余建星 王爾芳 晉文超 周清基 柴松 楊源

(天津大學)

FLNG/FLPG新型裝置設備風險評估方法研究*

余建星 王爾芳 晉文超 周清基 柴松 楊源

(天津大學)

針對FLNG/FLPG新型裝置上設備數量多，故障模式復雜，風險評估模型層次不清導致風險評估結果往往不準確的問題，提出了一種FLNG/FLPG新型裝置的設備風險評估方法:以層次分析法構造工藝模塊、設備、故障模式3個層次的風險評估模型，然后采用改進的FMEA對最低層次的設備故障模式進行評估，最后運用多級模糊綜合評判方法逐層上推，得出FLNG/FLPG新型裝置整船層次上各工藝模塊的設備風險評估結果。應用實例表明，該方法可為FLNG/FLPG新型裝置設備的維修及設備風險管理提供決策依據，同時對其他系統(tǒng)的設備風險評估可提供一定的參考。

FLNG/FLPG新型裝置設備風險評估方法研究

0 引言

FLNG/FLPG新型裝置集液化天然氣/液化石油氣的生產、儲存與卸載于一體，具有投資低、建造周期短、便于遷移等優(yōu)點，特別適合于深海油氣田、小型油氣田的開發(fā)。FLNG/FLPG新型裝置的工藝流程中存在諸多壓力容器、壓力管道等承壓設備，各設備通道的過程介質是液化天然氣、液化石油氣和原油等易燃易爆物質，而且海上作業(yè)的特殊環(huán)境要求FLNG/FLPG液化工藝中機械設備布置相對緊湊，一旦設備發(fā)生故障導致介質泄露，很可能引發(fā)火災、爆炸和中毒事故，不僅影響生產、破壞環(huán)境，甚至會造成人員傷亡。所以，開展FLNG/FLPG新型裝置的系統(tǒng)設備風險評估研究，可以為設備風險管理控制提供依據和支持，對降低未來風險事件發(fā)生的概率和事件發(fā)生后果的嚴重程度具有十分重要的意義。

針對FLNG/FLPG新型裝置上設備數量多、故障模式復雜、風險評估模型層次不清導致評估結果往往不準確的問題，本文提出了FLNG/FLPG新型裝置設備風險評估方法:通過層次分析法建立設備風險評估的層次結構模型，計算各層次中評價對象因素的權重，然后采用改進的FMEA(Failure Mode and Effects Analysis，故障模式和影響分析)對最低層次的設備故障模式進行評估，最后運用模糊綜合評判方法逐層逆推，得出FLNG/FLPG新型裝置整船層次上各工藝模塊的設備風險評估結果。

1 FLNG/FLPG新型裝置設備風險評估方法

1.1 層次分析法建立設備風險評估的層次結構模型

層次分析法是一種將復雜的決策系統(tǒng)層次化，通過逐層比較各個關聯因素的重要性來為決策提供定量依據的系統(tǒng)分析方法［1］。FLNG/FLPG新型裝置上的設備一般按照工藝流程進行集中化、模塊化布置，本文將整艘FLNG/FLPG新型裝置劃分為8個工藝模塊，即原料氣計量和脫酸單元、脫水脫汞單元、過冷單元、液化單元、分餾單元、胺液及熱媒油罐區(qū)、壓縮機單元和LNG/LPG儲罐區(qū)，這8個工藝模塊構成FLNG/FLPG新型裝置設備風險評估的第1層次——模塊層次。每個工藝模塊由若干個設備組成，將同一工藝模塊下的設備劃分為一個層次，構成FLNG/FLPG新型裝置設備風險評估的第2層——設備層次。設備的某個功能故障模式可能導致該設備的失效，將同一設備下的各個故障模式劃為FLNG/FLPG新型裝置設備風險評估的第3層——故障模式層次。這樣就建立起了由整船工藝模塊、設備、故障模式組成的FLNG/FLPG新型裝置設備風險評估層次結構模型。

1.2 改進的FMEA方法評估設備故障模式

FMEA是用于分析系統(tǒng)中每一產品可能產生的故障模式及其對系統(tǒng)造成的影響，并按每一故障模式的發(fā)生頻率O、后果嚴重程度S以及檢測難易程度D予以分類的一種可靠性分析方法［2］。針對傳統(tǒng)FMEA方法的不足，國內外許多學者進行了深入的研究和探索，本文采用基于模糊數和熵權理論改進的FMEA方法進行設備故障模式的評估分析。該方法首先通過引進熵權理論求得3個風險因素的權重，之后結合模糊數學理論計算得出模糊風險排序數FRPN。

1.2.1 評價準則

參考SAE標準J1739-2002［3］，建立了關于發(fā)生頻率O、后果嚴重程度S和檢測難易程度D的模糊語意的評判準則，列于表1。在評估過程中，專家通過此準則對各個故障模式進行帶有模糊語意的等級打分。

1.2.2 確定模糊等級對應的模糊數

根據3個風險因素的統(tǒng)計特性，本文對O、S、D分別采用梯形、三角形、三角形隸屬函數進行量化處理，得到對應的模糊數和列于表2。

表1 基于SAE標準改進的FMEA等級評價準則

表2 風險因素O、S、D的模糊等級對應的模糊數表

1.2.3計算指標權重

對各個故障模式關于O、S、D三個評價指標的值進行無量綱化處理，得到評價矩陣

定義第j個評價指標的熵為

1.2.4 計算模糊風險排序數FRPN

結合上文求得的指標權重，利用加權幾何平均方法求得

由于這樣求得的結果還是模糊數，所以結合α截集理論并運用重心解模糊化方法求得

1.3 FLNG/FLPG新型裝置的多級模糊綜合評判

計算出FLNG/FLPG新型裝置上各設備的各個故障失效模式的FRPN后，按FRPN由高至低進行排序。為了確定FLNG/FLPG上各設備、各工藝模塊風險值的相對大小，在前述模糊理論應用的基礎上，研究采用多級模糊綜合評判方法，由故障模式—設備—工藝模塊層層逆推，逐級綜合評判，最終求得整船層次上各個工藝模塊風險值的排序結果。

