油氣井場(chǎng)、站庫設(shè)備檢維修風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警研究

柯振雄 梁 偉冒亞明 易文斌

（1.中國石油大學(xué)（北京）機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院 北京 2.中國石油安全環(huán)保技術(shù)研究院 北京）

一、前言

隨著我國對(duì)于油氣資源需求的不斷增長，國內(nèi)油氣田企業(yè)進(jìn)入快速發(fā)展階段。油氣井場(chǎng)、站庫相關(guān)設(shè)備的作用在油氣田企業(yè)中發(fā)揮著無可替代的重要作用，已直接影響油氣田的規(guī)劃、建設(shè)、生產(chǎn)和安全管理。但由于建設(shè)和運(yùn)行中的設(shè)施、技術(shù)、歷史等問題，導(dǎo)致油氣井場(chǎng)、站庫的相關(guān)設(shè)備在生產(chǎn)運(yùn)行過程中存在諸多因故障引起的停機(jī)風(fēng)險(xiǎn)和安全隱患，往往會(huì)直接或間接導(dǎo)致油氣田企業(yè)重大事故發(fā)生。因此，在企業(yè)的設(shè)備安全管理中，檢維修風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警的研究越來越受到重視。不但有助于實(shí)現(xiàn)企業(yè)安全生產(chǎn)的目標(biāo)，也是社會(huì)公共安全的有利保障。

二、典型油氣田企業(yè)設(shè)備檢維修管理現(xiàn)狀

（1）典型企業(yè)1。主要是開發(fā)生產(chǎn)組分含H2S、CO2的天然氣，作業(yè)區(qū)氣藏在建或已建站場(chǎng)（井站、集氣站和閥室等）均按無人值守站進(jìn)行設(shè)計(jì)。主要生產(chǎn)設(shè)備有采氣樹、氣液分離器、注水泵、加注泵、壓縮機(jī)、放空分液閥、重力分離器、再生塔頂回流罐、產(chǎn)品氣分離器、高壓放空分離器等。設(shè)備的檢維修管理主要是通過紙質(zhì)記錄單位、作業(yè)區(qū)、設(shè)備設(shè)施機(jī)組的型號(hào)編號(hào)、設(shè)備故障發(fā)生時(shí)間、故障的累計(jì)時(shí)間、故障部位、故障原因、故障原因分析、故障處理方案、施工單位、零部件消耗清單、零部件消耗費(fèi)用、歷年累計(jì)故障次數(shù)、備注等數(shù)據(jù)，并保存。未實(shí)現(xiàn)檢維修預(yù)警管理水平。

（2）典型企業(yè)2。主要以油田開發(fā)生產(chǎn)為主，生產(chǎn)運(yùn)行設(shè)備主要有抽油機(jī)、輸油泵、注水泵、油液分離器、壓縮機(jī)、加熱爐、鍋爐、鍋爐附件與儀表、燃燒器、換熱器、油田特種車輛等。設(shè)備檢修管理是經(jīng)常性保養(yǎng)（有紙質(zhì)記錄），設(shè)備巡檢大多靠工人的經(jīng)驗(yàn)。聯(lián)合站對(duì)職責(zé)范圍內(nèi)的所有設(shè)備均有完整的設(shè)備檔案，例如，完整地記錄了設(shè)備的技術(shù)規(guī)范、運(yùn)轉(zhuǎn)記錄、保修記錄、事故記錄等。設(shè)備保養(yǎng)主要是一保、二保、三保和大修，且對(duì)各個(gè)保養(yǎng)階段的運(yùn)行時(shí)間都有明確的規(guī)定。

（3）典型企業(yè)3。是以兼合開發(fā)的企業(yè)，并生產(chǎn)油、氣兩大能源，是油氣田企業(yè)的典型代表。主要有抽油機(jī)、采氣樹、輸油泵、加熱爐、壓縮機(jī)、放空閥等生產(chǎn)設(shè)備。監(jiān)測(cè)重點(diǎn)是設(shè)備運(yùn)行時(shí)的油、氣泄漏等。

為進(jìn)一步加強(qiáng)和規(guī)范分公司設(shè)備維修和技術(shù)改造工作，結(jié)合實(shí)際情況制定了《**公司設(shè)備修理和技術(shù)改造管理規(guī)定》，明確規(guī)定了設(shè)備修保體制、設(shè)備保修期限及大修周期、設(shè)備維修實(shí)施計(jì)劃管理等相關(guān)制度。因無法實(shí)現(xiàn)預(yù)警管理，所以只能對(duì)失效設(shè)備進(jìn)行及時(shí)維修與更換。設(shè)備的維護(hù)周期仍由作業(yè)區(qū)相關(guān)人員的專門維護(hù)，并安排專人定期進(jìn)行設(shè)備維護(hù)工作提醒。設(shè)備的檢修時(shí)間及檢修頻率主要是根據(jù)企業(yè)的硬性規(guī)定及檢維修工的經(jīng)驗(yàn)。未實(shí)現(xiàn)預(yù)警系統(tǒng)對(duì)檢修時(shí)間的科學(xué)管理和提醒。

