孫 欽，尹 豐，潘艷芝2,3，洪 毅

(1.中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100028； 2.海默科技(集團(tuán))股份有限公司，蘭州 730010；3.西安交通大學(xué) 動(dòng)力工程多相流國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710049)①

水下多相流量計(jì)是一種重要的水下油氣開(kāi)發(fā)工程裝備，通過(guò)多相流量計(jì)可實(shí)時(shí)測(cè)量單井油、氣、水的產(chǎn)量，協(xié)助完成生產(chǎn)優(yōu)化、流動(dòng)保障等工作，對(duì)水下油氣田開(kāi)發(fā)及生產(chǎn)管理的全自動(dòng)化具有重要意義[1-3]。水下設(shè)施位于海底，回收和維修成本高，需要裝置具有極高的可靠性和穩(wěn)定性。為提高國(guó)內(nèi)自主研制的水下多相流量計(jì)的可靠性，需要通過(guò)嚴(yán)格的設(shè)計(jì)認(rèn)證與分析。水下多相流量計(jì)研制，需遵循各類針對(duì)水下工程裝備的設(shè)計(jì)規(guī)范，包括API 17D、API 17N、API17F、API 6A、API 17S、API RP 85等規(guī)范[4-9]，以及挪威船級(jí)社 (DNV GL) 出版的針對(duì)水下裝備的設(shè)計(jì)及認(rèn)證規(guī)范[10-11]。

為進(jìn)一步保證水下多相流量計(jì)研制過(guò)程的科學(xué)性和設(shè)備可靠性，通過(guò)FMECA分析方法來(lái)識(shí)別水下多相流量計(jì)的關(guān)鍵性元件及潛在風(fēng)險(xiǎn)，并采取相應(yīng)措施，最大程度地降低風(fēng)險(xiǎn)。

FMECA(Failure Mode, Effects and Criticality Analysis)[12-13]——故障模式、影響及危害性分析，作為一種評(píng)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[14-15]。FMEA 方法最早出現(xiàn)在20 世紀(jì)50 年代，應(yīng)用于航空器主操控系統(tǒng)的失效分析；到20 世紀(jì)60 年代，加入關(guān)鍵性分析(CA)，形成FMECA 方法；20 世紀(jì)70 年代，該系統(tǒng)的可靠性工程技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用在汽車的零件設(shè)計(jì)中。目前，F(xiàn)MECA 技術(shù)已廣泛應(yīng)用在石油化工、海上石油天然氣開(kāi)采設(shè)施上，用于識(shí)別關(guān)鍵的失效模式和影響、優(yōu)化設(shè)計(jì)、操作和維護(hù)。

1 水下多相流量計(jì)FMECA基礎(chǔ)

水下多相流量計(jì)是一種用于水下井口油氣水計(jì)量的多相流量計(jì)，基于成熟的伽馬射線及文丘里技術(shù)，可適應(yīng)惡劣的水下應(yīng)用環(huán)境，實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)計(jì)量，滿足信號(hào)的連續(xù)采集，并達(dá)到小體積、高強(qiáng)度、抗腐蝕、長(zhǎng)壽命的要求。

水下多相流量計(jì)應(yīng)用文丘里進(jìn)行總流量計(jì)量，應(yīng)用伽馬射線技術(shù)進(jìn)行相分率(含水率、含氣率)計(jì)量，并結(jié)合經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期驗(yàn)證及優(yōu)化的動(dòng)態(tài)計(jì)量模型，最終得到油、氣、水單相工況流量；再結(jié)合PVT模型，獲得標(biāo)況下油、氣、水單相流量。水下多相流量計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 水下多相流量計(jì)結(jié)構(gòu)示意

本文FMECA 分析的水下多相流量計(jì)，主要包含流量計(jì)本體和電子倉(cāng)部分。根據(jù)IEC 60812 標(biāo)準(zhǔn)[12]以及DNV GL水下系統(tǒng)完整性推薦做法，分析水下多相流量計(jì)中每個(gè)子單元/元件的失效模式和影響。通過(guò)FMECA 分析，達(dá)到如下目的：

