基于FMECA的壓氣站閥門(mén)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)可靠性分析及維護(hù)

摘" " 要：為更好地保障長(zhǎng)距離輸氣系統(tǒng)的安全運(yùn)行，有效辨識(shí)出系統(tǒng)可能產(chǎn)生的失效模式、原因及其可能導(dǎo)致的影響，將故障模式、影響及危害性分析（FMECA）應(yīng)用于壓氣站中關(guān)鍵閥門(mén)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的風(fēng)險(xiǎn)分析及優(yōu)化中。首先通過(guò)結(jié)合危險(xiǎn)與可操作性分析（HAZOP）報(bào)告和關(guān)鍵聯(lián)鎖閥門(mén)臺(tái)賬制訂FMECA分析的典型樣板，篩選需重點(diǎn)關(guān)注的可維護(hù)部件；然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，并編制風(fēng)險(xiǎn)矩陣，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行FMECA和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估；最后優(yōu)化現(xiàn)有閥門(mén)的維護(hù)檢修、運(yùn)行操作及管理策略。分析后給出了關(guān)鍵部件的失效模式和建議措施清單，保障了控制閥門(mén)更加安全、高效、穩(wěn)定的運(yùn)行，有助于持續(xù)提升系統(tǒng)的可靠性。

關(guān)鍵詞：輸氣工程；壓氣站閥門(mén)；FMECA；風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估；策略?xún)?yōu)化

Reliability analysis and maintenance of valves and actuators in pressure gas station based on FMECA

YANG Xiaojian

Tarim Oil and Gas Transportation Branch， Western Branch of National Pipe Network Group United Pipeline Co.， Ltd.， Korla 841000， China

Abstract：In order to better ensure the safe operation of long-distance gas transmission systems and effectively identify the possible modes and causes of the system failures and their possible impacts， this paper applied Failure Mode， Effect and Hazard Analysis （FMECA） to the risk analysis and optimization of key valves and actuators in pressurized gas stations. It first developed a typical template for FMECA analysis by combining the Hazard and Operability Analysis （HAZOP） report and the key interlocking valve ledger， and selected the maintainable components that deserve special attention. Then it preprocessed the data and developed a risk matrix， and conducted FMECA and risk assessment accordingly. Finally， it optimized the maintenance， operation and management strategies of the existing valves. Through analysis， a list of failure modes of key components and the recommended measures was given， which ensures safer， more efficient and stable operation of control valves and continuously improves the reliability of the system.

Keywords：gas transmission engineering; compressor station valves; FMECA; risk assessment; strategy optimization

壓氣站作為輸氣工程中的“心臟”，是保證天然氣長(zhǎng)距離安全運(yùn)輸?shù)闹匾画h(huán)[1-2]。其中，壓氣站閥門(mén)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)是管道系統(tǒng)中的關(guān)鍵組件，不僅能夠調(diào)整天然氣的壓力和流量，而且在面對(duì)泄漏、火災(zāi)或系統(tǒng)故障等緊急情況時(shí)，能夠快速切斷天然氣的流動(dòng)，保護(hù)人員和財(cái)產(chǎn)安全，減少事故風(fēng)險(xiǎn)。閥門(mén)系統(tǒng)的安全運(yùn)行對(duì)于天然氣輸送和分配系統(tǒng)的安全、可靠和高效運(yùn)行至關(guān)重要。因此，對(duì)閥門(mén)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和可靠性分析必不可少。

故障模式、影響及危害性分析（Failure Mode，Effects and Criticality Analysis，F(xiàn)MECA）是一種系統(tǒng)工程的可靠性分析方法，用于識(shí)別和評(píng)估系統(tǒng)、產(chǎn)品或系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中可能出現(xiàn)的故障模式，了解這些故障對(duì)系統(tǒng)性能和可靠性的影響，以及確定哪些故障最為關(guān)鍵而需要重點(diǎn)處理，這種分析方法在工程領(lǐng)域中已有了廣泛的應(yīng)用[3-4]。咼娓佽等[5]基于FMECA對(duì)電梯進(jìn)行安全評(píng)估，并根據(jù)評(píng)估結(jié)果對(duì)電梯進(jìn)行了改造或更新，消除了電梯安全隱患；趙華全等[6]基于 FMECA 技術(shù)對(duì)振動(dòng)篩進(jìn)行了可靠性分析，識(shí)別設(shè)計(jì)和運(yùn)行中的薄弱環(huán)節(jié)和關(guān)鍵項(xiàng)目，并為評(píng)價(jià)和改進(jìn)系統(tǒng)可靠性提供指導(dǎo)依據(jù)。由此可見(jiàn)，F(xiàn)MECA是系統(tǒng)可靠性分析常用且有效的方法。

