基于MFECA的在役油氣生產平臺天然氣脫水系統可靠性分析

劉國恒 王紅紅 中海石油（中國）有限公司北京研究中心

熊振南 周世波 集美大學航海學院

在役油氣生產平臺自井口流出的天然氣都會攜帶一定量的液態水，水分與天然氣中二氧化碳、硫化氫等其他發生化學作用，形成容易腐蝕設備和輸氣管路的有害物質，對輸氣管路和設備有不利影響，造成不必要的動力消耗，因此天然氣脫水非常必要。

在役油氣生產平臺天然氣脫水系統的主要功能是為進入平臺的天然氣脫水，其結構和設備的可靠性直接影響到在役油氣生產平臺的安全生產效益，因而，天然氣脫水系統的可靠性受到油氣平臺安全管理人員的高度關注。目前，在役油氣生產平臺廣泛使用的天然氣脫水工藝是三甘醇脫水法。三甘醇脫水系統主要由高壓吸收系統和低壓再生系統組成，其組成部分有進口氣滌器、吸收塔、閃蒸罐、甘醇泵、甘醇過濾器、甘醇緩沖罐和一些換熱器等，這些設備的組成部件發生故障的模式多樣，設備失效的后果嚴重程度不一，因此，如何及時發現這些設備可能存在的潛在缺陷，對于在役油氣生產平臺的安全營運至關重要。

圖1 FMECA分析流程圖

故障模式影響及危害性分析（Failure Mode,Effects and Criticality Analysis,FMECA）作為評估系統可靠性的分析方法，已被廣泛應用于產品的研發、改進及可靠性研究。對在役油氣生產平臺脫水系統采用FMECA分析方法進行可靠性研究，將有助于查找出脫水系統中對可靠性危害較大的單元設備及故障模式，為油氣平臺的安全管理提供理論依據。

1.FMECA方法介紹

1.1 FMECA分析流程

FMECA的基本原理為：根據以往的歷史資料、相關的各種技術文件以及用戶需求及使用意見反饋進行前期資料準備，在對分析對象的功能結構、系統接口類型及工作環境與時間影響進行分析后，鑒別失效模式，確定引起各個失效模式的的原因，并依據以往失效資料統計估算故障模式產生時其最終影響的嚴酷度，繼而計算危害度，然后根據危害度值的大小對故障模式進行排序，從而針對性地采取相應的措施，提高系統可靠性。

FMECA的分析流程是一個不斷迭代和完善的過程，主要包括資料收集調研的準備階段、系統功能結構及可靠性的標識階段、故障模式識別和故障原因及影響的分析階段、檢查方法與改進措施及危害性分析階段，FMECA步驟見圖1。

FMECA通用的基本步驟主要包括以下內容：

（1）準備工作：收集被分析設備的有關信息，設計FMECA分析的總要求。

（2）系統定義：確定需要進行FMECA分析的設備范圍，描述系統的功能任務，對設備進行功能分析、繪制相關的框圖，確定設備機器組成構件的正常與故障的準則等。

（3）進行FMEA工作：主要內容有故障模式的判斷、故障原因的分析及其發生概率、各種故障模式可能產生的后果及其嚴酷的等級等。

表1 海洋石油設備相關系統的嚴酷度類別及定義

圖2 三甘醇脫水工藝的典型流程

進行危害性（CA）分析，根據計算所得到設備的每種故障模式發生的概率及及其對應的嚴酷度等級，確定系統中設備的薄弱環節和關鍵項目，進行系統的可靠性分析。

1.2 FMECA故障等級

故障等級是故障發生后對系統危害程度的分級，一般需要綜合考慮系統的功能喪失情況、設備停機時間長短、對人員傷害的情況、對環境的影響情況等因素。結合在役油氣生產平臺上部設施海洋石油設備產品的功能，確定系統嚴酷度類別及定義見表1。

2.在役油氣平臺天然氣脫水流程

三甘醇脫水法是目前鉆井平臺上廣泛使用的一種天然氣脫水工藝，其工藝流程見圖2。一般來說，達到一定壓力的帶有水蒸氣的天然氣首先進入過濾分離器，以除去固體雜質和游離的液滴，經過分離器初步處理的天然氣隨后進入脫水塔的底部，自下而上與三甘醇溶液逆向接觸，在接觸的過程中，水蒸氣被三甘醇溶液吸收。離開脫水塔頂的干氣經天然氣/三甘醇換熱器與來自再生系統的貧甘醇溶液換熱，以降低貧甘醇的入塔溫度，冷卻后的貧甘醇與天然氣逆向接觸過程中吸收天然氣中的水蒸氣，以及富甘醇溶液從脫水塔塔底流出，進入二甘醇再生系統。經過脫水處理后的天然氣經由外輸管道輸入到其他終端設備進行進一步的處理。

