FMEA方法在高壓高溫承壓設(shè)備設(shè)計(jì)開發(fā)過程的應(yīng)用

文志雄，文 通

1.中國石油集團(tuán)鉆機(jī)工程技術(shù)研究院江漢機(jī)械研究所 （湖北 荊州 434000）

2.河南省鍋爐和壓力容器檢測技術(shù)研究院 （河南 鄭州 450016）

FMEA方法在高壓高溫承壓設(shè)備設(shè)計(jì)開發(fā)過程的應(yīng)用

文志雄1，文 通2

1.中國石油集團(tuán)鉆機(jī)工程技術(shù)研究院江漢機(jī)械研究所 （湖北 荊州 434000）

2.河南省鍋爐和壓力容器檢測技術(shù)研究院 （河南 鄭州 450016）

簡要分析了石油天然氣用高壓高溫承壓設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)，以產(chǎn)品研發(fā)過程的設(shè)計(jì)驗(yàn)證和設(shè)計(jì)確認(rèn)為重點(diǎn)，討論了失效模式、載荷類型、應(yīng)力水平及發(fā)生的概率，結(jié)合現(xiàn)有設(shè)計(jì)手冊給出了驗(yàn)證計(jì)算方法建議，以水下井口閥門為例列舉了FMEA方法應(yīng)用到HPHT產(chǎn)品的應(yīng)用步驟，給出設(shè)計(jì)確認(rèn)試驗(yàn)建議。得出：在HPHT設(shè)備的研發(fā)設(shè)計(jì)階段，應(yīng)用FMECA，有組織系統(tǒng)地找出可能的故障模式及其影響，為需要重點(diǎn)開展的設(shè)計(jì)確認(rèn)試驗(yàn)提供定性信息，有利于提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量和可靠性水平；針對HPHT設(shè)備失效后果嚴(yán)重，在設(shè)計(jì)驗(yàn)證階段引入極端載荷、殘存載荷及其發(fā)生的概率，按不同的設(shè)計(jì)余度進(jìn)行驗(yàn)證校核，并通過試驗(yàn)確認(rèn)，提高產(chǎn)品的安全性指標(biāo)。

設(shè)計(jì)驗(yàn)證；FMEA；高壓高溫設(shè)備

GB/T 19001—2016/ISO 9001：2015《質(zhì)量管理體系 要求》[1]要求在產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計(jì)過程即要關(guān)注產(chǎn)品預(yù)期使用中的風(fēng)險(xiǎn)，分析影響因素，采取適當(dāng)措施防止預(yù)期失效的發(fā)生。最重要的變化是將風(fēng)險(xiǎn)管理納入質(zhì)量管理體系，在管理體系策劃時(shí)要確定需要應(yīng)對的風(fēng)險(xiǎn)和機(jī)遇。在產(chǎn)品和服務(wù)的開發(fā)過程，組織應(yīng)考慮針對以下開發(fā)活動(dòng)所確定的相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)和機(jī)遇：①開發(fā)的產(chǎn)品和服務(wù)的特性，以及失敗的潛在后果；②顧客和其他相關(guān)方對開發(fā)過程期望的控制程度；③對組織穩(wěn)定的滿足顧客要求和增強(qiáng)顧客滿意能力的潛在影響。

失效模式及其影響分析方法是在實(shí)踐中總結(jié)出來的風(fēng)險(xiǎn)分析和控制技術(shù)，起源于美國軍工產(chǎn)品，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用到航空航天、汽車等流域[2]。我國也頒布了相應(yīng)的GJB/Z 1391—2006《故障模式、影響及危害性分析指南》，應(yīng)用于軍品流域，但石油勘探開發(fā)領(lǐng)域鮮有應(yīng)用[3]。

石油勘探開發(fā)用高壓高溫設(shè)備是指其額定工作壓力≥103.5 MPa，或者最高工作溫度≥177℃的承壓類設(shè)備，如井口裝置、油管頭、法蘭、封隔器、連接器、采油樹、防噴器、管子（油井）、地面安全閥，其他暴露于HPHT環(huán)境的設(shè)備。這些設(shè)備因其承壓高、承載復(fù)雜、接觸的流體成分復(fù)雜、腐蝕傾向及成因復(fù)雜、使用的環(huán)境敏感、失效后影響環(huán)境安全等因素成為各國監(jiān)管的重點(diǎn)，美國于墨西哥灣鉆井平臺(tái)事故后修改了《高壓高溫（HPHT）項(xiàng)目管理規(guī)則》。HPHT環(huán)境下承壓設(shè)備如何滿足需求，按照質(zhì)量管理體系的要求，在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證、設(shè)計(jì)確認(rèn)和功能試驗(yàn)。設(shè)計(jì)驗(yàn)證應(yīng)考慮哪些因素，應(yīng)用何種分析理論，設(shè)計(jì)確認(rèn)如何選擇試驗(yàn)項(xiàng)目等是研究的重點(diǎn)。