三、設(shè)備檢維修預(yù)警概念及方法

設(shè)備檢維修預(yù)警是以消除安全隱患，降低設(shè)備故障率，提高經(jīng)濟(jì)效益為目的。主要是圍繞油氣站庫、井場(chǎng)主要關(guān)鍵設(shè)備的維檢修前或過程中可能遇到的風(fēng)險(xiǎn)，而開展的信息提醒和提示的方法。依據(jù)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，3個(gè)油氣田公司對(duì)于設(shè)備的維檢修預(yù)警重點(diǎn)，都是采用巡檢、維保和定期校驗(yàn)等方式來保證設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)的，且現(xiàn)有的檢維修過程采用的還是人工紙質(zhì)記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，并以人工的方式來實(shí)現(xiàn)相關(guān)提醒的，還未達(dá)到自動(dòng)預(yù)警的水平。為此，設(shè)備維檢修預(yù)警的研究工作，主要圍繞現(xiàn)有的管理方法或規(guī)定來展開的，主要包括設(shè)備檢修預(yù)警與設(shè)備維修預(yù)警。

1.設(shè)備檢修預(yù)警

設(shè)備檢修預(yù)警主要是對(duì)設(shè)備在生產(chǎn)過程中，使其達(dá)到預(yù)先設(shè)定的定期檢測(cè)時(shí)間和保養(yǎng)維修計(jì)劃所做的預(yù)警，以及在檢修過程中的不安全行為和不安全狀態(tài)所做的提醒。主要包括以下工作。

（1）基于時(shí)間與風(fēng)險(xiǎn)的定期檢測(cè)計(jì)劃提醒。主要是根據(jù)設(shè)備使用時(shí)間、設(shè)備故障概率、導(dǎo)致的后果以及國家法律法規(guī)要求等，來制定檢測(cè)（或監(jiān)測(cè)）計(jì)劃，嚴(yán)格履行所確定的檢測(cè)時(shí)間點(diǎn)，并對(duì)已達(dá)到檢修時(shí)間及未檢測(cè)行為進(jìn)行警示預(yù)警。

基礎(chǔ)條件分析及其數(shù)據(jù)來源。3家典型企業(yè)在設(shè)備檢維修管理上，主要以紙質(zhì)記錄設(shè)備的檢修時(shí)間、故障部位與時(shí)間、故障出現(xiàn)時(shí)機(jī)組的累計(jì)運(yùn)行時(shí)間等。本文提出的基于時(shí)間與風(fēng)險(xiǎn)為基礎(chǔ)的定期檢測(cè)計(jì)劃提醒的方法，主要是針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)維修紙質(zhì)記錄數(shù)據(jù)等，錄入計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫用于統(tǒng)計(jì)分析，并設(shè)定相應(yīng)故障率或時(shí)間閾值，當(dāng)設(shè)備的故障率或連續(xù)運(yùn)行時(shí)間達(dá)到所設(shè)定閾值時(shí)，就要進(jìn)行檢修的預(yù)警提醒。

數(shù)據(jù)處理與預(yù)警模型分析。由于傳統(tǒng)的設(shè)備檢修時(shí)間是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢維修工人的經(jīng)驗(yàn)以及固定的時(shí)間點(diǎn)來進(jìn)行的，但在現(xiàn)實(shí)中設(shè)備故障的發(fā)生周期會(huì)隨著部件性能的變化而變化，會(huì)受到運(yùn)行時(shí)間、自身老化、磨損、運(yùn)行環(huán)境等因素影響。所以，需要采取有效的檢修方式用以削弱部件故障率的增長。

傳統(tǒng)的檢修模型主要將檢修預(yù)警級(jí)別分為A、B、C三個(gè)等級(jí)，其中A級(jí)檢修需要將設(shè)備部分或全部拆開檢查，一般是設(shè)備存在嚴(yán)重問題或無法運(yùn)行時(shí)而進(jìn)行的，檢修周期較長。B級(jí)檢修是根據(jù)設(shè)備的磨損及老化規(guī)律等因素，有重點(diǎn)的進(jìn)行檢查、修理、清掃和少量零件更換。C級(jí)是在設(shè)備總體運(yùn)行良好，只對(duì)其附屬系統(tǒng)進(jìn)行消缺檢修。例如，根據(jù)某企業(yè)設(shè)備的相關(guān)原件的檢修時(shí)間參照，其現(xiàn)有檢修時(shí)間范圍見表1。