從脫水塔塔底流出的冷的富甘醇溶液首先經精餾柱頂部的加熱盤管預熱后，在冷甘醇換熱器中與再生好的熱貧甘醇換熱，然后進入甘醇閃蒸罐，將三甘醇溶液吸收的烴類氣體閃蒸出去。經閃蒸罐處理的除去固體、化學藥劑等雜志的富甘醇溶液再經熱甘醇換熱器加熱后進入重沸器，汽化后的水蒸氣排入空氣中。而再生好的貧甘醇從重沸器底部流出并經熱甘醇換熱器、冷甘醇換熱器兩次冷卻后進入甘醇緩沖罐緩沖，經甘醇泵增壓后去天然氣/三甘醇換熱器進一步冷卻，最后進入天然氣脫水塔頂部循環使用。

3.天然氣脫水系統FMECA分析

3.1 天然氣脫水系統故障模式危害性的計算

天然氣脫水系統故障危害性的計算主要是故障模式危害度和設備危害度，其計算公式分別見式（1）和式（2）。

式中：

故障模式危害度Cmj是設備危害度的一部分，是為在工作時間t內以第j種故障模式發生的某嚴酷度等級下的危害度；

αj為某種設備第j種故障模式發生的次數與設備所有可能的故障模式數的比率。αj一般可通過統計方法獲得。

λp為故障率（1/h），其中，t是設備的工作時間（h）；

表2 天然氣脫水系統FMECA分析表

βj為故障模式影響概率，通常根據經驗進行定量估計，一般采用GJB/Z 1391的推薦值，即實際喪失時值為1，很有可能喪失時值為0.1-1，有可能喪失時值為0-0.1，不發生時值為0。

式中，j=1,2,…,N，N為該設備在相應嚴酷度類別下的故障模式總數。危害度Cr是該設備在給定的嚴酷度類別和任務階段下的各種故障模式危害度之和。

為了評價某一產品的危害性，計算該產品的危害度Cr，見式（3）。

式中：

i=1,2,…,n，n為在第j類嚴酷度類別下的故障模式總數；j=Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ；C r(j)為在工作時間t內第j類嚴酷度類別的故障次數。

3.2 故障模式危害性矩陣

根據3.1節的計算方法，選取在役鉆井平臺天然氣脫水系統中的節流閥、干燥器、過濾分離器、換熱器、往復泵等主要設備，得出天然氣脫水系統FMECA分析表見表2。其中，發生故障的百分比α按文獻中統計的每種設備的故障模式發生次數進行計算。發生故障而導致任務失敗的條件概率β，依據故障模式對目標任務的影響程度在0-1之間取值，工作時間t為工作總時間(量級為106)由文獻查詢獲取。

表3 天然氣脫水系統FMECA分析設備危害度結果表

3.3 危害性矩陣圖

根據表2 的天然氣脫水系統FMECA分析，主要設備危害度計算結果見表3，相應的危害性矩陣圖見圖3。

3.4 故障模式危害性分析

對FMECA表格進行統計、分析，結合危害性矩陣圖可得如下結論：

(1)就故障模式而言，在役天然氣天然氣脫水系統共有37個故障模式，其中嚴酷度為Ⅰ類的有6個，Ⅱ類有8個，Ⅲ類有16個，Ⅳ類有7個。但考慮模式發生概率等級，危害性最大的故障模式是那些嚴酷度為Ⅰ類的模式，即節流閥中的內部泄露故障、換熱器中的參數偏差故障、加熱器中的插入/阻塞故障、往復泵泵中的參數偏差、噪聲和中斷故障，這些故障模式可定為關鍵的故障模式。

圖3 天然氣脫水系統危害性矩陣示意圖

(2)天然氣脫水系統中的主要設備中節流閥、換熱器、加熱器和往復泵存在嚴酷度等級為Ⅰ類的災難性故障，但是綜合考慮各類故障模式發生的次數與設備所有可能的故障模式數的比率，以及故障模式影響概率，危害性最大的設備是往復泵，其故障模式屬于潛在決定性故障模式，該設備可定為關鍵設備，其中往復泵中中斷危害度最大，達到1.5108，需要重點關注。

4.結論

根據在役鉆井平臺天然氣脫水系統的工作流程和設備情況，定義了失效模式的嚴酷度等級，采用FMECA對天然氣脫水系統主要設備進行故障模式和危害性分析，確定了該系統中主要設備的失效模式，計算了各失效模式的危害度，在此基礎上繪制了天然氣脫水系統主要設備的危害度矩陣，為在役油氣平臺可靠性分析和安全管理提供理論支持。