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5 3 8 石油与天然气化工 CHEMI CAL ENGI NEERI NG OF OI L ＆ GAS 安全完整性等级 在天然气处理装置中的应用 陈怀龙 夏 太武 袁树海。 王 涛。 1 ．中国石 油 大学 华 东 2 ．中国石 油 西南 油气 田公 司天 然 气研 究 院 3 ．渤 海石 油装备 制造 有限公 司华 油钢 管公 司 摘 要 简要介绍了天然气处理装置应用安全完整性等级评估的必要性， 讨论 了安全完整性 评估的基本方法。选择风险图表法对 S I L评估的过程作 了详细的论述， 并形成 了一种针对风险 图 表 法的 S I I 评 估流程 。结合 生产 实例 ， 展 示 了安 全 完整 性 等级 评 估 的 过 程 与 结果 。 结果 显 示 根 据有针 对性 的建议 措施 可 以有效提 高装 置的安 全性和 可 靠性 。 关键词 安全完整性等级安全仪表 系统安全仪表功能 风险图表法 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 7 3 4 2 6 ． 2 O 1 0 ． 0 6 ． 0 2 0 天然 气处 理是指 天然气 通 过过 滤 、 脱烃 、脱硫 、 脱碳 、 脱水等工艺 ， 得到符合管输标准的商 品气口 ] ， 涉及有高温高压 、 易燃易爆的有毒介质等工艺过程 。 由于设计上可能存在不足和缺陷， 若装置建成投运 将会 导致在装 置 中存在 各种潜 在 的安全 隐患 。安全 仪表 系 统 S a f e t y I n s t r u me n t e d S y s t e m S I S 的 设 计 配 置 ， 是保 障装 置工艺 安全运 行 的重要 措施之 一 。 但由于设计本身的局限 ， 安全联锁控制方案 的配置 是 否合 理 ， 安 全完 整性 等 级 是 否符 合 相 关 的标 准 要 求 ， 是装置设计 品质的一项重要内容 。安全完整性 等级 S a f e t y I n t e g r i t y L e v e l S I L 评 估 是 目前 比较 有效 的专业评估方法 。本文从装置 的控制 系统出 发 ， 探讨 S I L评估 在天然 气处 理装 置 中的应用 。 过程 中 的 S I L等级 维 持设 计 初 衷 不变 ， 需 要 适 时 地 对其进行风险评估和检验。 按 照标 准 G B ／ T 2 0 4 3 8 2 0 0 6 I E C 6 1 5 0 8 的 要 求 ， 对 于 系统 中需 要作 重点 防护 的设备 或管 线 ， 可 以将其 划 分 为 相 互 独 立 的 受 保 护 设 备 E q u i p me n t Un d e r C o n t r o l ，E UC 。设 计 中会 为 这 些 E UC配 置 相应 的安全 防 护措 施 ， 即安 全 仪 表 系统 。而安 全 仪表系统的防护等级是否满足生产的工况条件和相 关标 准 的要 求 是 S I L评 估 的 目标 。评 估 过 程 一 般 分 为三个 阶段 ① 在 不 考 虑 安 全 防 护 措 施 的 前 提 下 ， 确定 E UC特征参 数所 需 的 S I L等级 ； ② 验证 现 有 S I S的 S I L等级 是否满 足 系统需 要 ； ③ 对 不能 满 足系统 需要 的 S I S ， 提 出整 改建议 和措 施 。 1安全 完整性等级 2安全 完整性等级评估方法 安全完整性等级是一组 离散性参数 ， 用来 描述 安全仪 表 系 统 中 安 全仪 表 功 能 S a f e t y I n s t r u me n t e d F u n c t i o n S I F 的 安 全 完 整 性 等 级 ， 共 设 置 有 S I L 1 ～4级 ， 其中 S I L 最高 ， S I L 1 最低 ] 。S I L等 级越高 ， 相应的安全防护系统可靠性也越高。但高 可靠性的安全防护系统往往会带来更多 的软、 硬件 投 资 。