摘 要 水下油氣工程裝備對安全性和穩定性要求遠高于陸地裝備，在設計階段就需要對其可靠性進行嚴格分析，并在后續加工制造及測試等階段進行嚴格質量控制。簡述了水下電磁流量計國產化過程中影響其可靠性的關鍵因素，并就如何保障設備可靠性進行了深入分析和探討。研究結果對水下工程裝備的國產化研制具有一定的借鑒意義。

    引言
    石油工業的未來在于海洋石油。目前海洋油氣開發正在逐步向深水發展。例如，2014年9月發現的陵水17-2氣田是我國首個深水自營大氣田，作業水深超過1 500 m，為超深水氣田 [1] 。深水油氣田的開發需要先進的生產技術和海洋工程裝備為支撐。近年來我國在海洋油氣田開發裝備建設方面取得了一些進展，但仍遠遠落后于國際水平。深水油氣田開發技術和裝備制造能力的落后不僅增加了海洋石油開發的難度和成本，也限制了我國海洋石油工業的發展空間。為了加速我國自主開發深海油氣的速度，降低開發成本，打破國外的技術壟斷，開展水下生產技術和裝備的研究勢在必行。水下電磁流量計是一種在不分離狀態下動態測量水下油氣井產物中油、氣、水產量的計量儀器。而水下多相電磁流量計通常用于測井、配產計量、貿易計量、油井管理和流動保障。在水下電磁流量計出現以前，水下多相流測量多依靠將油井產物通過測試管線引至平臺測試分離器或多相電磁流量計進行油、氣、水流量的測量。這種方法需要單獨的測試管線，投入巨大，同時也帶來了一系列操作困難。水下電磁流量計的出現，使得水下單井產量的連續、實時測量成為可能，極大地改善了測試數據的準確性和時效性，對于生產動態監測、油藏管理優化和提高流動保障具有重要意義 。水下電磁流量計與地面電磁流量計的不同之處在于水下特殊的應用環境帶來的挑戰。水下電磁流量計安裝在幾百甚至幾千米的水下，人工難以干預，安裝和維護成本巨大，水下電磁流量計要保證25年的設計壽命，且盡可能地減少維護，必須保證水下電磁流量計足夠高的可靠性。目前國內相關單位已逐步開展水下電磁流量計的研制工作，需要對可靠性開展深入研究，確保水下電磁流量計國產化的順利推進并最終實現工程化應用。本文系統論述了水下電磁流量計國產化過程中為保證產品質量采取的一系列可靠性保障措施，對水下工程裝備的國產化研制具有一定的借鑒意義。1 目標問題分析水下電磁流量計研制和應用面臨的挑戰主要來自以下幾個方面。

    1.1 機械系統的可靠性
    水下電磁流量計安裝在水下，對外要承受海水的靜壓，對內要承受管道介質壓力和高溫，溫度和壓力還會在多相電磁流量計服役過程中發生變化，因此電磁流量計必須具備足夠的機械強度和完整的密封性能。海水和井流介質對電磁流量計的機械部件和密封件還有腐蝕性，因此，要求材料和密封件必須具備足夠的抗腐蝕性能。

    1.2 上下位機通訊系統的可靠性
    水下電磁流量計安裝在水下生產系統設施如管匯或采油樹上，其信號采集、處理與傳輸主要依靠其自身通訊控制系統來完成，一般是下位機完成數據采集后傳送至上位機，上位機反過來給下位機發送測井及參數配置等相關命令。如果通訊控制系統發生故障，水下電磁流量計就會與地面控制中心失去聯系，此時即使電磁流量計仍能正常采集和處理數據，但計算結果卻無法上傳至地面終端，地面終端也無法下發指令對電磁流量計進行操作。因此，需要保證電磁流量計的通訊控制系統在設計生命周期內具備高可靠性。

    1.3 數據采集與處理系統的可靠性
    水下電磁流量計在測量過程中，需要采集各傳感器的參數，并將采集到的信號完整地上傳至電磁流量計算機，由電磁流量計算機對數據進行處理和運算，進而得到油井產物中油、氣、水的含量。如果數據采集系統出現問題，電磁流量計算機就無法獲得計算所需的準確原始數據。如果電磁流量計算機故障，則數據采集系統采集的數據就不能轉換成可用的生產數據，或者轉換的生產數據無法反應真實的流量信息。這一切需要一整套軟硬件的可靠性來保證。因此，對水下電磁流量計而言，真正的難度不在于計量技術本身，而在于整個生命周期內可靠性的保證。對一個完整的水下多相流計量系統而言，各部件和系統之間相互聯系，任何一個部件和系統出現問題都會直接影響水下電磁流量計性能和功能的完整性。