1 設(shè)計(jì)驗(yàn)證的主要內(nèi)容

HPHT設(shè)備設(shè)計(jì)驗(yàn)證的目的是證實(shí)該設(shè)備的設(shè)計(jì)符合功能規(guī)范和適應(yīng)性條件的要求并且有充足的措施避免已經(jīng)識別的失效模式發(fā)生[4]。這些失效模式包括：總體塑性坍塌；局部高應(yīng)力引起的局部失效；棘輪效應(yīng)；靜液壓試驗(yàn)條件下的擠毀；疲勞（壽命周期評定）。

失效的起因于載荷致設(shè)備結(jié)構(gòu)破壞，HPHT設(shè)備通常承受以下4種類型的載荷。壓力載荷：最大、最小內(nèi)壓、最大外壓；溫度載荷：最高或最低連續(xù)操作溫度；最高或最低外部環(huán)境溫度；機(jī)械載荷：外部拉伸、彎曲、剪切；循環(huán)載荷（包括內(nèi)外壓力循環(huán)、溫度循環(huán)、外部機(jī)械載荷）。

這些載荷按發(fā)生的概率分為：額定載荷（設(shè)備運(yùn)行中100%發(fā)生的載荷范圍）、極端載荷（設(shè)備運(yùn)行中發(fā)生概率在0.01%～0.1%的載荷）、殘存載荷（發(fā)生概率在0.000 1%～0.01%的載荷）。

設(shè)計(jì)驗(yàn)證的主要分析工具有：線性彈性力學(xué)方法、彈塑性力學(xué)方法、疲勞S-N曲線分析法、斷裂力學(xué)分析法（FM疲勞分析）、彈性-完全塑性分析法（極限載荷分析）。

按照文獻(xiàn)給出的計(jì)算及分析方法[5]，各類載荷引起的失效分析及最低接受準(zhǔn)則見表1[2]。

表1 設(shè)計(jì)驗(yàn)證方法及接受準(zhǔn)則

2 設(shè)計(jì)確認(rèn)的主要內(nèi)容

設(shè)計(jì)確認(rèn)包括：確認(rèn)設(shè)計(jì)驗(yàn)證方法、確認(rèn)材料的選擇、確認(rèn)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品部分內(nèi)容。

確認(rèn)設(shè)計(jì)驗(yàn)證方法。一般是在產(chǎn)品試驗(yàn)中根據(jù)各種理論分析給出的應(yīng)力集中區(qū)域，裝上應(yīng)力檢測設(shè)備，在試驗(yàn)中監(jiān)測應(yīng)力的變化并與分析結(jié)果比較評估，確定分析方法使用的準(zhǔn)確性。

材料選擇的確認(rèn)?？紤]材料在不同溫度、各類腐蝕環(huán)境、疲勞等因素的影響下，其完成預(yù)定功能的能力，通常以標(biāo)準(zhǔn)試樣試驗(yàn)為評價(jià)基礎(chǔ)，注重在實(shí)際使用環(huán)境下材料性能的評價(jià)。

產(chǎn)品的設(shè)計(jì)確認(rèn)。以產(chǎn)品實(shí)物試驗(yàn)為基礎(chǔ)，包括滿足現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的最低設(shè)計(jì)確認(rèn)試驗(yàn)、以FMEA分析結(jié)果為向?qū)У母鞣N失效模式及關(guān)鍵影響因子的附加設(shè)計(jì)確認(rèn)試驗(yàn)、設(shè)計(jì)變更后的再確認(rèn)、在役確認(rèn)等。

首先設(shè)置設(shè)計(jì)確認(rèn)FMEA關(guān)注對象。FMEA的對象可以是系統(tǒng)、子系統(tǒng)或組件，通過設(shè)置對象，更好地定義邊界條件，更好地設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)測試。

步驟1：確定載荷。確定作用于對象的載荷或壓力，不管是環(huán)境引起的還是由設(shè)計(jì)引起的。

步驟2：載荷效應(yīng)。由載荷引起的可能的失效。

步驟3：分析影響。載荷的影響有以下幾種情形：破壞完整性—喪失包含或物理連接到系統(tǒng)的能力；破壞功能性—喪失或退化功能性能；破壞接口—喪失了與系統(tǒng)相互作用的能力；破壞部件—效果局限在系統(tǒng)局部失效上。

步驟4：嚴(yán)重度。確定失效可能的結(jié)果，效果應(yīng)該以對象為關(guān)注重點(diǎn)，分析排名應(yīng)該全系統(tǒng)保持一致（表2）。

表2 嚴(yán)重度矩陣

步驟5：失效的原因和失效的物理機(jī)理。確定失效的原因，失效的物理機(jī)理是導(dǎo)致失效的基本物理現(xiàn)象。究其原因，首先是失效的物理機(jī)理。例如，材料損耗可能是失效的原因，但材料損耗的物理機(jī)理可能是侵蝕或腐蝕。

步驟6：操作中預(yù)期的目標(biāo)范圍。根據(jù)服役要求，在系統(tǒng)服役周期中預(yù)期失效的原因或物理機(jī)理的水平（最好是范圍）。

步驟7：發(fā)生率。根據(jù)定義的服役要求和環(huán)境條件，使用現(xiàn)有數(shù)據(jù)、過去的經(jīng)驗(yàn)或?qū)＜乙庖妬泶_定系統(tǒng)生命周期失效的概率。表3提供了一個(gè)發(fā)生率矩陣的示例。

