在役油氣生產(chǎn)平臺天然氣壓縮系統(tǒng)可靠性分析

劉國恒 呂松松 中海石油（中國）有限公司北京研究中心

段興鋒 趙笑輝 集美大學航海學院

在海上，天然氣的開采有兩種方式，一種是氣井開采，天然氣作為一次開采北采出，二是伴隨這油井作為伴生氣被開采出來。被開采出來的天然氣可通過專用的輸氣管線輸送到陸地上的終端設備上，或者用作氣舉、注氣，或作為平臺燃料。開采出來的天然氣一般要進行壓縮，使壓力增至可用的水平。因此，天然氣壓縮系統(tǒng)的可靠性，對在役鉆井平臺的正常營運和安全非常重要。國內(nèi)外對于在役鉆井平臺設備的可靠性分析都給予了高度的重視，挪威石油安全署早在上個世紀八十年代初就發(fā)起了OREDA項目，用來采集海上鉆井平臺在營運過程中的各種設施的可靠性數(shù)據(jù)，在此基礎上對各設備進行優(yōu)化和改進，OREDA數(shù)據(jù)庫目前是研究鉆井平臺設備可靠性的最重要的數(shù)據(jù)來源之一。對于設備可靠性分析，失效模式、影響及危害性分析方法（FMECA）是常用的方法之一，目前在鉆井平臺的其他設備可靠性研究中已經(jīng)廣泛應用，并且取得了良好的效果，而對于在役鉆井平臺天然氣壓縮系統(tǒng)的可靠性分析，還鮮有相關的報道，因此，本文采用FMECA方法分析天然氣壓縮系統(tǒng)的可靠性，為油氣平臺的安全管理提供理論依據(jù)。

1.在役鉆井平臺天然氣壓縮系統(tǒng)概況

鉆井平臺上天然氣壓縮機在油氣田中主要用于三個目的：低壓氣的回收、天然氣的中間過程的加壓和外輸氣的輸送，其主要設備有分離器、段塞流捕集器、冷卻器和壓縮機。從鉆井平臺來的天然氣經(jīng)清管球接收器進入段塞流捕集器，在海底管線流動過程中，由于壓力和溫度的下降，將有凝析油析出。天然氣在進入段塞流捕集器后，將天然其中的氣體和液體進行分離，其中，分離出來的液體被排到閉式排放罐，分離出來的氣與來自低壓處理系統(tǒng)伴生氣一起進入氣洗滌器。經(jīng)過以上流程處理過的天然氣經(jīng)壓縮機壓縮增壓和一級冷卻器冷凝后，再與來自高壓處理系統(tǒng)的伴生氣一起進入二級壓縮機壓縮增壓和二級冷卻器冷凝。從二級壓縮機出來的天然氣經(jīng)過進口滌氣器后，進入三甘醇接觸塔中，高純度的貧甘醇和濕氣逆向充分接觸，同貧甘醇在接觸中逐漸失去水分，變成干燥的氣體最后從塔頂出來，而貧甘醇則吸收了相當于它本身質(zhì)量4.2%的水分后變成富甘醇，從塔下部流出去再生器。

2.FMECA主要步驟和參數(shù)

2.1 FMECA主要步驟

FMECA的基本原理為：根據(jù)以往的歷史資料、相關的各種技術文件以及用戶需求及使用意見反饋進行前期資料準備，在對分析對象的功能結構、系統(tǒng)接口類型及工作環(huán)境與時間影響進行分析后，鑒別失效模式，確定引起各個失效模式的的原因，并依據(jù)以往失效資料統(tǒng)計估算故障模式產(chǎn)生時其最終影響的嚴酷度，繼而計算危害度，然后根據(jù)危害度值的大小對故障模式進行排序，從而針對性地采取相應的措施，提高系統(tǒng)可靠性。

表1 海洋石油設備相關系統(tǒng)的嚴酷度類別及定義

表2 天然氣壓縮系統(tǒng)FMECA分析表

FMECA的分析流程是一個不斷迭代和完善的過程，主要包括資料收集調(diào)研的準備階段、系統(tǒng)功能結構及可靠性的標識階段、故障模式識別和故障原因及影響的分析階段、檢查方法與改進措施及危害性分析階段。

FMECA通用的基本步驟主要包括以下內(nèi)容：

（1）準備工作：收集被分析設備的有關信息，設計FMECA分析的總要求。

（2）系統(tǒng)定義：確定需要進行FMECA分析的設備范圍，描述系統(tǒng)的功能任務，對設備進行功能分析、繪制相關的框圖，確定設備機器組成構件的正常與故障的準則等。

