油气管道安全预评价的FMEA方法分析.pdf

袭 石 油化 工安全环保技术 套 2 0 1 0 年第2 6 卷第4 期P E T R O C H E M I C A L S A F E T Y A N D E N V I R O N M E N T A L P R O T E C T I O N T E C H I G Y 油气管道安全预评价的 F ME A方法分析 胡灯明 ，郑志强 1 ．中国石油大学 北京 ，北京1 0 2 2 4 9 ； 2 ．中国石油集团工程设计有限责任公司青海分公司，甘肃敦煌7 3 6 2 0 2 摘 要 介绍故障模式及影响分析 F ME A安全评价法，并对此方法应用于油气管道安 全预评价时的可行性、实用性和有效性进行初探性分析 ，对油气管道安全预评价方法的改进 提 出参考意见。 关键词 油气管道 ；安全预评价 ；F M E A法 故障 模 式 及 影 响 分 析 F a i l u r e Mo d e a n d E ff e c t A n a l y s i s 缩写为 F ME A是基于系统可靠性 的一种重要的安全评价方法。其评价思路是 分 析和识别系统中各种潜在 的故障模式 ，确定他们 的故障等级，并对其薄弱环节和关键项 目采取改 进措施。 1 相关概念 。 。 1 系统 S y s t e m具有特定功能的单元 集合体 。 2 故障 F a i l u r e 元件 、子系统或系统 在运行时不 能达到预定 功能 的事件或 状态 ，从 而不能满足预期 的功能或完不成预期的任务。 3 可靠性 R e l i a b i l i t y 产 品或系统在规 定的时间内和条件下 ，完成规定功能的能力。 4 故 障模式 F a i l u r e Mo d e 是指 系 统 故障的表现 形 式 ，具 体 表 述故 障发 生 的方 式 。 如管道 的破裂 、泄漏 、阀门堵塞 、设备 安装不 当等。 5 潜 在 故 障 模 式 P o t e n t i a l F a i l u r e Mo d e 是指可能发生 ，但不一定非得发生 的故 障模式 ，是工程技术 人员 评价人员 对 工程 项 目可研过程 中认 识 到或感觉到 的可能存 在 的 隐患 。 6 影 响分析 E f f e c t s A n a l y s i s 是 指 一 种故障模式若发生带来 的危害性 C ri t i c a l i ty 有多 大 ，在 F M E A 中的危 害 性包 含 三 层 意思 ， 其分别为故障模式所产生后果的严重度 s e v e r i t y 、故 障模式发生 的概率 F r e q u e n c y o f O c - c u e n c e 、故 障模 式 的可探 测度 L i k e l i h o o d o f D e t e c t i o n 。 7 严 重度 S e v e r i t y o f E f f e c t s ，缩 写 S 是指某故 障模式发 生后 ，对 于系统 造成 的冲击 和影响，包括 对人 、环境 和系统 本 身产生 的影 响程度 。影响极其轻微为 1 ，最严重为 1 0 。 8 发生概率 P r o b a b il i ty o f O c c u r r e n c e ，缩 写 O 是指某故障模式发生几率的大小，通常 以平均每一段时间内会发生的次数来决定其等级 程度。发生次数最低为 1 ，最高为 1 0 。 9 可探测度 L i k e l i h o o d o f D e t e c t i o n ，缩写 D 可探测度是指某项产 品、设备或系统的失效 因素能被检测出来的几率，或故障能被使用者觉 察出来的机会或难易度 ，或 叫难检度。容易检测 出为 1 分 ，很难检测出来为 1 0分。 1 0风 险优 先数 R i s k P ri o ri t y N u m b e r F M E A评价中影响分析 的数据反 映，用 R P NO SD确定风险优先等级 ，根据 R P N值的大小 ， 确定是否有必要进行改进或确定实施改进的优先 顺 序 ，R P N 的 值 越 大 ，表 示 具 有 的 风 险 也 越大 。 