水下管匯可靠性分析及改進(jìn)措施

許文虎，郭　宏，洪　毅，鄭利軍

(中海油研究總院，北京 100028)①

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水下管匯可靠性分析及改進(jìn)措施

許文虎，郭宏，洪毅，鄭利軍

(中海油研究總院，北京 100028)①

摘要：以中國(guó)南海某深水氣田水下生產(chǎn)系統(tǒng)中東區(qū)管匯設(shè)計(jì)方案為研究目標(biāo)，使用失效模式、影響和嚴(yán)重度分析方法(FMECA)對(duì)水下管匯進(jìn)行可靠性定性、定量分析，找出系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)。系統(tǒng)的關(guān)鍵單元為生產(chǎn)隔離閥、管線和連接器，其中生產(chǎn)隔離閥失效的危害程度最大，其失效嚴(yán)重度占水下管匯所有失效模式嚴(yán)重度的84.68%；在生產(chǎn)隔離閥的7種失效模式中，危害最大的失效模式為泄漏，占水下管匯所有失效模式嚴(yán)重度的55.13%；造成生產(chǎn)隔離閥泄漏的主要原因是腐蝕、裂縫和材料失效。根據(jù)水下管匯可靠性分析結(jié)果，提出了改進(jìn)意見(jiàn)及注意事項(xiàng)，為提高水下管匯系統(tǒng)可靠性提供參考。

關(guān)鍵詞：水下；管匯；可靠性；分析；措施

水下生產(chǎn)系統(tǒng)將采油樹(shù)、管匯、井口控制系統(tǒng)及其他設(shè)備放置在海床上進(jìn)行油氣開(kāi)采，可以方便地將油氣回接到現(xiàn)有的固定或浮式生產(chǎn)裝置上，具有經(jīng)濟(jì)、高效、適用于不同水深、可應(yīng)用于惡劣海況等優(yōu)點(diǎn)[1]，已越來(lái)越多地應(yīng)用于我國(guó)南海油氣資源的開(kāi)發(fā)。陸豐油田、流花油田、荔灣氣田等南海油氣田開(kāi)發(fā)工程中都使用了水下生產(chǎn)系統(tǒng)[2]；隨著我國(guó)南海油氣資源開(kāi)發(fā)水深的不斷增加，水下生產(chǎn)系統(tǒng)具有廣闊的應(yīng)用前景。水下管匯是水下生產(chǎn)系統(tǒng)中重要的設(shè)備之一，它起著集輸、分配生產(chǎn)液并向井口注水、氣、化學(xué)藥劑等多種作用。海洋石油開(kāi)發(fā)在深水領(lǐng)域具有高投入、高風(fēng)險(xiǎn)的特點(diǎn)，對(duì)水下設(shè)備的可靠性有非常高的要求，水下設(shè)備的故障或失效會(huì)產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)損失，并可能造成環(huán)境污染等，因此對(duì)水下設(shè)備(例如水下管匯)進(jìn)行可靠性分析，保證其具有高可靠度十分重要。

國(guó)外石油公司于20世紀(jì)80年代開(kāi)展了石油天然氣生產(chǎn)設(shè)施可靠性研究，對(duì)水下安全閥、水下電力系統(tǒng)等[3-7]進(jìn)行了可靠性分析，已建立了較完善的可靠性數(shù)據(jù)庫(kù)和規(guī)范。目前，我國(guó)石油天然氣行業(yè)針對(duì)水下設(shè)備的可靠性分析較少，相關(guān)研究工作亟需加強(qiáng)。本文以中國(guó)南海某深水氣田水下生產(chǎn)系統(tǒng)中東區(qū)管匯的設(shè)計(jì)方案為研究目標(biāo)，使用FMECA[8](Failure Modes，Effects and Criticality Analysis)分析方法對(duì)水下管匯進(jìn)行可靠性定性、定量分析，找出系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，提出改進(jìn)建議，對(duì)提高水下管匯系統(tǒng)可靠性具有借鑒意義。