此外 ， 随着 安全 仪表 系统服 役时 间 的加 长 ， 系 统硬 件 的可 靠性 也会 随之 下 降 ， 要 保证 系 统 在使 用 2 ． 1确定 S I L等级的方法 确定 E UC参数控 制的 S I L等级 ， 首先需要考 虑在没有配置任何 S I S的情况下 ， 产生安全事故 的 可能性和 由此造成人员、 环境、 经济方面的损害或损 失 ， 然后根据损害或损失程度 ， 依据相关标准和可接 受风 险准 则 确 定 参 数 控 制 所 需 的 S I L等 级 。确定 S I L等级的方法有 很多 ， 标准 GB ／ T 2 0 4 3 8 2 0 0 6 I EC6 1 5 0 8 、 GB／ T 2 l 1 0 9 2 0 0 7 I E C6 1 5 1 1 [ ] 规 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第3 【 卷 第6 期 安全完整性等级在天然气处理装置中的应用 定有 定量风险评估、 风险图表法 定性 、 修正风险 图表法 半 定性 、 风 险矩 阵法 定 性 、 安 全 保护层 矩 阵法 定性 、 保护层分 析 半定量 等方法 。文献 I- 5 ] 、 [ 6 ] 和[ 7 ] 就 S I L在不 同环境下 的应用情况进 行 了分 析 ， 并 对 S I L评 估 方 法 进 行 了 讨 论 ， 文 中 涉 及有风 险矩 阵法 、 风 险 图表 法 、 保 护 层 分 析 法等 ， 文 献E 8 ] 论述 了风险图表法在天然气场站 中的应用 。 实际上 ， 定量／ 半定量的评估方法计算量非常大 ， 而 且还 受 收集相 关数 据 的 准 确性 和 完 整性 的影 响 ， 应 用 得并 不是很 广泛 。风 险图表 法作 为一种 定性 的分 析 方法 ， 受 收集 资 料 的 限 制 比较 小 ， 可 以快 速 确 定 E UC的 S I I 等级 ， 因 而 应 用得 非 常广 泛 ， 本 文 对 风 险 图表法 在天 然气处 理装 置上 的应 用进行 了探讨 。 2 ． 2用风险图表法确定 S I I 等级 根据标 准 GB ／ T 2 0 4 3 8 ． 5 2 0 0 6 ] ， 确定人 员 损害 后果 的相 关 参 数 见 表 1 。此 外 ， 在 确 定 系 统 所 需 的 S I I 等级 时 ， 还 须考 虑环境 、 经 济 的损失 程度 。 参 数 分 类 后果 c 按 照人 员的伤亡数确定 区域 内对暴露人员造成 的 危 害 c 对人员造成微小伤害 C 。 对一人或多人造成严重永久伤害 ， 死亡一人 C s 几 人 死 亡 C 多 人 死亡 F 在危害区域中的频率和暴露时间 F - 很少 至较 多暴露在危险 区域 F 经常 至永久暴露在危险 区域 P 避开危害事件的概率 P 。 在一定条件下可能 P 几乎不可能 w 不期望事件的发生概率 wt 发生意外事件的概率非常小且只有很 少事 件发生 w 发生意外事件的概 率小 且只有少 量事件发生 ws 发生意外事件的概率相对高且频 繁发生事 件 相应的风险图如图 1所示。 再 根 据 标 准 G B ／ T 2 0 4 3 8 ． 5 2 0 0 6和 GB ／ T 2 1 1 0 9 ． 3 2 0 0 7 l 1 。 。 中规定 的等级对应表 ， 即可确定 对应的 S I I 等级 ， 如图 2所示 。 根据评估对象的实 际情况， 按 表 1选出相关参 数 ， 对比图 1 、 图 2 ， 可得到系统所需的风险等级 。 W 3 b J d f 曼 ． h 图1 风险图 W 一 连布安拿岳求 ⋯ 一 T没有特殊安拿要求 s I L 1 b 风险 区域 1 I L 1 低风险 ’ s I ； - _ l g --E ／ E ／ P E S R S m／ k 图2 风险等级 划分图 2 ． 3 S I I 评估 流程 不 同的评估 方 法 ， 执 行 的 S I I 评 估 流程 都 会有 些差 别 ， 而 流程 上 的差别 ， 在某 种程度 上也 决定 了该 种方 法 的优 势 和不足 。