基于HAZOP方法的水下控制系統(tǒng)集成測試風險分析

魏娟 孫欽

（中海油研究總院有限責任公司 北京 100028）

引言

我國海洋石油資源豐富，基于水深、海底環(huán)境、氣候等因素，在深水領域采用水下生產(chǎn)系統(tǒng)開發(fā)方案可有效降低成本，增加效益。其中水下控制系統(tǒng)是水下生產(chǎn)系統(tǒng)的大腦，一方面接收和執(zhí)行水上主控站發(fā)來的指令，另一方面接收水下采集到的信號，并傳送到水上，供生產(chǎn)和操作人員進行監(jiān)測[1]。

隨著水下生產(chǎn)系統(tǒng)的發(fā)展與應用，水下控制系統(tǒng)的應用日益廣泛，同時國產(chǎn)化的研究也越來越深入。對水下控制系統(tǒng)全壽命周期進行系統(tǒng)的可靠性和安全性管理是設計的必要環(huán)節(jié)。其中及時對水下控制系統(tǒng)測試過程中進行風險識別和規(guī)避，是保障水下生產(chǎn)系統(tǒng)運營安全的需要[2]。

水下生產(chǎn)系統(tǒng)集成測試是水下設備深海安裝之前非常關鍵的一個環(huán)節(jié)，有助于驗證各供應方提供的水下生產(chǎn)系統(tǒng)設備（水下管匯、水下控制模塊、水下閥門等）之間的正常通訊及液壓、電力傳輸功能，評估水下生產(chǎn)系統(tǒng)總體可操作性，以確保水下生產(chǎn)系統(tǒng)整體安全、平穩(wěn)運轉(zhuǎn)。同時，通過系統(tǒng)集成測試還可以起到操作預演，培訓相關作業(yè)人員的作用，并提高作業(yè)效率[3][4]。

本文來源于國產(chǎn)水下控制系統(tǒng)工程化示范應用項目，為滿足目標氣田的安全生產(chǎn)要求，開展水下生產(chǎn)系統(tǒng)集成測試技術研究是必不可少的環(huán)節(jié)，其中對測試過程進行危險和可操作性分析，對危險因素進行分析，辨識測試過程中存在的安全隱患，并針對不同危險因素提出對應措施，有助于測試安全穩(wěn)定進行，進一步提高水下控制系統(tǒng)測試的安全性，對保障測試人員安全和測試設備完整性有至關重要的意義。

1 水下生產(chǎn)系統(tǒng)

某南海氣田開發(fā)項目對水下采油樹、水下井口、水下控制系統(tǒng)、水下多功能管匯等進行國產(chǎn)化研發(fā)和系統(tǒng)性集成，形成一個系統(tǒng)完整、功能齊全、性能可靠的水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)方案，達到實現(xiàn)工程化應用的要求。

本文集成測試主要范圍為主控站（M a i n Control Station, MCS）、液壓動力單元（Hydraulic Power Unit, HPU）、水下電力單元（Electrical Power Unit, EPU），水下管匯、水下分配單元、水下控制模塊（Subsea Control Module, SCM）、水下路由模塊、水下多相流量計（Multi-phase Flow Meter, MPFM）及其他管線等，同時具備水下CCTV和水聽器等數(shù)據(jù)采集單元。水下控制系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 水下控制系統(tǒng)示意圖

所有設備在通過出廠驗收測試，擴展測試工作后，根據(jù)相關標準、設計要求等相關文件，進行水下控制系統(tǒng)陸地聯(lián)合調(diào)試，主要完成水下設備的水下機器人與潛水員安裝/回收測試、水下控制系統(tǒng)功能測試和極端工況測試等內(nèi)容測試[5]。

1.1 主控站

主控站是為水下控制系統(tǒng)提供電力、控制落和通信的“主控臺”，包含用于液壓動力源、電源等監(jiān)控所需要的應用軟件，是整個水下生產(chǎn)系統(tǒng)的控制中心。

1.2 液壓動力單元

液壓動力單元用于為水下生產(chǎn)設施提供所需的、穩(wěn)定和清潔的高低壓控制液，控制液通過臍帶纜中的液壓管輸送到水下液壓分配單元和水下控制模塊。

1.3 水下控制模塊

電液復合式水下控制模塊廣泛應用于水下生產(chǎn)系統(tǒng)中，主要功能為接收和執(zhí)行來自水上生產(chǎn)控制系統(tǒng)的電子指令，控制水下管匯及水下采油樹閥門的開關工作，以及實時收集水下傳感器數(shù)據(jù)信息。在水下控制系統(tǒng)正式投入使用前對其進行功能和性能測試十分重要[6]。

1.4 水下路由模塊

水下路由模塊主體內(nèi)置有電源和控制模塊?？蓪崿F(xiàn)對其他設備進行供電和光電信號的轉(zhuǎn)化。水下路由模塊與其它水下接口設備之間通過水下濕插拔連接器與飛線進行供電、通信的連接。

1.5 水下監(jiān)測單元

基于CCTV的水下監(jiān)測系統(tǒng)通過水下視頻成像系統(tǒng)中的水下照明系統(tǒng)輔助水下攝像系統(tǒng)對水下生產(chǎn)設施進行全方位和多角度監(jiān)測，完成對水下環(huán)境的視頻監(jiān)測。

聲矢量水聽器主要功能是實現(xiàn)水下生產(chǎn)系統(tǒng)的安全監(jiān)測，對外部風險進行提前預警，解決水下生產(chǎn)系統(tǒng)的監(jiān)控盲區(qū)問題，對水下生產(chǎn)系統(tǒng)進行全天候?qū)崟r監(jiān)測，判定侵入目標的位置和位移，降低船只在附近停留或作業(yè)等行為對水下設備造成損壞的風險，從而保證水下生產(chǎn)設施的安全。

