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水下油气工程装备：电磁流量计研制中的可靠性分析
来源： 发布日期：2019-08-08 17:54:42 作者：
摘 要 水下油气工程装备对安全性和稳定性要求远高于陆地装备，在设计阶段就需要对其可靠性进行严格分析，并在后续加工制造及测试等阶段进行严格质量控制。简述了水下电磁流量计国产化过程中影响其可靠性的关键因素，并就如何保障设备可靠性进行了深入分析和探讨。研究结果对水下工程装备的国产化研制具有一定的借鉴意义。
引言
石油工业的未来在于海洋石油。目前海洋油气开发正在逐步向深水发展。例如，2014年9月发现的陵水17-2气田是我国首个深水自营大气田，作业水深超过1 500 m，为超深水气田 [1] 。深水油气田的开发需要先进的生产技术和海洋工程装备为支撑。近年来我国在海洋油气田开发装备建设方面取得了一些进展，但仍远远落后于国际水平。深水油气田开发技术和装备制造能力的落后不仅增加了海洋石油开发的难度和成本，也限制了我国海洋石油工业的发展空间。为了加速我国自主开发深海油气的速度，降低开发成本，打破国外的技术垄断，开展水下生产技术和装备的研究势在必行。水下电磁流量计是一种在不分离状态下动态测量水下油气井产物中油、气、水产量的计量仪器。而水下多相电磁流量计通常用于测井、配产计量、贸易计量、油井管理和流动保障。在水下电磁流量计出现以前，水下多相流测量多依靠将油井产物通过测试管线引至平台测试分离器或多相电磁流量计进行油、气、水流量的测量。这种方法需要单独的测试管线，投入巨大，同时也带来了一系列操作困难。水下电磁流量计的出现，使得水下单井产量的连续、实时测量成为可能，极大地改善了测试数据的准确性和时效性，对于生产动态监测、油藏管理优化和提高流动保障具有重要意义 。水下电磁流量计与地面电磁流量计的不同之处在于水下特殊的应用环境带来的挑战。水下电磁流量计安装在几百甚至几千米的水下，人工难以干预，安装和维护成本巨大，水下电磁流量计要保证25年的设计寿命，且尽可能地减少维护，必须保证水下电磁流量计足够高的可靠性。目前国内相关单位已逐步开展水下电磁流量计的研制工作，需要对可靠性开展深入研究，确保水下电磁流量计国产化的顺利推进并最终实现工程化应用。本文系统论述了水下电磁流量计国产化过程中为保证产品质量采取的一系列可靠性保障措施，对水下工程装备的国产化研制具有一定的借鉴意义。1 目标问题分析水下电磁流量计研制和应用面临的挑战主要来自以下几个方面。
1.1 机械系统的可靠性
水下电磁流量计安装在水下，对外要承受海水的静压，对内要承受管道介质压力和高温，温度和压力还会在多相电磁流量计服役过程中发生变化，因此电磁流量计必须具备足够的机械强度和完整的密封性能。海水和井流介质对电磁流量计的机械部件和密封件还有腐蚀性，因此，要求材料和密封件必须具备足够的抗腐蚀性能。
1.2 上下位机通讯系统的可靠性
水下电磁流量计安装在水下生产系统设施如管汇或采油树上，其信号采集、处理与传输主要依靠其自身通讯控制系统来完成，一般是下位机完成数据采集后传送至上位机，上位机反过来给下位机发送测井及参数配置等相关命令。如果通讯控制系统发生故障，水下电磁流量计就会与地面控制中心失去联系，此时即使电磁流量计仍能正常采集和处理数据，但计算结果却无法上传至地面终端，地面终端也无法下发指令对电磁流量计进行操作。因此，需要保证电磁流量计的通讯控制系统在设计生命周期内具备高可靠性。
1.3 数据采集与处理系统的可靠性
