基于FMECA的壓氣站閥門及執(zhí)行機構(gòu)可靠性分析及維護

摘" " 要：為更好地保障長距離輸氣系統(tǒng)的安全運行，有效辨識出系統(tǒng)可能產(chǎn)生的失效模式、原因及其可能導(dǎo)致的影響，將故障模式、影響及危害性分析（FMECA）應(yīng)用于壓氣站中關(guān)鍵閥門及執(zhí)行機構(gòu)的風(fēng)險分析及優(yōu)化中。首先通過結(jié)合危險與可操作性分析（HAZOP）報告和關(guān)鍵聯(lián)鎖閥門臺賬制訂FMECA分析的典型樣板，篩選需重點關(guān)注的可維護部件；然后對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，并編制風(fēng)險矩陣，在此基礎(chǔ)上進行FMECA和風(fēng)險評估；最后優(yōu)化現(xiàn)有閥門的維護檢修、運行操作及管理策略。分析后給出了關(guān)鍵部件的失效模式和建議措施清單，保障了控制閥門更加安全、高效、穩(wěn)定的運行，有助于持續(xù)提升系統(tǒng)的可靠性。

關(guān)鍵詞：輸氣工程；壓氣站閥門；FMECA；風(fēng)險評估；策略優(yōu)化

Reliability analysis and maintenance of valves and actuators in pressure gas station based on FMECA

YANG Xiaojian

Tarim Oil and Gas Transportation Branch， Western Branch of National Pipe Network Group United Pipeline Co.， Ltd.， Korla 841000， China

Abstract：In order to better ensure the safe operation of long-distance gas transmission systems and effectively identify the possible modes and causes of the system failures and their possible impacts， this paper applied Failure Mode， Effect and Hazard Analysis （FMECA） to the risk analysis and optimization of key valves and actuators in pressurized gas stations. It first developed a typical template for FMECA analysis by combining the Hazard and Operability Analysis （HAZOP） report and the key interlocking valve ledger， and selected the maintainable components that deserve special attention. Then it preprocessed the data and developed a risk matrix， and conducted FMECA and risk assessment accordingly. Finally， it optimized the maintenance， operation and management strategies of the existing valves. Through analysis， a list of failure modes of key components and the recommended measures was given， which ensures safer， more efficient and stable operation of control valves and continuously improves the reliability of the system.

Keywords：gas transmission engineering; compressor station valves; FMECA; risk assessment; strategy optimization

壓氣站作為輸氣工程中的“心臟”，是保證天然氣長距離安全運輸?shù)闹匾画h(huán)[1-2]。其中，壓氣站閥門及執(zhí)行機構(gòu)是管道系統(tǒng)中的關(guān)鍵組件，不僅能夠調(diào)整天然氣的壓力和流量，而且在面對泄漏、火災(zāi)或系統(tǒng)故障等緊急情況時，能夠快速切斷天然氣的流動，保護人員和財產(chǎn)安全，減少事故風(fēng)險。閥門系統(tǒng)的安全運行對于天然氣輸送和分配系統(tǒng)的安全、可靠和高效運行至關(guān)重要。因此，對閥門及執(zhí)行機構(gòu)的風(fēng)險評估和可靠性分析必不可少。

故障模式、影響及危害性分析（Failure Mode，Effects and Criticality Analysis，F(xiàn)MECA）是一種系統(tǒng)工程的可靠性分析方法，用于識別和評估系統(tǒng)、產(chǎn)品或系統(tǒng)運行過程中可能出現(xiàn)的故障模式，了解這些故障對系統(tǒng)性能和可靠性的影響，以及確定哪些故障最為關(guān)鍵而需要重點處理，這種分析方法在工程領(lǐng)域中已有了廣泛的應(yīng)用[3-4]。咼娓佽等[5]基于FMECA對電梯進行安全評估，并根據(jù)評估結(jié)果對電梯進行了改造或更新，消除了電梯安全隱患；趙華全等[6]基于 FMECA 技術(shù)對振動篩進行了可靠性分析，識別設(shè)計和運行中的薄弱環(huán)節(jié)和關(guān)鍵項目，并為評價和改進系統(tǒng)可靠性提供指導(dǎo)依據(jù)。由此可見，F(xiàn)MECA是系統(tǒng)可靠性分析常用且有效的方法。

