劉國(guó)恒 呂松松 中海石油（中國(guó)）有限公司北京研究中心

段興鋒 趙笑輝 集美大學(xué)航海學(xué)院

在海上，天然氣的開采有兩種方式，一種是氣井開采，天然氣作為一次開采北采出，二是伴隨這油井作為伴生氣被開采出來。被開采出來的天然氣可通過專用的輸氣管線輸送到陸地上的終端設(shè)備上，或者用作氣舉、注氣，或作為平臺(tái)燃料。開采出來的天然氣一般要進(jìn)行壓縮，使壓力增至可用的水平。因此，天然氣壓縮系統(tǒng)的可靠性，對(duì)在役鉆井平臺(tái)的正常營(yíng)運(yùn)和安全非常重要。國(guó)內(nèi)外對(duì)于在役鉆井平臺(tái)設(shè)備的可靠性分析都給予了高度的重視，挪威石油安全署早在上個(gè)世紀(jì)八十年代初就發(fā)起了OREDA項(xiàng)目，用來采集海上鉆井平臺(tái)在營(yíng)運(yùn)過程中的各種設(shè)施的可靠性數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上對(duì)各設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，OREDA數(shù)據(jù)庫目前是研究鉆井平臺(tái)設(shè)備可靠性的最重要的數(shù)據(jù)來源之一。對(duì)于設(shè)備可靠性分析，失效模式、影響及危害性分析方法（FMECA）是常用的方法之一，目前在鉆井平臺(tái)的其他設(shè)備可靠性研究中已經(jīng)廣泛應(yīng)用，并且取得了良好的效果，而對(duì)于在役鉆井平臺(tái)天然氣壓縮系統(tǒng)的可靠性分析，還鮮有相關(guān)的報(bào)道，因此，本文采用FMECA方法分析天然氣壓縮系統(tǒng)的可靠性，為油氣平臺(tái)的安全管理提供理論依據(jù)。

1.在役鉆井平臺(tái)天然氣壓縮系統(tǒng)概況

鉆井平臺(tái)上天然氣壓縮機(jī)在油氣田中主要用于三個(gè)目的：低壓氣的回收、天然氣的中間過程的加壓和外輸氣的輸送，其主要設(shè)備有分離器、段塞流捕集器、冷卻器和壓縮機(jī)。從鉆井平臺(tái)來的天然氣經(jīng)清管球接收器進(jìn)入段塞流捕集器，在海底管線流動(dòng)過程中，由于壓力和溫度的下降，將有凝析油析出。天然氣在進(jìn)入段塞流捕集器后，將天然其中的氣體和液體進(jìn)行分離，其中，分離出來的液體被排到閉式排放罐，分離出來的氣與來自低壓處理系統(tǒng)伴生氣一起進(jìn)入氣洗滌器。經(jīng)過以上流程處理過的天然氣經(jīng)壓縮機(jī)壓縮增壓和一級(jí)冷卻器冷凝后，再與來自高壓處理系統(tǒng)的伴生氣一起進(jìn)入二級(jí)壓縮機(jī)壓縮增壓和二級(jí)冷卻器冷凝。從二級(jí)壓縮機(jī)出來的天然氣經(jīng)過進(jìn)口滌氣器后，進(jìn)入三甘醇接觸塔中，高純度的貧甘醇和濕氣逆向充分接觸，同貧甘醇在接觸中逐漸失去水分，變成干燥的氣體最后從塔頂出來，而貧甘醇則吸收了相當(dāng)于它本身質(zhì)量4.2%的水分后變成富甘醇，從塔下部流出去再生器。

2.FMECA主要步驟和參數(shù)

2.1 FMECA主要步驟

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(duì)分析對(duì)象的功能結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)接口類型及工作環(huán)境與時(shí)間影響進(jìn)行分析后，鑒別失效模式，確定引起各個(gè)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(shí)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(duì)故障模式進(jìn)行排序，從而針對(duì)性地采取相應(yīng)的措施，提高系統(tǒng)可靠性。

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

表2 天然氣壓縮系統(tǒng)FMECA分析表

FMECA的分析流程是一個(gè)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(shí)階段、故障模式識(shí)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。

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(duì)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(jí)等。

（4）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(duì)應(yīng)的嚴(yán)酷度等級(jí)，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。

