Анализ режимов и последствий отказов (FMEA) для повышения эксплуатационной надежности

When it comes to ensuring operational reliability, many companies struggle to grasp the value of a structured approach like Failure Mode and Effects Analysis (FMEA) and the need for methods that boost operational efficiency.

It’s easy to envision the end goal—smooth operations and flawless performance—without considering the essential steps that lead there. However, without a clear understanding of potential failures and their impacts, businesses may find themselves facing unexpected disruptions that could have been prevented.  

В этой статье мы подробно рассмотрим процесс FMEA, подчеркнув его важность для выявления потенциальных режимов отказов, оценки рисков, формирования стратегии технического обслуживания путем определения приоритетов оборудования для технического обслуживания и реализации эффективных корректирующих действий для повышения эксплуатационной надежности в нефтегазовой отрасли. 

Анализ режимов и последствий отказов (FMEA) - это систематический метод, предназначенный для выявления и оценки потенциальных проблем и режимов отказов в системах, продуктах или процессах. Анализируя эти риски до того, как они превратятся в реальные проблемы, FMEA повышает общую надежность конструкций и операций. 

Обычно этот процесс включает в себя: 

Эта методология опирается на команду экспертов, которые систематически анализируют систему или изделие для оценки вероятности возникновения различных режимов отказа и их последствий. Полученные в результате анализа выводы не только служат основой для разработки корректирующих действий, направленных на смягчение последствий потенциальных отказов, но и помогают определить приоритеты технического обслуживания, гарантируя, что наиболее важные вопросы будут решаться в первую очередь. 

But what exactly is a failure mode? A failure mode refers to the specific way a system, component, or process fails to perform its intended function. It describes the various ways in which something can fail, such as through physical damage, loss of functionality, or operational inefficiencies. 

For example, in the oil and gas industry, common failure modes might include pipeline leaks due to corrosion, equipment malfunctions, or sensor failures.  

Давайте рассмотрим это на примере того, на что мы все полагаемся: вашей домашней системы отопления. Эта система зависит от печи, генерирующей тепло, которое затем распределяется по сети воздуховодов. 

Представьте себе: на дворе зима, а ваша печь внезапно перестала работать. Почему? Возможно, засорился воздушный фильтр, неправильно работает термостат или произошла утечка газа. Каждый из этих сценариев представляет собой определенный режим отказа, который может привести к тому, что ваша система отопления не сможет поддерживать тепло в вашем доме. 

В мире FMEA определение режимов отказов - это только начало. Цель состоит в том, чтобы проанализировать потенциальные последствия (или эффекты, "E" в FMEA) отказов и определить приоритетность действий по их устранению, прежде чем они приведут к замерзанию дома или, что еще хуже, к дорогостоящему аварийному ремонту.  

В нефтегазовом секторе для решения конкретных производственных задач и повышения безопасности и надежности применяются различные виды анализа режимов и последствий отказов (FMEA). Вот основные типы: 

Процесс FMEA обычно состоит из нескольких этапов: 

Приоритет риска = Тяжесть х Возникновение х Обнаружение 

Считайте, что FMEA - это ваша операционная сеть безопасности, которая не только защищает ваши операции, но и предлагает несколько ключевых преимуществ: 

Каждый выявленный риск и каждый потенциальный сбой, устраненный путем смягчения или устранения, способствуют укреплению фундамента вашей деятельности. Внедряя FMEA, вы переходите от простого представления об оптимальной производительности к активному внедрению сегодняшних методов, которые приведут вас к достижению желаемого результата завтра. 

Operational safety relies heavily on Safety Instrumented Systems (SIS), where Safety Instrumented Functions (SIFs) perform key safety actions to reduce risks, such as shutting down a process or isolating equipment during hazardous situations.

FMEA dives deep into the components of Safety Instrumented Functions (SIFs). By conducting FMEA, you can uncover how each part—like sensors, logic solvers, and final elements—might fail and what those failures could mean for safety. For instance, if a safety valve is part of a SIF, FMEA helps identify how failure modes like valve sticking or sensor inaccuracies could impact its ability to perform its safety function. 

The FMEA process for this device begins by generating a list of potentially dangerous failures. If they occur, these failures will defeat the safety mission of the device when there is a demand from the process. Specialists then do a study to estimate the contribution of each identified failure mode to the overall number of dangerous failures.