水下电磁流量计在测量过程中，需要采集各传感器的参数，并将采集到的信号完整地上传至电磁流量计算机，由电磁流量计算机对数据进行处理和运算，进而得到油井产物中油、气、水的含量。如果数据采集系统出现问题，电磁流量计算机就无法获得计算所需的准确原始数据。如果电磁流量计算机故障，则数据采集系统采集的数据就不能转换成可用的生产数据，或者转换的生产数据无法反应真实的流量信息。这一切需要一整套软硬件的可靠性来保证。因此，对水下电磁流量计而言，真正的难度不在于计量技术本身，而在于整个生命周期内可靠性的保证。对一个完整的水下多相流计量系统而言，各部件和系统之间相互联系，任何一个部件和系统出现问题都会直接影响水下电磁流量计性能和功能的完整性。
2 可靠性分析方法研究及计划制定
2.1 可靠性概述
产品的可靠性是指产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力。其中产品既包括硬件和流程性材料等有形产品，也包括软件等无形产品。“规定的条件”一般包括环境条件、动力条件、负载条件、使用和维护条件； “规定的时间”是可靠性区别产品其他特性如功能性、工艺性等的重要特征，抛开时间谈可靠性是没有意义的； “规定的功能”是指表征产品能完成的各项性能指标。可靠性是产品的基本属性，是衡量产品质量的重要指标。产品的可靠性一般可分为固有可靠性和使用可靠性。产品的固有可靠性是产品早在规划阶段就规定了的可靠性指标，如对仪器仪表，常指输出范围、精度、线性度、失真度、分配率、回差、灵敏度、漂移等。产品的固有可靠性是产品的一种固有特性，也是产品的开发者可以控制的。而产品使用可靠性则是产品在实际使用过程中表现出的一种性能保持能力的特性，它除了考虑固有可靠性的影响因素外，还要考虑产品安装、操作使用和维修保障等因素的影响。一般认为，产品可靠性可近似看作固有可靠性和使用可靠性之积。失效是指产品丧失功能的现象。它是“可靠”的对立面。通过更换元器件或进行调整能够恢复功能的产品称为可修复产品，反之称为不可修复产品。对于可修复产品，失效可称为故障。可靠性有狭义可靠性与广义可靠性之分。狭义可靠性仅指产品在其整个寿命周期内完成规定功能的能力。通常所说的可靠性就是指的狭义可靠性。广义可靠性通常包括狭义可靠性和维修性两个方面内容，常被称为有效性。
2.2 可靠性分析计划
为保证首台国产水下电磁流量计的成功研制，制定了包括第三方故障模式、影响及危害性分析（FME⁃CA, Failure Mode Effects and Criticality Analysis）在内的严格的可靠性保障计划，主要内容见表1。
2.2.1 国际规范研究
目前国际上出现了为数不少的针对水下工程装备的设计参考规范，包括API 17D 、API 17N 、ISO 13628 、API 6A [，以及专门针对水下电磁流量计的API 17S和API RP 85 等一系列规范。国际知名第三方挪威船级社也出版了针对水下装备的设计及认证规范 。这些规范为我国水下工程装备的开发研制提供了非常重要的指导，具有重要的参考价值。为保证水下电磁流量计样机研制过程科学性和设备可靠性，参考API 17S及API 6A等规范制定了严格的型式试验计划，并编制相应的测试大纲，每个试验都将由权威第三方船级社进行见证。
2.2.2 有限元分析
为保证水下电磁流量计强度符合要求，需要在详细设计及校核计算基础上，采用有限元分析对水下电磁流量计整体结构各工况、及电子仓受到ROV（水下机器人）撞击的工况进行模拟分析。针对水下电磁流量计整体结构，主要考虑在位工况、静水压试验工况以及高压仓外压试验工况等3种有限元分析工况。此处以在位工况分析为例说明分析过程。首先，根据结构设计及载荷情况，对水下电磁流量计三维模型进行处理，得到用于分析的几何模型；然后进行网格划分并根据分析结果确定网格模型。根据设计要求明确在位工况主要考虑载荷（如外部压力载荷、内部压力载荷、自重载荷以及地震载荷等），分别在管道内表面、样机外部施加目标内压和设计水深压力载荷。在部件整体施加自重载荷和地震载荷，在出、入口法兰端面施加位移约束，最终分析得到总体位移分布图和总体等效应力分布图。最后，根据分析结果，判断在测试载荷作用下整体部件的最大位移、最大等效应力值是否符合要求（如等效应力应小于材料的许用应力）。