1目標(biāo)管匯

南海某深水氣田位于我國(guó)境內(nèi)南海珠江口盆地，距香港東南約310 km，水深約1 500 m。該氣田采用水下生產(chǎn)系統(tǒng)長(zhǎng)距離回接至淺水增壓平臺(tái)的開(kāi)發(fā)模式，由多套水下生產(chǎn)設(shè)施、深水海底管線、淺水增壓平臺(tái)、淺水外輸海底管線、陸上天然氣處理終端組成。氣田水下生產(chǎn)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1　南海某深水氣田水下生產(chǎn)系統(tǒng)示意

該氣田水下生產(chǎn)設(shè)施設(shè)計(jì)可容納12口井，目前開(kāi)發(fā)9口井，東部管匯處3口井通過(guò)跨接管回接到東部管匯，西部管匯處4口井通過(guò)跨接管回接到西部管匯，中心管匯處2口井通過(guò)跨接管回接到中心管匯(PLEM)。東西區(qū)管匯流體在中心管匯處匯合后通過(guò)2條79 km海底管線輸送至淺水增壓平臺(tái)。東、西區(qū)管匯以及中心管匯均為叢式管匯。東區(qū)管匯為4口井的生產(chǎn)管匯(預(yù)留1口井的接口)，采油樹(shù)通過(guò)152 mm(6英寸)跨接管與管匯連接，各生產(chǎn)井的井液輸送到東區(qū)管匯后，通過(guò)2根304.8 mm(12英寸)的匯管進(jìn)入2條氣體管道，輸送到中心管匯。東區(qū)管匯的主要功能為：匯集井口的井流，混合后外輸；向各井口分配來(lái)自上部設(shè)施的化學(xué)藥劑；控制井口生產(chǎn)流的流向；可清管；實(shí)現(xiàn)井口之間的隔離等。東區(qū)水下管匯模塊由管道、閥門(mén)、連接器等構(gòu)成，如圖2所示。

圖2　東區(qū)水下管匯示意

2失效模式、影響和嚴(yán)重度分析(FMECA)

FMECA可識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)或過(guò)程的所有可能故障模式，確定故障模式可能造成的結(jié)果及其嚴(yán)重程度，據(jù)此安排系統(tǒng)設(shè)計(jì)或過(guò)程改進(jìn)的優(yōu)先順序。FMECA的多功能性使其可在工程的任意階段進(jìn)行，但是分析的重點(diǎn)隨時(shí)間而改變。在水下管匯的設(shè)計(jì)階段進(jìn)行FMECA分析，可提前發(fā)現(xiàn)管匯系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中就對(duì)薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)先考慮，以便對(duì)潛在的管匯失效進(jìn)行管理并使失效的可能性降到最低，并可為水下管匯后續(xù)的制造加工、運(yùn)行、維護(hù)提供參考。嚴(yán)重度是失效或故障所造成后果的嚴(yán)重程度，可分為四級(jí)[9]，如表1所示。

表1　嚴(yán)重度級(jí)別分類

3水下管匯FMECA分析

3.1組成部分功能分析及功能框圖

根據(jù)氣田開(kāi)發(fā)方案及水下管匯的設(shè)計(jì)方案，將東區(qū)管匯分為8個(gè)功能結(jié)構(gòu)。

1)匯管。管匯中包含2根匯管，負(fù)責(zé)將生產(chǎn)支管輸送來(lái)的井液輸往中心管匯。匯管中有3個(gè)304.8 mm(12英寸)球閥，其中1個(gè)位于不可拆卸的清管回路中，平時(shí)處于常閉狀態(tài)，當(dāng)需要清管時(shí)打開(kāi)該球閥形成回路，可完成清管工作；其他2個(gè)球閥位于匯管末端，平時(shí)處于常開(kāi)狀態(tài)。2根匯管末端分別有1個(gè)連接器，匯管通過(guò)連接器與跨接管相連。

2)生產(chǎn)支管。管匯中包含4根生產(chǎn)支管，分別負(fù)責(zé)將來(lái)自4口井(含預(yù)留井)的井液輸送到匯管中。每根生產(chǎn)支管中有2個(gè)152 mm(6英寸)閘閥，通過(guò)控制閘閥的啟閉，可將每口井的流體導(dǎo)入任何一根匯管。

3)清管回路。管匯中包含1個(gè)不可拆卸的清管回路，該回路與匯管之間通過(guò)304.8 mm(12英寸)常閉球閥隔開(kāi)，需要清管時(shí)打開(kāi)該球閥，形成回路，完成清管。