综 合上 述文献 所描述 的 分析 方法 ， 笔 者结 合 从 事 S I I 评 估 的经 验 ， 提 出 了 基 于 风 险图表 法 的 S I I 评 估 流 程 。如 图 3所示 ， S I I 评 估流程包含了 S I I 评估的三个阶段 ， 为尽可能找 出 装置中不能满足要求的 S I S ． 降低或消除潜 在危险 提 供 了一种 更好 的方 法 。 3 S I I 在某天然气处理 装置上0 1应用 3 ． 1 某 天然 气处 理装置 概述 某天 然 气地 面工 程 系统 ． 下设 第一 处 理 厂 和第 二处 理厂 ， 处理 的天 然气 主要来 源 于西集气 干线 、 东 集气 干线 等 。尽 管 该 系统 的工 艺 流 程不 很 复 杂 ， 但 要求装 置 长期 连续 运 行 。一 旦 发 生 大 型事 故 ， 其 政 治经 济影 响涉及 面宽 、 影 响范 围广 、 损 失严重 。现 以 第 一处 理 厂的 T E G 吸收塔 为例 。 第一 处理 厂 DCS Di s t r i b u t e d C o n t r o l S y s t e m 集散型控制系统 采用了 Ho n e y we l l 公司的 P KS系 统 ， E S D E me r g e n c y S h u t D o wn 紧急 停车 系统采 用 了该 公 司 的 F S C 系 统 ， F S C 系 统 具 备 的 功 能 1 0 0 2 D、 2 0 0 4 D 可满 足 AK 级 及 S I I 级要 求[ 1 ’ 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石油与天然气化工 CHEMI CAL ENGINEERI NG OF OIL GAS 开 始 收集工艺＆ 仪表 流程 图、S I S 因果 关系图 是 确定评估范 围和 目标 分析设计 意图 二二]二二二 I 划分E U C 二二]二 选择 第一个E U C 所有E U C 都分析 了吗 识别相关的参数 所有的参数都分析 了吗 否 是 I 1 分析安全事故产生的后果人 苓 l 笪 主 堕 塑 冬 堕 釜 是 确定该控制参数所需的S I L 等级 分析现有s I S 系统 分析与受保护单元相 关6 ／ B P C S 、 系统报警 ，人工操作等 现 有的S I s 满足所需 的s I L 等级 交 S署 墨 羞 茎 茎 羹 莲 翥 足 制 器 IL 等 级 l I 盟 盎 鲍 』 釜 丛 蓊 一 一 否I 五 面 』统搬婺 人工操 作等 I 丝 查 l 图3 S I L 评估流程图 如图 4所示， 受控工艺介质为油 水混合 物， 从 9 ． 5 MP a操 作 压 力 下 通 过 I VO 1调 节 阀 限 流 降 至 0 ． 6 MP a ， 然 后进 入 T E G 加 热 再 生 的低 压系 统 ， 工 艺介质压降达 8 ． 9 MP a 。从工艺 操作安全方面考 虑 ， 不 允许 9 ． 5 MP a工 艺介质 失控 泄入 设计 压力 为 】 ． 6 MP a的低压系统 ， 否则会造成低压系统 的设备 或 管线严 重 超 压 发 生 爆 裂 ， 引 发 严 重 的安 全 事 故 。 因此 T E G吸收塔的低低液位成为一个重要的控制 参 数 ， 需要 加强 其控制 系统 的安 全性 。 3 ． 2安全完整性等级评估过程 3 ． 2 ． 1砌 定参 数控制 所； t } f l J S l I 等级 确 定参数 控 制 所 需 的 S I I 等级 需 要 从 三 个 方 面来评估 ， 即 人员 、 环境 、 经济 。 脱 囱 图 水 吸 ．j} 收 塔 G w 图4 T E G 吸收塔液位 控制 回路 图 表 1列 出了 事故 发 生后 人 员损 害 的 评估 参 数 。 由 C 按照人 员 的 伤 亡数 确定 区 域 内对 暴 露 人员 造 成的危 害 、 F 在 危害 区域 中的频 率 和暴 露 时间 、 P 避开 危害 事 件 的概 率 、 W 不 期 望 事 件 的发 生 概 率 组 成 。从 后果 最严 重 的角度 出发 ， 根 据该处 理装 置的规 模 和 实 际 情 况 ， 可 确 定 这 几 个 参 数 为 C 。 