表1 某設(shè)備相關(guān)原件的現(xiàn)有檢修時(shí)間

以時(shí)變故障率模型的預(yù)警模型的設(shè)備檢修計(jì)劃，是根據(jù)設(shè)備相關(guān)原件運(yùn)行過程中的故障率等級(jí)劃分的。為了描述實(shí)際原件在運(yùn)行期間受到老化磨損等因素的影響，故障率隨時(shí)間具有增長效應(yīng)，在研究過程中，采用β1=1的二重威布爾函數(shù)來描述原件故障率隨時(shí)間增長的規(guī)律，由常數(shù)部分和時(shí)變組成，見公式（1）。式中αi，βi——表示i重威布爾分布的尺度常數(shù)和形狀常數(shù)。

考慮檢修時(shí)，設(shè)三級(jí)檢修能使原件“修復(fù)如新”并恢復(fù)故障前的狀態(tài)，由此預(yù)警系統(tǒng)可根據(jù)對(duì)應(yīng)達(dá)到所設(shè)定各個(gè)故障概率相應(yīng)的預(yù)警指標(biāo)來實(shí)現(xiàn)預(yù)警。根據(jù)故障率大小矯正各項(xiàng)預(yù)警級(jí)別，見表 2。

表2 某設(shè)備相關(guān)原件矯正后的預(yù)警指標(biāo)

（2）實(shí)施方式與條件。結(jié)合井場(chǎng)、站庫現(xiàn)有的設(shè)備狀況，依據(jù)一保、二保、三保及整修的規(guī)定與要求，設(shè)定基礎(chǔ)的時(shí)間要求，通過信息系統(tǒng)錄入相關(guān)維保時(shí)間，實(shí)現(xiàn)未保養(yǎng)設(shè)備的及時(shí)警示提醒。

基礎(chǔ)條件與數(shù)據(jù)來源。在前期調(diào)研基礎(chǔ)上，得到設(shè)備各階段的保養(yǎng)計(jì)劃（一保、二保、三保及整修）的時(shí)間要求（表3）。

（3）保養(yǎng)計(jì)劃提醒的實(shí)現(xiàn)方式。在得到以上數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，將數(shù)據(jù)錄入統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫，并設(shè)定相關(guān)保養(yǎng)計(jì)劃預(yù)警指標(biāo)，設(shè)備保養(yǎng)計(jì)劃預(yù)警指標(biāo)即為各項(xiàng)設(shè)備保養(yǎng)時(shí)間點(diǎn)，當(dāng)設(shè)備連續(xù)生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)間達(dá)到設(shè)定的各時(shí)間點(diǎn)時(shí)，就會(huì)對(duì)未保養(yǎng)行為進(jìn)行信號(hào)提醒，并將保養(yǎng)結(jié)果統(tǒng)一記錄于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，最后根據(jù)規(guī)定重新復(fù)位，進(jìn)入下一個(gè)保養(yǎng)周期。

表3 典型氣田開發(fā)單位部分設(shè)備保養(yǎng)計(jì)劃各個(gè)保養(yǎng)段的相應(yīng)時(shí)間點(diǎn)

（4）檢修期間危險(xiǎn)有害因素的提醒。根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)設(shè)備檢修期間可能造成檢修人員傷害或其他財(cái)產(chǎn)損失的檢修有害因素等，進(jìn)行預(yù)先提醒預(yù)警。

預(yù)警實(shí)現(xiàn)方式。在前期調(diào)研時(shí)發(fā)現(xiàn)，檢修期間的危險(xiǎn)因素主要是人員誤操作、違章操作、防護(hù)設(shè)施缺失、作業(yè)環(huán)境不良等。見表4。

2.設(shè)備維修預(yù)警

設(shè)備維修預(yù)警是在設(shè)備生產(chǎn)運(yùn)行過程中，利用相關(guān)監(jiān)測(cè)設(shè)備對(duì)設(shè)備及其零部件發(fā)生的故障進(jìn)行信號(hào)提醒或?qū)τ锌赡馨l(fā)生的故障進(jìn)行早期預(yù)報(bào)，主要有以下工作。

