， ， 景皓， ，

(1.中國船級社，北京 100007；2.海洋水下設(shè)備試驗(yàn)與檢測技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室，北京 100007；3.海洋石油工程股份有限公司 設(shè)計(jì)公司，天津 300451；4.北京石油化工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，北京 102617；5.深水油氣管線關(guān)鍵技術(shù)與裝備北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102617)

水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)承擔(dān)著對水下生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)備的控制和水下生產(chǎn)狀態(tài)的監(jiān)測等重任，是水下生產(chǎn)系統(tǒng)的重要組成部分[1]。水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)設(shè)備的安全運(yùn)行對海上油氣開發(fā)的經(jīng)濟(jì)收益至關(guān)重要，國外各大石油公司均給予高度重視。1981年，由挪威石油管理局(現(xiàn)挪威石油安全署)發(fā)起的OREDA項(xiàng)目，旨在收集安全設(shè)備的可靠性數(shù)據(jù)。1983年，一些石油公司實(shí)施了OREDA項(xiàng)目，主要目的是收集近海油氣開采設(shè)施的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以改進(jìn)其可靠性[2]。2009年，美國石油協(xié)會借鑒國外各大石油公司水下油氣生產(chǎn)的可靠性和風(fēng)險(xiǎn)管理經(jīng)驗(yàn)，發(fā)布了API RP 17N 《水下生產(chǎn)系統(tǒng)可靠性和技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)管理的推薦做法》[3]。同時(shí)，國外學(xué)者也開展了水下生產(chǎn)系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備的可靠性和風(fēng)險(xiǎn)分析的研究工作[4-5]。國內(nèi)目前對于水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)的研究主要集中在相關(guān)設(shè)備的設(shè)計(jì)與研制上[6-8]，對其可靠性和風(fēng)險(xiǎn)識別尚未有深入研究。文中以流花4-1油田為例，采用失效模式、影響及危害性分析方法(FMECA)對目標(biāo)油田進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析，尋找威脅安全生產(chǎn)的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，為水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及安全運(yùn)行提供參考。

1 流花4-1油田水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)介紹

1.1 水下控制方案

流花4-1油田的水下控制方案簡圖見圖1。流花4-1油田8口生產(chǎn)井的產(chǎn)液通過跨接管輸送至中心管匯，然后再經(jīng)過外輸跨接管和管道終端(PLET)以及海底管道混輸至流花11-1油田，最后輸送至“勝利號”浮式生產(chǎn)儲油輪(FPSO)進(jìn)行處理。流花4-1油田采用的是復(fù)合電液控制系統(tǒng)，水面設(shè)備放置在“挑戰(zhàn)號”浮式生產(chǎn)系統(tǒng)(FPS)上，由主控站(MCS)將控制信號發(fā)送至電力單元(EPU)，并通過EPU內(nèi)部的調(diào)制解調(diào)器將控制信號疊加到電力波上，以電力載波的方式進(jìn)行信號的傳輸。電力載波信號與液壓單元(HPU)的液壓線路信號和化學(xué)注入單元(CIU)的化學(xué)藥劑線路信號一起送到上部臍帶纜終端(TUTA)，通過1根臍帶纜輸送至水下分配單元(SDU)。SDU將電力信號、控制信號、液壓信號以及化學(xué)藥劑信號分別送至各個(gè)采油樹上的水下控制模塊(SCM)，最終實(shí)現(xiàn)對水下各設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行通信的功能[9]。

圖1 流花4-1油田水下控制方案

1.2 關(guān)鍵設(shè)備組成及功能[10-12]

主控站(MCS)主要作用是控制和監(jiān)測油田水下生產(chǎn)系統(tǒng)和水面各設(shè)備。MCS的控制柜集成了工控機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通信模塊、人機(jī)交互界面、數(shù)據(jù)服務(wù)器和不間斷電源等。

電力單元(EPU)為水下生產(chǎn)設(shè)施提供穩(wěn)定的電力，能夠保證油氣生產(chǎn)穩(wěn)定可靠地持續(xù)進(jìn)行。EPU一般包括散熱單元、輸入監(jiān)測及電源隔離單元、控制器單元和動(dòng)力單元等。

液壓動(dòng)力單元(HPU)為水下閥門控制提供清潔的液壓液，主要包括液壓油柜、液壓泵、過濾器、蓄能器和控制閥等。

水下控制模塊(SCM)接受來自MCS的信號，完成對水下采油樹和管匯的控制，同時(shí)監(jiān)測其運(yùn)行狀態(tài)，反饋至MCS。SCM主要由水下電子模塊(SEM)、液壓蓄能器、液壓過濾器、電液控制閥、傳感器、殼體和底座等構(gòu)成。

臍帶纜是為水下設(shè)施提供電力、通訊、液壓、化學(xué)藥劑等信號的通道，主要包括多根控制通信電纜、電力電纜、液壓管線和化學(xué)藥劑管線等。

水下分配單元(SDU)將來自于臍帶纜的電力、通訊、液壓、化學(xué)藥劑信號分配到各個(gè)采油樹、化學(xué)藥劑注入點(diǎn)、管匯閥門等，主要由液壓分配模塊(HDU)和電氣分配模塊(EDU)組成。