在天然氣運(yùn)輸工程中，為保證整體系統(tǒng)的安全運(yùn)行，工程人員常對(duì)一些系統(tǒng)中關(guān)鍵的組件或機(jī)構(gòu)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。胡順濤等[7]基于危險(xiǎn)與可操作性分析（Hazard and Operability Analysis ，HAZOP）技術(shù)對(duì)壓氣站進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，在已有安全措施的基礎(chǔ)上，提出控制風(fēng)險(xiǎn)的改進(jìn)措施。上述工作中的風(fēng)險(xiǎn)分析和可靠性分析在一定程度上取得了成效，但缺乏完整的故障預(yù)測(cè)體系，將FMECA應(yīng)用到關(guān)鍵閥門(mén)的可靠性分析中是輸氣工程維護(hù)運(yùn)行的重要一環(huán)。

輪南壓氣站地處塔克拉瑪干沙漠邊緣，是我國(guó)第一條世界級(jí)長(zhǎng)輸管道西氣東輸一線首站和西氣東輸二線輪吐支干線首站，在整個(gè)西氣東輸工程中占有重要地位。本文以輪南壓氣站為例，對(duì)其西一線中關(guān)鍵閥門(mén)進(jìn)行 FMECA分析，結(jié)合HAZOP分析和關(guān)鍵聯(lián)鎖閥門(mén)臺(tái)賬，選取輪南西一線進(jìn)口總切斷閥ESDV3001和壓縮機(jī)出口總管道放空閥ESDV4701制訂FMECA分析的典型樣板。辨識(shí)關(guān)鍵閥門(mén)各可維護(hù)部件可能產(chǎn)生的失效模式、原因及其可能造成的影響，篩選需重點(diǎn)關(guān)注的可維護(hù)部件，優(yōu)化現(xiàn)有閥門(mén)的維護(hù)檢修、運(yùn)行操作及管理策略，保障控制閥門(mén)更加安全、高效、穩(wěn)定運(yùn)行，持續(xù)提升可靠性。

1" " FMECA方法核心要素及流程

本次FMECA分析是根據(jù)IEC 60300-3-11《以可靠性為中心的維修應(yīng)用導(dǎo)則》、IEC 60812《系統(tǒng)可靠性分析技術(shù)-失效模式與影響分析》、ISO14224《石油、石化和天然氣工業(yè)-設(shè)備可靠性和維修數(shù)據(jù)的采集與交換》的推薦做法[8-10]。本方法的核心在于，通過(guò)FMECA工具，引入數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)設(shè)備故障模式及失效概率，分析失效后的潛在風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)高低，提出相應(yīng)控制措施，并制定可執(zhí)行的維保策略，最終合理地降低失效風(fēng)險(xiǎn)和故障率。另外，通過(guò)已知故障，分析其產(chǎn)生原因及后果影響。確定每個(gè)已知故障的風(fēng)險(xiǎn)，根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)分析現(xiàn)有維保策略的有效性，并提出改進(jìn)措施，從而阻斷類(lèi)似故障的再次發(fā)生。

壓氣站閥門(mén)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的可靠性分析流程見(jiàn)圖1。首先確定分析對(duì)象和范圍，對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)收集、整理和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研；然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，并制定風(fēng)險(xiǎn)矩陣，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行FMECA和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，最后制定和優(yōu)化維護(hù)策略。

2" " 基于FMECA的閥門(mén)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)可靠性分析

2.1" " 數(shù)據(jù)預(yù)處理

為了保證FMECA分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，在FMECA分析之前對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗和整理。清除影響分析結(jié)果的無(wú)效數(shù)據(jù)和錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，并對(duì)有效數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和標(biāo)準(zhǔn)化。