、 F 、 P 、 W 。按照 图 1 、 图 2 ， 可得 到脱水 塔 液位 控制 所需 的安 全完 整性等 级 为 S I I 。 对环 境造 成 的损 害 主要从 工艺介 质泄 露所造 成 的危害作 定性 描述 ， 对 经 济 的损 失 程 度 主要 参 照 装 置分 别在 4 h 、 8 h和 2 4 h产生 的经济 效益 来划 分其 影响等级 。对 TE G 吸收塔 而言 ， 可确定在事故发 生后 ， 环境 、 经济方 面 所需要 的 防护措施 为 S I L 。 按 照选 择控制 参 数所需 安全 完整性 等级最 高 的 原则 ， 可确 定 T E G 吸 收 塔 低 低 液 位 控 制 所 需 的安 全完 整性等 级 为 S I L 。 。 { ． 2 ． 2验 证现 仃 S I S系统的 s I 1 等 级 T E G吸 收塔 液 位的现 有控 制 措施 见 表 2 ， 设置 有 低液位 、 低低 液 位 报 警 和 两道 保 护 措施 。假 设 仪 表 、 控制 系统 的检 修 周 期 为一 年 ， 应 用 风 险 图表 法 ， 可 得到该 液位 联锁控 制 回路 的 S I I 等 级见 表 3 。 序号 触发器 控制器 执行机 构 控制类 型 1 L T 0 1 D C S I ． VO 1 基本控制 2 L T0 2 ES D S DV0 1 联 锁控 制 在仪 表 控制 系 统 的检 修 周期 内 ， 联 锁控 制 回路 的 S I L等级 变化趋 势如 图 5 所 示 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第3 9巷第6 期 安全完整性等级在天然气处理装置中的应用 触发器 控制器 执行器 系统 逻辑关系P F D 等级 逻辑关系P F D 等级 逻辑关 系P F D 等级P F D 现有等级所需等级 1选 1 8 ． 0 8 E--0 4 S I I 3 1选 1 5 ． 5 2 E一 0 4 S I L 3 1选 1 1 ． 6 1 E一 0 3 S I Lz 2 ． 9 7 E--0 3 S I I ， 2 S I L 时间 ，h 图5 S I L 等级变化趋势图 3 ． 3提高 S I I 等级的控制措施 从 表 3可 以看 出 ， 原 有 S I S防护 措 施 的 安 全 等 级 S I I 达 不到 系统 所需 的 S I I 。 等 级 ， 从 验 证 的 具 体项 目来 看 ， 主要 是 执 行 机 构 的 S I I 等 级 不 够 高， 此外， 触发器 的平均失效 概率 P F D 虽然达到 S I L ， 但 P F D仍 然 比较 高 ， 对 系统 的 S I L等 级 影 响 较大 。要 提高该 控制 回路 的 S I I 等级 ， 需 从提 高 液 位检 测与 执 行 机 构 的 S I I 等 级 出发 。最 简 单的 方 式可 分 2步 1 提高触 发器 的 S I I 等级 。两 路 液位 检测 供 控制系统实现 2 选 1 ． 作 为切断阀 S D V0 1的控制信 号 。且 两 只液位 变送 器 的供 电都 采用 S I S系统 的专 用 电源 。验 证 、 计算 的 S I I 等级 如表 4 所示 。 2 提 高执 行 器 的 S I I 等级 。将 调 节 阀 I V0 1 纳 入联 锁 控 制 ， 与切 断 阀 S D V0 1形 成 2选 1的关 系 。验证 、 计算 的 S I I 等级 如表 4所示 。 触 发 器 逻辑关 系P F D 2选 1 1 ． 7 O EO 5 控 制 器 等级 逻辑关 系P F D S I I 4 1选 1 5 ． 5 2 EO 4 执行器 系统 等级逻辑关 系P F D 等级P F D 现有等级 所需等级 S I L 3 2选 1 4 ． 9 7 E一 0 5 S I I 6 ． 1 9 E一0 4 S I I 3 S I I 3 通 过 1 、 2 的改进 和 完善 ， 得 到联 锁控 制 回路 的 S I I 等 级 变化趋 势如 图 6 所 示 。 