本文集成測試內(nèi)容包括水下機器人界面測試，系統(tǒng)上電測試，信號采集測試，冗余測試，液壓閥門開關測試，液壓泄漏測試，系統(tǒng)穩(wěn)定性測試等。其中涉及水下控制系統(tǒng)設備類型多，界面復雜，對測試過程中可能發(fā)生的風險進行及時的分析和規(guī)避，可以有效避免損失。

2 HAZOP分析

本文可能涉及化學藥劑、液壓油等如若泄漏或與人員接觸，將可能發(fā)生安全事故，用電設備進行帶電測試時，也具有很高的安全風險。相較于失效模式與影響分析，故障樹分析等方法，HAZOP分析方法的主要優(yōu)勢在于可以非常全面辨識已有系統(tǒng)存在的風險和設計過程中的缺陷，能有效地識別系統(tǒng)在不同運行狀態(tài)下的危險和潛在問題，成為衡量系統(tǒng)安全設計水平的重要標志[7][8]。

為對水下控制系統(tǒng)集成測試進行HAZOP分析，本文組建由各設備供應商、測試工程師、開發(fā)方案設計人員、安裝工程師、維修操作人員等組成的分析小組，熟悉水下生產(chǎn)系統(tǒng)的相關標準，并具有較為豐富的實踐經(jīng)驗。針對所需實現(xiàn)的主要功能，分析小組依據(jù)分析引導詞（no or not,more, less, as well as, part of reverse, other than）討論偏差并進一步分析偏差出現(xiàn)的原因及其產(chǎn)生的后果，分別對閥門操作，液壓控制，通訊功能，上電測試等主要功能偏差進行描述，分析功能偏差產(chǎn)生的原因及其危害，最后提出應對措施。分析程序如下：

（1）分析設備陸上對接過程的風險分析；

（2）分析各類狀態(tài)參數(shù)可能發(fā)生的偏差；

（3）對偏差產(chǎn)生的原因和可能導致的風險進行分析；

（4）識別出關鍵風險以及針對關鍵設備和關鍵風險提出安全保護措施。

以水下控制模塊為節(jié)點分析，根據(jù)“參數(shù)+引導詞”的方法分析工藝參數(shù)偏差。以表1中液壓壓力過高/低偏離HAZOP分析為例，產(chǎn)生過低偏離的原因為HPU故障，包括泄露、電機轉(zhuǎn)速不足等，導致HPU輸出壓力過低，或者輸送管線泄漏，接頭處密封不良，蓄能器能力不足，可能造成污染，最終導致無法正常開啟和關閉閥門,分析過程如表1所示。

表1 水下控制模塊壓力偏差分析

針對HAZOP分析的結(jié)果，提出相應的安全措施，如HPU液壓循環(huán)量和液壓缸容量要考慮測試管路容積；檢查更換質(zhì)量合格的管線及接頭，提前預充蓄能器壓力。

3 主要問題和建議措施;

基于HAZOP分析結(jié)果，本文對電氣、控制和通信安全提出以下安全措施，以保證系統(tǒng)集成測試安全運行：

（1）確定測試電氣設備的絕緣測試選擇合適的測試電壓。

（2）應確保所有測試電氣設備等電位，設備外殼有接地（SCM 有接地螺栓），并連接至測試場專用接地處。

（3）隔離開關不能帶電通斷，否則會產(chǎn)生電弧，造成人員傷害，設備損壞。

（4）MCS 機柜溫度過高可能造成設備損壞。建議現(xiàn)場測試時將機柜加熱到報警值溫度，測試系統(tǒng)MCS 系統(tǒng)運行情況；考慮模擬MCS 系統(tǒng)最大運行量（例如CPU 長時間100%運行）導致的硬件系統(tǒng)升溫的場景，測試系統(tǒng)溫控是否滿足降溫的要求。

（5）完善通信性能測試，包括對時延、丟包率、信號衰減等內(nèi)容的測試。測試時間、測試數(shù)據(jù)量、測試用例應充分考慮井下生產(chǎn)過程中遇到的各種場景，包括生產(chǎn)準備、正常生產(chǎn)、維修維護和應急響應等。

（6）增加兩臺SCM可能存在的通訊沖突場景，例如同時需要與水面設施進行大量的數(shù)據(jù)交換（考慮場景如：管匯SCM發(fā)生流量計大量數(shù)據(jù)交換是否影響采油樹SCM關閥命令；或者采油樹短時間密集發(fā)生的閥門調(diào)節(jié)、關斷信號傳遞是否會影響管匯SCM上的通訊。）

（7）MPFM 測試內(nèi)容要包括可能出現(xiàn)的最大數(shù)據(jù)通訊時系統(tǒng)穩(wěn)定性的測試，例如模擬MPFM流量計在短時間內(nèi)向主機密集發(fā)送數(shù)據(jù)的場景。

4 結(jié)語

在水下生產(chǎn)系統(tǒng)推廣應用的背景下，水下生產(chǎn)系統(tǒng)的測試技術也日趨完善。對于技術成熟度相對較低的國產(chǎn)化設備，規(guī)范測試程序和技術參數(shù)要求，保證測試的準確性、可靠性和安全性至關重要。本文結(jié)合HAZOP分析方法，對水下控制系統(tǒng)集成測試分析偏差出現(xiàn)的原因及其產(chǎn)生的后果進行分析，并提出相應的對策，使風險等級達到可接受水平。對后續(xù)水下生產(chǎn)系統(tǒng)的集成聯(lián)調(diào)測試有一定的指導意義。