在天然氣運輸工程中，為保證整體系統(tǒng)的安全運行，工程人員常對一些系統(tǒng)中關(guān)鍵的組件或機構(gòu)進行風(fēng)險評價。胡順濤等[7]基于危險與可操作性分析（Hazard and Operability Analysis ，HAZOP）技術(shù)對壓氣站進行了風(fēng)險評價，在已有安全措施的基礎(chǔ)上，提出控制風(fēng)險的改進措施。上述工作中的風(fēng)險分析和可靠性分析在一定程度上取得了成效，但缺乏完整的故障預(yù)測體系，將FMECA應(yīng)用到關(guān)鍵閥門的可靠性分析中是輸氣工程維護運行的重要一環(huán)。

輪南壓氣站地處塔克拉瑪干沙漠邊緣，是我國第一條世界級長輸管道西氣東輸一線首站和西氣東輸二線輪吐支干線首站，在整個西氣東輸工程中占有重要地位。本文以輪南壓氣站為例，對其西一線中關(guān)鍵閥門進行 FMECA分析，結(jié)合HAZOP分析和關(guān)鍵聯(lián)鎖閥門臺賬，選取輪南西一線進口總切斷閥ESDV3001和壓縮機出口總管道放空閥ESDV4701制訂FMECA分析的典型樣板。辨識關(guān)鍵閥門各可維護部件可能產(chǎn)生的失效模式、原因及其可能造成的影響，篩選需重點關(guān)注的可維護部件，優(yōu)化現(xiàn)有閥門的維護檢修、運行操作及管理策略，保障控制閥門更加安全、高效、穩(wěn)定運行，持續(xù)提升可靠性。

1" " FMECA方法核心要素及流程

本次FMECA分析是根據(jù)IEC 60300-3-11《以可靠性為中心的維修應(yīng)用導(dǎo)則》、IEC 60812《系統(tǒng)可靠性分析技術(shù)-失效模式與影響分析》、ISO14224《石油、石化和天然氣工業(yè)-設(shè)備可靠性和維修數(shù)據(jù)的采集與交換》的推薦做法[8-10]。本方法的核心在于，通過FMECA工具，引入數(shù)據(jù)庫內(nèi)設(shè)備故障模式及失效概率，分析失效后的潛在風(fēng)險。根據(jù)風(fēng)險高低，提出相應(yīng)控制措施，并制定可執(zhí)行的維保策略，最終合理地降低失效風(fēng)險和故障率。另外，通過已知故障，分析其產(chǎn)生原因及后果影響。確定每個已知故障的風(fēng)險，根據(jù)風(fēng)險分析現(xiàn)有維保策略的有效性，并提出改進措施，從而阻斷類似故障的再次發(fā)生。

壓氣站閥門及執(zhí)行機構(gòu)的可靠性分析流程見圖1。首先確定分析對象和范圍，對其進行數(shù)據(jù)收集、整理和現(xiàn)場調(diào)研；然后對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，并制定風(fēng)險矩陣，在此基礎(chǔ)上進行FMECA和風(fēng)險評估，最后制定和優(yōu)化維護策略。

2" " 基于FMECA的閥門及執(zhí)行機構(gòu)可靠性分析

2.1" " 數(shù)據(jù)預(yù)處理

為了保證FMECA分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，在FMECA分析之前對收集到的數(shù)據(jù)進行清洗和整理。清除影響分析結(jié)果的無效數(shù)據(jù)和錯誤數(shù)據(jù)，并對有效數(shù)據(jù)進行整理和標(biāo)準(zhǔn)化。

數(shù)據(jù)清洗和整理按照ISO 14224標(biāo)準(zhǔn)的形式來進行，對收集到的不同設(shè)備的數(shù)據(jù)文件進行分類匯總。以設(shè)備部件的層級為基礎(chǔ)，匯總設(shè)備故障的表現(xiàn)模式描述，規(guī)范定義故障模式、故障原因、維修策略和維修任務(wù)等。最后將整理好的數(shù)據(jù)通過專業(yè)軟件進行數(shù)據(jù)回歸分析，得到部件的故障規(guī)律，為FMECA分析提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2.2" " 風(fēng)險矩陣評定

