FMEDA在閥門安全完整性認(rèn)證中的應(yīng)用

朱春麗，陳 迪，孫 欽

（中海石油（中國）有限公司 北京研究中心，北京 100028）

0 引言

閥門作為石油化工生產(chǎn)系統(tǒng)的重要組成部分，在石化流程中起著非常重要的作用，閥門主要是用來接通和截?cái)嘟橘|(zhì)，防止介質(zhì)倒流，防止介質(zhì)壓力、溫度、液位等超過規(guī)定數(shù)值，以保證管道或設(shè)備安全運(yùn)行。在石油化工裝置中，對(duì)閥門質(zhì)量要求非常高，因?yàn)殚y門一旦出現(xiàn)故障，輕者導(dǎo)致介質(zhì)泄漏、環(huán)境污染，重者引發(fā)火災(zāi)、爆炸，造成惡性事故，這就要求閥門必須具有很高的可靠性[1]。隨著工業(yè)事故及其對(duì)社會(huì)的影響被人們廣泛認(rèn)知，越來越多的企業(yè)意識(shí)到安全的重要性。

石油化工生產(chǎn)中，由于工藝復(fù)雜并且設(shè)備繁多，任何一個(gè)失效，都會(huì)對(duì)人員、設(shè)備或者環(huán)境帶來嚴(yán)重后果。閥門作為生產(chǎn)系統(tǒng)中最終執(zhí)行單元，是整個(gè)生產(chǎn)流程中最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，其可靠性和安全性對(duì)防止生產(chǎn)人員身體受到損害，避免環(huán)境污染和生產(chǎn)損失起著決定性的作用。通常情況下，采用SIL（Safety Integrity Level安全完整性等級(jí)）衡量一個(gè)閥門的安全性和可靠性，對(duì)閥門進(jìn)行SIL認(rèn)證，就是充分利用工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和安全技術(shù)（IEC61508和IEC61511），對(duì)安全設(shè)備的安全完整性等級(jí)（SIL）或者性能等級(jí)（PL）進(jìn)行評(píng)估和確認(rèn)的一種第三方評(píng)估、驗(yàn)證和認(rèn)證。

1 閥門的可靠性

閥門可靠性是閥門在一定時(shí)間內(nèi)、在一定條件下無故障地執(zhí)行指定功能的能力或可能性，可通過可靠度R(t)、失效率λ(t)、平均無故障間隔MTBF等來評(píng)價(jià)產(chǎn)品的可靠性。

“規(guī)定時(shí)間”和閥門的可靠性關(guān)系極為密切，“規(guī)定的功能”指的是閥門規(guī)格書中給出的正常工作性能指標(biāo)。在設(shè)計(jì)階段對(duì)閥門進(jìn)行可靠性分析，深入研究閥門的失效模式和失效原因，將影響可靠性的因素盡量發(fā)現(xiàn)并消除在早期設(shè)計(jì)階段，把可靠性設(shè)計(jì)的理念融入到閥門的設(shè)計(jì)過程當(dāng)中，運(yùn)用更為先進(jìn)的設(shè)計(jì)手段和技術(shù)改進(jìn)閥門的設(shè)計(jì)。

表1 閥門部分組件的FMEA分析表Table 1 FMEA Analysis table for part of valve components

2 FMEDA的目的和作用

FMEA（Failure Mode and Effects Analysis失效模式與影響分析）是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段或過程設(shè)計(jì)階段，對(duì)構(gòu)成產(chǎn)品的子系統(tǒng)、零件或者對(duì)構(gòu)成過程的各個(gè)工序逐一進(jìn)行分析，找出所有潛在的失效模式，并分析其可能的后果，從而預(yù)先采取必要的措施，以提高產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性的一種系統(tǒng)化的活動(dòng)。它的作用是“檢驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性，確定故障模式的原因，對(duì)系統(tǒng)可靠性和安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)等”。目的是“通過系統(tǒng)分析，確定元器件、零部件、設(shè)備、軟件在設(shè)計(jì)和制造過程中所有可能的故障模式，以及每一故障模式的原因及影響，以便找出潛在的薄弱環(huán)節(jié)，并提出改進(jìn)措施”。