（1）基于在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)設(shè)備監(jiān)測(cè)及維修預(yù)警。利用監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)井場(chǎng)、站庫相關(guān)設(shè)備進(jìn)行信號(hào)數(shù)據(jù)（如振動(dòng)、聲學(xué)、壓力、油樣分析等）采集，并對(duì)所收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，設(shè)定設(shè)備的早期故障維修預(yù)警。

基礎(chǔ)分析與數(shù)據(jù)來源。在井場(chǎng)、站庫設(shè)備機(jī)組的生產(chǎn)運(yùn)行過程中，可在機(jī)組上建立在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用以監(jiān)測(cè)常見故障部位的多個(gè)指標(biāo)，如壓力、振動(dòng)、溫度等。當(dāng)機(jī)組某些原件將要發(fā)生故障或已經(jīng)發(fā)生故障時(shí)，可通過機(jī)組振動(dòng)信號(hào)分析及其他一些性能參數(shù)，推斷出機(jī)組故障原因及類型。在通過設(shè)定相關(guān)信號(hào)信息的閾值，并對(duì)某些信號(hào)觸及相應(yīng)閾值做出預(yù)警，從而避免或降低機(jī)組原件的失效。現(xiàn)以注水泵的轉(zhuǎn)子不對(duì)中故障為例，介紹基于傅里葉變換的診斷方法的信號(hào)處理診斷方法。通過對(duì)故障分析發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)子不對(duì)中是特征頻的2倍，常伴頻的1倍或3倍。

數(shù)據(jù)分析與預(yù)警實(shí)現(xiàn)方式。通過分析在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集的振動(dòng)信號(hào)，如果是正常狀態(tài)下轉(zhuǎn)子振動(dòng)的頻譜圖，特征頻率為2倍頻是轉(zhuǎn)子不對(duì)中的特征頻，可以看出正常狀態(tài)的特征基頻為200 Hz，幅值為0.1 m/s2；如果是轉(zhuǎn)子不對(duì)中所致的故障，與轉(zhuǎn)子正常狀態(tài)相比，幅值會(huì)顯著增大，可接近1.4 m/s2，超過正常狀態(tài)下幅值的10倍。所以，可通過分析在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集的振動(dòng)信號(hào)，并在2倍頻處設(shè)定相關(guān)閾值，當(dāng)采集的振動(dòng)信號(hào)在2倍頻時(shí)即達(dá)到設(shè)定閾值，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)轉(zhuǎn)子不對(duì)中的預(yù)警。

（2）設(shè)備維修期間危險(xiǎn)有害因素的提醒。與檢修期危險(xiǎn)有害因素的提醒類似，都是根據(jù)實(shí)際情況對(duì)維修期間可能造成人員傷害或其他財(cái)產(chǎn)損失的有害因素進(jìn)行早期提醒預(yù)警。

預(yù)警的實(shí)現(xiàn)。根據(jù)調(diào)研井場(chǎng)、站庫檢修期間危險(xiǎn)有害因素主要存在于人員誤操作、違章指揮、防護(hù)設(shè)施缺失、作業(yè)環(huán)境不良等，見表5。

四、結(jié)論

通過研究設(shè)備檢修預(yù)警與設(shè)備維修預(yù)警，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備生產(chǎn)運(yùn)行過程安全、可靠的有效管理。在設(shè)備檢修預(yù)警中，著重引入以故障率劃定檢修時(shí)間的概念，并應(yīng)用相應(yīng)系統(tǒng)綜合管理設(shè)備的保養(yǎng)過程及檢修中的危險(xiǎn)因素等，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備檢修期間危險(xiǎn)有害因素的預(yù)警提醒；在設(shè)備維修預(yù)警研究過程中，重點(diǎn)增加了基于在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)設(shè)備的監(jiān)測(cè)及維修預(yù)警的方法，通過對(duì)相關(guān)原件增加在線檢測(cè)系統(tǒng)，跟蹤故障趨勢(shì)與故障類型，同時(shí)通過分析各種危害因素實(shí)現(xiàn)了維修期間有害因素的預(yù)警提醒。在油氣田企業(yè)的設(shè)備檢維修工作中，不但要做到全面管理和以科學(xué)的手段分析檢維修風(fēng)險(xiǎn)的來源，還要在機(jī)制和方案的保證下，實(shí)現(xiàn)設(shè)備檢維修的實(shí)質(zhì)性安全和風(fēng)險(xiǎn)控制。

表4 檢修期間危險(xiǎn)有害因素分析及對(duì)應(yīng)可實(shí)現(xiàn)預(yù)警的方式

表5 維修期間危險(xiǎn)有害因素分析及對(duì)應(yīng)可實(shí)現(xiàn)預(yù)警的方式