a complement to pipeline gas can meet the diverse needs of urban gas supply, and has advantages of low investment, short construction cycle, and so on. In order to improve safety management of LNG gasification stations, Failure Mode and Effects Analysis (FMEA) has been used widely. This paper analyzes the reliability of mall-scale LNG gasification stations based on FMEA.

small-scale LNG gasification station, reliability, FMEA