1.3 系統(tǒng)框圖

流花4-1油田水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)框圖見圖2。

從圖2中可以看出水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)包含的設(shè)備及各設(shè)備間的邏輯關(guān)系，是進(jìn)行水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)識別的硬件基礎(chǔ)和軟件基礎(chǔ)。

2 FMECA參數(shù)定義

2.1 FMECA工作表包含參數(shù)

FMECA是對系統(tǒng)/產(chǎn)品進(jìn)行分析，識別潛在失效模式，進(jìn)而分析失效原因， 并對不同失效模式對系統(tǒng)的影響進(jìn)行評估的一套系統(tǒng)化程序，主要包括失效模式和失效影響分析(FMEA)以及危害性分析(CA)。FMECA分析以表格的方式進(jìn)行，參考GB/T 7826—2012《系統(tǒng)可靠性分析技術(shù) 失效模式和影響分析(FMEA)程序》[13]進(jìn)行FMECA工作表及其參數(shù)的設(shè)定。

圖2 流花4-1油田水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)框圖

FMECA工作表中參數(shù)包括潛在失效模式、潛在失效影響、嚴(yán)酷度等級、潛在失效機(jī)理/原因、失效模式的失效率λi、失效模式危害度Ci以及設(shè)備危害度Cr。失效模式的失效率可從文獻(xiàn)[14]獲得，需要分析水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)設(shè)備潛在失效模式、潛在失效影響、潛在失效機(jī)理/原因，定義失效模式的嚴(yán)酷度等級，進(jìn)而計(jì)算失效模式的危害度，統(tǒng)計(jì)設(shè)備的危害度。

2.2 嚴(yán)酷度定義

嚴(yán)酷度是對失效模式影響系統(tǒng)/產(chǎn)品使用的嚴(yán)重程度的評價(jià)，分為4個(gè)等級，嚴(yán)酷度4個(gè)等級對應(yīng)的嚴(yán)酷度水平及后果見表1。

表1 嚴(yán)酷度等級分類

2.3 危害性定義

危害性是失效模式對系統(tǒng)影響程度分析的補(bǔ)充，把失效頻率和工作時(shí)間相結(jié)合，可更真實(shí)地評定系統(tǒng)/產(chǎn)品在預(yù)定使用期內(nèi)失效模式的風(fēng)險(xiǎn)。失效模式危害度Ci計(jì)算公式為：

Ci=λitj

式中，tj為工作時(shí)間，文中設(shè)定為5 000 h；λi為失效模式的失效率，10-6/h。

為了比較失效模式對系統(tǒng)/產(chǎn)品的危害程度，并為確定改進(jìn)措施的先后順序提供依據(jù)，可以通過繪制危害性矩陣來實(shí)現(xiàn)。圖3所示為一種典型的危害性矩陣，從2種失效模式分布點(diǎn)M1、M2分別向矩陣對角線OP作垂線，以垂線與對角線交點(diǎn)到原點(diǎn)的距離作為失效模式危害性的度量，距離越長，代表危害性越大。在圖3中，可以看出失效模式M1比失效模式M2的危害性大[15]。

圖3 典型危害性矩陣

3 流花4-1油田水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)識別

分別對流花4-1油田水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)的MCS、EPU、HPU、臍帶纜、SDU、SCM所產(chǎn)生的影響進(jìn)行分析并計(jì)算危害度，得到的FMECA工作表見表2～表7。

根據(jù)表2～表7繪制的流花4-1油田水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)設(shè)備危害性矩陣見圖4。從圖4可以直觀看出水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)各設(shè)備危害度的排序，尋找導(dǎo)致設(shè)備產(chǎn)生較大危害度的失效模式，從而為設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造、安裝及使用提供良好的依據(jù)。由圖4可知，在水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)各設(shè)備中，主控站Ⅰ類嚴(yán)酷度產(chǎn)生的危害度最大，從表2中查到Ⅰ類嚴(yán)酷度對應(yīng)的失效模式為誤操作和無法完成指定操作。

表2 MCS的FMECA工作表

表3 EPU的FMECA工作表

表4 HPU的FMECA工作表

表5 臍帶纜的FMECA工作表

表6 SDU的FMECA工作表

表7 SCM的FMECA工作表

圖4 流花4-1油田水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)危害性矩陣

4 結(jié)語

采用FMECA對流花4-1油田水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析，確定了各系統(tǒng)中設(shè)備的失效模式，分析了各失效模式的失效原因、失效機(jī)理，定義了各失效模式的嚴(yán)酷度等級，計(jì)算了各失效模式的危害度。在此基礎(chǔ)上繪制了流花4-1油田水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)的危害度矩陣，對各設(shè)備的危害度進(jìn)行排序。其中，主控站Ⅰ類嚴(yán)酷度危害度最大，其相應(yīng)的失效模式為誤操作和無法完成指定操作。因此，可以采取加強(qiáng)人員培訓(xùn)、加強(qiáng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測和定期檢測等措施，來提高水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)的可靠性。