收稿 日期 2 0 1 0一 O 1 2 0 。 作者简介胡灯明，男，在读硕士，在中国石油大学 北京油气储运工程专业从事油气管道安全预评价 方法研究，国家注册安全工程师。 电话 1 3 8 1 1 8 3 0 8 6 3 兰 童全 堡技奎童 2 0 1 0 年第2 6 卷第4 期 2 F ME A评价法 2 ． 1 F ME A评价步骤 进行系统的 F M E A评价一般按照图 1 所示 的 步骤进行 m 。 明 系 系 确 选 给 确 统 统 定 择 实 出 分 ’ 任 功 ◆ 故 ’ 分 施 ’ 分 析 务 能 障 析 分 析 范 分 分 判 方 析 结 围 析 析 据 法 论 图 1 F ME A分析步骤 1 明确分析范 围。根据系统的复杂程度 重要程度 、技术成熟性 、分析工作 的进度和成本 约束等，确定系统 中进行 F ME A的分析范围。 2 系统任务分析。描述系统的任务要求及 系统在完成各种任务时所处的环境条件。 3 系统功能分析。明确系统中各部分在完 成不同任务时所应具备的功能、工作方式及工作 时间等 ，为系统分解做准备 。 4 确定故障判据。制定与分析判断系统及 其构成出现故障或潜在故障的准则。 5 选择 F ME A方法。根据分析的 目的和系 统具 体 特 征 ，选 择 相 应 的 F ME A 方 法 ，制 定 F ME A的实施步骤及实施规范。 6 实施 F ME A分析。F M E A分析包括故障 模式识别、故障原因分析、故障影响分析、故障 检测方法分析与补偿措施分析等步骤。 7 给出F M E A结论。根据故障模式影响分 析和危害性分析的结果 ，找出系统 中的缺陷和薄 弱环节 ，并制定和实施各种改进与控制措施 ，以 提高系统的可靠性 、有效性、合理性等。 2 ． 2 F ME A评价内容 F E MA评价 内容包括 故障模式识别 、故 障 原因分析 、故障影响分析 、故 障检测方法分析与 补偿措施分析等步骤。 2 ． 2 ． 1 故障模式识别 故障模式是可以观察到的故 障表现形式 ，是 整个评价环节的起点 。故障模式识别是找出系统 中每一元素 或功能、平面布置、工艺流程、生 产设备等所有可能出现的故障模式。系统的故 障与系统的规定 功能和条件密切相关 ，对系统进 行故障分析时，应明确系统在规定的条件下丧失 规定功能的判别准则，即系统的故障判据，这样 才能明确产品的某种非正常状态是否为该产品的 故障模式。 2 ． 2 ． 2 故障原因分析 分析故障原因一般从两个方面着手 一是导 致系统功能故障 或潜在故障 的系统 自身的物 理、化学变化过程等直接原 因；二是 由于其它系 统的故障、环境因素和人为因素等引起 的间接 原 因 。 2 ． 2 ． 3 故障影响分析 故障影响是指系统 内某一故障模式发生时对 系统 自身或其它系统功能和状态 的影响。故障影 响分析是找出系统中每一个可能的故 障模式发生 时带来 的影响程度 ，并根据不同分析方法 ，对这 些影响程度进行分级。 故障 影 响 分 级 的 分 析 方 法 有 定 性 分 级 法 、风 险 优 先 数 法 R i s k P r i o ri t y N u mb e r ， R P N和危害性分析 ，危害性分析主要应用于航 空、航天等军用领域 ，在此对前两种分析方法进 行分析 。 1 定性分级法。直接按照故 障类型将影响 的严重程度划分为四级 表 1 故障类型等级 故障等级 影响程度 可能造成的损失 I 致命性 可能造 成死亡或 系统损失 可能 造成 严重 伤 害、严 重 职业 病或 Ⅱ 严重性 主系统损坏 可能 造成 轻伤 、轻 职业 病 或次 要系 Ⅲ 临界性 统损坏 不会 造成 伤害 和职 业病 ，系统 也不 Ⅳ 可忽略性 会受损 2 风险优先数。风 险优先数 R i s k P ri o ri t y N u m b e r R P N评估 出特定故障模式 的发生频度 、 影响程 度和检测 难易度 后 ，三者乘积所 求得 的 值，即R P N 0 S D来确定故障模式的影响 级别 。 3 F ME A评价表。 