基于FMECA的水下生产控制系统风险识别

， ， 景皓， ，

(1.中国船级社，北京 100007；2.海洋水下设备试验与检测技术国家工程实验室，北京 100007；3.海洋石油工程股份有限公司 设计公司，天津 300451；4.北京石油化工学院 机械工程学院，北京 102617；5.深水油气管线关键技术与装备北京市重点实验室，北京 102617)

水下生产控制系统承担着对水下生产系统设备的控制和水下生产状态的监测等重任，是水下生产系统的重要组成部分[1]。水下生产控制系统设备的安全运行对海上油气开发的经济收益至关重要，国外各大石油公司均给予高度重视。1981年，由挪威石油管理局(现挪威石油安全署)发起的OREDA项目，旨在收集安全设备的可靠性数据。1983年，一些石油公司实施了OREDA项目，主要目的是收集近海油气开采设施的经验数据，以改进其可靠性[2]。2009年，美国石油协会借鉴国外各大石油公司水下油气生产的可靠性和风险管理经验，发布了API RP 17N 《水下生产系统可靠性和技术风险管理的推荐做法》[3]。同时，国外学者也开展了水下生产系统相关设备的可靠性和风险分析的研究工作[4-5]。国内目前对于水下生产控制系统的研究主要集中在相关设备的设计与研制上[6-8]，对其可靠性和风险识别尚未有深入研究。文中以流花4-1油田为例，采用失效模式、影响及危害性分析方法(FMECA)对目标油田进行风险分析，寻找威胁安全生产的风险点，为水下生产控制系统的设计及安全运行提供参考。

1 流花4-1油田水下生产控制系统介绍

1.1 水下控制方案

流花4-1油田的水下控制方案简图见图1。流花4-1油田8口生产井的产液通过跨接管输送至中心管汇，然后再经过外输跨接管和管道终端(PLET)以及海底管道混输至流花11-1油田，最后输送至“胜利号”浮式生产储油轮(FPSO)进行处理。流花4-1油田采用的是复合电液控制系统，水面设备放置在“挑战号”浮式生产系统(FPS)上，由主控站(MCS)将控制信号发送至电力单元(EPU)，并通过EPU内部的调制解调器将控制信号叠加到电力波上，以电力载波的方式进行信号的传输。电力载波信号与液压单元(HPU)的液压线路信号和化学注入单元(CIU)的化学药剂线路信号一起送到上部脐带缆终端(TUTA)，通过1根脐带缆输送至水下分配单元(SDU)。SDU将电力信号、控制信号、液压信号以及化学药剂信号分别送至各个采油树上的水下控制模块(SCM)，最终实现对水下各设备数据进行通信的功能[9]。

图1 流花4-1油田水下控制方案

1.2 关键设备组成及功能[10-12]

主控站(MCS)主要作用是控制和监测油田水下生产系统和水面各设备。MCS的控制柜集成了工控机、网络通信模块、人机交互界面、数据服务器和不间断电源等。

电力单元(EPU)为水下生产设施提供稳定的电力，能够保证油气生产稳定可靠地持续进行。EPU一般包括散热单元、输入监测及电源隔离单元、控制器单元和动力单元等。

液压动力单元(HPU)为水下阀门控制提供清洁的液压液，主要包括液压油柜、液压泵、过滤器、蓄能器和控制阀等。

水下控制模块(SCM)接受来自MCS的信号，完成对水下采油树和管汇的控制，同时监测其运行状态，反馈至MCS。SCM主要由水下电子模块(SEM)、液压蓄能器、液压过滤器、电液控制阀、传感器、壳体和底座等构成。

脐带缆是为水下设施提供电力、通讯、液压、化学药剂等信号的通道，主要包括多根控制通信电缆、电力电缆、液压管线和化学药剂管线等。

水下分配单元(SDU)将来自于脐带缆的电力、通讯、液压、化学药剂信号分配到各个采油树、化学药剂注入点、管汇阀门等，主要由液压分配模块(HDU)和电气分配模块(EDU)组成。

