基于FMEA小型LNG气化站可靠性分析

同济大学机械与能源工程学院 周伟国 尹宇龙 张 夏

基于FMEA小型LNG气化站可靠性分析

同济大学机械与能源工程学院 周伟国 尹宇龙 张 夏

LNG气化站作为管道气的有力补充，能够满足城镇燃气供应的多样化需求，同时具有建站投资少、周期短以及安全可靠的特点，在燃气供应体系中发挥非常重要的作用，具有非常广阔的市场前景。近年来，随着燃气应用的不断推广，气化覆盖率迅速增大，为了提升系统运行和维护的安全管理，对LNG气化站的可靠性分析愈发受到重视。故障模式与影响分析(FMEA)是工程应用中最常用的可靠性分析方法之一，广泛应用于各个行业并逐步发展成熟，该方法对发现系统潜在和已知故障、了解故障对系统影响，分析风险优先排序具有重要意义。文章基于FMEA评价模型对小型LNG气化站进行了可靠性分析。

小型LNG气化站 可靠性 FMEA

0 引言

LNG气化站的主要工艺是通过气化器将液态的LNG吸热后相变转化为气态的天然气，然后向下游市场进行供应。LNG气化站在系统设计、工艺设计及实际运行中，需要考虑到诸如以下等各个方面的潜在风险：燃气的易燃易爆性；低温深冷特性、低温伤害性、设备潜在风险、环境问题等。

FMEA(Failure Mode and Effect Analysis)即故障模式与影响分析，为可靠性工程中常用的手法，是用来评估系统、设计、过程或服务等所有可能会发生的故障(问题、错误、风险和利害)的方法。通过FMEA的分析和应用，找出潜在或已知的故障，消除工艺设计、设备维护、管理方式上的盲点与弊端，在实施过程中能够对各种可能的风险进行评价、分析，以便在现有技术的基础上消除这些风险或将这些风险减小到可接受的水平。

本文基于FMEA法进行小型LNG气化站的可靠性分析。

1 项目简介

某小型LNG气化站的工艺为LNG的储存、LNG气化和天然气调压、计量、加臭、放散等多项工艺，主要设备按成撬方案提供，其相关参数汇总见表1。

表1 某小型LNG气化站的相关参数汇总

2 FMEA对LNG气化站的分析层级

按照失效模式与其后果鉴定各单元存在的潜在风险，确定该小型LNG气化站的FMEA分析层级如下：

(1)确定可靠性分析的评价对象。

(2)针对各个评价对象，展开对故障模式、故障影响、故障原因及纠正措施的分析。

风险控制是风险管理体系的重要组成部分。实际操作FMEA的过程中，要求针对每个可能出现问题的故障模式，都应给出相关纠正措施，以提高项目的安全性及可靠性。

(3)专家团队对各个风险从三个风险属性角度进行可靠性评价。

为了便于评价，基于以上分析层级，建立FMEA表格化的分析层级，见图1。

图1 分析层级的表格化

3 风险属性等级划分

FMEA需建立打分机制，评价指标为RPN(风险优先数)，对综合性指标RPN分析时，需从发生度(O)、严重度(S)和检测度(D)三个风险因素角度入手。由于客观事物的复杂性和模糊性，在评估的过程中，评判信息往往以语言形式给出。为了对语言信息量化处理，针对评估的各个定性描述，需要建立O、S、D评估的定量描述。

“有人！”缺一指对陈大勇打了个卧倒的手势，他迅速趴下，耳朵紧紧贴着大地，远处有七八匹马蹄零乱的脚步，蹄声不急不徐正朝这个方向走来，听得出，骑马的人并不慌张，倒像是一次远足。

常采用建立评分等级的方法。目前工业界对风险属性(O、S、D)多采用两种等级划分：基于数字1~5与1~10的评分等级。后者因为评价精度高而广泛使用。在数值上，RPN是O、S、D三者之积，即RPN=O×S×D。在已知各个故障模式RPN的数值大小基础上，即可对故障模式的风险纠正优先次序进行排列，得到各个故障模式之间的相对风险的高低关系。