本次FMECA分析采用國家管網(wǎng)西部管道公司《HSE風(fēng)險管理程序》中制定的風(fēng)險評估矩陣。為了使分析更有針對性，分析結(jié)果更符合實際情況，在進行FMECA分析之前，對風(fēng)險矩陣進行適當(dāng)調(diào)整，其具體形式見圖2，相應(yīng)的失效可能性等級如表1所示。

2.3" " 風(fēng)險評估

風(fēng)險順序數(shù)（Risk Priority Number，RPN）值能反映某個故障模式的危害度，一般由故障模式的嚴重性（Severity，S）、可能性（Occurrence，O）和可探測性（Detectability，D）相乘計算。RPN值越高，危害性越大，需要給予該故障模式更大的關(guān)注[12]。對每一種失效模式進行風(fēng)險分析，設(shè)定風(fēng)險警戒值為70（S × O × D = 7 × 2 × 5），當(dāng)RPN值≥70時必須提出改進措施，并依據(jù)提出的改進措施重新核算RPN值，直至其值＜70。此次FMECA分析中所采用的RPN值標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

對每一種功能失效的模式，確定其失效概率和失效后果。對中高風(fēng)險的失效模式分析其失效原因，提出維護策略；對低風(fēng)險的失效模式也確定相應(yīng)的維護策略[13]。

2.4" " 關(guān)鍵閥門確定

結(jié)合輪南站HAZOP分析報告和ESD聯(lián)鎖閥門臺賬確定關(guān)鍵閥門。執(zhí)行機構(gòu)有電動執(zhí)行機構(gòu)和氣液聯(lián)動執(zhí)行機構(gòu)兩種，調(diào)節(jié)閥機構(gòu)有球閥和旋塞閥兩種類型，選取關(guān)鍵閥門為氣液聯(lián)動球閥ESDV1302、ESDV3001和電動旋塞閥ESDV1304、ESDV3005、ESDV3012、ESDV4701、ESDV4702。

分析站場HAZOP分析高風(fēng)險場景和后果，輪南站西一線進站總閥ESDV3001的故障后果為：

1）故障關(guān)閉導(dǎo)致后路天然氣中斷，可能引起壓縮機喘振損壞，同時導(dǎo)致前路天然氣憋壓，可能引起泄漏著火及爆炸事故。

2）閥門聯(lián)鎖關(guān)斷失效導(dǎo)致站場內(nèi)至上游天然氣憋壓泄漏，可能引起著火爆炸事故，同時可能引起站場內(nèi)壓縮機喘振損壞。

上述后果說明，相比于出站總閥進站總閥故障的危險性更高，因此選取進站總閥作為關(guān)鍵閥門。另外，五個ESD電動旋塞閥都是放空閥，作用和結(jié)構(gòu)形式基本一樣，故障會導(dǎo)致天然氣放空進而造成浪費，聯(lián)鎖失效打開會導(dǎo)致憋壓泄漏，引起著火爆炸事故，其中ESDV4701為壓縮出口放空，運行溫度和壓差最高，聯(lián)鎖失效引起憋壓泄漏的可能性最高，且易發(fā)生閥門內(nèi)泄漏。綜合以上因素，選取站場關(guān)鍵閥門分別為ESDV3001和ESDV4701。

2.5" " FMECA分析結(jié)果

根據(jù)以上的準(zhǔn)備數(shù)據(jù)，分析兩個關(guān)鍵閥門及執(zhí)行機構(gòu)的失效模式及失效原因，并結(jié)合FMECA方法評估RPN。表3選取了兩個關(guān)鍵閥門RPN值較大的典型部件FMECA分析結(jié)果。

3" " 優(yōu)化維護策略

設(shè)備維護策略的制定原則基于 FMECA 風(fēng)險分析的結(jié)果，優(yōu)化原有的維修策略和維修任務(wù)，并形成新的維修任務(wù)包。關(guān)注提前預(yù)防措施，強化輔助系統(tǒng)、控制和監(jiān)控儀表的功能，防止對設(shè)備本體有害的失效事件發(fā)生。通過加強對設(shè)備本體零部件的預(yù)防維護，基于使用過程中的狀態(tài)監(jiān)控達到及時視情況維修，并考慮制造商對設(shè)備本體使用周期的要求和推薦的維護措施，合理制訂對設(shè)備本體部件進行保養(yǎng)、檢查、定期維護的方案，以達到預(yù)防重大設(shè)備事故發(fā)生的目的[16]。

