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油氣管道安全預(yù)評價的FMEA方法分析

文檔作者：胡燈明鄭志強(qiáng) 文檔來源： 1．中國石油大學(xué)(北京) 2．中國石油集團(tuán)工程設(shè)計有限責(zé)任公司青海分公司，		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時間： 2021年07月16日
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襲 石油化工安全環(huán)保技術(shù) 套
2010年第26卷第4期PETROCHEMICAL SAFETY AND ENVIRONMENTAL PROTECTION TEC HI GY
油氣管道安全預(yù)評價的FMEA方法分析
胡燈明 ，鄭志強(qiáng)
(1．中國石油大學(xué)(北京)，北京102249；
2．中國石油集團(tuán)工程設(shè)計有限責(zé)任公司青海分公司，甘肅敦煌736202)
摘 要：介紹故障模式及影響分析(FMEA)安全評價法，并對此方法應(yīng)用于油氣管道安
全預(yù)評價時的可行性、實(shí)用性和有效性進(jìn)行初探性分析，對油氣管道安全預(yù)評價方法的改進(jìn)
提出參考意見。
關(guān)鍵詞：油氣管道；安全預(yù)評價；FMEA法
故障模式及影響分析(Failure Mode and
Efect Analysis縮寫為FMEA)是基于系統(tǒng)可靠性
的一種重要的安全評價方法。其評價思路是：分
析和識別系統(tǒng)中各種潛在的故障模式，確定他們
的故障等級，并對其薄弱環(huán)節(jié)和關(guān)鍵項(xiàng)目采取改
進(jìn)措施。
1 相關(guān)概念 。。
(1)系統(tǒng)(System)：具有特定功能的單元
集合體。
(2)故障(Failure)：元件、子系統(tǒng)或系統(tǒng)
在運(yùn)行時不能達(dá)到預(yù)定功能的事件或狀態(tài)，從
而不能滿足預(yù)期的功能或完不成預(yù)期的任務(wù)。
(3)可靠性(Reliability)：產(chǎn)品或系統(tǒng)在規(guī)
定的時間內(nèi)和條件下，完成規(guī)定功能的能力。
(4)故障模式(Failure Mode)：是指系統(tǒng)
故障的表現(xiàn)形式，具體表述故障發(fā)生的方式。
如管道的破裂、泄漏、閥門堵塞、設(shè)備安裝不
當(dāng)?shù)取?
(5)潛在故障模式(Potential Failure
Mode)：是指可能發(fā)生，但不一定非得發(fā)生的故
障模式，是工程技術(shù)人員(評價人員)對工程
項(xiàng)目可研過程中認(rèn)識到或感覺到的可能存在的
隱患。
(6)影響分析(Effects Analysis)：是指一
種故障模式若發(fā)生帶來的危害性(Criticality)
有多大，在FMEA中的危害性包含三層意思，
其分別為：故障模式所產(chǎn)生后果的嚴(yán)重度(se—
verity)、故障模式發(fā)生的概率(Frequency of Occu~
ence)、故障模式的可探測度(Likelihood of
Detection)。
(7)嚴(yán)重度(Severity of Effects，縮寫S)：
是指某故障模式發(fā)生后，對于系統(tǒng)造成的沖擊
和影響，包括對人、環(huán)境和系統(tǒng)本身產(chǎn)生的影
響程度。影響極其輕微為1，最嚴(yán)重為10。
(8)發(fā)生概率(Probability of Occurrence，縮
寫O)：是指某故障模式發(fā)生幾率的大小，通常
以平均每一段時間內(nèi)會發(fā)生的次數(shù)來決定其等級
程度。發(fā)生次數(shù)最低為1，最高為10。
(9)可探測度(Likelihood of Detection，縮寫
D)：可探測度是指某項(xiàng)產(chǎn)品、設(shè)備或系統(tǒng)的失效