表 2 F ME A评价 故障 故障 故障 故障 风险分析 R P N 等级 部位 模式 原因 影响 发生度 严重度 难检度 2 0 1 0年 第 2 6卷 第4期 ★ 胡灯明等 ．油气管道安 全预评价 的 F ME A方法分析 鹰 表3 F ME A法故障严重度等级 S 严重度 几乎没影 响 ， 一般 严重 非常严重 等级 l 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 表 4 F ME A故 障发生率 o ” 可能性 等级取值 故 障概率 天 几乎不 l 1 2 0 o 0 o 2 1 2 O o o O 低 3 1 1 0 o 0 o 4 l 2 0 o O 中等 5 l l O o 0 6 1 2 0 o 7 1 l 0 0 高 8 l 2 0 9 l 1 0 极高 1 0 1 2 表 5 F ME A故障可检测度 D ％ 可检性 等级取值 概率 几乎不 1 8 6一l o 0 2 7 6～8 5 低 3 6 6～7 5 4 5 66 5 中等 5 4 6～ 5 5 6 3 6～4 5 7 2 6～3 5 高 8 1 62 5 9 6～1 5 极高 1 0 0～5 3 油气管道安全预评价 F ME A法分析 3 ． 1 可行性分析 3 ． 1 ． 1 评价原理与评价思路 F E MA方法不依靠复杂的数学模型或程序计 算，就能对系统将来可能发生的故障进行预计和 分析， 原理简单，方法简便。整个评价过程需要 的基础资料容易准备 ，如 设计任务书、可行性 研究报告 、相关 的标准、规范和事故案例等。评 价过程中，不同知识结构、经验背景的评价人员 相互协作 ，能对评价对象进行全面、深入地预计 和评估。 3 ． 1 ． 2 层次分解 采用 F M E A评价法，分析层次至关重要 ，评价 系统层次分析的深度和完整性直接影响到 F M E A评 价的效果，F M E A分析层次如下图 1 、2所示l 6 j 。对 油气管道系统本身， 其系统结构清晰、层次分明， 可以根据管道系统的功能划分为不同的层次，能够 对油气管道做到全面、深入地分析、分解，直到分 解到单个元件为止。如输气管道系统可 以分解成 管道线路工程、管道工艺方案、站场系统、设备系 统、给排水系统、通信工程系统和 自动化仪表系统 等若干分系统。而站场系统还可以根据功能划分为 气体分离、调压、分输计量、越站旁通、清管器接 受发送、紧急截断放空和排污等若干子系统。 但油气管道系统发生失效模式不仅仅受 内部子 系统、设备 、组件或元件的影响，还受 自然环境、 气候、第三方人员的影Ⅱ 向。这些影响因素受与沿线 所处的 自然、人文环境有密切关系，具有随机性而 不具备明显的层次结构。如第三方 自然环境影响 如 水文地质、水域穿跨越等、洪水、土壤等要求 等。人为因素影响如 违章建筑、打孔偷盗和其他 经济活动等 ，都很难利用 F ME A法做出分解，并不 能体现 F M E A法全面、深入的优点。 3 ． 1 ． 3 故障判据转化 故障判据就出油气管道所有的故障模式识别 准则。故障模式主要来 自于两个方面 ，一方面是 管道系统本身及各子系统、组成构件元件等 固有 特性 的变化导致故障产生 ，如机械特性 、运行工 构 成零件卜 ． 1 组件 ． 1 功能件} _ - 1 子 系统卜 ． 1 系统} _ - { 人、 环境等 零件故 障 图 2 F ME A层次 分析 对 组 件 l 对 功 能 件 对 子 系 统}- 对 系 统L _ ， 一 对 人 和 环 境 的 影响 l I的影响 l }的 影响 l l 的 影响 J l等的 影响 图 3 F ME A影响分析层次 套 石油化工安全环保技 术 谢 2 0 1 0年第 2 6卷第 4期 况、老化腐蚀等 ；另一方面是外部因素导致的故 障，包括 自然环境、人 为影 响因素等。建立故 障 判据时 ，可以根据实际评价对象给 以改进 ，故障 判据转化可行。如人员打孔偷盗是一种故障， 员工的操作技能差也可 以看做一种故障，自然环 境恶劣也是一种故障 暴雨、泥石流、地震等 。 3 ． 