FMEA方法在高壓高溫承壓設備設計開發過程的應用

文志雄，文 通

1.中國石油集團鉆機工程技術研究院江漢機械研究所 （湖北 荊州 434000）

2.河南省鍋爐和壓力容器檢測技術研究院 （河南 鄭州 450016）

FMEA方法在高壓高溫承壓設備設計開發過程的應用

文志雄1，文 通2

1.中國石油集團鉆機工程技術研究院江漢機械研究所 （湖北 荊州 434000）

2.河南省鍋爐和壓力容器檢測技術研究院 （河南 鄭州 450016）

簡要分析了石油天然氣用高壓高溫承壓設備的風險，以產品研發過程的設計驗證和設計確認為重點，討論了失效模式、載荷類型、應力水平及發生的概率，結合現有設計手冊給出了驗證計算方法建議，以水下井口閥門為例列舉了FMEA方法應用到HPHT產品的應用步驟，給出設計確認試驗建議。得出：在HPHT設備的研發設計階段，應用FMECA，有組織系統地找出可能的故障模式及其影響，為需要重點開展的設計確認試驗提供定性信息，有利于提高產品的設計質量和可靠性水平；針對HPHT設備失效后果嚴重，在設計驗證階段引入極端載荷、殘存載荷及其發生的概率，按不同的設計余度進行驗證校核，并通過試驗確認，提高產品的安全性指標。

設計驗證；FMEA；高壓高溫設備

GB/T 19001—2016/ISO 9001：2015《質量管理體系 要求》[1]要求在產品的開發設計過程即要關注產品預期使用中的風險，分析影響因素，采取適當措施防止預期失效的發生。最重要的變化是將風險管理納入質量管理體系，在管理體系策劃時要確定需要應對的風險和機遇。在產品和服務的開發過程，組織應考慮針對以下開發活動所確定的相關風險和機遇：①開發的產品和服務的特性，以及失敗的潛在后果；②顧客和其他相關方對開發過程期望的控制程度；③對組織穩定的滿足顧客要求和增強顧客滿意能力的潛在影響。

失效模式及其影響分析方法是在實踐中總結出來的風險分析和控制技術，起源于美國軍工產品，現已廣泛應用到航空航天、汽車等流域[2]。我國也頒布了相應的GJB/Z 1391—2006《故障模式、影響及危害性分析指南》，應用于軍品流域，但石油勘探開發領域鮮有應用[3]。

石油勘探開發用高壓高溫設備是指其額定工作壓力≥103.5 MPa，或者最高工作溫度≥177℃的承壓類設備，如井口裝置、油管頭、法蘭、封隔器、連接器、采油樹、防噴器、管子（油井）、地面安全閥，其他暴露于HPHT環境的設備。這些設備因其承壓高、承載復雜、接觸的流體成分復雜、腐蝕傾向及成因復雜、使用的環境敏感、失效后影響環境安全等因素成為各國監管的重點，美國于墨西哥灣鉆井平臺事故后修改了《高壓高溫（HPHT）項目管理規則》。HPHT環境下承壓設備如何滿足需求，按照質量管理體系的要求，在設計過程中應進行設計驗證、設計確認和功能試驗。設計驗證應考慮哪些因素，應用何種分析理論，設計確認如何選擇試驗項目等是研究的重點。

1 設計驗證的主要內容

HPHT設備設計驗證的目的是證實該設備的設計符合功能規范和適應性條件的要求并且有充足的措施避免已經識別的失效模式發生[4]。這些失效模式包括：總體塑性坍塌；局部高應力引起的局部失效；棘輪效應；靜液壓試驗條件下的擠毀；疲勞（壽命周期評定）。

失效的起因于載荷致設備結構破壞，HPHT設備通常承受以下4種類型的載荷。壓力載荷：最大、最小內壓、最大外壓；溫度載荷：最高或最低連續操作溫度；最高或最低外部環境溫度；機械載荷：外部拉伸、彎曲、剪切；循環載荷（包括內外壓力循環、溫度循環、外部機械載荷）。

這些載荷按發生的概率分為：額定載荷（設備運行中100%發生的載荷范圍）、極端載荷（設備運行中發生概率在0.01%～0.1%的載荷）、殘存載荷（發生概率在0.000 1%～0.01%的載荷）。

設計驗證的主要分析工具有：線性彈性力學方法、彈塑性力學方法、疲勞S-N曲線分析法、斷裂力學分析法（FM疲勞分析）、彈性-完全塑性分析法（極限載荷分析）。

按照文獻給出的計算及分析方法[5]，各類載荷引起的失效分析及最低接受準則見表1[2]。

表1 設計驗證方法及接受準則

2 設計確認的主要內容

設計確認包括：確認設計驗證方法、確認材料的選擇、確認設計的產品部分內容。

確認設計驗證方法。一般是在產品試驗中根據各種理論分析給出的應力集中區域，裝上應力檢測設備，在試驗中監測應力的變化并與分析結果比較評估，確定分析方法使用的準確性。

材料選擇的確認。考慮材料在不同溫度、各類腐蝕環境、疲勞等因素的影響下，其完成預定功能的能力，通常以標準試樣試驗為評價基礎，注重在實際使用環境下材料性能的評價。

產品的設計確認。以產品實物試驗為基礎，包括滿足現行標準的最低設計確認試驗、以FMEA分析結果為向導的各種失效模式及關鍵影響因子的附加設計確認試驗、設計變更后的再確認、在役確認等。

