油气井场、站库设备检维修风险预警研究

柯振雄 梁 伟冒亚明 易文斌

（1.中国石油大学（北京）机械与储运工程学院 北京 2.中国石油安全环保技术研究院 北京）

一、前言

随着我国对于油气资源需求的不断增长，国内油气田企业进入快速发展阶段。油气井场、站库相关设备的作用在油气田企业中发挥着无可替代的重要作用，已直接影响油气田的规划、建设、生产和安全管理。但由于建设和运行中的设施、技术、历史等问题，导致油气井场、站库的相关设备在生产运行过程中存在诸多因故障引起的停机风险和安全隐患，往往会直接或间接导致油气田企业重大事故发生。因此，在企业的设备安全管理中，检维修风险预警的研究越来越受到重视。不但有助于实现企业安全生产的目标，也是社会公共安全的有利保障。

二、典型油气田企业设备检维修管理现状

（1）典型企业1。主要是开发生产组分含H2S、CO2的天然气，作业区气藏在建或已建站场（井站、集气站和阀室等）均按无人值守站进行设计。主要生产设备有采气树、气液分离器、注水泵、加注泵、压缩机、放空分液阀、重力分离器、再生塔顶回流罐、产品气分离器、高压放空分离器等。设备的检维修管理主要是通过纸质记录单位、作业区、设备设施机组的型号编号、设备故障发生时间、故障的累计时间、故障部位、故障原因、故障原因分析、故障处理方案、施工单位、零部件消耗清单、零部件消耗费用、历年累计故障次数、备注等数据，并保存。未实现检维修预警管理水平。

（2）典型企业2。主要以油田开发生产为主，生产运行设备主要有抽油机、输油泵、注水泵、油液分离器、压缩机、加热炉、锅炉、锅炉附件与仪表、燃烧器、换热器、油田特种车辆等。设备检修管理是经常性保养（有纸质记录），设备巡检大多靠工人的经验。联合站对职责范围内的所有设备均有完整的设备档案，例如，完整地记录了设备的技术规范、运转记录、保修记录、事故记录等。设备保养主要是一保、二保、三保和大修，且对各个保养阶段的运行时间都有明确的规定。

（3）典型企业3。是以兼合开发的企业，并生产油、气两大能源，是油气田企业的典型代表。主要有抽油机、采气树、输油泵、加热炉、压缩机、放空阀等生产设备。监测重点是设备运行时的油、气泄漏等。

为进一步加强和规范分公司设备维修和技术改造工作，结合实际情况制定了《**公司设备修理和技术改造管理规定》，明确规定了设备修保体制、设备保修期限及大修周期、设备维修实施计划管理等相关制度。因无法实现预警管理，所以只能对失效设备进行及时维修与更换。设备的维护周期仍由作业区相关人员的专门维护，并安排专人定期进行设备维护工作提醒。设备的检修时间及检修频率主要是根据企业的硬性规定及检维修工的经验。未实现预警系统对检修时间的科学管理和提醒。

三、设备检维修预警概念及方法

设备检维修预警是以消除安全隐患，降低设备故障率，提高经济效益为目的。主要是围绕油气站库、井场主要关键设备的维检修前或过程中可能遇到的风险，而开展的信息提醒和提示的方法。依据调研发现，3个油气田公司对于设备的维检修预警重点，都是采用巡检、维保和定期校验等方式来保证设备正常运转的，且现有的检维修过程采用的还是人工纸质记录相关数据，并以人工的方式来实现相关提醒的，还未达到自动预警的水平。为此，设备维检修预警的研究工作，主要围绕现有的管理方法或规定来展开的，主要包括设备检修预警与设备维修预警。

1.设备检修预警

设备检修预警主要是对设备在生产过程中，使其达到预先设定的定期检测时间和保养维修计划所做的预警，以及在检修过程中的不安全行为和不安全状态所做的提醒。主要包括以下工作。

（1）基于时间与风险的定期检测计划提醒。主要是根据设备使用时间、设备故障概率、导致的后果以及国家法律法规要求等，来制定检测（或监测）计划，严格履行所确定的检测时间点，并对已达到检修时间及未检测行为进行警示预警。

基础条件分析及其数据来源。3家典型企业在设备检维修管理上，主要以纸质记录设备的检修时间、故障部位与时间、故障出现时机组的累计运行时间等。本文提出的基于时间与风险为基础的定期检测计划提醒的方法，主要是针对现场维修纸质记录数据等，录入计算机数据库用于统计分析，并设定相应故障率或时间阈值，当设备的故障率或连续运行时间达到所设定阈值时，就要进行检修的预警提醒。

数据处理与预警模型分析。由于传统的设备检修时间是根据现场检维修工人的经验以及固定的时间点来进行的，但在现实中设备故障的发生周期会随着部件性能的变化而变化，会受到运行时间、自身老化、磨损、运行环境等因素影响。所以，需要采取有效的检修方式用以削弱部件故障率的增长。