1) 識(shí)別關(guān)鍵元件及失效模式。

2) 評(píng)價(jià)現(xiàn)有的重要控制措施。

3) 提出設(shè)計(jì)改進(jìn)和風(fēng)險(xiǎn)降低措施，提高設(shè)備的可靠性。

2 分析方法

FMECA 是一種結(jié)構(gòu)化的分析方法，目的是為了識(shí)別和分析系統(tǒng)/設(shè)備的所有重要的失效模式及其影響，通過(guò)確定失效發(fā)生的可能性和后果的分類，所有的失效模式和相應(yīng)的系統(tǒng)和設(shè)備部件進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)排序，確定關(guān)鍵設(shè)備并加以關(guān)注。

2.1 分析流程

本文的FMECA 分析采用DNV GL RP 0002[16]中推薦的風(fēng)險(xiǎn)矩陣，并對(duì)失效后果的定義進(jìn)行了適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)。FMECA分析流程參考了IEC 60812標(biāo)準(zhǔn)中的分析方法，分析流程如圖2。

圖2 FMECA分析流程

分析流程主要包含以下步驟：

1) 設(shè)備層級(jí)(設(shè)備/子單元/元件)劃分。

第一，福建小學(xué)學(xué)校的數(shù)量和施教人數(shù)逐年增加。“二十九年改制之初，設(shè)中心學(xué)校875校、國(guó)民學(xué)校3700校、私立小學(xué)586校、共4161校① 原文計(jì)算有誤，應(yīng)為5161校。，施教人數(shù)小學(xué)部514490人。三十年中心學(xué)校增為1164校、國(guó)民學(xué)校增為3782校、私立小學(xué)516校、共5462校、施教人數(shù)小學(xué)部648551人。三十一年中心學(xué)校增為1349校、國(guó)民學(xué)校增為4041校、私立小學(xué)468校、共5732校②原文計(jì)算有誤，應(yīng)為5858校。、施教人數(shù)小學(xué)部634562人。”［27］13三年間，小學(xué)學(xué)校的數(shù)量增長(zhǎng)了1571所，施教人數(shù)僅小學(xué)部就增長(zhǎng)了120072人。

2) 識(shí)別每個(gè)元件的功能和失效模式。

3) 選擇一個(gè)失效模式，識(shí)別典型的失效機(jī)理或原因。

4) 評(píng)估失效的安全、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)后果。

5) 評(píng)估失效模式的初始風(fēng)險(xiǎn)是否滿足可接受準(zhǔn)則。

6) 對(duì)于初始風(fēng)險(xiǎn)為中/高風(fēng)險(xiǎn)類的失效模式，識(shí)別現(xiàn)有的控制措施。

7) 評(píng)估現(xiàn)有控制措施對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的降低程度，確定最終關(guān)鍵性(考慮了現(xiàn)有控制措施)是否滿足可接受準(zhǔn)則。

8) 對(duì)于最終關(guān)鍵性為中/高風(fēng)險(xiǎn)(緩解風(fēng)險(xiǎn))的失效模式，提出額外的設(shè)計(jì)改進(jìn)，風(fēng)險(xiǎn)控制和緩解措施。

9) 重復(fù)以上步驟，直至所有設(shè)備/子單元/元件分析完畢。

2.2 設(shè)備層級(jí)劃分

設(shè)備層級(jí)的劃分依據(jù)ISO 14224《設(shè)備可靠性和維護(hù)數(shù)據(jù)收集和交換準(zhǔn)則》[17]，將設(shè)備劃分為不同的子單元及每個(gè)子單元包含的元件。失效模式和影響分析將在元件的層級(jí)進(jìn)行。

2.3 失效模式定義

設(shè)備/元件的功能是指在指定的工作環(huán)境和條件下，所期望實(shí)現(xiàn)的作用及其性能標(biāo)準(zhǔn)。功能一般分為主要功能和次要功能。功能失效是指故障使得設(shè)備不能達(dá)到用戶所能接受的、能滿足績(jī)效標(biāo)準(zhǔn)的功能。除了功能的完全失效外，還包括部分失效，即設(shè)備仍可以運(yùn)行，但是性能指標(biāo)不能維持可接受的質(zhì)量或精確度要求。只有當(dāng)設(shè)備的功能和性能標(biāo)準(zhǔn)被定義清楚之后，才能清楚地識(shí)別功能性的失效模式。

