水下流量計(jì)研制中的可靠性分析

劉惜春，文鵬榮，尹豐，孫欽，潘艷芝，3，趙月前

1.海默科技（集團(tuán)）股份有限公司 （甘肅 蘭州 730010）

2.中海油研究總院有限責(zé)任公司 （北京 100028）

3.西安交通大學(xué) 動(dòng)力工程多相流國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 （陜西 西安 710049）

0 引言

石油工業(yè)的未來在于海洋石油。目前海洋油氣開發(fā)正在逐步向深水發(fā)展。例如，2014年9月發(fā)現(xiàn)的陵水17-2氣田是我國首個(gè)深水自營大氣田，作業(yè)水深超過1 500 m，為超深水氣田[1]。深水油氣田的開發(fā)需要先進(jìn)的生產(chǎn)技術(shù)和海洋工程裝備為支撐[2-3]。近年來我國在海洋油氣田開發(fā)裝備建設(shè)方面取得了一些進(jìn)展，但仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國際水平。深水油氣田開發(fā)技術(shù)和裝備制造能力的落后不僅增加了海洋石油開發(fā)的難度和成本，也限制了我國海洋石油工業(yè)的發(fā)展空間。為了加速我國自主開發(fā)深海油氣的速度，降低開發(fā)成本，打破國外的技術(shù)壟斷，開展水下生產(chǎn)技術(shù)和裝備的研究勢(shì)在必行[4]。

水下流量計(jì)是一種在不分離狀態(tài)下動(dòng)態(tài)測(cè)量水下油氣井產(chǎn)物中油、氣、水產(chǎn)量的計(jì)量儀器[5-7]。而水下多相流量計(jì)通常用于測(cè)井、配產(chǎn)計(jì)量、貿(mào)易計(jì)量、油井管理和流動(dòng)保障[8-10]。在水下流量計(jì)出現(xiàn)以前，水下多相流測(cè)量多依靠將油井產(chǎn)物通過測(cè)試管線引至平臺(tái)測(cè)試分離器或多相流量計(jì)進(jìn)行油、氣、水流量的測(cè)量。這種方法需要單獨(dú)的測(cè)試管線，投入巨大，同時(shí)也帶來了一系列操作困難。水下流量計(jì)的出現(xiàn)，使得水下單井產(chǎn)量的連續(xù)、實(shí)時(shí)測(cè)量成為可能，極大地改善了測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和時(shí)效性，對(duì)于生產(chǎn)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、油藏管理優(yōu)化和提高流動(dòng)保障具有重要意義[11]。

水下流量計(jì)與地面流量計(jì)的不同之處在于水下特殊的應(yīng)用環(huán)境帶來的挑戰(zhàn)。水下流量計(jì)安裝在幾百甚至幾千米的水下，人工難以干預(yù)，安裝和維護(hù)成本巨大，水下流量計(jì)要保證25年的設(shè)計(jì)壽命，且盡可能地減少維護(hù)，必須保證水下流量計(jì)足夠高的可靠性。目前國內(nèi)相關(guān)單位已逐步開展水下流量計(jì)的研制工作[12]，需要對(duì)可靠性開展深入研究，確保水下流量計(jì)國產(chǎn)化的順利推進(jìn)并最終實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用。

本文系統(tǒng)論述了水下流量計(jì)國產(chǎn)化過程中為保證產(chǎn)品質(zhì)量采取的一系列可靠性保障措施，對(duì)水下工程裝備的國產(chǎn)化研制具有一定的借鑒意義。

1 目標(biāo)問題分析

水下流量計(jì)研制和應(yīng)用面臨的挑戰(zhàn)主要來自以下幾個(gè)方面。

1.1 機(jī)械系統(tǒng)的可靠性

水下流量計(jì)安裝在水下，對(duì)外要承受海水的靜壓，對(duì)內(nèi)要承受管道介質(zhì)壓力和高溫，溫度和壓力還會(huì)在多相流量計(jì)服役過程中發(fā)生變化，因此流量計(jì)必須具備足夠的機(jī)械強(qiáng)度和完整的密封性能。海水和井流介質(zhì)對(duì)流量計(jì)的機(jī)械部件和密封件還有腐蝕性，因此，要求材料和密封件必須具備足夠的抗腐蝕性能。

1.2 上下位機(jī)通訊系統(tǒng)的可靠性

水下流量計(jì)安裝在水下生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)施如管匯或采油樹上，其信號(hào)采集、處理與傳輸主要依靠其自身通訊控制系統(tǒng)來完成，一般是下位機(jī)完成數(shù)據(jù)采集后傳送至上位機(jī)，上位機(jī)反過來給下位機(jī)發(fā)送測(cè)井及參數(shù)配置等相關(guān)命令。如果通訊控制系統(tǒng)發(fā)生故障，水下流量計(jì)就會(huì)與地面控制中心失去聯(lián)系，此時(shí)即使流量計(jì)仍能正常采集和處理數(shù)據(jù)，但計(jì)算結(jié)果卻無法上傳至地面終端，地面終端也無法下發(fā)指令對(duì)流量計(jì)進(jìn)行操作。因此，需要保證流量計(jì)的通訊控制系統(tǒng)在設(shè)計(jì)生命周期內(nèi)具備高可靠性。