因素能被檢測出來的幾率，或故障能被使用者覺
察出來的機(jī)會或難易度，或叫難檢度。容易檢測
出為1分，很難檢測出來為10分。
(10)風(fēng)險優(yōu)先數(shù)(Risk Priority Number)：
FMEA評價中影響分析的數(shù)據(jù)反映，用RPN=O
×S×D確定風(fēng)險優(yōu)先等級，根據(jù)RPN值的大小，
確定是否有必要進(jìn)行改進(jìn)或確定實(shí)施改進(jìn)的優(yōu)先
順序，RPN 的值越大，表示具有的風(fēng)險也
越大 。
收稿日期：2010一O1—20。
作者簡介：胡燈明，男，在讀碩士，在中國石油大學(xué)
(北京)油氣儲運(yùn)工程專業(yè)從事油氣管道安全預(yù)評價
方法研究，國家注冊安全工程師。
電話：13811830863
蘭 童全 堡技奎童 2010年第26卷第4期
2 FMEA評價法
2．1 FMEA評價步驟
進(jìn)行系統(tǒng)的FMEA評價一般按照圖1所示的
步驟進(jìn)行 m 。
明 系 系 確 選 給
確 統(tǒng) 統(tǒng) 定 擇 實(shí) 出
分 —’ 任 功 —◆ 故 —’ 分 施 —’ 分
析 務(wù) 能 障 析 分 析
范 分 分 判 方 析 結(jié)
圍 析 析 據(jù) 法 論
圖1 FMEA分析步驟
(1)明確分析范圍。根據(jù)系統(tǒng)的復(fù)雜程度
重要程度、技術(shù)成熟性、分析工作的進(jìn)度和成本
約束等，確定系統(tǒng)中進(jìn)行FMEA的分析范圍。
(2)系統(tǒng)任務(wù)分析。描述系統(tǒng)的任務(wù)要求及
系統(tǒng)在完成各種任務(wù)時所處的環(huán)境條件。
(3)系統(tǒng)功能分析。明確系統(tǒng)中各部分在完
成不同任務(wù)時所應(yīng)具備的功能、工作方式及工作
時間等，為系統(tǒng)分解做準(zhǔn)備。
(4)確定故障判據(jù)。制定與分析判斷系統(tǒng)及
其構(gòu)成出現(xiàn)故障或潛在故障的準(zhǔn)則。
(5)選擇FMEA方法。根據(jù)分析的目的和系
統(tǒng)具體特征，選擇相應(yīng)的FMEA 方法，制定
FMEA的實(shí)施步驟及實(shí)施規(guī)范。
(6)實(shí)施FMEA分析。FMEA分析包括故障
模式識別、故障原因分析、故障影響分析、故障
檢測方法分析與補(bǔ)償措施分析等步驟。
(7)給出FMEA結(jié)論。根據(jù)故障模式影響分
析和危害性分析的結(jié)果，找出系統(tǒng)中的缺陷和薄
弱環(huán)節(jié)，并制定和實(shí)施各種改進(jìn)與控制措施，以
提高系統(tǒng)的可靠性、有效性、合理性等。
2．2 FMEA評價內(nèi)容
FEMA評價內(nèi)容包括：故障模式識別、故障
原因分析、故障影響分析、故障檢測方法分析與
補(bǔ)償措施分析等步驟。
2．2．1 故障模式識別
故障模式是可以觀察到的故障表現(xiàn)形式，是
整個評價環(huán)節(jié)的起點(diǎn)。故障模式識別是找出系統(tǒng)
中每一元素(或功能、平面布置、工藝流程、生
產(chǎn)設(shè)備等)所有可能出現(xiàn)的故障模式。系統(tǒng)的故
障與系統(tǒng)的規(guī)定功能和條件密切相關(guān)，對系統(tǒng)進(jìn)
行故障分析時，應(yīng)明確系統(tǒng)在規(guī)定的條件下喪失
規(guī)定功能的判別準(zhǔn)則，即系統(tǒng)的故障判據(jù)，這樣
才能明確產(chǎn)品的某種非正常狀態(tài)是否為該產(chǎn)品的
故障模式。
2．2．2 故障原因分析
分析故障原因一般從兩個方面著手：一是導(dǎo)
致系統(tǒng)功能故障(或潛在故障)的系統(tǒng)自身的物
理、化學(xué)變化過程等直接原因；二是由于其它系
統(tǒng)的故障、環(huán)境因素和人為因素等引起的間接
原因。
2．2．3 故障影響分析
故障影響是指系統(tǒng)內(nèi)某一故障模式發(fā)生時對