4)乙二醇管線。正常生產(chǎn)過(guò)程中氣井需要連續(xù)注入乙二醇來(lái)防止水合物生成。來(lái)自水下分配中心的乙二醇在管匯上分流，再經(jīng)過(guò)臍帶纜分配到各個(gè)采油樹(shù)，注入點(diǎn)為油嘴下游。管匯上2根匯管各有1個(gè)注入點(diǎn)，共2個(gè)注入點(diǎn)，位于常閉球閥的兩側(cè)。每個(gè)注入點(diǎn)之前有1個(gè)單向閥和常閉的閘閥，單向閥防止井液進(jìn)入乙二醇管線；有當(dāng)氣井停產(chǎn)或遇到緊急情況時(shí)，打開(kāi)常閉的閘閥，乙二醇進(jìn)入?yún)R管，防止管路中形成天然氣水合物堵塞管路。去往每個(gè)采油樹(shù)的乙二醇管線上設(shè)有常開(kāi)的閘閥。

5)甲醇管線。甲醇通過(guò)臍帶纜輸送并在管匯上分流，再經(jīng)臍帶纜分配到各個(gè)采油樹(shù)，注入點(diǎn)為油嘴上游。管匯上2根主匯管各有1個(gè)注入點(diǎn)，共2個(gè)注入點(diǎn)，每個(gè)注入點(diǎn)之前有1個(gè)常閉的閘閥；當(dāng)油氣停產(chǎn)，需要放空時(shí)，油氣通過(guò)管匯放空管排出，此時(shí)甲醇應(yīng)注入放空管，來(lái)抑制放空管線中天然氣水合物的形成。

6)放空管線。當(dāng)油氣停產(chǎn)，需要放空時(shí)，油氣通過(guò)放空管排出。

7)低壓液壓管。低壓液壓油通過(guò)臍帶纜輸送并在管匯上分流，再分配到各個(gè)采油樹(shù)的液壓接口，給閥門(mén)的液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供液壓油。有2條低壓油管，一用一備。

8)高壓液壓管。高壓液壓油通過(guò)臍帶纜輸送并在管匯上分流，再分配到各個(gè)采油樹(shù)的液壓接口，為操作井下安全閥提供液壓油。有2條高壓油管，一用一備。

根據(jù)以上分析，結(jié)合管匯設(shè)計(jì)方案的流程圖、儀器儀表圖，不考慮只在停產(chǎn)再開(kāi)井時(shí)才用到或者應(yīng)急時(shí)才用到的甲醇注入系統(tǒng)和放空系統(tǒng)，東區(qū)管匯的功能框圖如圖3所示。

3.2FMECA定性、定量分析

根據(jù)東區(qū)管匯的功能框圖及OREDA[10](Offshore Reliability Data)中定義的管匯邊界范圍，東區(qū)管匯系統(tǒng)由以下類型的單元組成：管線、連接器、生產(chǎn)隔離閥。

由OREDA手冊(cè)可獲得水下管匯各組成單元的失效率數(shù)據(jù)，此時(shí)可通過(guò)計(jì)算嚴(yán)重度數(shù)字來(lái)對(duì)水下管匯進(jìn)行FMECA定量分析。

1)失效模式嚴(yán)重度數(shù)字Cm[9]。

失效模式嚴(yán)重度數(shù)字Cm是指在同一種嚴(yán)重度級(jí)別下，管匯單元的某一種失效模式所造成結(jié)果的嚴(yán)重程度的量化數(shù)字，Cm越大表明該失效后果越嚴(yán)重。

Cm=βαλt×106

(1)

式中：β為失效后果概率，表明失效模式造成后果的可能性；λ為管線、連接器、生產(chǎn)隔離閥單元失效率，10-6/h；t為水下管匯工作時(shí)間，h，管匯的設(shè)計(jì)壽命為20 a；α為失效模式的相對(duì)頻率，即管匯單元的某種失效模式在其失效率中所占比例，所有失效模式的α相加等于1。

圖3　東區(qū)管匯功能框圖

2)產(chǎn)品嚴(yán)重?cái)?shù)字Cr[9]。

產(chǎn)品嚴(yán)重?cái)?shù)字Cr是在同一嚴(yán)重度級(jí)別下，管匯單元各失效模式嚴(yán)重度數(shù)字Cm之和，即

(2)