2 实用性分析 F ME A评价法是通过 自下而上 的研究下一级 零部件的故障对上一级子系统或系统的影响，本 质上属于逻辑归纳推理方法 ，没有复杂的数学理 论，容易掌握，可以实现定性评价或半定量评 价， 具有一定的实用价值。在发达国家，该方法 已广泛地应用于宇航、核工业和电子等领域。 F ME A评价能为设计提供参考 资料，便 于积 累设计 、运营经验。该方法具有相当的灵活性和 一 定的主观性 ，经过 F M E A分析，可以对传统规 范中不完善的地方做出补充 ，适合于系统设计 阶 段的评价 ’ Ⅲ 。 然而 ，管道系统对象涉及到的子系统多 、构件 多、功能多、操作工艺和设备多 、并相互联系。如 某一子系统可能表现出多种功能 ，而每种功能又具 有多种故障模式，评价过程就是需要找出每种功能 的所有故障模式。如输气站的功能有气体分离、调 压 、分输计量、越站旁通、清管器的接收和发送 、 紧急截断和放空、事故维修放空和排污等。仅仅考 虑清管器接受和发送又包含卡球、清管器失踪、清 管球破损等故障模式。导致 卡球 的原 因也非 常复 杂 ，包括管道变形、阀门选型不正确、三通处卡 球、弯头处卡球等多种因素u 。同时，不同管段 的故障模式、失效原 因也不同。所以，采用 F M E A 法评价时，在管道系统层层分解过程中，涉及到的 层级多，因素多。随着分解的层级越深，寻找故障 模式越深入 ，而花费的工作量也成指数级增长，整 个评价工作时间周期长、经济成本大。 3 ． 3 有效性分析 3 ． 3 ． 1 评价的全面性 根据 F M E A评价法的特点 ，该方法能很好地 对油气管道系统各个组成部分进行层层分解 、并 逐一地评价分析 ，包括子 系统 、设备 、装置直至 元件等 ，都能全面地进行评价。但是 ，油气管道 系统复杂 ，涉及到 的安全 因素既包括 内部 因素 ， 如油气管道本身 、输送介质 的物化性质、站场 及相关的配套设施 、工艺方案和内部的安全管理 等 ，也包括外部因素，如 拟定管线线路所经过 地带 的气候 、地质、人文等情况 的影响。对油气 管道系统 内部因素而言，各评价对象能按照评价 步骤进行分解和评价 ，能做到全面而没有遗漏。 对油气管道系统 内部 因素来说 ，站场平面布 置的安全性 ，利用 F M E A法则很难进行评价 ，如 两装置之间的安全距离 ，采用 F ME A评价法则很 难做出恰当地评价。同时外部因素导致的故障模 式也很难 采用 F M E A 进行 评价 ，如洪 水、泥石 流、公众安全意识 、打孔偷盗等。 3 ． 3 ． 2 评价人员的主观性 常见的F M E A评价法分为定性和半定量法，即 根据故障类型等级或风险优先数来做出评价结论。 1 定性评价法。采用定性 F ME A分析方法 时，确定的故障等级为 4个级别，评价人员在进 行评价时，主观性较强 ，不同评价人员评价 的误 差很大。不同构件或不同子系统之间的危险度不 利于相互 比较 ，对管道工程设计参考意义不大。 2 半定量评价法。采用 P R N法的准确性和 合理性主要来 自于 O、S 、D不 同的取值，在传统 的评价过程中，虽然对三个因素在 1 ～l O之间赋值 见表 3 一表 5 ，但是获取某一故障发生的可能性 尤其是设计阶段的系统非常困难，更主要取决 于经验判断，使人为主观因素增强。评价时 ，评价 机构会发出大量 F ME A调查表，征求评价人员的经 验和意见，这些经验和意见本身就存在差异，可能 使其对相同的评价对象得 出不同的评价结论。同 时，三个因素计算所得的乘积从 1～1 0 0 0中，只 有 1 2 0个值为有效值 ，其它值都不能获得。 3 ． 3 ． 3 故障等级的可比性 F ME A法评价时，决定 R P N的三个因素意义 不同，之间没有明确 的线形关 系，对故障危险的 贡献也不同，而在计算的时候则认 为他们的重要 性是相同的，R P N值大危险等级就高，值小危险 等级就低 ，显然缺乏合理性 。例如假设故 障发 生的可 能 性 、严 重 度 、可 检 测 度 均 取 值 为 4， R P N值为 6 4 ；另一情形 下，三个取值分别为 2 ， 1 0 ，1 ，R P N值为 2 0 ，若仔细评估 ，第二种情形 比第一种情况危 险，但是采 用单 一的 R P N值计 算，却得到相反的结论。 