系統(tǒng)自身或其它系統(tǒng)功能和狀態(tài)的影響。故障影
響分析是找出系統(tǒng)中每一個可能的故障模式發(fā)生
時帶來的影響程度，并根據(jù)不同分析方法，對這
些影響程度進(jìn)行分級。
故障影響分級的分析方法有：定性分級
法 、風(fēng)險優(yōu)先數(shù)法(Risk Priority Number，
RPN)和危害性分析，危害性分析主要應(yīng)用于航
空、航天等軍用領(lǐng)域，在此對前兩種分析方法進(jìn)
行分析 。
(1)定性分級法。直接按照故障類型將影響
的嚴(yán)重程度劃分為四級 ：
表1 故障類型等級
故障等級 影響程度 可能造成的損失
I 致命性 可能造成死亡或系統(tǒng)損失
Ⅱ 嚴(yán)重性 可能造成嚴(yán)重傷害、嚴(yán)重職業(yè)病或
主系統(tǒng)損壞
Ⅲ 臨界性 可能造成輕傷、輕職業(yè)病或次要系
統(tǒng)損壞
Ⅳ 可忽略性 不會造成傷害和職業(yè)病，系統(tǒng)也不
會受損
(2)風(fēng)險優(yōu)先數(shù)。風(fēng)險優(yōu)先數(shù)(Risk Priority
Number RPN)評估出特定故障模式的發(fā)生頻度、
影響程度和檢測難易度后，三者乘積所求得的
值，即：RPN=0×S×D來確定故障模式的影響
級別。
(3)FMEA評價表。
表2 FMEA評價
故障 故障 故障 故障 風(fēng)險分析(RPN)
部位 模式 原因 影響 等級
發(fā)生度 嚴(yán)重度 難檢度
2010年第26卷第4期 ★ 胡燈明等．油氣管道安全預(yù)評價的FMEA方法分析 鷹
表3 FMEA法故障嚴(yán)重度等級(S)
嚴(yán)重度 幾乎沒影響 ， 一般 嚴(yán)重 非常嚴(yán)重
等級 l 2 3 4 5 6 7 8 9 10
表4 FMEA故障發(fā)生率(o) ”
可能性 等級取值 故障概率(天)
幾乎不 l <1：20o0o
2 1：2OooO
低
3 1：10o0o
4 l：20oO
中等 5 l：lOo0
6 1：20o
7 1：l00
高
8 l：20
9 l：10
極高
10 1：2
表5 FMEA故障可檢測度(D) ％
可檢性 等級取值 概率
幾乎不 1 86一lo0
2 76～85
低
3 66～75
4 56—65
中等 5 46～55
6 36～45
7 26～35
高
8 16—25
9 6～15
極高
10 0～5
3 油氣管道安全預(yù)評價FMEA法分析
3．1 可行性分析
3．1．1 評價原理與評價思路
FEMA方法不依靠復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型或程序計
算，就能對系統(tǒng)將來可能發(fā)生的故障進(jìn)行預(yù)計和
分析，原理簡單，方法簡便。整個評價過程需要
的基礎(chǔ)資料容易準(zhǔn)備，如：設(shè)計任務(wù)書、可行性
研究報告、相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和事故案例等。評
價過程中，不同知識結(jié)構(gòu)、經(jīng)驗(yàn)背景的評價人員
相互協(xié)作，能對評價對象進(jìn)行全面、深入地預(yù)計
和評估。
3．1．2 層次分解
采用FMEA評價法，分析層次至關(guān)重要，評價
系統(tǒng)層次分析的深度和完整性直接影響到FMEA評
價的效果，F(xiàn)MEA分析層次如下圖1、2所示l6j。對
油氣管道系統(tǒng)本身，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰、層次分明，
可以根據(jù)管道系統(tǒng)的功能劃分為不同的層次，能夠
對油氣管道做到全面、深入地分析、分解，直到分
解到單個元件為止。如輸氣管道系統(tǒng)可以分解成：
管道線路工程、管道工藝方案、站場系統(tǒng)、設(shè)備系
統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、通信工程系統(tǒng)和自動化儀表系統(tǒng)