步驟8：檢測方法。確定是否有一種檢測方法可以檢測導(dǎo)致失效模式發(fā)生的條件，此外，還應(yīng)采取措施糾正檢測到的狀況。

步驟9：探測度。檢測方法的效果怎樣，表4提供了一個(gè)探測度矩陣的示例。

表3 發(fā)生率矩陣

表4 探測度矩陣

表5 驗(yàn)證結(jié)果和負(fù)荷狀態(tài)

步驟10：測試優(yōu)先數(shù)(TPN)。計(jì)算測試優(yōu)先數(shù)按公式：測試優(yōu)先數(shù)=嚴(yán)重性×發(fā)生率×探測度。

步驟11：當(dāng)前的檢測。確定現(xiàn)有測試的目的、方法、參數(shù)的范圍，預(yù)期的失效模式及影響。

步驟12：測試優(yōu)先級。推薦的測試列表將根據(jù)測試優(yōu)先數(shù)制成表并進(jìn)行排序。測試優(yōu)先數(shù)越高，確認(rèn)過程的測試就越重要。

3 水下井口閥門設(shè)計(jì)驗(yàn)證、設(shè)計(jì)確認(rèn)實(shí)例

水下井口閥門由閥體、法蘭、螺栓、螺母、墊環(huán)、閥板、閥座、執(zhí)行器、閥桿等9個(gè)部件組成。表5是按表1描述的分析方法對該閥門的設(shè)計(jì)驗(yàn)證結(jié)果和負(fù)荷狀態(tài)描述。表6是設(shè)計(jì)確認(rèn)試驗(yàn)FMEA策劃表。表7是基于FMEA分析的確認(rèn)試驗(yàn)建議順序表。

表6 水下井口閥門設(shè)計(jì)確認(rèn)試驗(yàn)FMEA策劃表

表7 通過測試優(yōu)先數(shù)排名的試驗(yàn)

4 結(jié)論

1）在HPHT設(shè)備的研發(fā)設(shè)計(jì)階段應(yīng)用FMECA，有組織系統(tǒng)地找出可能的故障模式及其影響，為需要重點(diǎn)開展的設(shè)計(jì)確認(rèn)試驗(yàn)提供定性信息，有利于提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量和可靠性水平。

2）針對HPHT設(shè)備失效后果嚴(yán)重，在設(shè)計(jì)驗(yàn)證階段引入極端載荷、殘存載荷及其發(fā)生的概率，按不同的設(shè)計(jì)余度進(jìn)行驗(yàn)證校核，并通過試驗(yàn)確認(rèn)，提高產(chǎn)品的安全性指標(biāo)。

3）實(shí)例僅以（水下井口裝置和采油樹）部件級閥門為對象進(jìn)行分析，給出需要設(shè)計(jì)確認(rèn)的試驗(yàn)優(yōu)先順序建議，應(yīng)用的深度和廣度都有待進(jìn)一步擴(kuò)展。

[1]全國質(zhì)量管理和質(zhì)量保證標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).質(zhì)量管理體系 要求：GB/T 19001—2016/ISO 9001：2015[S].北京：標(biāo)準(zhǔn)出版社,2016.

[2]張大鋼,劉燕潮,韓 靜.故障模式影響及危害性分析(FMECA)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展和應(yīng)用研究[J].質(zhì)量與可靠性,2013(3)：48-51.

[3]中國人民解放軍總裝備部電子信息基礎(chǔ)部.故障模式、影響及危害性分析指南：GJB/Z 1391—2006[S].北京：標(biāo)準(zhǔn)出版社,2006.

[4]API.API17TR8-2015：High-pressure High-temperature Design Guidelines[S].

[5]ASME鍋爐和壓力容器委員會(huì)壓力容器分委會(huì).ASME鍋爐和壓力容器Ⅷ-2[M].北京：中國石化出版社,2014.

The risk of high-pressure and high-temperature equipment in petroleum and natural gas industry is analyzed briefly,and the failure modes,load types,stress levels of the high-pressure and high-temperature equipment and their occurrence probabilities are discussed with emphasis on the design verification and design confirmation of the product development process.Some suggestions to the verification calculation method are proposed based on the existing design manual.Taking underwater wellhead valve as an example,the application procedure of FMEA in the design of HPHT products is given,and some suggestions to the design confirmation test are proposed.It is conclused that in the design stage of HPHT equipment,using FMECA systematically identifies the possible failure mode and its effect to provide qualitative information for the design confirmation tests which need to focus on finishing,which is beneficial to improve the design quality and reliability level of the products;because of the serious consequences of HPHT equipment failure,extreme load,residual load land and their occurrence probability are introduced in the design verification stage of HPHT equipment,and according to the different design redundancy,they are confirmed by test to improve the safety index of the products.

design verification;FMEA;high-pressure and high-temperature equipment

文志雄（1964-），男，高級工程師，現(xiàn)主要從事石油機(jī)械質(zhì)量檢測及標(biāo)準(zhǔn)化工作。

尉立崗

2017-09-08