时间，h 图6 改进后的s I L 等级变化趋势 图 一l结论- 5建议 1 根 据 S I L评 估 过 程 提 出 的 建议 措 施 ， 经 过 适当的控制方案改造 ， 将原来’ S I S的安全完整性等 级 S I L 提高 到 了 满 足系 统工 况 条 件 和相 关 标准 要 求 的 S I L 3 ； 2 针 对天然 气处 理装 置 ， 应用 S I I 评 估 ， 可 以 准确 识别 出 S I S的安 全完 整性 等级 中哪个 环节存 在 缺 陷 ， 并 有针对 性地 提 出技改 和完 善措施 ； 3 天然 气处 理装 置 中的安 全 仪表 系统 随着 服 役 时间 的加长 ， 其可 靠性 也会 随之下 降 ， 即安全 完整 性等 级下 降 。为保 证 装 置 在 寿 命 周 期 内 的 安 全 可 靠 ， 有 必 要对 装 置 的 S I S系统 进 行定 期 的 安 全完 整 性 等级评 估 和检验 。 参 考 文 献 l朱利凯．天然气处理与加工．北 京 石油工业 出版社．1 9 9 7 ． 5 3 4 2 GB ／ T 2 0 4 3 8 ． 4 2 0 0 6 ／ I E C 6 1 5 0 8 4 1 9 9 8 ．电气／ 电子／ 可编程 电 子安全系统的功能安全．第 4部分 定 义和缩略语[ S ] ．中 国国家 标准汇编． 中 国标准出版社．2 0 0 7 ． 0 7 6 1 7 6 3 1 3 I EC61 5 0 8 ． Fu n c t i o n a l S a f e t y o f El e c t r i c a l ／ El e c t r o n i c ／ Pr o g r a m m a bl e El e c t r o n i c S a f e t y r e l a t e d S y s t e ms ． I n t e r n a t i o n a l E l e c t r o t e c h n i c a l C o mmi s s i o n C S ]Ge n e v a ， S wi t z e r l a n d 下转 第 1l 7页 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第3 9 卷第6 期 油田次生硫化氢治理技术研究及应用 3结果讨论 1 现 场 数 据 表 明 在 合 理 投 加 量 的 情 况 下 ， S B A一0 1杀菌 剂 可 以有 效 控 制 原 油 处 理 系统 的 硫 化 氢浓度 。 2 系 统 中产 生 的高浓 度硫 化氢 是 一个 渐 变 和 富集 的过 程 ， 在 药剂 加 量 调 整期 间 ， 应 采 取 “ 平 稳 过 渡 ” 的方式 ， 并延 长药 剂浓 度 的考察期 。特别是 低加 药量 的情 况 下 ， 更 应 如 此 ， 确 保 试 验 结 果 的 准 确 有 效 ， 并 防止 硫化 氢上 升过快 ， 给 生产带 来安 全 隐患 。 3 S B AO l 杀 菌剂 是一 种多组 分 的复合 型产 品 ， 通 过多 组分 的协 同作 用有 效 抑 制 硫 酸盐 还 原 菌 S R B 的代谢 ， 从 源头上 减少 硫化 氢 的生 成量 ， 兼 有 一 定 的脱 硫 作 用 。为 了确 保 该 产 品性 能 的 良好 发 挥 ， 该产 品严 禁与 强 氧化 性 和 强 碱 性 药剂 接 触 或 混 合 使用 。 4结 论 1 现场试 验 证 明 以非 氧 化 型 杀 菌 剂 、 脱 硫 剂 和强 化助 剂 为 主要 成 分 的 S B A一0 1杀 菌剂 对 于控 制石南 2 l 集 中处 理 站 原 油处 理 系 统 的硫 化 氢 是 切 实有效 的 ， 达到 了治 理 硫 化氢 的 目的 ， 同时 ， 对 破 乳 脱 水无 不 良影 响 ， 具有 良好 配伍性 能 。 2 在 目前 的生 产 条 件 下 ， S B A一0 1杀 菌 剂 在 石南 2 1集中处理站的安全投加量应在 2 0 0 k g ／ d以 上 ， 推荐 合 理加 量 为 2 5 0 k g ／ d ， 这 种 情 况下 ， 可 确保 系 统硫化 氢浓 度控 制在安 全 范 围内并处 于较低 的浓 度值 。 