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(guó)逐漸將視線轉(zhuǎn)向?qū)Q笫蜌獾拈_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(huán)境,目前得到廣泛應(yīng)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(tái)之間的運(yùn)動(dòng)解耦裝置,也是鋼懸鏈立管(SCR)系統(tǒng)中唯一的核心設(shè)備。柔性接頭的一側(cè)接觸管中輸送的流體,另一側(cè)與海水或空氣接觸。輸送的流體包括向平臺(tái)輸送的產(chǎn)出液,以及經(jīng)過處理之后從平臺(tái)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(shè)備在發(fā)生故障時(shí)的模式不一致,在設(shè)備失效后產(chǎn)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(wěn)運(yùn)行,延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。對(duì)于設(shè)備可能存在的潛在缺陷就要及早發(fā)現(xiàn)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,F(xiàn)MECA)是針對(duì)產(chǎn)品所有可能的故障,并根據(jù)對(duì)故障模式的分析,確定每種故障模式對(duì)產(chǎn)品工作的影響,全面識(shí)別設(shè)計(jì)中的薄弱環(huán)節(jié)和關(guān)鍵項(xiàng)目,并為評(píng)價(jià)和改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供可靠性信息。對(duì)鋼懸鏈立管(SCR)柔性接頭采用FMECA分析方法進(jìn)行可靠性的研究,將有助于查出柔性接頭產(chǎn)品中對(duì)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(jù)。
FMECA作為一種系統(tǒng)或產(chǎn)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(tǒng)或產(chǎn)品故障的一種表現(xiàn)形式,一般是能被觀察到的一種故障現(xiàn)象。故障影響是指該故障模式會(huì)造成對(duì)安全性、產(chǎn)品功能的影響。故障影響一般可分為:對(duì)局部、高一層次及最終影響三個(gè)等級(jí)。將故障模式出現(xiàn)的概率及影響的嚴(yán)酷度結(jié)合起來稱為危害性,結(jié)合鋼懸鏈立管(SCR)柔性接頭的功能,確定產(chǎn)品嚴(yán)酷度等級(jí)見表1,故障模式概率分類見表2。
表1 嚴(yán)酷度分類表
概率小于產(chǎn)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(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中,通過對(duì)產(chǎn)品各組成單元潛在的各種故障模式及其對(duì)產(chǎn)品功能的影響進(jìn)行分析,提出可能采取的預(yù)防改進(jìn)措施,以提高產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)的一種設(shè)計(jì)分析方法。它是一種預(yù)防性技術(shù)。是事先的行為,是產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段。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,及對(duì)系統(tǒng)可靠性和安全性評(píng)價(jià)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(yán)重程度類別及發(fā)生概率的綜合影響加以分析,以便全面地評(píng)價(jià)各種可能出現(xiàn)的故障模式的影響。CA是FMEA的繼續(xù),根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)及可靠性數(shù)據(jù)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(yán)酷程度和故障概率的評(píng)價(jià)基礎(chǔ)上生成風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指數(shù)矩陣,見表3。該矩陣可對(duì)鋼懸鏈立管(SCR)柔性接頭的危害性進(jìn)行定量分析,從而判定危險(xiǎn)發(fā)生的可能性。
表3 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指數(shù)矩陣
對(duì)鋼懸鏈立管(SCR)柔性接頭各單元風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)不同取值的處理原則見表4。
表4 風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)對(duì)應(yīng)的處理原則
根據(jù)圖1柔性接頭整體裝配示意圖,為便于對(duì)整體產(chǎn)品進(jìn)行FMECA分析,對(duì)每個(gè)零部件的功能進(jìn)行描述。
本體本質(zhì)上是一個(gè)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(zhì)的承壓殼體,本體主要承受腔室壓力和軸向載荷,同時(shí)要面對(duì)腐蝕環(huán)境,本體與鋼懸鏈立管系統(tǒng)工作壓力、介質(zhì)溫度和軸向載荷有關(guān),而與柔性接頭的剛度技術(shù)指標(biāo)無關(guān),本體設(shè)計(jì)使用壽命為30年。因此,本體應(yīng)滿足柔性接頭工作壓力、軸向載荷和服役環(huán)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
連接法蘭即是本體的上蓋,它與本體組成密閉容器,同時(shí)也承擔(dān)著柔性接頭與平臺(tái)上部設(shè)備的連接,連接法蘭主要承受腔室壓力,同時(shí)要面對(duì)腐蝕環(huán)境,連接法蘭與鋼懸鏈立管系統(tǒng)工作壓力、介質(zhì)溫度有關(guān),而與柔性接頭剛度技術(shù)指標(biāo)、疲勞壽命無關(guān),連接法蘭的設(shè)計(jì)使用壽命為30年。因此,連接法蘭應(yīng)滿足柔性接頭工作壓力和服役環(huán)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
