基于FMECA的鋼懸鏈立管（SCR）柔性接頭可靠性分析

黎世龍，侯 靜，張燕飛，呂永超，吳 澤，李華軍，冀建波

近年來，隨著陸地的石油氣資源逐漸枯竭，各國逐漸將視線轉向對海洋石油氣的開采。鋼懸鏈立管（SCR）作為一種新型的海上石油開采裝置，由于其具有成本低、適用于高溫高壓環境，目前得到廣泛應用。柔性接頭作為鋼懸鏈立管（SCR）的重要核心部件和薄弱位置，是鋼懸鏈立管與浮式平臺之間的運動解耦裝置，也是鋼懸鏈立管（SCR）系統中唯一的核心設備。柔性接頭的一側接觸管中輸送的流體，另一側與海水或空氣接觸。輸送的流體包括向平臺輸送的產出液，以及經過處理之后從平臺輸出的天然氣和石油。作為鋼懸鏈立管（SCR）的核心組成部分，柔性接頭主要由法蘭、殼體、彈性體、彈性體上接頭法蘭、彈性體下接頭法蘭、延伸件等部分組成，如圖1所示。這些設備在發生故障時的模式不一致，在設備失效后產生的后果程度也不相同。因此，為了使柔性接頭在使用過程中能平穩運行，延長設備使用壽命。對于設備可能存在的潛在缺陷就要及早發現并加以修正。

圖1 鋼懸鏈立管（SCR）柔性接頭組成示意圖

故障模式影響及危害性分析（Failure Mode Effects and Criticality Analiysis，FMECA）是針對產品所有可能的故障，并根據對故障模式的分析，確定每種故障模式對產品工作的影響，全面識別設計中的薄弱環節和關鍵項目，并為評價和改進產品設計提供可靠性信息。對鋼懸鏈立管（SCR）柔性接頭采用FMECA分析方法進行可靠性的研究，將有助于查出柔性接頭產品中對可靠性危害較大的組成部件及故障模式，為整體鋼懸鏈立管(SCR)的安全管理提供理論依據。

1 FMECA

FMECA作為一種系統或產品的故障分析方法，由故障模式及影響分析（FMEA）和危害性分析（CA）。

故障模式是指系統或產品故障的一種表現形式，一般是能被觀察到的一種故障現象。故障影響是指該故障模式會造成對安全性、產品功能的影響。故障影響一般可分為：對局部、高一層次及最終影響三個等級。將故障模式出現的概率及影響的嚴酷度結合起來稱為危害性，結合鋼懸鏈立管（SCR）柔性接頭的功能，確定產品嚴酷度等級見表1，故障模式概率分類見表2。

表1 嚴酷度分類表

概率小于產品在該期間總故障概率的0.1%。

故障模式和影響分析（FMEA）是在產品設計過程中，通過對產品各組成單元潛在的各種故障模式及其對產品功能的影響進行分析，提出可能采取的預防改進措施，以提高產品可靠性設計的一種設計分析方法。它是一種預防性技術。是事先的行為，是產品設計階段。它的作用是檢驗系統設計的正確性，確定故障模式的原因，及對系統可靠性和安全性評價等。

危害性分析（CA）是把FMEA中確定的每一種故障模式按其影響的嚴重程度類別及發生概率的綜合影響加以分析，以便全面地評價各種可能出現的故障模式的影響。CA是FMEA的繼續，根據產品的結構及可靠性數據的獲得情況，CA可以是定性分析也可以是定量分析。在鋼懸鏈立管（SCR）柔性接頭的故障嚴酷程度和故障概率的評價基礎上生成風險評價指數矩陣，見表3。該矩陣可對鋼懸鏈立管（SCR）柔性接頭的危害性進行定量分析，從而判定危險發生的可能性。

表3 風險評價指數矩陣

對鋼懸鏈立管（SCR）柔性接頭各單元風險指數不同取值的處理原則見表4。

表4 風險指數對應的處理原則

2 鋼懸鏈立管（SCR）柔性接頭結構分析

根據圖1柔性接頭整體裝配示意圖，為便于對整體產品進行FMECA分析，對每個零部件的功能進行描述。

2.1 本體

本體本質上是一個承壓殼體，它既是柔性接頭其它零部件的安裝固定基體，也是集輸介質的承壓殼體，本體主要承受腔室壓力和軸向載荷，同時要面對腐蝕環境，本體與鋼懸鏈立管系統工作壓力、介質溫度和軸向載荷有關，而與柔性接頭的剛度技術指標無關，本體設計使用壽命為30年。因此，本體應滿足柔性接頭工作壓力、軸向載荷和服役環境的要求，圖2為本體零件示意圖。

圖2 鋼懸鏈立管（SCR）柔性接頭本體零件示意圖

2.2 連接法蘭

連接法蘭即是本體的上蓋，它與本體組成密閉容器，同時也承擔著柔性接頭與平臺上部設備的連接，連接法蘭主要承受腔室壓力，同時要面對腐蝕環境，連接法蘭與鋼懸鏈立管系統工作壓力、介質溫度有關，而與柔性接頭剛度技術指標、疲勞壽命無關，連接法蘭的設計使用壽命為30年。因此，連接法蘭應滿足柔性接頭工作壓力和服役環境的要求，圖3為連接法蘭示意圖。