3 目前 生产 状 况 下 ， S B A一0 1杀 菌 剂 的合 理 加量 为 2 5 0 k g ／ d ， 但 是 药 剂 的加 量 不 是 一 成 不 变 的 ， 现 场技 术人 员应 根据 系统 的实 际运行状 况 ， 动态 调整 药剂 的加量 ， 以在 保 证 安全 生 产 的 前提 下 达 到 有效控 制 生产成 本 的 目的 。 4 系 统 中产 生 的淤 泥是 硫 酸 盐 还原 菌 良好 的 庇 护所 ， 有 条件 的话 ， 建 议现 场加 强对 一段沉 降罐 和 污水罐底 部 污泥 的定 期 清 理 ， 可 以在一 定 程 度 上 提 高杀菌 剂控 制硫化 氢 的效果 。 5 除了合 适 的 温度 、 充 足 的 S O 。 一 及 营养 源 外 ， 时 间是影 响 硫 酸盐 还 原 菌 代谢 产 物一硫 化 氢 浓度的关键因素之一。目前 ， 石南 2 1集中处理站的 来液 含水 上升 ， 污水 的停 留时 间相对 缩短 ， 可 以在一 定程度上减少单位污水量生成 的硫化氢量 ， 但污水 量 的增 加 ， 又增加 了硫 化氢 的总 生成量 ， 最终 的硫 化 氢 浓度 应是 这两 种 因素 共 同作 用 的结 果 ， 处 理 站应 注 意这 种变 化 。 收稿E 1 期 2 o 1 o 0 4 1 1 ； 收修改稿 2 0 1 0 0 5 2 0 ； 编辑 冯学军 上接 第 5 4 l页 4 I EC6 1 5 1 1， Fu n c t i o n a l S a f e t yS a f e t y I n s t r ume n t e d S y s t e ms f o r t h e P r o c e s s I n d u s t r y S e c t o r [ s ] ，I n t e r n a t i o n a l E l e c t r o t e c h n i e a l C o rn m i s s i o n，Ge n e v a，Swit z e r l a n d 5鲁晓玲．安全仪表系统的功能安全评估研究．硕士学位论 文 ， 首都 经济贸易大学．2 0 0 8 ， 3 2 5 4 5 6姜荣 怀．安 全仪 表 功能 的设 计 和 S I I 的确认．中 国仪 器仪 表 ， 2 0 0 9， 5 4 4 4 8 7郭海涛 ， 阳宪惠．一种安全仪表系统 S I L分配的定量方 法．仪器仪 表 ，2 0 0 6 ， 3 3 5 6 5 6 7 8温 庆 ， 李 军．场站安全完整性 管理探讨．天然气 勘探与开 发， 2 0 0 8， 3 1 3 7 57 8 9 GB ／ T 2 0 4 3 8 ． 5 2 0 0 6 ／ I E C 6 1 5 0 8 5 1 9 9 8 ．电气／ 电子／ 可编程电 子安全系统的功能安 全．第 5部分 确定安 全完 整性等级 的方 法 示例[ s ] ．中国国家标准 汇编． 中国标 准 出版社．2 0 0 7 ， 0 7 6 5 0 6 5 2 1 0 GB ／ T 2 1 1 0 9 ． 3 2 0 0 7 ／ I E C 6 1 5 1 1 3 2 0 0 3 ．过程 工业领 域安 全 仪表系统的功能安全 第 3部分 确定要求 的安全完整性等级的指 南 [ S ] ．2 0 0 7 ， 1 2 2 6 2 9 1 1 S H／ T 3 0 1 8 2 0 0 3 ． 石油化工安全仪 表系统设 汁规范．2 0 0 4 ． 7 作 者 简 介 陈怀龙 男， 1 9 6 9 年生， 高级工程师， 毕业于长江大学石油地 质专业 ， 在 中国石油大学 华东 攻读硕士 ， 现任阿姆河天然气公司天 然气事业部常务副主任 。 收稿 日 期 2 0 1 0 0 9 2 0 ； 收修改稿 2 o l o 一1 o 一1 5 ； 编辑 冯学军 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m