式中：n為同一嚴(yán)重度的失效模式總數(shù)；j為管匯單元在該嚴(yán)重度下的最后一個(gè)失效模式。

水下管匯的管線、連接器、生產(chǎn)隔離閥單元的失效模式對(duì)管匯系統(tǒng)所產(chǎn)生影響的定性分析結(jié)果及嚴(yán)重度數(shù)字如表2所示。

表2　水下管匯失效模式、影響及嚴(yán)重度分析

表2(續(xù))

由表2可得管線、連接器、生產(chǎn)隔離閥的嚴(yán)重度矩陣如圖4所示。

圖4　水下管匯嚴(yán)重度矩陣

水下管匯嚴(yán)重度矩陣橫坐標(biāo)表示嚴(yán)重度等級(jí)，縱坐標(biāo)表示失效模式的嚴(yán)重度數(shù)字Cr。根據(jù)水下管匯FMECA分析結(jié)果對(duì)每個(gè)失效模式進(jìn)行坐標(biāo)定位，然后從坐標(biāo)點(diǎn)向?qū)蔷€做垂線，交點(diǎn)至原點(diǎn)的距離越長(zhǎng)代表該模式危害性越大，應(yīng)盡快采取改進(jìn)措施。由圖4可知，水下管匯的主要單元中，生產(chǎn)隔離閥失效的嚴(yán)重度最大，管線次之，連接器相對(duì)最小。

由表2可得水下管匯各失效模式所造成后果的嚴(yán)重程度占整體嚴(yán)重度比例如圖5所示。由圖5可知，生產(chǎn)隔離閥失效的嚴(yán)重度數(shù)字占水下管匯所有失效模式嚴(yán)重度數(shù)字的84.68%，危害程度最大；在生產(chǎn)隔離閥的無(wú)法打開(kāi)、無(wú)法關(guān)閉、泄漏等7種失效模式中，泄漏的危害最大，占水下管匯所有失效模式嚴(yán)重度數(shù)字的55.13%。管線失效的嚴(yán)重度數(shù)字占水下管匯所有失效模式嚴(yán)重度數(shù)字的14.80%，危害程度次之；連接器的嚴(yán)重度數(shù)字占水下管匯所有失效模式嚴(yán)重度數(shù)字的0.52%，危害程度最小。

圖5　水下管匯各失效模式占整體嚴(yán)重度比例

4改進(jìn)措施

1)設(shè)計(jì)階段。提高管匯設(shè)計(jì)的合理性，采取技術(shù)措施消除危險(xiǎn)，例如對(duì)關(guān)鍵單元閥門(mén)采取冗余等措施。

2)材料選擇。針對(duì)油氣組分及海水環(huán)境進(jìn)行專題研究，對(duì)閥門(mén)和管線合理選材，充分考慮焊接、防腐等工藝要求。

3)制造過(guò)程。應(yīng)特別注意焊接工藝，因焊縫處為薄弱環(huán)節(jié)，易產(chǎn)生故障。應(yīng)制定措施嚴(yán)格控制材料驗(yàn)收、焊接施工、檢驗(yàn)等影響焊接質(zhì)量的各個(gè)環(huán)節(jié)，以達(dá)到高標(biāo)準(zhǔn)的焊接質(zhì)量要求。

4)防腐設(shè)計(jì)。水下管匯包括閥門(mén)、連接器等，防腐設(shè)計(jì)應(yīng)考慮內(nèi)、外防腐的要求，從材料、涂層、深水陽(yáng)極等多個(gè)方面保證管匯在使用年限內(nèi)不被腐蝕。

5)運(yùn)行階段。應(yīng)采取相應(yīng)措施，保證生產(chǎn)管線及公用管線的暢通，例如加強(qiáng)對(duì)水合物抑制劑注入系統(tǒng)監(jiān)測(cè)，確保藥劑注入。

