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油气管道安全预评价的FMEA方法分析

文档作者：胡灯明郑志强文档来源： 1．中国石油大学(北京) 2．中国石油集团工程设计有限责任公司青海分公司，		点击数：	更新时间： 2021年07月16日
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袭 石油化工安全环保技术 套
2010年第26卷第4期PETROCHEMICAL SAFETY AND ENVIRONMENTAL PROTECTION TEC HI GY
油气管道安全预评价的FMEA方法分析
胡灯明 ，郑志强
(1．中国石油大学(北京)，北京102249；
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736202)
摘 要：介绍故障模式及影响分析(FMEA)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；FMEA法
故障模式及影响分析(Failure Mode and
Efect Analysis缩写为FMEA)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(System)：具有特定功能的单元
集合体。
(2)故障(Failure)：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(Reliability)：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(Failure Mode)：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(Potential Failure
Mode)：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(Effects Analysis)：是指一
种故障模式若发生带来的危害性(Criticality)
有多大，在FMEA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(se—
verity)、故障模式发生的概率(Frequency of Occu~
ence)、故障模式的可探测度(Likelihood of
Detection)。
(7)严重度(Severity of Effects，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10。
(8)发生概率(Probability of Occurrence，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10。
(9)可探测度(Likelihood of Detection，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10分。
(10)风险优先数(Risk Priority Number)：
FMEA评价中影响分析的数据反映，用RPN=O
×S×D确定风险优先等级，根据RPN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，RPN 的值越大，表示具有的风险也
越大 。
收稿日期：2010一O1—20。
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：13811830863
兰 童全 堡技奎童 2010年第26卷第4期
2 FMEA评价法
2．1 FMEA评价步骤
进行系统的FMEA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 FMEA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FMEA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FMEA方法。根据分析的目的和系
统具体特征，选择相应的FMEA 方法，制定
FMEA的实施步骤及实施规范。
(6)实施FMEA分析。FMEA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FMEA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 FMEA评价内容
FEMA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(Risk Priority Number，
RPN)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
Ⅱ 严重性 可能造成严重伤害、严重职业病或
主系统损坏
Ⅲ 临界性 可能造成轻伤、轻职业病或次要系
统损坏
Ⅳ 可忽略性 不会造成伤害和职业病，系统也不
会受损
(2)风险优先数。风险优先数(Risk Priority
Number RPN)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：RPN=0×S×D来确定故障模式的影响
级别。
(3)FMEA评价表。
表2 FMEA评价
故障 故障 故障 故障 风险分析(RPN)
部位 模式 原因 影响 等级
发生度 严重度 难检度
2010年第26卷第4期 ★ 胡灯明等．油气管道安全预评价的FMEA方法分析 鹰
表3 FMEA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 10
表4 FMEA故障发生率(o) ”
可能性 等级取值 故障概率(天)
几乎不 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
极高
10 1：2
表5 FMEA故障可检测度(D) ％
可检性 等级取值 概率
几乎不 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
极高
10 0～5
3 油气管道安全预评价FMEA法分析
3．1 可行性分析
3．1．1 评价原理与评价思路
FEMA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FMEA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FMEA评
价的效果，FMEA分析层次如下图1、2所示l6j。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FMEA法做出分解，并不
能体现FMEA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 FMEA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 FMEA影响分析层次
套 石油化工安全环保技术 谢 2010年第26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
FMEA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。
FMEA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FMEA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FMEA
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FMEA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FMEA法则很难进行评价，如
两装置之间的安全距离，采用FMEA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FMEA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FMEA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FMEA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PRN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～lO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FMEA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1～1 000中，只
有120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
FMEA法评价时，决定RPN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，RPN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，
RPN值为64；另一情形下，三个取值分别为2，
10，1，RPN值为20，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RPN值计
算，却得到相反的结论。
同时，采用单一的RPN值，可能出现相同分
2010年第26卷第4期 蠢 胡灯明等．油气管道安全预评价的FMEA方法分析 寅
A l$1．1M I $79K I 10 I 10 J 1 『 100
1 I! ：! j!!：竺： { f ! I !j !!
部件I实际花费l预计花费l(o)l(s)『(D)}RPN
A f$I．1M J $79K 『 10 l 10 l l } 100
B I$0．26M I $79K J 9 J 9 l 9 f 729
部件 l实际花费J预计花费l(o )I(s)f(D )J RPN
B $16K $41K 5 7 I 10 350
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。
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