    2 可靠性分析方法研究及計劃制定
    2.1 可靠性概述
    產品的可靠性是指產品在規定條件下和規定時間內，完成規定功能的能力。其中產品既包括硬件和流程性材料等有形產品，也包括軟件等無形產品。“規定的條件”一般包括環境條件、動力條件、負載條件、使用和維護條件； “規定的時間”是可靠性區別產品其他特性如功能性、工藝性等的重要特征，拋開時間談可靠性是沒有意義的； “規定的功能”是指表征產品能完成的各項性能指標?？煽啃允钱a品的基本屬性，是衡量產品質量的重要指標。產品的可靠性一般可分為固有可靠性和使用可靠性。產品的固有可靠性是產品早在規劃階段就規定了的可靠性指標，如對儀器儀表，常指輸出范圍、精度、線性度、失真度、分配率、回差、靈敏度、漂移等。產品的固有可靠性是產品的一種固有特性，也是產品的開發者可以控制的。而產品使用可靠性則是產品在實際使用過程中表現出的一種性能保持能力的特性，它除了考慮固有可靠性的影響因素外，還要考慮產品安裝、操作使用和維修保障等因素的影響。一般認為，產品可靠性可近似看作固有可靠性和使用可靠性之積。失效是指產品喪失功能的現象。它是“可靠”的對立面。通過更換元器件或進行調整能夠恢復功能的產品稱為可修復產品，反之稱為不可修復產品。對于可修復產品，失效可稱為故障?？煽啃杂歇M義可靠性與廣義可靠性之分。狹義可靠性僅指產品在其整個壽命周期內完成規定功能的能力。通常所說的可靠性就是指的狹義可靠性。廣義可靠性通常包括狹義可靠性和維修性兩個方面內容，常被稱為有效性。

    2.2 可靠性分析計劃
    為保證首臺國產水下電磁流量計的成功研制，制定了包括第三方故障模式、影響及危害性分析（FME?CA, Failure Mode Effects and Criticality Analysis）在內的嚴格的可靠性保障計劃，主要內容見表1。



    2.2.1 國際規范研究
目前國際上出現了為數不少的針對水下工程裝備的設計參考規范，包括API 17D  、API 17N  、ISO 13628 、API 6A [，以及專門針對水下電磁流量計的API 17S和API RP 85 等一系列規范。國際知名第三方挪威船級社也出版了針對水下裝備的設計及認證規范 。這些規范為我國水下工程裝備的開發研制提供了非常重要的指導，具有重要的參考價值。為保證水下電磁流量計樣機研制過程科學性和設備可靠性，參考API 17S及API 6A等規范制定了嚴格的型式試驗計劃，并編制相應的測試大綱，每個試驗都將由權威第三方船級社進行見證。

    2.2.2 有限元分析
    為保證水下電磁流量計強度符合要求，需要在詳細設計及校核計算基礎上，采用有限元分析對水下電磁流量計整體結構各工況、及電子倉受到ROV（水下機器人）撞擊的工況進行模擬分析。針對水下電磁流量計整體結構，主要考慮在位工況、靜水壓試驗工況以及高壓倉外壓試驗工況等3種有限元分析工況。此處以在位工況分析為例說明分析過程。首先，根據結構設計及載荷情況，對水下電磁流量計三維模型進行處理，得到用于分析的幾何模型；然后進行網格劃分并根據分析結果確定網格模型。根據設計要求明確在位工況主要考慮載荷（如外部壓力載荷、內部壓力載荷、自重載荷以及地震載荷等），分別在管道內表面、樣機外部施加目標內壓和設計水深壓力載荷。在部件整體施加自重載荷和地震載荷，在出、入口法蘭端面施加位移約束，最終分析得到總體位移分布圖和總體等效應力分布圖。最后，根據分析結果，判斷在測試載荷作用下整體部件的最大位移、最大等效應力值是否符合要求（如等效應力應小于材料的許用應力）。

    2.2.3 設計認證水下電磁流量計作為高端水下工程裝備，其設計方案需要嚴格的第三方認證和校核。挪威船級社在水下裝備領域具有雄厚的技術能力和認證實力，將由其按照相關規范完成對水下電磁流量計工程樣機包括獨立校核計算在內的設計認證，審核設計參考的設計標準和規范、操作條件、材料規格、設計文件和型式試驗計劃等。

    2.2.4 FMECA分析
    FMECA分析是一種評估系統可靠性的分析方法，來源于失效模式與影響分析 (FMEA) 、關鍵性分析（CA）。目前FMECA分析方法已廣泛應用在石油化工、海洋油氣裝備等方面，用于識別關鍵的失效模式和影響、優化設計、操作和維護。國產水下電磁流量計開展FMECA分析可以分別從不考慮和考慮現有控制措施兩個方面識別設備存在的潛在風險，并達到如下目的：①識別關鍵的元件和失效模式；②評價現有的重要控制措施；③提出設計改進和風險降低措施，提高設備的可靠性。FMECA將由權威第三方挪威船級社開展，采用IEC 60812標準的分析方法，元件的失效數據來自EMCRH和OREDA數據庫，使用風險矩陣進行關鍵性評價。

    2.3 型式試驗
    參考API 6A、API 17D、API 17S等規范制定嚴格的型式試驗方案，以驗證樣機可靠性。主要型式試驗如表 2所示。



    3 結論
    系統論述了可靠性分析的重要性和主要分析方法，介紹了國產水下電磁流量計研制過程中對于可靠性的各種保障措施，從調研及設計開始，到最終的型式試驗，全流程的可靠性計劃。其中，第三方認證是非常關鍵的一環，特別是邀請業內權威第三方認證機構進行從前期設計認證到后期試驗見證，可以大大提高研制設備的可靠性，最終推動后續水下裝備的國產化應用和市場化推廣，對我國水下裝備的國產化研制具有較好的借鑒意義。