同时，采用单一的 R P N值，可能出现相同分 2 0 1 0年第 2 6卷第 4期 蠢 胡灯 明等 ．油气管道安全预评价 的 F ME A方法分析 寅 A l1 ． 1 M I 7 9 K I 1 0 I 1 0 J 1 『 1 0 0 1 I j 竺 { f I j 部件 I 实际 花费l 预计花费l o l s 『 D }R P N A fI ． 1 M J 7 9 K 『 1 0 l 1 0 l l } 1 0 0 B I 0 ． 2 6 M I 7 9 K J 9 J 9 l 9 f 7 2 9 o D R P N 部件 l 实际花费J 预计花费 lI s fJ B 16 K 4 1 K 5 7 I 10 3 50 迎，但 目前在油气管道 的安全评价 中，对该法还 没有得到足够的重视 。以上通过对该方法的介绍 并将其应用于油气管道安全评价 的可行性 、实用 性和有效性进行了探索，为油气管道安全评价方 法 的改进提供了参考。 参考文献 [ 1 ] 戴云徽 ，韩之俊 ，等 ．故 障模 式及影响分 析 F M E A研究进展 [ J ]．质量安全管理， 2 0 0 3 ， 6 ． [ 2 ] 李维佳 ． F M E A应用于设备 维护的研究 [ D ]．成都西南交通大学， 2 0 0 3 ． [ 3 ] 罗云 ．全国安全评价考试人 员指 南 [ M]． 北京 煤炭工业出版社 ． [ 4 ] 赵俊 豪．基于模糊 F M E A的实习船主机燃 油系统安全评估 [ D ]．大连大连海事 大学，2 0 0 7 ． [ 5 ] 王清． 基于F M E A和 F r A的故障诊断技术 及其在 D E H系统中的应用 [ D ]．北京 华北电力大学， 2 0 0 4 ． [ 6 ] 王邵印． 故障模式及影响分析 [ M]．广 州中山大学出版社 ，2 0 0 3 ． [ 7 ] 崔文彬，魏一 ． 船舶安全评估使用 F M E A 方法的分析 及 改进 [ J ]．航 海技 术， 2 0 0 6 ， 6 ． [ 8 ] 门峰 ． 模糊集理论与灰色关联理论的 F M E A 方法 [ J ]．工业工程 ， 2 0 0 8 ，1 1 4 ． [ 9 ] S c e n a ri oB a s e d F a i l u r e Mo d e s a n d E f f e c t s A n a l y s i s U s in g E x p e c t e d C o s t[ J ]． J o u ma l o f Me c h a n i c a l D e s i g n ， 2 0 0 4 ， 1 1 ． [ 1 0 ] 崔文彬 ．基于 F M E A的喷水推进 器及液压 系统的安全评估 [ D]．大连大连海事 大学，2 0 0 7 ． [ 1 1 ] 朱喜平．天然气长输管道的清管技术 [ J ]． 石油工程建设， 2 0 0 5 ， 6 ． [ 1 2 ] P ． A ． A ． G A R C I A， R ．S C H I R R U P ．F ．F R U ． TUOS O E MEL O．A f u z z y d a t a e n v e l o p me n t a - n al y s i s a p p roa c h f o r F ME A [ J ]．P r o g r e s s i n N u c l e a r E n e r g y ， 2 0 0 5 ，4 6 3 ，4 ． [ 1 3] A n a n d P i l l a y ，J i n Wa n g ．Mo d i fi e d f a i l u r e mo d e a n d e f f e c t s a n aly s i s u s i n g a p p r o x i ma t e r e a s o n i n g[ J ]．R e l i a b i l i t y E n g i n e e ri n g a n d S y s t e m S a f e t y ， 2 0 0 3， 7 9 6 98 5 ．