數(shù)據(jù)清洗和整理按照ISO 14224標(biāo)準(zhǔn)的形式來(lái)進(jìn)行，對(duì)收集到的不同設(shè)備的數(shù)據(jù)文件進(jìn)行分類(lèi)匯總。以設(shè)備部件的層級(jí)為基礎(chǔ)，匯總設(shè)備故障的表現(xiàn)模式描述，規(guī)范定義故障模式、故障原因、維修策略和維修任務(wù)等。最后將整理好的數(shù)據(jù)通過(guò)專(zhuān)業(yè)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)回歸分析，得到部件的故障規(guī)律，為FMECA分析提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2.2" " 風(fēng)險(xiǎn)矩陣評(píng)定

本次FMECA分析采用國(guó)家管網(wǎng)西部管道公司《HSE風(fēng)險(xiǎn)管理程序》中制定的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估矩陣。為了使分析更有針對(duì)性，分析結(jié)果更符合實(shí)際情況，在進(jìn)行FMECA分析之前，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)矩陣進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，其具體形式見(jiàn)圖2，相應(yīng)的失效可能性等級(jí)如表1所示。

2.3" " 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

風(fēng)險(xiǎn)順序數(shù)（Risk Priority Number，RPN）值能反映某個(gè)故障模式的危害度，一般由故障模式的嚴(yán)重性（Severity，S）、可能性（Occurrence，O）和可探測(cè)性（Detectability，D）相乘計(jì)算。RPN值越高，危害性越大，需要給予該故障模式更大的關(guān)注[12]。對(duì)每一種失效模式進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析，設(shè)定風(fēng)險(xiǎn)警戒值為70（S × O × D = 7 × 2 × 5），當(dāng)RPN值≥70時(shí)必須提出改進(jìn)措施，并依據(jù)提出的改進(jìn)措施重新核算RPN值，直至其值＜70。此次FMECA分析中所采用的RPN值標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

對(duì)每一種功能失效的模式，確定其失效概率和失效后果。對(duì)中高風(fēng)險(xiǎn)的失效模式分析其失效原因，提出維護(hù)策略；對(duì)低風(fēng)險(xiǎn)的失效模式也確定相應(yīng)的維護(hù)策略[13]。

2.4" " 關(guān)鍵閥門(mén)確定

結(jié)合輪南站HAZOP分析報(bào)告和ESD聯(lián)鎖閥門(mén)臺(tái)賬確定關(guān)鍵閥門(mén)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)有電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和氣液聯(lián)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)兩種，調(diào)節(jié)閥機(jī)構(gòu)有球閥和旋塞閥兩種類(lèi)型，選取關(guān)鍵閥門(mén)為氣液聯(lián)動(dòng)球閥ESDV1302、ESDV3001和電動(dòng)旋塞閥ESDV1304、ESDV3005、ESDV3012、ESDV4701、ESDV4702。

分析站場(chǎng)HAZOP分析高風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)景和后果，輪南站西一線進(jìn)站總閥ESDV3001的故障后果為：

1）故障關(guān)閉導(dǎo)致后路天然氣中斷，可能引起壓縮機(jī)喘振損壞，同時(shí)導(dǎo)致前路天然氣憋壓，可能引起泄漏著火及爆炸事故。

2）閥門(mén)聯(lián)鎖關(guān)斷失效導(dǎo)致站場(chǎng)內(nèi)至上游天然氣憋壓泄漏，可能引起著火爆炸事故，同時(shí)可能引起站場(chǎng)內(nèi)壓縮機(jī)喘振損壞。

上述后果說(shuō)明，相比于出站總閥進(jìn)站總閥故障的危險(xiǎn)性更高，因此選取進(jìn)站總閥作為關(guān)鍵閥門(mén)。另外，五個(gè)ESD電動(dòng)旋塞閥都是放空閥，作用和結(jié)構(gòu)形式基本一樣，故障會(huì)導(dǎo)致天然氣放空進(jìn)而造成浪費(fèi)，聯(lián)鎖失效打開(kāi)會(huì)導(dǎo)致憋壓泄漏，引起著火爆炸事故，其中ESDV4701為壓縮出口放空，運(yùn)行溫度和壓差最高，聯(lián)鎖失效引起憋壓泄漏的可能性最高，且易發(fā)生閥門(mén)內(nèi)泄漏。綜合以上因素，選取站場(chǎng)關(guān)鍵閥門(mén)分別為ESDV3001和ESDV4701。