等若干分系統(tǒng)。而站場系統(tǒng)還可以根據(jù)功能劃分為：
氣體分離、調(diào)壓、分輸計量、越站旁通、清管器接
受發(fā)送、緊急截斷放空和排污等若干子系統(tǒng)。
但油氣管道系統(tǒng)發(fā)生失效模式不僅僅受內(nèi)部子
系統(tǒng)、設(shè)備、組件或元件的影響，還受自然環(huán)境、
氣候、第三方人員的影Ⅱ向。這些影響因素受與沿線
所處的自然、人文環(huán)境有密切關(guān)系，具有隨機(jī)性而
不具備明顯的層次結(jié)構(gòu)。如：第三方自然環(huán)境影響
如：水文地質(zhì)、水域穿跨越等、洪水、土壤等要求
等。人為因素影響如：違章建筑、打孔偷盜和其他
經(jīng)濟(jì)活動等，都很難利用FMEA法做出分解，并不
能體現(xiàn)FMEA法全面、深入的優(yōu)點(diǎn)。
3．1．3 故障判據(jù)轉(zhuǎn)化
故障判據(jù)就出油氣管道所有的故障模式識別
準(zhǔn)則。故障模式主要來自于兩個方面，一方面是
管道系統(tǒng)本身及各子系統(tǒng)、組成構(gòu)件元件等固有
特性的變化導(dǎo)致故障產(chǎn)生，如機(jī)械特性、運(yùn)行工
構(gòu)成零件卜—．1 組件 —．1功能件}_—-1子系統(tǒng)卜—．1 系統(tǒng)}—-{人、環(huán)境等
零件故障
圖2 FMEA層次分析
對組件l 對功能件 對子系統(tǒng)}- 對系統(tǒng)L_，一對人和環(huán)境
的影響l I的影響l }的影響l l的影響J l等的影響
圖3 FMEA影響分析層次
套 石油化工安全環(huán)保技術(shù) 謝 2010年第26卷第4期
況、老化腐蝕等；另一方面是外部因素導(dǎo)致的故
障，包括自然環(huán)境、人為影響因素等。建立故障
判據(jù)時，可以根據(jù)實(shí)際評價對象給以改進(jìn)，故障
判據(jù)轉(zhuǎn)化可行。如：人員打孔偷盜是一種故障，
員工的操作技能差也可以看做一種故障，自然環(huán)
境惡劣也是一種故障(暴雨、泥石流、地震等)。
3．2 實(shí)用性分析
FMEA評價法是通過自下而上的研究下一級
零部件的故障對上一級子系統(tǒng)或系統(tǒng)的影響，本
質(zhì)上屬于邏輯歸納推理方法，沒有復(fù)雜的數(shù)學(xué)理
論，容易掌握，可以實(shí)現(xiàn)定性評價或半定量評
價，具有一定的實(shí)用價值。在發(fā)達(dá)國家，該方法
已廣泛地應(yīng)用于宇航、核工業(yè)和電子等領(lǐng)域。
FMEA評價能為設(shè)計提供參考資料，便于積
累設(shè)計、運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)。該方法具有相當(dāng)?shù)撵`活性和
一定的主觀性，經(jīng)過FMEA分析，可以對傳統(tǒng)規(guī)
范中不完善的地方做出補(bǔ)充，適合于系統(tǒng)設(shè)計階
段的評價 ’Ⅲ 。
然而，管道系統(tǒng)對象涉及到的子系統(tǒng)多、構(gòu)件
多、功能多、操作工藝和設(shè)備多、并相互聯(lián)系。如
某一子系統(tǒng)可能表現(xiàn)出多種功能，而每種功能又具
有多種故障模式，評價過程就是需要找出每種功能
的所有故障模式。如輸氣站的功能有氣體分離、調(diào)
壓、分輸計量、越站旁通、清管器的接收和發(fā)送、
緊急截斷和放空、事故維修放空和排污等。僅僅考
慮清管器接受和發(fā)送又包含卡球、清管器失蹤、清
管球破損等故障模式。導(dǎo)致卡球的原因也非常復(fù)
雜，包括管道變形、閥門選型不正確、三通處卡
球、彎頭處卡球等多種因素u 。同時，不同管段
的故障模式、失效原因也不同。所以，采用FMEA
法評價時，在管道系統(tǒng)層層分解過程中，涉及到的
層級多，因素多。隨著分解的層級越深，尋找故障
模式越深入，而花費(fèi)的工作量也成指數(shù)級增長，整
個評價工作時間周期長、經(jīng)濟(jì)成本大。
3．3 有效性分析
3．3．1 評價的全面性