FMEDA是獲得良好驗(yàn)證的FMEA技術(shù)的一種延伸，既可以用于電氣產(chǎn)品，也可以用于機(jī)械產(chǎn)品。FMEDA在功能安全工作中起到很重要的作用，它對(duì)功能安全產(chǎn)品的失效風(fēng)險(xiǎn)、是否可診斷進(jìn)行定性分析，同時(shí)也為平均失效概率和安全完整性等級(jí)的計(jì)算提供了有效的數(shù)據(jù)支撐[2]。FMEDA技術(shù)考慮的是：

◆ 一個(gè)設(shè)計(jì)產(chǎn)品的所有部件。

◆ 每個(gè)部件的功能。

◆ 每個(gè)部件的失效模式。

◆ 每個(gè)部件失效模式對(duì)產(chǎn)品功能的影響。

◆ 自動(dòng)診斷檢測(cè)失效的能力。

◆ 設(shè)計(jì)增強(qiáng)（降低失效，提高安全）。

◆ 運(yùn)行規(guī)范（環(huán)境強(qiáng)調(diào)因數(shù)）。

3 FMEDA在閥門安全完整性認(rèn)證中的應(yīng)用

在對(duì)閥門進(jìn)行安全完整性認(rèn)證的過程中，首先要對(duì)閥門進(jìn)行FMEA分析，分析閥門部件中每一潛在的故障模式并確定其對(duì)產(chǎn)品產(chǎn)生的影響，分析失效原因及其對(duì)組件的功能影響，最終目的是分析閥門的薄弱環(huán)節(jié)，找出其潛在弱點(diǎn)，采取相應(yīng)措施以提高閥門的可靠性。

對(duì)閥門的FMEA分析要從所有零部件的故障信息出發(fā)，找出對(duì)組件安全功能的影響，同時(shí)給出避免失效的手段，同時(shí)要判斷該失效對(duì)功能安全的影響。在FMEA的分析過程中，要熟悉每個(gè)零部件的工作原理、生產(chǎn)制造工藝和機(jī)械設(shè)計(jì)中的尺寸配合等知識(shí)，充分利用專家經(jīng)驗(yàn)，對(duì)所有失效模式的產(chǎn)生原因認(rèn)真全面地分析。對(duì)閥門的所有組成零部件如閥體、閥蓋、球體、閥座、閥座、閥桿、壓蓋、頂法蘭、支撐板、密封環(huán)、墊片、填料、隔環(huán)、密封圈、盤根、軸承、O形圈、擋圈、抗靜電彈簧、鋼球、泄放閥、螺塞、注油塞、單向閥、閥座彈簧、吊耳、支腳、轉(zhuǎn)換接頭、法蘭組件、銷、螺柱、螺母、螺柱、螺母、鍵（傳動(dòng)件）、鉚釘、銘牌、指示牌等進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其主要的失效模式有：設(shè)計(jì)錯(cuò)誤（包括計(jì)算錯(cuò)誤，材料選擇錯(cuò)誤等）、內(nèi)部的隨機(jī)失效、材料本身不合格等。閥門部分組件的FMEA分析表如表1所示。

在對(duì)閥門各部位進(jìn)行了詳細(xì)的FMEA分析后，對(duì)于FMEDA很重要的一步就是各類失效率的填入，該數(shù)據(jù)主要有3種方式可以獲得，通過公司的故障數(shù)據(jù)庫獲得，多次試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)得到，經(jīng)過問卷或調(diào)查等現(xiàn)場(chǎng)獲得。將各類詳細(xì)的失效模式進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算可以得到各類失效率的值，經(jīng)計(jì)算得到安全失效分?jǐn)?shù)，結(jié)合IEC61508和IEC61511的要求，進(jìn)而可以評(píng)估出閥門的安全完整性等級(jí)[3,4]。

4 總結(jié)

合理的應(yīng)用FMEA可以有效地找到薄弱環(huán)節(jié)，將影響閥門可靠性的因素盡早消除，預(yù)防閥門可能發(fā)生的故障。同時(shí)本文在分析中也發(fā)現(xiàn)，通過FMEDA獲得的失效數(shù)據(jù)并不能完全反映出閥門在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中的失效率，要想獲得高質(zhì)量的失效數(shù)據(jù)，需要結(jié)合FMEDA數(shù)據(jù)、工業(yè)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)及閥門現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)等進(jìn)行組合分析，進(jìn)而得到閥門的失效率，確定閥門的安全完整性等級(jí)。