失效模式是指故障的狀態(tài)或形式，對(duì)于大多數(shù)典型的設(shè)備類型，ISO 14224 標(biāo)準(zhǔn)給出了推薦的失效模式列表。在進(jìn)行FMECA 分析時(shí)，還應(yīng)考慮可能的“失效模式”。包括：

1) 同樣運(yùn)行環(huán)境下在同樣或類似設(shè)備上已經(jīng)發(fā)生的事件。

2) 在現(xiàn)有的維護(hù)體制下，正在被預(yù)防的故障事件。

3) 還沒(méi)有發(fā)生、但是被懷疑極大可能發(fā)生的故障事件。

2.4 現(xiàn)有措施識(shí)別

針對(duì)初始關(guān)鍵性為中/高類的失效模式，將要識(shí)別現(xiàn)有的控制措施，包括可探測(cè)性、冗余設(shè)備、其它自動(dòng)控制系統(tǒng)等。一般情況下，現(xiàn)有的控制措施均為積極主動(dòng)的措施，其將只降低后果發(fā)生的可能性，而不改變后果的嚴(yán)重程度。

2.5 FMECA分析結(jié)果

FMECA分析將水下多相流量計(jì)共劃分為5 個(gè)子單元，49 個(gè)元件，分析了75 個(gè)失效模式。通過(guò)風(fēng)險(xiǎn)和關(guān)鍵性評(píng)估，識(shí)別了重要的元件設(shè)備和失效模式。按照流量計(jì)的單元?jiǎng)澐趾妥R(shí)別出的所有需要進(jìn)行FMECA 分析的元件，參考ISO 14224 標(biāo)準(zhǔn)，OREDA 和EMCRH 數(shù)據(jù)庫(kù)，選擇適用的設(shè)備類型和失效模式。

在不考慮現(xiàn)有的控制措施的情況下，非常低(VL )風(fēng)險(xiǎn)元件8%，低(L )風(fēng)險(xiǎn)元件6%，中(M)風(fēng)險(xiǎn)元件29%，高(H)風(fēng)險(xiǎn)元件39%，非常高(VH )風(fēng)險(xiǎn)元件18%。在考慮現(xiàn)有控制措施對(duì)風(fēng)險(xiǎn)降低的影響下，VL 風(fēng)險(xiǎn)元件10%，L 風(fēng)險(xiǎn)元件39%，M風(fēng)險(xiǎn)元件51%。元件關(guān)鍵性分布如圖3。

圖3 元件關(guān)鍵性分布

在不考慮現(xiàn)有的控制措施的情況下，75 個(gè)失效模式中，VL 風(fēng)險(xiǎn)失效模式8%，L 風(fēng)險(xiǎn)失效模式5%，M風(fēng)險(xiǎn)失效模式39%，H 風(fēng)險(xiǎn)失效模式36%，VH 風(fēng)險(xiǎn)失效模式12%。在考慮現(xiàn)有控制措施對(duì)風(fēng)險(xiǎn)降低的影響下，VL 風(fēng)險(xiǎn)失效模式11%，L 風(fēng)險(xiǎn)失效模式44%，M 風(fēng)險(xiǎn)失效模式45%。失效模式的關(guān)鍵性分布如圖4。

圖4 失效模式分布

3 結(jié)論

1) 通過(guò)對(duì)水下多相流量計(jì)進(jìn)行FMECA分析，確定電接頭、電子倉(cāng)密封、溫壓傳感器和差壓傳感器是對(duì)系統(tǒng)比較關(guān)鍵性的單元設(shè)備。

2) 從分析結(jié)果來(lái)看，設(shè)計(jì)中考慮的控制措施有效地降低了風(fēng)險(xiǎn)。在對(duì)水下流量計(jì)的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、關(guān)鍵單元設(shè)備設(shè)計(jì)及選購(gòu)方面應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。

3) 加強(qiáng)關(guān)鍵設(shè)備單元的可靠性試驗(yàn)研究，減少使用過(guò)程中發(fā)生故障的概率，提高水下多相流量計(jì)的可靠性。