1.3 系统框图

流花4-1油田水下生产控制系统框图见图2。

从图2中可以看出水下生产控制系统包含的设备及各设备间的逻辑关系，是进行水下生产控制系统的风险识别的硬件基础和软件基础。

2 FMECA参数定义

2.1 FMECA工作表包含参数

FMECA是对系统/产品进行分析，识别潜在失效模式，进而分析失效原因， 并对不同失效模式对系统的影响进行评估的一套系统化程序，主要包括失效模式和失效影响分析(FMEA)以及危害性分析(CA)。FMECA分析以表格的方式进行，参考GB/T 7826—2012《系统可靠性分析技术 失效模式和影响分析(FMEA)程序》[13]进行FMECA工作表及其参数的设定。

图2 流花4-1油田水下生产控制系统框图

FMECA工作表中参数包括潜在失效模式、潜在失效影响、严酷度等级、潜在失效机理/原因、失效模式的失效率λi、失效模式危害度Ci以及设备危害度Cr。失效模式的失效率可从文献[14]获得，需要分析水下生产控制系统设备潜在失效模式、潜在失效影响、潜在失效机理/原因，定义失效模式的严酷度等级，进而计算失效模式的危害度，统计设备的危害度。

2.2 严酷度定义

严酷度是对失效模式影响系统/产品使用的严重程度的评价，分为4个等级，严酷度4个等级对应的严酷度水平及后果见表1。

表1 严酷度等级分类

2.3 危害性定义

危害性是失效模式对系统影响程度分析的补充，把失效频率和工作时间相结合，可更真实地评定系统/产品在预定使用期内失效模式的风险。失效模式危害度Ci计算公式为：

Ci=λitj

式中，tj为工作时间，文中设定为5 000 h；λi为失效模式的失效率，10-6/h。

为了比较失效模式对系统/产品的危害程度，并为确定改进措施的先后顺序提供依据，可以通过绘制危害性矩阵来实现。图3所示为一种典型的危害性矩阵，从2种失效模式分布点M1、M2分别向矩阵对角线OP作垂线，以垂线与对角线交点到原点的距离作为失效模式危害性的度量，距离越长，代表危害性越大。在图3中，可以看出失效模式M1比失效模式M2的危害性大[15]。

图3 典型危害性矩阵

3 流花4-1油田水下生产控制系统风险识别

分别对流花4-1油田水下生产控制系统的MCS、EPU、HPU、脐带缆、SDU、SCM所产生的影响进行分析并计算危害度，得到的FMECA工作表见表2～表7。

根据表2～表7绘制的流花4-1油田水下生产控制系统设备危害性矩阵见图4。从图4可以直观看出水下生产控制系统各设备危害度的排序，寻找导致设备产生较大危害度的失效模式，从而为设备的设计、制造、安装及使用提供良好的依据。由图4可知，在水下生产控制系统各设备中，主控站Ⅰ类严酷度产生的危害度最大，从表2中查到Ⅰ类严酷度对应的失效模式为误操作和无法完成指定操作。

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 脐带缆的FMECA工作表

表6 SDU的FMECA工作表

表7 SCM的FMECA工作表

图4 流花4-1油田水下生产控制系统危害性矩阵

4 结语

采用FMECA对流花4-1油田水下生产控制系统进行风险分析，确定了各系统中设备的失效模式，分析了各失效模式的失效原因、失效机理，定义了各失效模式的严酷度等级，计算了各失效模式的危害度。在此基础上绘制了流花4-1油田水下生产控制系统的危害度矩阵，对各设备的危害度进行排序。其中，主控站Ⅰ类严酷度危害度最大，其相应的失效模式为误操作和无法完成指定操作。因此，可以采取加强人员培训、加强设备运行状态监测和定期检测等措施，来提高水下生产控制系统的可靠性。