（3）進行FMEA工作：主要內(nèi)容有故障模式的判斷、故障原因的分析及其發(fā)生概率、各種故障模式可能產(chǎn)生的后果及其嚴酷的等級等。

（4）進行危害性（CA）分析，根據(jù)計算所得到設備的每種故障模式發(fā)生的概率及及其對應的嚴酷度等級，確定系統(tǒng)中設備的薄弱環(huán)節(jié)和關鍵項目，進行系統(tǒng)的可靠性分析。

（5）編制FMECA報告，繪制系統(tǒng)功能和可靠性框圖、結論與建議等。

2.1 FMECA主要參數(shù)

失效模式和失效影響分析以及危害性分析主要以表格的方式進行，一般來說，需要根據(jù)《系統(tǒng)可靠性分析技術失效模式和影響分析（FMEA）程序》設計工作表和確定相關參數(shù)。其主要參數(shù)包括：潛在失效模式、潛在失效影響、嚴酷度等級、失效模式的失效率、失效模式危害度和設備危害度。在役鉆井平臺天然氣壓縮系統(tǒng)失效模式的失效率可從OREDA數(shù)據(jù)庫查詢，嚴酷度的等級根據(jù)在役油氣生產(chǎn)平臺上部設施海洋石油設備產(chǎn)品的特點確定，見表1。其他參數(shù)根據(jù)相關數(shù)據(jù)計算。

圖1 各故障模式的故障率

圖2 各故障模式的危害度

圖3 天然氣脫水系統(tǒng)危害性矩陣示意圖

3.天然氣壓縮系統(tǒng)可靠性分析

結合天然氣壓縮系統(tǒng)的工作流程，對其系統(tǒng)中的主要設備分離器、段塞流捕集器、冷卻器、壓縮機所產(chǎn)生的影響進行分析并計算危害度，得到的FMECA工作表見表2。表中，α是發(fā)生故障的百分比，按OREDA數(shù)據(jù)庫中統(tǒng)計的鉆井平臺中相關設備的故障模式發(fā)生次數(shù)計算出每種故障模式發(fā)生的百分比；β為發(fā)生故障而導致任務失敗的條件概率，采用GJB/Z 1391的推薦值，即實際喪失時值為1，很有可能喪失時值為0.1-1，有可能喪失時值為0-0.1，不發(fā)生時值為0。λ是設備故障率，從OREDA數(shù)據(jù)庫中查詢；t為工作總時間（量級為106）從OREDA數(shù)據(jù)庫中查詢，C為故障模式危害度，C＝α×β×λ×t。

根據(jù)表2得出不同設備各個構建故障模式的故障率和故障模式危害度見圖1和圖2，從圖中可以看出，故障率最高的模式分別是段塞流捕集器中的結構缺陷、冷卻器中的插入/阻塞、參數(shù)偏差和外部泄露。而故障模式危害度最高的是段塞流捕集器中的結構缺陷、冷卻器中的內(nèi)部泄露和外部泄露、壓縮機設備中的未按需啟動。

根據(jù)表2繪制的在役鉆井平臺天然氣壓縮系統(tǒng)設備危害性矩陣見圖1。從圖1可以直觀看出系統(tǒng)各設備危害度的排序，尋找導致設備產(chǎn)生較大危害度的失效模式，從而為設備的使用和維護提供良好的依據(jù)。

4.結論

通過對在役天然氣壓縮系統(tǒng)可靠性FMECA表格進行統(tǒng)計、分析，結合危害性矩陣圖可得如下結論：

（1）天然氣壓縮系統(tǒng)35個故障模式，其中嚴酷度為Ⅰ類有5個，Ⅱ類有8個，Ⅲ類有19個，Ⅳ類有3個，這說明大部分故障造成的后果可能導致相關系統(tǒng)預定功能下降，造成短時間停機，增加非計劃性維護和修理，對環(huán)境和人員無害。

（2）天然氣壓縮系統(tǒng)中的分離器、冷卻器和壓縮機這三個設備存在嚴酷度等級為Ⅰ類的災難性故障，危害性影響比較大的單元設備依次是壓縮機的未按需啟動、冷卻器的內(nèi)部泄露和外部泄露以及段塞流捕集器的結構缺陷。

（3）考慮模式發(fā)生概率等級，危害性較大的設備是壓縮機，該設備的嚴酷度為I類的值達到1.8268，因此，可設備可定為關鍵設備。其中壓縮機的未按需啟動危害度最大，達到1.2908，屬于潛在決定性故障模式；壓縮機中插入/阻塞的危害度達到0.536，為致命性故障，但是由于發(fā)生概率較低，危害度次于前者。