2.2.3 设计认证水下电磁流量计作为高端水下工程装备，其设计方案需要严格的第三方认证和校核。挪威船级社在水下装备领域具有雄厚的技术能力和认证实力，将由其按照相关规范完成对水下电磁流量计工程样机包括独立校核计算在内的设计认证，审核设计参考的设计标准和规范、操作条件、材料规格、设计文件和型式试验计划等。
2.2.4 FMECA分析
FMECA分析是一种评估系统可靠性的分析方法，来源于失效模式与影响分析 (FMEA) 、关键性分析（CA）。目前FMECA分析方法已广泛应用在石油化工、海洋油气装备等方面，用于识别关键的失效模式和影响、优化设计、操作和维护。国产水下电磁流量计开展FMECA分析可以分别从不考虑和考虑现有控制措施两个方面识别设备存在的潜在风险，并达到如下目的：①识别关键的元件和失效模式；②评价现有的重要控制措施；③提出设计改进和风险降低措施，提高设备的可靠性。FMECA将由权威第三方挪威船级社开展，采用IEC 60812标准的分析方法，元件的失效数据来自EMCRH和OREDA数据库，使用风险矩阵进行关键性评价。
2.3 型式试验
参考API 6A、API 17D、API 17S等规范制定严格的型式试验方案，以验证样机可靠性。主要型式试验如表 2所示。
3 结论
系统论述了可靠性分析的重要性和主要分析方法，介绍了国产水下电磁流量计研制过程中对于可靠性的各种保障措施，从调研及设计开始，到最终的型式试验，全流程的可靠性计划。其中，第三方认证是非常关键的一环，特别是邀请业内权威第三方认证机构进行从前期设计认证到后期试验见证，可以大大提高研制设备的可靠性，最终推动后续水下装备的国产化应用和市场化推广，对我国水下装备的国产化研制具有较好的借鉴意义。
引言
石油工业的未来在于海洋石油。目前海洋油气开发正在逐步向深水发展。例如，2014年9月发现的陵水17-2气田是我国首个深水自营大气田，作业水深超过1 500 m，为超深水气田 [1] 。深水油气田的开发需要先进的生产技术和海洋工程装备为支撑。近年来我国在海洋油气田开发装备建设方面取得了一些进展，但仍远远落后于国际水平。深水油气田开发技术和装备制造能力的落后不仅增加了海洋石油开发的难度和成本，也限制了我国海洋石油工业的发展空间。为了加速我国自主开发深海油气的速度，降低开发成本，打破国外的技术垄断，开展水下生产技术和装备的研究势在必行。水下电磁流量计是一种在不分离状态下动态测量水下油气井产物中油、气、水产量的计量仪器。而水下多相电磁流量计通常用于测井、配产计量、贸易计量、油井管理和流动保障。在水下电磁流量计出现以前，水下多相流测量多依靠将油井产物通过测试管线引至平台测试分离器或多相电磁流量计进行油、气、水流量的测量。这种方法需要单独的测试管线，投入巨大，同时也带来了一系列操作困难。水下电磁流量计的出现，使得水下单井产量的连续、实时测量成为可能，极大地改善了测试数据的准确性和时效性，对于生产动态监测、油藏管理优化和提高流动保障具有重要意义 。水下电磁流量计与地面电磁流量计的不同之处在于水下特殊的应用环境带来的挑战。水下电磁流量计安装在几百甚至几千米的水下，人工难以干预，安装和维护成本巨大，水下电磁流量计要保证25年的设计寿命，且尽可能地减少维护，必须保证水下电磁流量计足够高的可靠性。目前国内相关单位已逐步开展水下电磁流量计的研制工作，需要对可靠性开展深入研究，确保水下电磁流量计国产化的顺利推进并最终实现工程化应用。本文系统论述了水下电磁流量计国产化过程中为保证产品质量采取的一系列可靠性保障措施，对水下工程装备的国产化研制具有一定的借鉴意义。1 目标问题分析水下电磁流量计研制和应用面临的挑战主要来自以下几个方面。