延伸件既是柔性接頭轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的執(zhí)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(shè)計(jì)使用壽命為30年,延伸件的轉(zhuǎn)動(dòng)中心坐標(biāo)對(duì)柔性接頭的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度和總體布局尺寸有直接的影響。因此,延伸件應(yīng)滿足柔性接頭的軸向、橫向載荷和工作壓力,同時(shí)還要滿足轉(zhuǎn)動(dòng)剛度和總體布局最優(yōu)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
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(huán)狀球形的彈性層(橡膠)和增強(qiáng)件(環(huán)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(gè)完整組件,彈性體組件是完成柔性接頭轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)、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(tǒng)。
彈性體組件在受到軸向和橫向載荷作用時(shí),彈性體層是提供轉(zhuǎn)動(dòng)剛度技術(shù)指標(biāo)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(shè)計(jì)使用壽命為30年,設(shè)計(jì)安全系數(shù)為10。因此,它的力學(xué)性能指標(biāo)和疲勞特性指標(biāo)必須滿足柔性接頭剛度要求和使用壽命要求以及服役環(huán)境要求。
彈性體組件在受到軸向和橫向載荷作用時(shí),增強(qiáng)件是使柔性接頭保持基本結(jié)構(gòu)形狀的承力件,增強(qiáng)件對(duì)柔性接頭的軸向剛度和軸向穩(wěn)定性有很大的影響,對(duì)柔性接頭使用壽命有一定的影響,對(duì)柔性接頭的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度影響很小。因此,增強(qiáng)件應(yīng)滿足柔性接頭軸向承載能力、軸向穩(wěn)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(duì)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(xiàng)主要功能和五項(xiàng)輔助功能。三項(xiàng)主要功能分別為PF1運(yùn)動(dòng)解耦功能、PF2承壓功能、FP3承載功能。五項(xiàng)輔助功能分別為FP1自有轉(zhuǎn)動(dòng)范圍、FP2電氣連續(xù)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。
根據(jù)鋼懸鏈立管(SCR)柔性接頭設(shè)備結(jié)構(gòu)與功能,同時(shí)為了便于對(duì)不同部件進(jìn)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
結(jié)合表1~4,對(duì)柔性接頭本體,彈性體組件,延伸件等關(guān)鍵零部件進(jìn)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(guān)鍵零部件FMECA表
對(duì)FMECA表格進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析,結(jié)合嚴(yán)酷度分類表、故障概率分類表、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指數(shù)矩陣和風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)處理原則表可得出以下結(jié)論:
(1)針對(duì)故障模式的嚴(yán)酷度而言,鋼懸鏈立管(SCR)柔性接頭關(guān)鍵零部件系統(tǒng)共有20個(gè)故障模式,其中嚴(yán)酷度Ⅰ類有12個(gè),Ⅱ類的有8個(gè)。從表5中看出I類故障模式主要集中產(chǎn)生于延伸件與彈性體橡膠層,這類故障模式對(duì)柔性接頭整體系統(tǒng)產(chǎn)生的危害性最大,其發(fā)生時(shí)最終會(huì)導(dǎo)致整體系統(tǒng)功能完全喪失。這些故障模式在延伸件中表現(xiàn)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(xiàn)為轉(zhuǎn)動(dòng)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(guān)鍵故障模式,應(yīng)對(duì)這些關(guān)鍵故障模式采取優(yōu)先改進(jìn)措施。
表5 鋼懸鏈立管(SCR)柔性接頭功能描述
(2)針對(duì)故障模式發(fā)生概率和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指數(shù)矩陣而言,發(fā)生概率在B級(jí)的有8個(gè)都發(fā)生在彈性體橡膠層,對(duì)應(yīng)的故障模式主要是轉(zhuǎn)動(dòng)剛度不足、橡膠填充不足和橡膠層破;發(fā)生概率在C級(jí)的有10個(gè),廣泛存在于由金屬制成的柔性接頭關(guān)鍵部件中,對(duì)應(yīng)的故障模式為材料缺陷、設(shè)計(jì)不當(dāng)、材料與集輸環(huán)境介質(zhì)不匹配;發(fā)生概率在D級(jí)的有3個(gè),對(duì)應(yīng)的故障模式為材料性能不達(dá)標(biāo)。根據(jù)故障模式發(fā)生概率和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指數(shù)矩陣表分析可知,故障模式發(fā)生概率越高風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指數(shù)越高,該種故障模式的危害性就越大。因此彈性體所產(chǎn)生的故障模式危害性最高。
綜上,對(duì)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(yīng)對(duì)與其產(chǎn)生的故障模式采取優(yōu)先改性措施,進(jìn)而提高整體產(chǎn)品的可靠性。
根據(jù)鋼懸鏈立管(SCR)柔性接頭的設(shè)備結(jié)構(gòu)和功能分析,對(duì)失效模式的嚴(yán)酷度等級(jí)進(jìn)行了定義,采用了FMECA對(duì)鋼懸鏈立管(SCR)柔性接頭進(jìn)行了故障模式和危害性分析,從而找出了故障影響因素,評(píng)估了故障的危害性,并采取了設(shè)計(jì)等改進(jìn)措施,極大地提升了鋼懸鏈立管(SCR)柔性接頭在應(yīng)用階段的可靠性。