As some dangerous failures are more common than others, this contribution or weight factor (in %) is included. It is important to note that the total weight factors of all dangerous failures of the device under study cannot exceed 100%. 

Информация, полученная в ходе исследования FMEA, может быть использована для сравнения опасных режимов отказа, выявленных для устройства, с процедурой доказательных испытаний, используемой для периодического тестирования устройства. Это исследование позволяет определить, какие опасные отказы, выявленные в FMEA устройства, будут обнаружены на любом из этапов процедуры испытаний. 

Например, если установлено, что 7 из 8 идентифицированных опасных режимов отказа могут быть обнаружены при правильном применении процедуры доказательных испытаний, и эти 7 режимов в совокупности составляют 90% всех опасных отказов, идентифицированных в FMEA, мы можем сделать вывод, что Коэффициент охвата испытаний (TCF) процедуры испытания устройства составляет 90%. 

При расчете вероятности отказа по требованию (PFD) устройства, λ_d является критически важным компонентом, поскольку он отражает количество опасных отказов, которые могут привести к инцидентам безопасности, если не будут обнаружены до того, как на устройство поступит требование от технологического процесса. TCF помогает определить, сколько таких отказов _λd может быть обнаружено в ходе испытаний на стойкость, и поэтому является важным фактором при расчете общего PFD устройства. 

Еще одним важным компонентом является время выполнения миссии (MT). Оно представляет собой период, в течение которого функция прибора безопасности (SIF) должна эффективно работать без капитального ремонта или замены. В отличие от срока службы, определяемого производителями как время, когда оборудование нуждается в замене, срок службы зависит от конкретных потребностей каждого компонента SIF. 

Why does this matter? Because with imperfect proof testing (i.e., where the TFC is less than 100%) Mission Time plays a vital role in managing risks associated with dangerous failures.

A well-defined Mission Time helps us gauge how long we can expect our SIF to function safely before risks accumulate.  
This is illustrated in the below figure (Mission Time 20 years):

Включение MT в расчеты PFD дает представление об эффективности мер безопасности, определяя интервалы технического обслуживания и испытаний. Взаимосвязь между TCF и PFD подчеркивает их важность для обеспечения надежности SIF. 

Более высокий TCF (близкий к 100%) указывает на то, что обнаруживается больше опасных отказов, что снижает эффективную λ_d и способствуя снижению PFD. Эта взаимосвязь подчеркивает важность TCF и _λd при оценке надежности и безопасности SIF в критически важных приложениях. 

PFD отражает вероятность того, что функция безопасности откажет в нужный момент, и зависит от того, насколько хорошо испытания могут выявить опасные отказы. Формула для расчета среднего PFD, включающего TCF, выглядит следующим образом: 

В этом уравнении: 

Каждый раз, когда проводится пробное тестирование, оно выявляет лишь часть опасных неисправностей, как указывает TCF. Это означает, что даже при эффективном тестировании некоторые неисправности могут остаться необнаруженными, что со временем усугубляет риск. Таким образом, понимание того, как TCF влияет на PFD, является жизненно важным; более высокий TCF ведет к более низкому PFD, что свидетельствует о более эффективном снижении риска. 

И наоборот, если TCF низкий, вероятность необнаруженных отказов возрастает, что требует более частых пробных испытаний для поддержания целостности системы безопасности. Таким образом, оптимизация TCF с помощью строгих протоколов испытаний не только улучшает обнаружение неисправностей, но и играет важную роль в обеспечении того, чтобы PFD оставался в допустимых пределах для соответствия стандартам безопасности. 

Как мы уже видели, FMEA помогает повысить эксплуатационную надежность. Выявляя потенциальные режимы отказов и оценивая их последствия, он позволяет компаниям проактивно управлять рисками и повышать эффективность своих активов. 

FMEA - это универсальная и эффективная методология, которая интегрируется в другие процессы, например, в контрольно-измерительные системы безопасности. Благодаря тщательной оценке критических компонентов безопасности FMEA позволяет своевременно разрабатывать стратегии снижения рисков и принимать решения о периодичности испытаний, обеспечивая надежность и эффективность систем безопасности. 

Такой подход не только укрепляет протоколы безопасности, но и оптимизирует распределение ресурсов, что в конечном итоге приводит к повышению надежности работы в нефтегазовой отрасли. Если вы ищете способ повысить надежность технологических процессов на вашем предприятии, наша система управления целостностью (IMS) может вам помочь. Заполните форму ниже и запросите демонстрацию!