基于可靠性的海洋石油平臺維修策略研究

王鴻東，張裕芳，余 平，易 宏

(上海交通大學 海洋工程國家重點實驗室，上海 200240)

對于海洋石油平臺而言，由于其系統(tǒng)的復雜性及其惡劣的工作環(huán)境，無論哪一個作業(yè)環(huán)節(jié)由于維修而導致停頓，都將造成嚴重的經(jīng)濟損失或環(huán)境災難事故。從經(jīng)濟的角度來看，Barabady and Kumar［1］指出設備的維修費用占設備整個生命周期費用的15% ～60%。對于這樣一個復雜的系統(tǒng)而言，主要的費用是計劃外的故障維修費用。從安全角度來看，若是引起生產(chǎn)油氣的設備發(fā)生故障，則可能導致環(huán)境災難［2］。

Samrout［3］指出預防性的維修策略是減少系統(tǒng)故障次數(shù)和維修費用的有效措施。預防性維修策略的一個難點是確定維修周期，頻繁的拆裝和維修將導致維修費用的增加，甚至會引入新的缺陷造成故障。而維修周期增大無疑會增加系統(tǒng)發(fā)生故障的概率。傳統(tǒng)的定期維修方式，往往是根據(jù)經(jīng)驗來確定維修周期［4］，具有較強的主觀性。另一個難點即是如何針對眾多的設備合理安排檢修順序，毫無針對性的檢修將導致檢修時間變長和檢修費用大大增加。

對于維修周期的確定，Aureli Mun?z［5］等用遺傳算法來優(yōu)化設備的維修周期，Marseguerra M［6］則結(jié)合遺傳算法和Monte Carlo 仿真來進行優(yōu)化計算，JK Vaurio［7］通過結(jié)合風險和花費來優(yōu)化檢測及維修周期，劉娜［8］等運用故障樹原理和Monte Carlo 算法對電力變壓器的維修周期進行了仿真分析，司文杰等［9］根據(jù)最大可用度原則和最小維修費用原則來優(yōu)化維修周期，彭卉［10］等以經(jīng)濟效益最大原則運用Monte Carlo 算法對發(fā)電機組的維修周期進行了研究。對于復雜系統(tǒng)設備的檢修順序，王寶［11］等通過Monte Carlo 仿真建立了煉鋼系統(tǒng)的重要度評價體系，黃建新［12］等基于Monte Carlo 仿真對雷達裝備的重要度進行了評價。

本文從任務可靠性的角度來確定最佳維修周期。任務可靠性定義為產(chǎn)品在規(guī)定的任務時間下完成規(guī)定功能的能力。對于一個系統(tǒng)，可接受的任務可靠度對應一個任務時間T，當系統(tǒng)的工作時間大于任務時間T時，系統(tǒng)發(fā)生故障的概率將增大。為保障系統(tǒng)運行安全，應在任務時間T 下展開預防性檢修工作。這樣，任務時間T 也就是系統(tǒng)的預防性維修周期。在確定維修周期后，求出系統(tǒng)各組成單元的關(guān)鍵重要度，按大小排序得出設備的檢修順序。

海洋石油動力平臺電力系統(tǒng)作為平臺的核心，其好壞對平臺能否工作起著至關(guān)重要的作用。本文以勝利油田埕島一號中心海洋石油動力平臺電力系統(tǒng)為研究對象展開工作。

1 基于可靠性的維修策略確定

1.1 可靠性分析方法

在可靠性分析領(lǐng)域，故障樹方法(Fault Tree Analysis，F(xiàn)TA)是工程中運用最為廣泛的一門技術(shù)。FTA 可以高效地找到系統(tǒng)發(fā)生故障的原因，計算系統(tǒng)失效的概率。用FTA 方法對系統(tǒng)進行可靠性預計時，往往是根據(jù)設備的可靠性參數(shù)，如平均故障間隔時間(Mean Time Between Failure，MTBF)，在任務時間T 下，通過系統(tǒng)的可靠性模型進行預計，如圖1 所示。

1.2 基于任務可靠度的維修周期算法

在本研究中，在選定的設備情況下(其可靠性參數(shù)已確定)，推導出在可接受可靠度下的任務時間T，亦即以可靠性為中心的預防性維修周期。其原理如圖2 所示。

圖1 可靠性預計原理Fig.1 Schematic diagram of reliability prediction

圖2 任務時間計算原理Fig.2 Schematic diagram of mission time calculation

具體計算時，通過FTA 方法求得系統(tǒng)共有K 個最小割集，則故障樹的結(jié)構(gòu)函數(shù)ψ(x)可表示為:

式中:Gk(x)表示第k(1 ≤k ≤K)個最小割集，假設第k 個最小割集內(nèi)有M 個單元，xi(1 ≤i ≤M)表示為割集所對應的底事件向量。第i 個單元失效時間抽樣值為:

式中:ξ 為［0，1］之間均勻分布的隨機數(shù)，F(xiàn)i(ξ)為第i 個單元失效時間的分布函數(shù)。當已知單元的MTBF時，其分布函數(shù)如下式:

當M 個單元都失效時，該最小割集就發(fā)生了，因此，第k 個最小割集的發(fā)生時間為:

假設共進行Ns次仿真，由式(1)可知，第j(1 ≤j ≤Ns)次仿真系統(tǒng)失效時間tj即最先發(fā)生的最小割集的時間:

設φ(tj)是一個狀態(tài)變量，其值定義如下:

式中:T 為系統(tǒng)的任務時間，亦即所求的最佳預防性維修周期。記Mj為Ns次仿真中系統(tǒng)失效的次數(shù):

在進行大量的數(shù)值仿真情況下，可知系統(tǒng)的不可靠度F(t)為:

易知系統(tǒng)的可靠度R(t)為:

把系統(tǒng)失效時間tj的Ns次仿真結(jié)果按從小到大進行排序:

按大小順序排列后，記第Mj次的系統(tǒng)失效時間為tMj，第Mj+ 1 次的系統(tǒng)失效時間為tMj+1。由上述推導可知，要想使系統(tǒng)任務可靠度達到R(t)，則tj＜T 發(fā)生的次數(shù)為Mj次，因此可以確定任務時間T:

亦即:

在進行大量仿真時，tMj和tMj+1的數(shù)值相差無幾，可以通過下式來確定T:

因此，可以得到進行Ns仿真后系統(tǒng)任務可靠度為R(t)下的任務時間T，即所求的預防性維修周期。

1.3 關(guān)鍵重要度的算法

重要度是部件對系統(tǒng)性能影響程度的衡量指標。在進行系統(tǒng)設計、操作和維修時，重要度分析對于建立方向以及先后順序是極具價值的［14］。按照設備關(guān)鍵重要度大小排序，即可制定合適的檢修順序。Birnbaum［15］于1969年第一次推出重要度的概念，也就是運用最廣的概率重要度。另外一個衡量標準為關(guān)鍵重要度，作為概率重要度的延伸，關(guān)鍵重要度代表的是部件i 失效概率的變化率所引起的系統(tǒng)失效概率的變化率:

2 海洋石油動力平臺電力系統(tǒng)維修策略分析

平臺的基本功能是發(fā)電，不間斷地向其衛(wèi)星平臺供電。其發(fā)電的基本設備是燃氣輪發(fā)電機組，發(fā)電的燃料是原油中分離出來的天然氣。發(fā)電系統(tǒng)主要包括兩臺半人馬座40 型燃氣輪發(fā)電機組、天然氣壓縮機和熱煤加熱爐，以及五臺190T 型燃氣輪機發(fā)電機組。190T 型燃氣輪機發(fā)電機組作為半人馬座40 型燃氣輪發(fā)電機的動力起動機，兼作備用發(fā)電系統(tǒng)。

在對系統(tǒng)進行可靠性分析時，首先通過系統(tǒng)設計資料及原理圖，分別確定系統(tǒng)的構(gòu)成，任務特征，工作環(huán)境和典型失效模式。再通過對整個動力平臺電力系統(tǒng)進行FMECA(Failure Mode Effects and Criticality Analysis)分析，建立整個動力平臺電力系統(tǒng)的故障樹。其次，采取基于最小割集的數(shù)值仿真方法，通過推導出任務時間與任務可靠度之間的關(guān)系，求得在不同任務可靠度下的任務時間。最后求出各設備的關(guān)鍵重要度。需要說明的是，對電力系統(tǒng)進行可靠性分析時，是以各個底事件互相獨立作為假設的。