根據(jù)FMEA評價法的特點(diǎn)，該方法能很好地
對油氣管道系統(tǒng)各個組成部分進(jìn)行層層分解、并
逐一地評價分析，包括子系統(tǒng)、設(shè)備、裝置直至
元件等，都能全面地進(jìn)行評價。但是，油氣管道
系統(tǒng)復(fù)雜，涉及到的安全因素既包括內(nèi)部因素，
如：油氣管道本身、輸送介質(zhì)的物化性質(zhì)、站場
及相關(guān)的配套設(shè)施、工藝方案和內(nèi)部的安全管理
等，也包括外部因素，如：擬定管線線路所經(jīng)過
地帶的氣候、地質(zhì)、人文等情況的影響。對油氣
管道系統(tǒng)內(nèi)部因素而言，各評價對象能按照評價
步驟進(jìn)行分解和評價，能做到全面而沒有遺漏。
對油氣管道系統(tǒng)內(nèi)部因素來說，站場平面布
置的安全性，利用FMEA法則很難進(jìn)行評價，如
兩裝置之間的安全距離，采用FMEA評價法則很
難做出恰當(dāng)?shù)卦u價。同時外部因素導(dǎo)致的故障模
式也很難采用FMEA進(jìn)行評價，如洪水、泥石
流、公眾安全意識、打孔偷盜等。
3．3．2 評價人員的主觀性
常見的FMEA評價法分為定性和半定量法，即
根據(jù)故障類型等級或風(fēng)險優(yōu)先數(shù)來做出評價結(jié)論。
(1)定性評價法。采用定性FMEA分析方法
時，確定的故障等級為4個級別，評價人員在進(jìn)
行評價時，主觀性較強(qiáng)，不同評價人員評價的誤
差很大。不同構(gòu)件或不同子系統(tǒng)之間的危險度不
利于相互比較，對管道工程設(shè)計參考意義不大。
(2)半定量評價法。采用PRN法的準(zhǔn)確性和
合理性主要來自于O、S、D不同的取值，在傳統(tǒng)
的評價過程中，雖然對三個因素在1～lO之間賦值
(見表3一表5)，但是獲取某一故障發(fā)生的可能性
(尤其是設(shè)計階段的系統(tǒng))非常困難，更主要取決
于經(jīng)驗(yàn)判斷，使人為主觀因素增強(qiáng)。評價時，評價
機(jī)構(gòu)會發(fā)出大量FMEA調(diào)查表，征求評價人員的經(jīng)
驗(yàn)和意見，這些經(jīng)驗(yàn)和意見本身就存在差異，可能
使其對相同的評價對象得出不同的評價結(jié)論。同
時，三個因素計算所得的乘積從1～1 000中，只
有120個值為有效值，其它值都不能獲得。
3．3．3 故障等級的可比性
FMEA法評價時，決定RPN的三個因素意義
不同，之間沒有明確的線形關(guān)系，對故障危險的
貢獻(xiàn)也不同，而在計算的時候則認(rèn)為他們的重要
性是相同的，RPN值大危險等級就高，值小危險
等級就低，顯然缺乏合理性。例如：假設(shè)故障發(fā)
生的可能性、嚴(yán)重度、可檢測度均取值為4，
RPN值為64；另一情形下，三個取值分別為2，
10，1，RPN值為20，若仔細(xì)評估，第二種情形
比第一種情況危險，但是采用單一的RPN值計
算，卻得到相反的結(jié)論。
同時，采用單一的RPN值，可能出現(xiàn)相同分
2010年第26卷第4期 蠢 胡燈明等．油氣管道安全預(yù)評價的FMEA方法分析 寅
A l$1．1M I $79K I 10 I 10 J 1 『 100
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A f$I．1M J $79K 『 10 l 10 l l } 100
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部件 l實(shí)際花費(fèi)J預(yù)計花費(fèi)l(o )I(s)f(D )J RPN
B $16K $41K 5 7 I 10 350
迎，但目前在油氣管道的安全評價中，對該法還
沒有得到足夠的重視。以上通過對該方法的介紹
并將其應(yīng)用于油氣管道安全評價的可行性、實(shí)用
性和有效性進(jìn)行了探索，為油氣管道安全評價方
法的改進(jìn)提供了參考。
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