2.5" " FMECA分析結(jié)果

根據(jù)以上的準(zhǔn)備數(shù)據(jù)，分析兩個(gè)關(guān)鍵閥門(mén)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的失效模式及失效原因，并結(jié)合FMECA方法評(píng)估RPN。表3選取了兩個(gè)關(guān)鍵閥門(mén)RPN值較大的典型部件FMECA分析結(jié)果。

3" " 優(yōu)化維護(hù)策略

設(shè)備維護(hù)策略的制定原則基于 FMECA 風(fēng)險(xiǎn)分析的結(jié)果，優(yōu)化原有的維修策略和維修任務(wù)，并形成新的維修任務(wù)包。關(guān)注提前預(yù)防措施，強(qiáng)化輔助系統(tǒng)、控制和監(jiān)控儀表的功能，防止對(duì)設(shè)備本體有害的失效事件發(fā)生。通過(guò)加強(qiáng)對(duì)設(shè)備本體零部件的預(yù)防維護(hù)，基于使用過(guò)程中的狀態(tài)監(jiān)控達(dá)到及時(shí)視情況維修，并考慮制造商對(duì)設(shè)備本體使用周期的要求和推薦的維護(hù)措施，合理制訂對(duì)設(shè)備本體部件進(jìn)行保養(yǎng)、檢查、定期維護(hù)的方案，以達(dá)到預(yù)防重大設(shè)備事故發(fā)生的目的[16]。

針對(duì)關(guān)鍵閥門(mén)及其執(zhí)行機(jī)構(gòu)，結(jié)合設(shè)備歷史故障經(jīng)驗(yàn)和記錄，與其失效模式進(jìn)行對(duì)比，提出有針對(duì)性的維護(hù)任務(wù)，防止此類(lèi)失效的發(fā)生。表4中給出了對(duì)上述RPN值較大部件采取的優(yōu)化措施，并計(jì)算出了優(yōu)化后的RPN值，結(jié)果表明，優(yōu)化后的RPN值有了顯著降低，有效保障了閥門(mén)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的安全運(yùn)行。

4" " 結(jié)論

FMECA分析是設(shè)備部件風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)的工具，自上而下全方位查找設(shè)備薄弱環(huán)節(jié)，確定每一種失效對(duì)產(chǎn)品安全性能等要求的潛在影響，并按照影響的嚴(yán)重程度及其發(fā)生概率對(duì)失效模式加以分類(lèi)，得出補(bǔ)償措施清單，以便采取適當(dāng)措施，消除或減輕這些影響，是設(shè)備完整性管理的基礎(chǔ)。

除FMECA數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)的失效模式外，還應(yīng)關(guān)注極端環(huán)境對(duì)關(guān)鍵閥門(mén)平穩(wěn)運(yùn)行的沖擊，如極冷、細(xì)塵、大風(fēng)、暴雨、霜凍、堿性土壤等，當(dāng)異常環(huán)境因素與現(xiàn)有失效模式疊加時(shí)，會(huì)大大增加壓力異常報(bào)警聯(lián)鎖、管路晃動(dòng)斷裂、液壓油流動(dòng)性變差、儀表回路失靈等故障的發(fā)生概率。因此，建議輪南站建立異常環(huán)境預(yù)維保措施和異常環(huán)境出現(xiàn)后追加臨時(shí)維保策略，以降低異常環(huán)境引發(fā)的設(shè)備故障率。

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作者簡(jiǎn)介：

楊肖建（1986—），男，山東濟(jì)寧人，工程師，2016年畢業(yè)于國(guó)家開(kāi)放大學(xué)行政管理專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)從事設(shè)備管理工作。

Email：yxj198601@126.com

收稿日期：2024-02-03