（5）編制FMECA報(bào)告，繪制系統(tǒng)功能和可靠性框圖、結(jié)論與建議等。

2.1 FMECA主要參數(shù)

失效模式和失效影響分析以及危害性分析主要以表格的方式進(jìn)行，一般來說，需要根據(jù)《系統(tǒng)可靠性分析技術(shù)失效模式和影響分析（FMEA）程序》設(shè)計(jì)工作表和確定相關(guān)參數(shù)。其主要參數(shù)包括：潛在失效模式、潛在失效影響、嚴(yán)酷度等級(jí)、失效模式的失效率、失效模式危害度和設(shè)備危害度。在役鉆井平臺(tái)天然氣壓縮系統(tǒng)失效模式的失效率可從OREDA數(shù)據(jù)庫查詢，嚴(yán)酷度的等級(jí)根據(jù)在役油氣生產(chǎn)平臺(tái)上部設(shè)施海洋石油設(shè)備產(chǎn)品的特點(diǎn)確定，見表1。其他參數(shù)根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算。

圖1 各故障模式的故障率

圖2 各故障模式的危害度

圖3 天然氣脫水系統(tǒng)危害性矩陣示意圖

3.天然氣壓縮系統(tǒng)可靠性分析

結(jié)合天然氣壓縮系統(tǒng)的工作流程，對(duì)其系統(tǒng)中的主要設(shè)備分離器、段塞流捕集器、冷卻器、壓縮機(jī)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。表中，α是發(fā)生故障的百分比，按OREDA數(shù)據(jù)庫中統(tǒng)計(jì)的鉆井平臺(tái)中相關(guān)設(shè)備的故障模式發(fā)生次數(shù)計(jì)算出每種故障模式發(fā)生的百分比；β為發(fā)生故障而導(dǎo)致任務(wù)失敗的條件概率，采用GJB/Z 1391的推薦值，即實(shí)際喪失時(shí)值為1，很有可能喪失時(shí)值為0.1-1，有可能喪失時(shí)值為0-0.1，不發(fā)生時(shí)值為0。λ是設(shè)備故障率，從OREDA數(shù)據(jù)庫中查詢；t為工作總時(shí)間（量級(jí)為106）從OREDA數(shù)據(jù)庫中查詢，C為故障模式危害度，C＝α×β×λ×t。

根據(jù)表2得出不同設(shè)備各個(gè)構(gòu)建故障模式的故障率和故障模式危害度見圖1和圖2，從圖中可以看出，故障率最高的模式分別是段塞流捕集器中的結(jié)構(gòu)缺陷、冷卻器中的插入/阻塞、參數(shù)偏差和外部泄露。而故障模式危害度最高的是段塞流捕集器中的結(jié)構(gòu)缺陷、冷卻器中的內(nèi)部泄露和外部泄露、壓縮機(jī)設(shè)備中的未按需啟動(dòng)。

根據(jù)表2繪制的在役鉆井平臺(tái)天然氣壓縮系統(tǒng)設(shè)備危害性矩陣見圖1。從圖1可以直觀看出系統(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)備的使用和維護(hù)提供良好的依據(jù)。

4.結(jié)論

通過對(duì)在役天然氣壓縮系統(tǒng)可靠性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）天然氣壓縮系統(tǒng)35個(gè)故障模式，其中嚴(yán)酷度為Ⅰ類有5個(gè)，Ⅱ類有8個(gè)，Ⅲ類有19個(gè)，Ⅳ類有3個(gè)，這說明大部分故障造成的后果可能導(dǎo)致相關(guān)系統(tǒng)預(yù)定功能下降，造成短時(shí)間停機(jī)，增加非計(jì)劃性維護(hù)和修理，對(duì)環(huán)境和人員無害。

（2）天然氣壓縮系統(tǒng)中的分離器、冷卻器和壓縮機(jī)這三個(gè)設(shè)備存在嚴(yán)酷度等級(jí)為Ⅰ類的災(zāi)難性故障，危害性影響比較大的單元設(shè)備依次是壓縮機(jī)的未按需啟動(dòng)、冷卻器的內(nèi)部泄露和外部泄露以及段塞流捕集器的結(jié)構(gòu)缺陷。

（3）考慮模式發(fā)生概率等級(jí)，危害性較大的設(shè)備是壓縮機(jī)，該設(shè)備的嚴(yán)酷度為I類的值達(dá)到1.8268，因此，可設(shè)備可定為關(guān)鍵設(shè)備。其中壓縮機(jī)的未按需啟動(dòng)危害度最大，達(dá)到1.2908，屬于潛在決定性故障模式；壓縮機(jī)中插入/阻塞的危害度達(dá)到0.536，為致命性故障，但是由于發(fā)生概率較低，危害度次于前者。