2.1 FMECA 及故障樹模型建立

只有認真進行FMECA 分析，將所有的基本失效模式都弄清楚，建立故障樹模型的底事件才不至于出現(xiàn)重大遺漏。對海洋石油動力平臺電力系統(tǒng)進行FMECA 的步驟如下:

1)功能分析:根據(jù)電力系統(tǒng)的設計資料以及功能原理圖，系統(tǒng)啟動、運行、控制和維護有關(guān)的資料，以及設備所處環(huán)境有關(guān)資料;

2)可能的失效模式、原因和影響分析:確定所有可能的失效模式，以及它們對系統(tǒng)功能產(chǎn)生的影響。

3)失效模式的等級:根據(jù)GJB 對失效模式劃分嚴酷度等級。嚴酷度等級分類見表1。

表1 GJB 關(guān)于故障模式嚴酷度分類Tab.1 Classification of severity level for each failure mode，based on GJB

由上述步驟，對埕島中心一號石油平臺電力系統(tǒng)進行詳細的FMECA，表2 列出部分設備的FMECA結(jié)果。

根據(jù)FMECA 的結(jié)果，可知頂事件發(fā)生和底事件發(fā)生之間的邏輯關(guān)系，進而可以一級一級的建立故障樹。故障樹如圖3 所示。對電力系統(tǒng)故障樹各事件的補充說明如表3 所示。

表2 部分設備FMECA 結(jié)果Tab.2 Partial results of the failure modes，effects and criticality analysis

圖3 電力系統(tǒng)失效故障樹模型Fig.3 Fault tree model of power system

表3 故障樹代碼說明Tab.3 Codes and their description of the events

3.2 可靠性數(shù)值仿真計算

通過上述的可靠性仿真方法，用MATLAB 編制仿真程序，具體流程如圖4 所示。進行定量分析的各設備基礎數(shù)據(jù)如表4 所示，計算不同任務可靠度下的任務時間，結(jié)果如圖5 所示。

圖4 仿真流程圖Fig.4 Simulation Flowchart

得到上述不同任務可靠度下的維修周期曲線，在實際運用時就可以根據(jù)工程可接受的可靠度來選擇任務時間T，亦即預防性維修周期。

取可接受任務可靠度R=0.8 的情況，計算得到的關(guān)鍵重要度按大小順序排列后如表4 所示。

表4 各設備基礎數(shù)據(jù)及關(guān)鍵重要度排序表Tab.4 Basic data and criticality importance for each component

由關(guān)鍵重要結(jié)果可知，190T 型發(fā)電機，半人馬座40 型發(fā)電機的關(guān)鍵重要度最大，意味著其失效對電力系統(tǒng)失效影響程度最大，也是系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)。導致這兩者關(guān)鍵重要度最大的原因是其MTBF 較小，在對石油平臺系統(tǒng)進行設計時，可以選擇MTBF 較大的發(fā)電機型號以提高系統(tǒng)的可靠性。此外，在對系統(tǒng)進行檢修時，可以按照此順序表進行有序排查。

3 結(jié) 語

由于傳統(tǒng)的預防性維修策略的制定往往依賴于經(jīng)驗，缺乏定量的分析。以可靠性為中心的維修(Reliability－Centered Maintenance，RCM)是目前國際上運用最廣、用以確定預防性維修需求的一種系統(tǒng)的工程方法。本研究以埕島中心一號海洋石油動力平臺電力系統(tǒng)為研究對象，通過FMECA 分析建立故障樹，采用基于最小割集的數(shù)值仿真方法，在已知任務可靠度R 的情況下，推導出要達到R 的最大任務時間。由仿真結(jié)果可知，在任務可靠度為0.8 的情況下，得到的維修周期為1 120.31 h。由此方法便可以確定在可接受任務可靠度下的最佳預防性維修周期，為實際維修工程提供指導意見。另一方面，由關(guān)鍵重要度的計算結(jié)果可知，190T 型發(fā)電機，半人馬座40 型發(fā)電機對系統(tǒng)可靠性的影響程度較大，說明這兩個設備是系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，應反饋到設計環(huán)節(jié)或操作過程進行冗余設計或降額設計，進行檢修時應按照表4 提供的順序進行。由此以RCM 制定的維修策略可以大大提高海洋石油平臺的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益。

圖5 不同可靠度下的維修周期Fig.5 Results of maintenance cycle under different mission reliability

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