針對關(guān)鍵閥門及其執(zhí)行機構(gòu)，結(jié)合設(shè)備歷史故障經(jīng)驗和記錄，與其失效模式進行對比，提出有針對性的維護任務(wù)，防止此類失效的發(fā)生。表4中給出了對上述RPN值較大部件采取的優(yōu)化措施，并計算出了優(yōu)化后的RPN值，結(jié)果表明，優(yōu)化后的RPN值有了顯著降低，有效保障了閥門及執(zhí)行機構(gòu)的安全運行。

4" " 結(jié)論

FMECA分析是設(shè)備部件風(fēng)險辨識的工具，自上而下全方位查找設(shè)備薄弱環(huán)節(jié)，確定每一種失效對產(chǎn)品安全性能等要求的潛在影響，并按照影響的嚴重程度及其發(fā)生概率對失效模式加以分類，得出補償措施清單，以便采取適當(dāng)措施，消除或減輕這些影響，是設(shè)備完整性管理的基礎(chǔ)。

除FMECA數(shù)據(jù)庫內(nèi)的失效模式外，還應(yīng)關(guān)注極端環(huán)境對關(guān)鍵閥門平穩(wěn)運行的沖擊，如極冷、細塵、大風(fēng)、暴雨、霜凍、堿性土壤等，當(dāng)異常環(huán)境因素與現(xiàn)有失效模式疊加時，會大大增加壓力異常報警聯(lián)鎖、管路晃動斷裂、液壓油流動性變差、儀表回路失靈等故障的發(fā)生概率。因此，建議輪南站建立異常環(huán)境預(yù)維保措施和異常環(huán)境出現(xiàn)后追加臨時維保策略，以降低異常環(huán)境引發(fā)的設(shè)備故障率。

參考文獻

[1]" 劉雯，鄒曉波. 國外天然氣管道輸送技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 石油工程建設(shè)，2005，31（3）：20-23.

[2]" 鄭欣，邢建國，李東明，等. 天然氣調(diào)壓裝置關(guān)鍵閥門選型與應(yīng)用[J].油氣儲運，2019，38（11）：1 288-1 293.

[3]" 崔思齊. 燃氣管道運行故障的FMECA分析[D].北京：北京建筑大學(xué)，2019.

[4]" 鐘澤棋. 基于FMECA的吸力錨系統(tǒng)可靠性評估[D]. 成都：電子科技大學(xué)，2023.

[5]" 咼娓佽，張媛媛，吳占穩(wěn). FMECA在電梯安全評估中的應(yīng)用[J].中國特種設(shè)備安全，2022，38（7）：47-50.

[6]" 趙華全，董洪濤，柳東林，等. 基于FMECA技術(shù)的振動篩可靠性分析[J].裝備制造技術(shù)，2023（4）：71-73.

[7]" 胡順濤，佟國君，胡順源. 基于HAZOP分析技術(shù)的壓氣站風(fēng)險評價[J].石化技術(shù)，2016，23（8）：76-79.

[8]" IEC 60812，F(xiàn)ailure modes and effects analysis（FMEA and FMECA）[S].

[9]" GB/T 20172-2006/ISO 14224：1999，石油天然氣工業(yè)" " 設(shè)備可靠性和維修數(shù)據(jù)的采集與交換[S].

[10] IEC-60300-3-1，可靠性管理" "應(yīng)用指南" "可靠性分析技術(shù)[S].

[11] 王慧慶，許春江，王磊，等. 應(yīng)用ISRS-Natural Gas amp; Pipeline改進工程變更管理及建議[J].石油工程建設(shè)，2014，40（3）：85-87.

[12] 蔣平，李浩澤，杜洪恿，等. 基于FMECA方法的旋耕機可靠性分析[J].中國農(nóng)機化學(xué)報，2019，40（12）：212-216.

[13] 陳德昌. 500萬噸/年常減壓裝置以可靠性為中心的維護技術(shù)研究[D]. 蘭州：蘭州大學(xué)，2019.

作者簡介：

楊肖建（1986—），男，山東濟寧人，工程師，2016年畢業(yè)于國家開放大學(xué)行政管理專業(yè)，現(xiàn)從事設(shè)備管理工作。

Email：yxj198601@126.com

收稿日期：2024-02-03