1.1 机械系统的可靠性
水下电磁流量计安装在水下，对外要承受海水的静压，对内要承受管道介质压力和高温，温度和压力还会在多相电磁流量计服役过程中发生变化，因此电磁流量计必须具备足够的机械强度和完整的密封性能。海水和井流介质对电磁流量计的机械部件和密封件还有腐蚀性，因此，要求材料和密封件必须具备足够的抗腐蚀性能。
1.2 上下位机通讯系统的可靠性
水下电磁流量计安装在水下生产系统设施如管汇或采油树上，其信号采集、处理与传输主要依靠其自身通讯控制系统来完成，一般是下位机完成数据采集后传送至上位机，上位机反过来给下位机发送测井及参数配置等相关命令。如果通讯控制系统发生故障，水下电磁流量计就会与地面控制中心失去联系，此时即使电磁流量计仍能正常采集和处理数据，但计算结果却无法上传至地面终端，地面终端也无法下发指令对电磁流量计进行操作。因此，需要保证电磁流量计的通讯控制系统在设计生命周期内具备高可靠性。
1.3 数据采集与处理系统的可靠性
水下电磁流量计在测量过程中，需要采集各传感器的参数，并将采集到的信号完整地上传至电磁流量计算机，由电磁流量计算机对数据进行处理和运算，进而得到油井产物中油、气、水的含量。如果数据采集系统出现问题，电磁流量计算机就无法获得计算所需的准确原始数据。如果电磁流量计算机故障，则数据采集系统采集的数据就不能转换成可用的生产数据，或者转换的生产数据无法反应真实的流量信息。这一切需要一整套软硬件的可靠性来保证。因此，对水下电磁流量计而言，真正的难度不在于计量技术本身，而在于整个生命周期内可靠性的保证。对一个完整的水下多相流计量系统而言，各部件和系统之间相互联系，任何一个部件和系统出现问题都会直接影响水下电磁流量计性能和功能的完整性。
2 可靠性分析方法研究及计划制定
2.1 可靠性概述
产品的可靠性是指产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力。其中产品既包括硬件和流程性材料等有形产品，也包括软件等无形产品。“规定的条件”一般包括环境条件、动力条件、负载条件、使用和维护条件； “规定的时间”是可靠性区别产品其他特性如功能性、工艺性等的重要特征，抛开时间谈可靠性是没有意义的； “规定的功能”是指表征产品能完成的各项性能指标。可靠性是产品的基本属性，是衡量产品质量的重要指标。产品的可靠性一般可分为固有可靠性和使用可靠性。产品的固有可靠性是产品早在规划阶段就规定了的可靠性指标，如对仪器仪表，常指输出范围、精度、线性度、失真度、分配率、回差、灵敏度、漂移等。产品的固有可靠性是产品的一种固有特性，也是产品的开发者可以控制的。而产品使用可靠性则是产品在实际使用过程中表现出的一种性能保持能力的特性，它除了考虑固有可靠性的影响因素外，还要考虑产品安装、操作使用和维修保障等因素的影响。一般认为，产品可靠性可近似看作固有可靠性和使用可靠性之积。失效是指产品丧失功能的现象。它是“可靠”的对立面。通过更换元器件或进行调整能够恢复功能的产品称为可修复产品，反之称为不可修复产品。对于可修复产品，失效可称为故障。可靠性有狭义可靠性与广义可靠性之分。狭义可靠性仅指产品在其整个寿命周期内完成规定功能的能力。通常所说的可靠性就是指的狭义可靠性。广义可靠性通常包括狭义可靠性和维修性两个方面内容，常被称为有效性。