1.3 數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的可靠性

水下流量計(jì)在測(cè)量過程中，需要采集各傳感器的參數(shù)，并將采集到的信號(hào)完整地上傳至流量計(jì)算機(jī)，由流量計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和運(yùn)算，進(jìn)而得到油井產(chǎn)物中油、氣、水的含量。如果數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)出現(xiàn)問題，流量計(jì)算機(jī)就無法獲得計(jì)算所需的準(zhǔn)確原始數(shù)據(jù)。如果流量計(jì)算機(jī)故障，則數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)就不能轉(zhuǎn)換成可用的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，或者轉(zhuǎn)換的生產(chǎn)數(shù)據(jù)無法反應(yīng)真實(shí)的流量信息。這一切需要一整套軟硬件的可靠性來保證。

因此，對(duì)水下流量計(jì)而言，真正的難度不在于計(jì)量技術(shù)本身，而在于整個(gè)生命周期內(nèi)可靠性的保證。對(duì)一個(gè)完整的水下多相流計(jì)量系統(tǒng)而言，各部件和系統(tǒng)之間相互聯(lián)系，任何一個(gè)部件和系統(tǒng)出現(xiàn)問題都會(huì)直接影響水下流量計(jì)性能和功能的完整性。

2 可靠性分析方法研究及計(jì)劃制定

2.1 可靠性概述

產(chǎn)品的可靠性是指產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。其中產(chǎn)品既包括硬件和流程性材料等有形產(chǎn)品，也包括軟件等無形產(chǎn)品。

“規(guī)定的條件”一般包括環(huán)境條件、動(dòng)力條件、負(fù)載條件、使用和維護(hù)條件；“規(guī)定的時(shí)間”是可靠性區(qū)別產(chǎn)品其他特性如功能性、工藝性等的重要特征，拋開時(shí)間談可靠性是沒有意義的；“規(guī)定的功能”是指表征產(chǎn)品能完成的各項(xiàng)性能指標(biāo)。

可靠性是產(chǎn)品的基本屬性，是衡量產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標(biāo)。產(chǎn)品的可靠性一般可分為固有可靠性和使用可靠性。產(chǎn)品的固有可靠性是產(chǎn)品早在規(guī)劃階段就規(guī)定了的可靠性指標(biāo)，如對(duì)儀器儀表，常指輸出范圍、精度、線性度、失真度、分配率、回差、靈敏度、漂移等。產(chǎn)品的固有可靠性是產(chǎn)品的一種固有特性，也是產(chǎn)品的開發(fā)者可以控制的。而產(chǎn)品使用可靠性則是產(chǎn)品在實(shí)際使用過程中表現(xiàn)出的一種性能保持能力的特性，它除了考慮固有可靠性的影響因素外，還要考慮產(chǎn)品安裝、操作使用和維修保障等因素的影響。一般認(rèn)為，產(chǎn)品可靠性可近似看作固有可靠性和使用可靠性之積。

失效是指產(chǎn)品喪失功能的現(xiàn)象。它是“可靠”的對(duì)立面。通過更換元器件或進(jìn)行調(diào)整能夠恢復(fù)功能的產(chǎn)品稱為可修復(fù)產(chǎn)品，反之稱為不可修復(fù)產(chǎn)品。對(duì)于可修復(fù)產(chǎn)品，失效可稱為故障。可靠性有狹義可靠性與廣義可靠性之分。狹義可靠性僅指產(chǎn)品在其整個(gè)壽命周期內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。通常所說的可靠性就是指的狹義可靠性。廣義可靠性通常包括狹義可靠性和維修性兩個(gè)方面內(nèi)容，常被稱為有效性。

2.2 可靠性分析計(jì)劃

為保證首臺(tái)國產(chǎn)水下流量計(jì)的成功研制，制定了包括第三方故障模式、影響及危害性分析（FMECA,Failure Mode Effects and Criticality Analysis）在內(nèi)的嚴(yán)格的可靠性保障計(jì)劃，主要內(nèi)容見表1。

2.2.1 國際規(guī)范研究

目前國際上出現(xiàn)了為數(shù)不少的針對(duì)水下工程裝備的設(shè)計(jì)參考規(guī)范，包括 API 17D[13]、API 17N[14]、ISO 13628[15]、API 6A[16]，以及專門針對(duì)水下流量計(jì)的API 17S[17]和API RP 85[18]等一系列規(guī)范。國際知名第三方挪威船級(jí)社也出版了針對(duì)水下裝備的設(shè)計(jì)及認(rèn)證規(guī)范[19-21]。這些規(guī)范為我國水下工程裝備的開發(fā)研制提供了非常重要的指導(dǎo)，具有重要的參考價(jià)值。為保證水下流量計(jì)樣機(jī)研制過程科學(xué)性和設(shè)備可靠性，參考API 17S及API 6A等規(guī)范制定了嚴(yán)格的型式試驗(yàn)計(jì)劃，并編制相應(yīng)的測(cè)試大綱，每個(gè)試驗(yàn)都將由權(quán)威第三方船級(jí)社進(jìn)行見證。