5結(jié)論

1)水下管匯系統(tǒng)的關(guān)鍵單元為生產(chǎn)隔離閥、管線和連接器。關(guān)鍵單元的各種失效模式所造成后果的嚴(yán)重程度基本都是災(zāi)難性的，其中生產(chǎn)隔離閥失效的危害程度最大，其失效嚴(yán)重度數(shù)字占水下管匯所有失效模式嚴(yán)重度數(shù)字的84.68%；其次為管線，其失效嚴(yán)重度數(shù)字占所有失效模式嚴(yán)重度數(shù)字的14.80%；最后為連接器，其失效嚴(yán)重度數(shù)字占所有失效模式嚴(yán)重度數(shù)字的0.52%。

2)最關(guān)鍵單元生產(chǎn)隔離閥的7種失效模式中，危害最大的失效模式為泄漏，是水下管匯全部失效模式中嚴(yán)重度最大的失效模式，占所有失效模式嚴(yán)重度數(shù)字的55.13%；造成生產(chǎn)隔離閥泄漏的主要原因是腐蝕、裂縫和材料失效。

3)根據(jù)水下管匯的FMECA定性、定量分析結(jié)果采取相應(yīng)措施，可降低管匯單元失效率，提高水下管匯系統(tǒng)整體可靠性。

參考文獻(xiàn)：

[1]《海洋石油工程設(shè)計(jì)指南》編委會(huì)．海洋石油工程深水油氣田開(kāi)發(fā)技術(shù)[M]．北京：石油工業(yè)出版社，2011．

[2]高原，魏會(huì)東，姜瑛，等．深水水下生產(chǎn)系統(tǒng)及工藝設(shè)備技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J]．中國(guó)海上油氣，2014，26(4)：84-90.

[3]Will Mudge，Amar Thiraviam.Qualification and reliability in subsea slectrical applications[G].OCEANS 2009，MTS/IEEE Biloxi-Marine Technology for Our Future：Global and Local Challenges.Biloxi：IEEE，2009，1-5.

[4]Enrique Lopez Droguett，Wagner Barbosa dos Santos，Carlos Magno Jacinto，et al.Reliability assessment of offshore oil multilateral wells in Brazil[G].Reliability and Maintainability Symposium.Newport Beach：IEEE，2006，499-505.

[5]E Zio.Reliability engineering：Old problems and new challenges[J].Reliability Engineering and System Safety，2009(4)：125-141.

[6]Marvin Rausand，Jorn Vatn.Reliability modeling of surface controlled subsurface safety valves[J].Reliability Engineering and System Safety，1998(6)：159-166.

[7]Kingsley E.Abhulimen.Model for risk and reliability analysis of complex production systems：application to FPSO/flow-riser system[J].Computers and Chemical Engineering，2009(33)：1306-1321.

[8]API RP 17N，Subsea production system reliability and technical risk management[S].2009.

[9]康銳，李瑞瑩，王乃超，等．可靠性與維修論工程概論[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2010．

[10]Det Norske Veritas.Offshore reliability data (5th Edition)[M].Trondheim：OREDA Participants，2009.

Reliability Analysis of Subsea Manifold System and Improvement Measures

XU Wenhu，GUO Hong，HONG Yi，ZHENG Lijun

(CNOOCResearchInstitute，Beijing100028，China)

Abstract：Failure modes，effects and criticality analysis (FMECA) are applied to analyze the reliability of the eastern manifold of the subsea production system of a deepwater gas field in South China Sea.According to the results of qualitative and quantitative analysis，the key components of the manifold system are process isolation valves，piping and connectors.The criticality of the failure effects of the process isolation valves is the highest level，whose severity number is 84.68 percent of the whole severity number of the manifold system.Among the seven failure modes of the process isolation valves，the leakage is the worst，whose severity number is 55.13 percent of the manifold system.The main causes of the valves’ leakage are corrosion，crack and material failure.The measures can be put forward to improve the subsea manifold system’s reliability based on the analysis results.

Keywords：undrwater；manifold；reliability；analysis；measure

中圖分類號(hào)：TE952

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.03.001

作者簡(jiǎn)介：許文虎(1981-)，男，河南南陽(yáng)人，工程師，博士，主要從事水下生產(chǎn)系統(tǒng)的研究，E-mail：xuwh3@cnooc.com.cn。

收稿日期：①2015-09-18 “十二五”國(guó)家科技重大專項(xiàng)“水下生產(chǎn)技術(shù)”(2011ZX05026-003)

文章編號(hào)：1001-3482(2016)03-0001-06