首先設置設計確認FMEA關注對象。FMEA的對象可以是系統、子系統或組件，通過設置對象，更好地定義邊界條件，更好地設計和實現測試。

步驟1：確定載荷。確定作用于對象的載荷或壓力，不管是環境引起的還是由設計引起的。

步驟2：載荷效應。由載荷引起的可能的失效。

步驟3：分析影響。載荷的影響有以下幾種情形：破壞完整性—喪失包含或物理連接到系統的能力；破壞功能性—喪失或退化功能性能；破壞接口—喪失了與系統相互作用的能力；破壞部件—效果局限在系統局部失效上。

步驟4：嚴重度。確定失效可能的結果，效果應該以對象為關注重點，分析排名應該全系統保持一致（表2）。

表2 嚴重度矩陣

步驟5：失效的原因和失效的物理機理。確定失效的原因，失效的物理機理是導致失效的基本物理現象。究其原因，首先是失效的物理機理。例如，材料損耗可能是失效的原因，但材料損耗的物理機理可能是侵蝕或腐蝕。

步驟6：操作中預期的目標范圍。根據服役要求，在系統服役周期中預期失效的原因或物理機理的水平（最好是范圍）。

步驟7：發生率。根據定義的服役要求和環境條件，使用現有數據、過去的經驗或專家意見來確定系統生命周期失效的概率。表3提供了一個發生率矩陣的示例。

步驟8：檢測方法。確定是否有一種檢測方法可以檢測導致失效模式發生的條件，此外，還應采取措施糾正檢測到的狀況。

步驟9：探測度。檢測方法的效果怎樣，表4提供了一個探測度矩陣的示例。

表3 發生率矩陣

表4 探測度矩陣

表5 驗證結果和負荷狀態

步驟10：測試優先數(TPN)。計算測試優先數按公式：測試優先數=嚴重性×發生率×探測度。

步驟11：當前的檢測。確定現有測試的目的、方法、參數的范圍，預期的失效模式及影響。

步驟12：測試優先級。推薦的測試列表將根據測試優先數制成表并進行排序。測試優先數越高，確認過程的測試就越重要。

3 水下井口閥門設計驗證、設計確認實例

水下井口閥門由閥體、法蘭、螺栓、螺母、墊環、閥板、閥座、執行器、閥桿等9個部件組成。表5是按表1描述的分析方法對該閥門的設計驗證結果和負荷狀態描述。表6是設計確認試驗FMEA策劃表。表7是基于FMEA分析的確認試驗建議順序表。

表6 水下井口閥門設計確認試驗FMEA策劃表

表7 通過測試優先數排名的試驗

4 結論

1）在HPHT設備的研發設計階段應用FMECA，有組織系統地找出可能的故障模式及其影響，為需要重點開展的設計確認試驗提供定性信息，有利于提高產品的設計質量和可靠性水平。

2）針對HPHT設備失效后果嚴重，在設計驗證階段引入極端載荷、殘存載荷及其發生的概率，按不同的設計余度進行驗證校核，并通過試驗確認，提高產品的安全性指標。

3）實例僅以（水下井口裝置和采油樹）部件級閥門為對象進行分析，給出需要設計確認的試驗優先順序建議，應用的深度和廣度都有待進一步擴展。

[1]全國質量管理和質量保證標準化技術委員會.質量管理體系 要求：GB/T 19001—2016/ISO 9001：2015[S].北京：標準出版社,2016.

[2]張大鋼,劉燕潮,韓 靜.故障模式影響及危害性分析(FMECA)技術標準發展和應用研究[J].質量與可靠性,2013(3)：48-51.

[3]中國人民解放軍總裝備部電子信息基礎部.故障模式、影響及危害性分析指南：GJB/Z 1391—2006[S].北京：標準出版社,2006.

[4]API.API17TR8-2015：High-pressure High-temperature Design Guidelines[S].

[5]ASME鍋爐和壓力容器委員會壓力容器分委會.ASME鍋爐和壓力容器Ⅷ-2[M].北京：中國石化出版社,2014.

The risk of high-pressure and high-temperature equipment in petroleum and natural gas industry is analyzed briefly,and the failure modes,load types,stress levels of the high-pressure and high-temperature equipment and their occurrence probabilities are discussed with emphasis on the design verification and design confirmation of the product development process.Some suggestions to the verification calculation method are proposed based on the existing design manual.Taking underwater wellhead valve as an example,the application procedure of FMEA in the design of HPHT products is given,and some suggestions to the design confirmation test are proposed.It is conclused that in the design stage of HPHT equipment,using FMECA systematically identifies the possible failure mode and its effect to provide qualitative information for the design confirmation tests which need to focus on finishing,which is beneficial to improve the design quality and reliability level of the products;because of the serious consequences of HPHT equipment failure,extreme load,residual load land and their occurrence probability are introduced in the design verification stage of HPHT equipment,and according to the different design redundancy,they are confirmed by test to improve the safety index of the products.

design verification;FMEA;high-pressure and high-temperature equipment

文志雄（1964-），男，高級工程師，現主要從事石油機械質量檢測及標準化工作。

尉立崗

2017-09-08