打分准则见表2、表3和表4。相关专家依据打分准则对各个故障模式分别从三个角度(发生度、严重度、检测度)作出评价。

表2 FMEA发生度等级划分准则

表3 FMEA严重度等级划分准则

表4 FMEA检测度等级划分准则

4 功能故障分析

故障可以是已知的或者潜在的。FMEA从设备本身的材料、结构、功能出发，在FMEA团队的集体讨论下，将19种已知或潜在的故障总结见表5。

表5 故障模式汇总

FMEA团队分别对每一个故障模式进行系统化分析，考虑引起该故障的原因，分析该故障所能引起的局部及整体影响，讨论结果汇总见表6、表7。

表6 故障原因及影响汇总(1)

表7 故障原因及影响汇总(2)

5 专家评估

专家评估法是确定故障风险的常用方法之一。对于FMEA项目，由于是一种对于产品或工艺过程存在潜在失效故障模式的预先判断，其特点就是缺少实际资料及数据，是以专家作为索取信息的对象，依靠专家的知识和经验，由专家通过调查研究对问题作出判断、评估和预测是有效可行的。

结合故障原因及故障影响，从 O、S、D三个角度进行评价，专家Ei对故障模式Mj的评分表格汇总表8。

表8 专家评判信息汇总

本论文采用郭金玉等和邓雪等提出的层次分析法(AHP)，即是将与决策总是有关的元素分解成目标、准则和方案等层次，在此基础之上进行定性和定量分析的决策方法，来分析风险属性之间的相对重要性，进而量化属性的权重值。利用 Matlab软件经计算得到权重值为：[0.316，0.473，0.211]。

由AHP法获得属性O、S、D的权重值后，对专家Ei对故障Mj的评估值Fij汇总见表9。

表9 专家评判信息汇总

实际工程中，专家群决策往往具有主观性和随机性的特点，容易出现较高或较低的评价值，影响决策信息的准确性。为了解决该问题，文中从相关分析出发，研究某一变量与所属变量组的相关程度。对存在偏见的评价，应赋予较低的权重，即对偏离程度较大的决策信息通过较低权重修正的方法来达到信息处理的最优化。本文利用王晓暾等和卫贵武等提出的相关算子(DLOWG)求得针对每个故障模式的专家意见权重，见表10。

表10 基于相关算子的专家意见权重

专家群决策的故障模式评价值 RPN数值汇总见表11。

表11 综合指数RPN

从表 11可见，各故障模式的风险优先次序排列为：

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

6 FMEA评估分析结果与纠正措施

基于FMEA对小型LNG气化站的评估结果纠正措施见汇总表12、表13、表14。

表12 基于FMEA的小型LNG气化站可靠性评估结果与纠正措施汇总(1)

表13 基于FMEA的小型LNG气化站可靠性评估结果与纠正措施汇总(2)

表14 基于FMEA的小型LNG气化站可靠性评估结果与纠正措施汇总(3)

6 结语

本文主要基于层次分析法(AHP)和相关算子(DLOWG)提出改进RPN的计算方法，并将其应用于小型LNG气化站的FMEA分析中。

(1)建立了 FMEA评估模型，探讨了从故障模式、故障影响到故障原因的分析层级，建立风险属性(O、S、D)的等级划分制，阐述了专家评估法和FMEA持续改进的评估方式。在此模型的基础上，对小型LNG气化站的主要设备、阀门、管道等进行系统化的归类和整理，FMEA团队得出了针对该小型LNG气化站的19种故障模式，并对其故障影响和故障原因进行分析研究。

(2)采用综合指数RPN法对各个故障从严重度、发生度和检测度进行风险评价，得到各个故障模式的风险优先次序，针对 19种故障模式提出后续纠正改进措施，便于集中有限资源合理分配对各个风险的关注度。

(3)提出了该小型LNG气化站的FMEA评估表格，这对于工程人员在实际运营操作时，具有一定的指导意义。

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