FMEDA在阀门安全完整性认证中的应用

朱春丽，陈 迪，孙 钦

（中海石油（中国）有限公司 北京研究中心，北京 100028）

0 引言

阀门作为石油化工生产系统的重要组成部分，在石化流程中起着非常重要的作用，阀门主要是用来接通和截断介质，防止介质倒流，防止介质压力、温度、液位等超过规定数值，以保证管道或设备安全运行。在石油化工装置中，对阀门质量要求非常高，因为阀门一旦出现故障，轻者导致介质泄漏、环境污染，重者引发火灾、爆炸，造成恶性事故，这就要求阀门必须具有很高的可靠性[1]。随着工业事故及其对社会的影响被人们广泛认知，越来越多的企业意识到安全的重要性。

石油化工生产中，由于工艺复杂并且设备繁多，任何一个失效，都会对人员、设备或者环境带来严重后果。阀门作为生产系统中最终执行单元，是整个生产流程中最重要的一个环节，其可靠性和安全性对防止生产人员身体受到损害，避免环境污染和生产损失起着决定性的作用。通常情况下，采用SIL（Safety Integrity Level安全完整性等级）衡量一个阀门的安全性和可靠性，对阀门进行SIL认证，就是充分利用工程实践经验和安全技术（IEC61508和IEC61511），对安全设备的安全完整性等级（SIL）或者性能等级（PL）进行评估和确认的一种第三方评估、验证和认证。

1 阀门的可靠性

阀门可靠性是阀门在一定时间内、在一定条件下无故障地执行指定功能的能力或可能性，可通过可靠度R(t)、失效率λ(t)、平均无故障间隔MTBF等来评价产品的可靠性。

“规定时间”和阀门的可靠性关系极为密切，“规定的功能”指的是阀门规格书中给出的正常工作性能指标。在设计阶段对阀门进行可靠性分析，深入研究阀门的失效模式和失效原因，将影响可靠性的因素尽量发现并消除在早期设计阶段，把可靠性设计的理念融入到阀门的设计过程当中，运用更为先进的设计手段和技术改进阀门的设计。

表1 阀门部分组件的FMEA分析表Table 1 FMEA Analysis table for part of valve components

2 FMEDA的目的和作用

FMEA（Failure Mode and Effects Analysis失效模式与影响分析）是在产品设计阶段或过程设计阶段，对构成产品的子系统、零件或者对构成过程的各个工序逐一进行分析，找出所有潜在的失效模式，并分析其可能的后果，从而预先采取必要的措施，以提高产品的质量和可靠性的一种系统化的活动。它的作用是“检验系统设计的正确性，确定故障模式的原因，对系统可靠性和安全性进行评价等”。目的是“通过系统分析，确定元器件、零部件、设备、软件在设计和制造过程中所有可能的故障模式，以及每一故障模式的原因及影响，以便找出潜在的薄弱环节，并提出改进措施”。

FMEDA是获得良好验证的FMEA技术的一种延伸，既可以用于电气产品，也可以用于机械产品。FMEDA在功能安全工作中起到很重要的作用，它对功能安全产品的失效风险、是否可诊断进行定性分析，同时也为平均失效概率和安全完整性等级的计算提供了有效的数据支撑[2]。FMEDA技术考虑的是：

◆ 一个设计产品的所有部件。

◆ 每个部件的功能。

◆ 每个部件的失效模式。

◆ 每个部件失效模式对产品功能的影响。

◆ 自动诊断检测失效的能力。

◆ 设计增强（降低失效，提高安全）。

◆ 运行规范（环境强调因数）。

3 FMEDA在阀门安全完整性认证中的应用

在对阀门进行安全完整性认证的过程中，首先要对阀门进行FMEA分析，分析阀门部件中每一潜在的故障模式并确定其对产品产生的影响，分析失效原因及其对组件的功能影响，最终目的是分析阀门的薄弱环节，找出其潜在弱点，采取相应措施以提高阀门的可靠性。

对阀门的FMEA分析要从所有零部件的故障信息出发，找出对组件安全功能的影响，同时给出避免失效的手段，同时要判断该失效对功能安全的影响。在FMEA的分析过程中，要熟悉每个零部件的工作原理、生产制造工艺和机械设计中的尺寸配合等知识，充分利用专家经验，对所有失效模式的产生原因认真全面地分析。对阀门的所有组成零部件如阀体、阀盖、球体、阀座、阀座、阀杆、压盖、顶法兰、支撑板、密封环、垫片、填料、隔环、密封圈、盘根、轴承、O形圈、挡圈、抗静电弹簧、钢球、泄放阀、螺塞、注油塞、单向阀、阀座弹簧、吊耳、支脚、转换接头、法兰组件、销、螺柱、螺母、螺柱、螺母、键（传动件）、铆钉、铭牌、指示牌等进行分析，发现其主要的失效模式有：设计错误（包括计算错误，材料选择错误等）、内部的随机失效、材料本身不合格等。阀门部分组件的FMEA分析表如表1所示。

在对阀门各部位进行了详细的FMEA分析后，对于FMEDA很重要的一步就是各类失效率的填入，该数据主要有3种方式可以获得，通过公司的故障数据库获得，多次试验统计得到，经过问卷或调查等现场获得。将各类详细的失效模式进行统计计算可以得到各类失效率的值，经计算得到安全失效分数，结合IEC61508和IEC61511的要求，进而可以评估出阀门的安全完整性等级[3,4]。

4 总结

合理的应用FMEA可以有效地找到薄弱环节，将影响阀门可靠性的因素尽早消除，预防阀门可能发生的故障。同时本文在分析中也发现，通过FMEDA获得的失效数据并不能完全反映出阀门在实际应用环境中的失效率，要想获得高质量的失效数据，需要结合FMEDA数据、工业数据库数据及阀门现场应用数据和经验等进行组合分析，进而得到阀门的失效率，确定阀门的安全完整性等级。