传统的检修模型主要将检修预警级别分为A、B、C三个等级，其中A级检修需要将设备部分或全部拆开检查，一般是设备存在严重问题或无法运行时而进行的，检修周期较长。B级检修是根据设备的磨损及老化规律等因素，有重点的进行检查、修理、清扫和少量零件更换。C级是在设备总体运行良好，只对其附属系统进行消缺检修。例如，根据某企业设备的相关原件的检修时间参照，其现有检修时间范围见表1。

表1 某设备相关原件的现有检修时间

以时变故障率模型的预警模型的设备检修计划，是根据设备相关原件运行过程中的故障率等级划分的。为了描述实际原件在运行期间受到老化磨损等因素的影响，故障率随时间具有增长效应，在研究过程中，采用β1=1的二重威布尔函数来描述原件故障率随时间增长的规律，由常数部分和时变组成，见公式（1）。式中αi，βi——表示i重威布尔分布的尺度常数和形状常数。

考虑检修时，设三级检修能使原件“修复如新”并恢复故障前的状态，由此预警系统可根据对应达到所设定各个故障概率相应的预警指标来实现预警。根据故障率大小矫正各项预警级别，见表 2。

表2 某设备相关原件矫正后的预警指标

（2）实施方式与条件。结合井场、站库现有的设备状况，依据一保、二保、三保及整修的规定与要求，设定基础的时间要求，通过信息系统录入相关维保时间，实现未保养设备的及时警示提醒。

基础条件与数据来源。在前期调研基础上，得到设备各阶段的保养计划（一保、二保、三保及整修）的时间要求（表3）。

（3）保养计划提醒的实现方式。在得到以上数据的基础上，将数据录入统一数据库，并设定相关保养计划预警指标，设备保养计划预警指标即为各项设备保养时间点，当设备连续生产运行时间达到设定的各时间点时，就会对未保养行为进行信号提醒，并将保养结果统一记录于计算机系统，最后根据规定重新复位，进入下一个保养周期。

表3 典型气田开发单位部分设备保养计划各个保养段的相应时间点

（4）检修期间危险有害因素的提醒。根据实际情况，对设备检修期间可能造成检修人员伤害或其他财产损失的检修有害因素等，进行预先提醒预警。

预警实现方式。在前期调研时发现，检修期间的危险因素主要是人员误操作、违章操作、防护设施缺失、作业环境不良等。见表4。

2.设备维修预警

设备维修预警是在设备生产运行过程中，利用相关监测设备对设备及其零部件发生的故障进行信号提醒或对有可能发生的故障进行早期预报，主要有以下工作。

（1）基于在线监测系统对设备监测及维修预警。利用监测系统对井场、站库相关设备进行信号数据（如振动、声学、压力、油样分析等）采集，并对所收集的数据进行统计分析，设定设备的早期故障维修预警。

基础分析与数据来源。在井场、站库设备机组的生产运行过程中，可在机组上建立在线监测系统，用以监测常见故障部位的多个指标，如压力、振动、温度等。当机组某些原件将要发生故障或已经发生故障时，可通过机组振动信号分析及其他一些性能参数，推断出机组故障原因及类型。在通过设定相关信号信息的阈值，并对某些信号触及相应阈值做出预警，从而避免或降低机组原件的失效。现以注水泵的转子不对中故障为例，介绍基于傅里叶变换的诊断方法的信号处理诊断方法。通过对故障分析发现，转子不对中是特征频的2倍，常伴频的1倍或3倍。

数据分析与预警实现方式。通过分析在线监测系统采集的振动信号，如果是正常状态下转子振动的频谱图，特征频率为2倍频是转子不对中的特征频，可以看出正常状态的特征基频为200 Hz，幅值为0.1 m/s2；如果是转子不对中所致的故障，与转子正常状态相比，幅值会显著增大，可接近1.4 m/s2，超过正常状态下幅值的10倍。所以，可通过分析在线监测系统采集的振动信号，并在2倍频处设定相关阈值，当采集的振动信号在2倍频时即达到设定阈值，从而实现了对转子不对中的预警。

（2）设备维修期间危险有害因素的提醒。与检修期危险有害因素的提醒类似，都是根据实际情况对维修期间可能造成人员伤害或其他财产损失的有害因素进行早期提醒预警。

预警的实现。根据调研井场、站库检修期间危险有害因素主要存在于人员误操作、违章指挥、防护设施缺失、作业环境不良等，见表5。

四、结论

通过研究设备检修预警与设备维修预警，实现对设备生产运行过程安全、可靠的有效管理。在设备检修预警中，着重引入以故障率划定检修时间的概念，并应用相应系统综合管理设备的保养过程及检修中的危险因素等，实现了设备检修期间危险有害因素的预警提醒；在设备维修预警研究过程中，重点增加了基于在线监测系统对设备的监测及维修预警的方法，通过对相关原件增加在线检测系统，跟踪故障趋势与故障类型，同时通过分析各种危害因素实现了维修期间有害因素的预警提醒。在油气田企业的设备检维修工作中，不但要做到全面管理和以科学的手段分析检维修风险的来源，还要在机制和方案的保证下，实现设备检维修的实质性安全和风险控制。

表4 检修期间危险有害因素分析及对应可实现预警的方式

表5 维修期间危险有害因素分析及对应可实现预警的方式