FLNG/FLPG新型裝置多級模糊綜合評判的步驟如下:①確定備擇的對象集X=(x1，x2，…，xt);②找出因素集U=(u1，u2，…，um);③找出評判等級集V=(v1，v2，…，vn);④確定評判矩陣Q=(qij)m×n;⑤由前述的層次分析法確定權數向量W=(W1，W2，…，Wm);⑥計算評判結果B=W×Q。最后，還需要將所有對象的綜合評判結果進行排序，從對象集中選出優(yōu)勝對象。

2 應用實例

將整船劃分為8個工藝模塊，每個工藝模塊包括若干個設備，每個設備又包括若干個潛在的故障模式。通過分析，得到以脫水脫汞單元的脫汞塔為例的FLNG/FLPG新型裝置設備風險評估層次結構模型，如圖1所示。

對各個設備的功能進行分析，得出詳細的功能故障分析表，邀請專家對各個故障模式進行打分，并求得各個故障模式的FRPN值。以脫水脫汞單元的脫汞塔為例，設備功能故障分析過程如表3所示，專家打分及FRPN計算結果示于表4(限于篇幅，這里只給出1位專家的打分情況)。

圖1 FLNG/FLPG新型裝置設備風險評估層次結構模型示意圖(以脫水脫汞單元的脫汞塔為例)

表3 FLNG/FLPG新型裝置脫汞塔設備的功能故障分析表

表4 FLNG/FLPG新型裝置脫汞塔設備功能故障模式的專家打分和FRPN計算結果表

根據FLNG/FLPG新型裝置設備運行的實際情況，并結合專家意見，確定風險接受準則，如表5所示。

表5 FLNG/FLPG新型裝置設備風險接受準則

由各個故障模式的FRPN值，結合層次分析法求得的權重，運用模糊綜合評判法，計算各設備的FRPN值。以脫汞塔設備為例，計算結果示于表6。

同理，根據求得的各個設備的FRPN計算各工藝模塊的FRPN值。以脫水脫汞模塊為例，計算結果示于表7。

表6 FLNG/FLPG新型裝置脫汞塔設備的FRPN計算結果

表7 FLNG/FLPG新型裝置脫水脫汞模塊FRPN計算結果

利用該文提出的風險評估方法對FLNG/FLPG新型裝置各工藝模塊的FRPN進行計算，并將計算結果排序列于表8。

表8 FLNG/FLPG新型裝置各工藝模塊FRPN計算結果

由表8可以得出，此FLNG/FLPG新型裝置上各工藝模塊的風險都處于一個較低或低的水平。相對于其它工藝模塊而言，液化單元模塊、過冷單元模塊、壓縮機單元模塊和LNG/LPG儲罐區(qū)風險值較大，需要采取重點的控制措施以降低整船的設備風險。

3 結論

提出了一種FLNG/FLPG新型裝置的設備風險評估方法，通過層次分析法建立FLNG/FLPG新型裝置設備風險評估的層次結構模型，然后采用改進的FMEA方法對設備的各個故障模式進行分析，最后結合模糊綜合評判方法層層逆推，得出FLNG/ FLPG新型裝置整船層次上各工藝模塊的設備風險評估結果。應用實例表明，該方法可以為FLNG/ FLPG新型裝置設備以可靠性為中心的維修以及設備風險管理提供決策依據，同時對其它系統(tǒng)的設備風險評估可提供一定的參考。

［1］謝承華．AHP及其應用［J］．蘭州商學院學報，2001，4(2):79-82．

［2］張竺英，任福林．潛水器恒張力收放轎車系統(tǒng)的建模與仿真［J］．機床與液壓，2006(9):132-136．

［3］SAE．J1739-2002 Potential failure mode and effects analysis in design［S］．2002．

Research on risk assessment method of FLNG/FLPG installation’s equipments

Yu JianxingWang ErfangJin Wenchao Zhou QingjiChai SongYang Yuan
(Tianjin University，Tianjin，300072)

There is a large quantity of equipments in a FLNG/FLPG installation and their fault modes are always complicated and messy．All of these will lead to an inaccurate result in the risk assessment．In this paper，a risk assessment method is established for FLNG/FLPG installation’s equipments．The method of AHP is used firstly to build the three-level model: module，equipment and fault．Then the bottom level of fault mode is analyzed by the improved FMEA．Lastly the method of fuzzy comprehensive evaluation is adopted to calculate the risk of equipments in the level of modules in the FLNG/FLPG installation．The application case shows that the method can provide references and decision-making bases for equipment repair and risk management of FLNG/FLPG installation and other systems．

FLNG/FLPG installation;risk assessment of equipment;research on method

2011-07-05改回日期:2011-09-18

(編輯:夏立軍)

*國家科技重大專項“FLNG/FLPG、FDPSO新型裝置應用的風險評估研究(編號:2008ZX05026-006-07)”部分研究成果。

余建星，男，現任天津大學副校長。地址:天津市南開區(qū)衛(wèi)津路天津大學建筑工程學院(郵編:300072)。