2.2 可靠性分析计划
为保证首台国产水下电磁流量计的成功研制，制定了包括第三方故障模式、影响及危害性分析（FME⁃CA, Failure Mode Effects and Criticality Analysis）在内的严格的可靠性保障计划，主要内容见表1。
2.2.1 国际规范研究
目前国际上出现了为数不少的针对水下工程装备的设计参考规范，包括API 17D 、API 17N 、ISO 13628 、API 6A [，以及专门针对水下电磁流量计的API 17S和API RP 85 等一系列规范。国际知名第三方挪威船级社也出版了针对水下装备的设计及认证规范 。这些规范为我国水下工程装备的开发研制提供了非常重要的指导，具有重要的参考价值。为保证水下电磁流量计样机研制过程科学性和设备可靠性，参考API 17S及API 6A等规范制定了严格的型式试验计划，并编制相应的测试大纲，每个试验都将由权威第三方船级社进行见证。
2.2.2 有限元分析
为保证水下电磁流量计强度符合要求，需要在详细设计及校核计算基础上，采用有限元分析对水下电磁流量计整体结构各工况、及电子仓受到ROV（水下机器人）撞击的工况进行模拟分析。针对水下电磁流量计整体结构，主要考虑在位工况、静水压试验工况以及高压仓外压试验工况等3种有限元分析工况。此处以在位工况分析为例说明分析过程。首先，根据结构设计及载荷情况，对水下电磁流量计三维模型进行处理，得到用于分析的几何模型；然后进行网格划分并根据分析结果确定网格模型。根据设计要求明确在位工况主要考虑载荷（如外部压力载荷、内部压力载荷、自重载荷以及地震载荷等），分别在管道内表面、样机外部施加目标内压和设计水深压力载荷。在部件整体施加自重载荷和地震载荷，在出、入口法兰端面施加位移约束，最终分析得到总体位移分布图和总体等效应力分布图。最后，根据分析结果，判断在测试载荷作用下整体部件的最大位移、最大等效应力值是否符合要求（如等效应力应小于材料的许用应力）。
2.2.3 设计认证水下电磁流量计作为高端水下工程装备，其设计方案需要严格的第三方认证和校核。挪威船级社在水下装备领域具有雄厚的技术能力和认证实力，将由其按照相关规范完成对水下电磁流量计工程样机包括独立校核计算在内的设计认证，审核设计参考的设计标准和规范、操作条件、材料规格、设计文件和型式试验计划等。
2.2.4 FMECA分析
FMECA分析是一种评估系统可靠性的分析方法，来源于失效模式与影响分析 (FMEA) 、关键性分析（CA）。目前FMECA分析方法已广泛应用在石油化工、海洋油气装备等方面，用于识别关键的失效模式和影响、优化设计、操作和维护。国产水下电磁流量计开展FMECA分析可以分别从不考虑和考虑现有控制措施两个方面识别设备存在的潜在风险，并达到如下目的：①识别关键的元件和失效模式；②评价现有的重要控制措施；③提出设计改进和风险降低措施，提高设备的可靠性。FMECA将由权威第三方挪威船级社开展，采用IEC 60812标准的分析方法，元件的失效数据来自EMCRH和OREDA数据库，使用风险矩阵进行关键性评价。
2.3 型式试验
参考API 6A、API 17D、API 17S等规范制定严格的型式试验方案，以验证样机可靠性。主要型式试验如表 2所示。
3 结论
系统论述了可靠性分析的重要性和主要分析方法，介绍了国产水下电磁流量计研制过程中对于可靠性的各种保障措施，从调研及设计开始，到最终的型式试验，全流程的可靠性计划。其中，第三方认证是非常关键的一环，特别是邀请业内权威第三方认证机构进行从前期设计认证到后期试验见证，可以大大提高研制设备的可靠性，最终推动后续水下装备的国产化应用和市场化推广，对我国水下装备的国产化研制具有较好的借鉴意义。