2.2.2 有限元分析

為保證水下流量計(jì)強(qiáng)度符合要求，需要在詳細(xì)設(shè)計(jì)及校核計(jì)算基礎(chǔ)上，采用有限元分析對(duì)水下流量計(jì)整體結(jié)構(gòu)各工況、及電子倉受到ROV（水下機(jī)器人）撞擊的工況進(jìn)行模擬分析。針對(duì)水下流量計(jì)整體結(jié)構(gòu)，主要考慮在位工況、靜水壓試驗(yàn)工況以及高壓倉外壓試驗(yàn)工況等3種有限元分析工況。

表1 水下流量計(jì)可靠性保障計(jì)劃

此處以在位工況分析為例說明分析過程。首先，根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及載荷情況，對(duì)水下流量計(jì)三維模型進(jìn)行處理，得到用于分析的幾何模型；然后進(jìn)行網(wǎng)格劃分并根據(jù)分析結(jié)果確定網(wǎng)格模型。根據(jù)設(shè)計(jì)要求明確在位工況主要考慮載荷（如外部壓力載荷、內(nèi)部壓力載荷、自重載荷以及地震載荷等），分別在管道內(nèi)表面、樣機(jī)外部施加目標(biāo)內(nèi)壓和設(shè)計(jì)水深壓力載荷。在部件整體施加自重載荷和地震載荷，在出、入口法蘭端面施加位移約束，最終分析得到總體位移分布圖和總體等效應(yīng)力分布圖。最后，根據(jù)分析結(jié)果，判斷在測(cè)試載荷作用下整體部件的最大位移、最大等效應(yīng)力值是否符合要求（如等效應(yīng)力應(yīng)小于材料的許用應(yīng)力）。

2.2.3 設(shè)計(jì)認(rèn)證

水下流量計(jì)作為高端水下工程裝備，其設(shè)計(jì)方案需要嚴(yán)格的第三方認(rèn)證和校核。挪威船級(jí)社在水下裝備領(lǐng)域具有雄厚的技術(shù)能力和認(rèn)證實(shí)力，將由其按照相關(guān)規(guī)范[20-21]完成對(duì)水下流量計(jì)工程樣機(jī)包括獨(dú)立校核計(jì)算在內(nèi)的設(shè)計(jì)認(rèn)證，審核設(shè)計(jì)參考的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范、操作條件、材料規(guī)格、設(shè)計(jì)文件和型式試驗(yàn)計(jì)劃等。

2.2.4 FMECA分析

FMECA分析是一種評(píng)估系統(tǒng)可靠性的分析方法，來源于失效模式與影響分析(FMEA)、關(guān)鍵性分析（CA）。目前FMECA分析方法已廣泛應(yīng)用在石油化工、海洋油氣裝備等方面，用于識(shí)別關(guān)鍵的失效模式和影響、優(yōu)化設(shè)計(jì)、操作和維護(hù)。國產(chǎn)水下流量計(jì)開展FMECA分析可以分別從不考慮和考慮現(xiàn)有控制措施兩個(gè)方面識(shí)別設(shè)備存在的潛在風(fēng)險(xiǎn)，并達(dá)到如下目的：①識(shí)別關(guān)鍵的元件和失效模式；②評(píng)價(jià)現(xiàn)有的重要控制措施；③提出設(shè)計(jì)改進(jìn)和風(fēng)險(xiǎn)降低措施，提高設(shè)備的可靠性。

FMECA將由權(quán)威第三方挪威船級(jí)社開展，采用IEC 60812標(biāo)準(zhǔn)的分析方法[22]，元件的失效數(shù)據(jù)來自EMCRH和OREDA數(shù)據(jù)庫，使用風(fēng)險(xiǎn)矩陣進(jìn)行關(guān)鍵性評(píng)價(jià)。

2.3 型式試驗(yàn)

參考 API 6A[16]、API 17D[13]、API 17S[17]等規(guī)范制定嚴(yán)格的型式試驗(yàn)方案，以驗(yàn)證樣機(jī)可靠性。主要型式試驗(yàn)如表2所示。

表2 水下流量計(jì)主要的型式試驗(yàn)

3 結(jié)論

系統(tǒng)論述了可靠性分析的重要性和主要分析方法，介紹了國產(chǎn)水下流量計(jì)研制過程中對(duì)于可靠性的各種保障措施，從調(diào)研及設(shè)計(jì)開始，到最終的型式試驗(yàn)，全流程的可靠性計(jì)劃。其中，第三方認(rèn)證是非常關(guān)鍵的一環(huán)，特別是邀請(qǐng)業(yè)內(nèi)權(quán)威第三方認(rèn)證機(jī)構(gòu)進(jìn)行從前期設(shè)計(jì)認(rèn)證到后期試驗(yàn)見證，可以大大提高研制設(shè)備的可靠性，最終推動(dòng)后續(xù)水下裝備的國產(chǎn)化應(yīng)用和市場化推廣，對(duì)我國水下裝備的國產(chǎn)化研制具有較好的借鑒意義。