圖3 鋼懸鏈立管（SCR）柔性接頭連接法蘭零件示意圖

2.3 延伸件

延伸件既是柔性接頭轉動運動的執行件，也是懸掛鋼懸鏈立管的承力件，延伸件主要承受軸向拉力、工作壓力和橫向載荷，延伸件的設計使用壽命為30年，延伸件的轉動中心坐標對柔性接頭的轉動剛度和總體布局尺寸有直接的影響。因此，延伸件應滿足柔性接頭的軸向、橫向載荷和工作壓力，同時還要滿足轉動剛度和總體布局最優化的要求，圖4為延伸件示意圖。

圖4 鋼懸鏈立管（SCR）柔性接頭延伸件零件示意圖

2.4 彈性體組件

彈性體組件是一種非剛性承壓密封連接組件，它由若干同心的環狀球形的彈性層（橡膠）和增強件（環狀球形鋼板）相互交替地粘接在一起、上下各有法蘭組成的一個完整組件，彈性體組件是完成柔性接頭轉動運動、承受并傳遞軸向載荷以及提供本體腔室下端密封三大使命的唯一分系統。

彈性體組件在受到軸向和橫向載荷作用時，彈性體層是提供轉動剛度技術指標的最主要零件，也是柔性接頭在工作過程中最容易疲勞失效的零件，彈性體層的設計使用壽命為30年，設計安全系數為10。因此，它的力學性能指標和疲勞特性指標必須滿足柔性接頭剛度要求和使用壽命要求以及服役環境要求。

彈性體組件在受到軸向和橫向載荷作用時，增強件是使柔性接頭保持基本結構形狀的承力件，增強件對柔性接頭的軸向剛度和軸向穩定性有很大的影響，對柔性接頭使用壽命有一定的影響，對柔性接頭的轉動剛度影響很小。因此，增強件應滿足柔性接頭軸向承載能力、軸向穩定性要求。

圖5 鋼懸鏈立管（SCR）柔性接頭彈性體組件零件示意圖

對鋼懸鏈立管（SCR）柔性接頭各零部件功能分析得出其主要有三項主要功能和五項輔助功能。三項主要功能分別為PF1運動解耦功能、PF2承壓功能、FP3承載功能。五項輔助功能分別為FP1自有轉動范圍、FP2電氣連續性、FP3上接口功能、FP4下接口功能、FP5使用壽命，具體功能描述見表5。

3 柔性接頭關鍵零部件FMECA分析

3.1 鋼懸鏈立管（SCR）柔性接頭FMECA分析約定層次

根據鋼懸鏈立管（SCR）柔性接頭設備結構與功能，同時為了便于對不同部件進行FMECA分析，特此制定柔性接頭DMECA分析約定層次圖，如圖6所示。

圖6 柔性接頭DMECA分析約定層次圖

3.2 柔性接頭關鍵零部件FMECA分析

結合表1～4，對柔性接頭本體，彈性體組件，延伸件等關鍵零部件進行FMECA分析，得出柔性接頭FMECA分析表見表6。

表6 鋼懸鏈立管（SCR）柔性接頭關鍵零部件FMECA表

對FMECA表格進行統計、分析，結合嚴酷度分類表、故障概率分類表、風險評價指數矩陣和風險指數處理原則表可得出以下結論：

（1）針對故障模式的嚴酷度而言，鋼懸鏈立管（SCR）柔性接頭關鍵零部件系統共有20個故障模式，其中嚴酷度Ⅰ類有12個，Ⅱ類的有8個。從表5中看出I類故障模式主要集中產生于延伸件與彈性體橡膠層，這類故障模式對柔性接頭整體系統產生的危害性最大，其發生時最終會導致整體系統功能完全喪失。這些故障模式在延伸件中表現為材料開裂或斷裂、疲勞斷裂和材料腐蝕穿孔。在彈性體橡膠層中表現為轉動剛度不足、橡膠填充不足和橡膠層破裂。因此把這些故障模式定性為關鍵故障模式，應對這些關鍵故障模式采取優先改進措施。

表5 鋼懸鏈立管（SCR）柔性接頭功能描述

（2）針對故障模式發生概率和風險評價指數矩陣而言，發生概率在B級的有8個都發生在彈性體橡膠層，對應的故障模式主要是轉動剛度不足、橡膠填充不足和橡膠層破；發生概率在C級的有10個，廣泛存在于由金屬制成的柔性接頭關鍵部件中，對應的故障模式為材料缺陷、設計不當、材料與集輸環境介質不匹配；發生概率在D級的有3個，對應的故障模式為材料性能不達標。根據故障模式發生概率和風險評價指數矩陣表分析可知，故障模式發生概率越高風險評價指數越高，該種故障模式的危害性就越大。因此彈性體所產生的故障模式危害性最高。

綜上，對于鋼懸鏈立管（SCR）柔性接頭，彈性體組件作為鋼懸鏈立管（SCR）柔性接頭的核心部分，應對與其產生的故障模式采取優先改性措施，進而提高整體產品的可靠性。

4 結論

根據鋼懸鏈立管（SCR）柔性接頭的設備結構和功能分析，對失效模式的嚴酷度等級進行了定義，采用了FMECA對鋼懸鏈立管（SCR）柔性接頭進行了故障模式和危害性分析，從而找出了故障影響因素，評估了故障的危害性，并采取了設計等改進措施，極大地提升了鋼懸鏈立管（SCR）柔性接頭在應用階段的可靠性。