RAM分析技術(shù)在海上油氣處理系統(tǒng)中的應(yīng)用*

聶炳林，白建平，范健強(qiáng)，王 越，李向富

(1.中國石化海上石油工程技術(shù)檢驗(yàn)中心，山東東營 257001；2.重慶科技學(xué)院，重慶 401331；3.重慶安全科學(xué)研究院，重慶 401331)

RAM分析技術(shù)在海上油氣處理系統(tǒng)中的應(yīng)用*

聶炳林1，白建平2.3，范健強(qiáng)2，王 越2，李向富2

(1.中國石化海上石油工程技術(shù)檢驗(yàn)中心，山東東營257001；2.重慶科技學(xué)院，重慶401331；3.重慶安全科學(xué)研究院，重慶401331)

針對海上油氣處理系統(tǒng)在惡劣作業(yè)環(huán)境下可靠性低的特點(diǎn)，采用RAM分析技術(shù)對某海上石油平臺油氣處理系統(tǒng)進(jìn)行可靠性和可用度分析。根據(jù)油氣處理系統(tǒng)工藝流程建立可靠性數(shù)學(xué)模型，用可靠性分析的算法計(jì)算出系統(tǒng)主要設(shè)備的可靠性值和系統(tǒng)在壽命周期內(nèi)可用度變化趨勢。結(jié)果表明：運(yùn)用RAM分析技術(shù)能夠計(jì)算出壽命周期內(nèi)油氣處理系統(tǒng)的可用度分布規(guī)律以及辨識出系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)，為提高油氣處理系統(tǒng)的可靠性以及改進(jìn)系統(tǒng)配置等方面提供措施及建議。

RAM分析技術(shù) 油氣處理系統(tǒng) 可靠性 可用度

RAM分析技術(shù)是基于數(shù)據(jù)定量分析的“可靠性(Reliability)、可用性(Availability)和可維護(hù)性(Maintainability)”設(shè)備評價分析技術(shù)[1]。國內(nèi)采用RAM分析技術(shù)在鐵路、電力、航空航天、水下油氣田、LNG等領(lǐng)域開展了研究[2-5]，均取得一些成果。分析表明：RAM分析技術(shù)不僅可以在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段優(yōu)化方案，而且對服役期間的系統(tǒng)進(jìn)行RAM分析，可降低系統(tǒng)設(shè)施的檢維修的投入[6]。而針對海上平臺油氣處理系統(tǒng)的分析研究卻鮮有案例，本文采用RAM分析技術(shù)對海上油氣處理系統(tǒng)進(jìn)行分析研究，辨識出可能造成較大損失的設(shè)備，找出可靠性較低的系統(tǒng)設(shè)備，確定生產(chǎn)系統(tǒng)的可用性，并給出提高系統(tǒng)可用度以及調(diào)整系統(tǒng)資源配置等方面的建議。

1 RAM分析技術(shù)

RAM分析技術(shù)從可靠性、可用性、可維護(hù)性3個角度著手，辨識對評估系統(tǒng)造成較大損失的設(shè)備，同時找出現(xiàn)狀中可靠性較低的設(shè)備，并提出維修管理的建議。RAM分析技術(shù)的基礎(chǔ)是可靠性理論，在工程實(shí)踐中，可靠性是指在規(guī)定條件和時間內(nèi)，設(shè)備能夠無間斷無故障地完成其指定功能的概率。

1.1 RAM分析過程

RAM分析技術(shù)通過對收集的系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析歸納，計(jì)算出故障發(fā)生的概率，進(jìn)而對系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行定量評估，同時，針對該風(fēng)險(xiǎn)而實(shí)行的監(jiān)測、檢測或檢維修不同方案的優(yōu)劣進(jìn)行量化比較，從而輔助管理層做出正確的決策。RAM分析技術(shù)可以應(yīng)用于單體元器件、產(chǎn)品、設(shè)備，也可應(yīng)用于工程各個階段的設(shè)施系統(tǒng)。

RAM分析技術(shù)經(jīng)不斷地對初始分析結(jié)果進(jìn)行對比優(yōu)化，直至滿足系統(tǒng)設(shè)定的可靠性和可用性。開始分析前要確定可靠性和可用性的定量指標(biāo)，包括油氣地質(zhì)儲量、設(shè)計(jì)使用年限、投資回報(bào)等方面；然后建立RAM分析模型，建模主要采用可靠性框圖RBD(Reliability Block Diagram)方法。

1.2 RAM分析技術(shù)指標(biāo)

a)系統(tǒng)功能。一個最佳的系統(tǒng)產(chǎn)出的功用能夠與使用者自身需要形成無縫銜接，這種供求模型如圖1所示，人們期望y=f(x)，即系統(tǒng)功能是恒定的，是不隨外部環(huán)境和時間等條件變化，但這是理想化的，不可能存在，因此引出“系統(tǒng)性能”這一概念，RAM即屬于系統(tǒng)性能的范疇。系統(tǒng)在使用中只能處于如圖2所示的兩個狀態(tài)，y=f(x)是人們所期望的，稱為正常狀態(tài)，而y≠f(x)是人們所不期望的，稱為故障狀態(tài)。系統(tǒng)的RAM與這兩個狀態(tài)有關(guān)，使用中的系統(tǒng)狀態(tài)如圖3所示，其中Tci階段為正常工作狀態(tài)，故障狀態(tài)可分為故障當(dāng)值狀態(tài)Tai和故障修復(fù)狀態(tài)Tbi。

圖1系統(tǒng)功能數(shù)學(xué)模型

圖2 RAM狀態(tài)

圖3 RAM狀態(tài)時間分布

b)可靠性。可靠性是指在規(guī)定的條件和時間內(nèi)，系統(tǒng)連續(xù)無故障地執(zhí)行指定功能的能力或可能性。系統(tǒng)的可靠性大小與其所處的環(huán)境條件、使用時長和頻次、檢測維修以及保養(yǎng)條件等密切相關(guān)[7]。常用平均故障間隔時間MTBF(Mean Time Between Failure)來表示，即系統(tǒng)在規(guī)定條件下，從開始正常工作到下次發(fā)生故障之間的平均時間。

(1)

可靠性也可以理解為系統(tǒng)有效運(yùn)行的概率，用故障率λ表示。

(2)

c)可用性?？捎眯苑从沉嗽谝?guī)定的條件下和任意隨機(jī)時刻或給定時間區(qū)間內(nèi)，系統(tǒng)處于執(zhí)行指定功能狀態(tài)的程度，用平均無故障時間MTTF(Mean Time To Failure)來表示?？捎眯?，也被稱作系統(tǒng)的使用效率，與系統(tǒng)可靠性、可維護(hù)性密切相關(guān)。通過概率論將可用性量化，稱為可用度，用A表示，產(chǎn)品可用度=總的運(yùn)行時間/總的生產(chǎn)時間×100%。

(3)

(4)

d)可維護(hù)性。可維護(hù)性表示處于失效狀態(tài)下的系統(tǒng)，在規(guī)定條件和時間內(nèi)，按規(guī)定的程序和方法進(jìn)行維修時，保持或恢復(fù)到正常執(zhí)行功能的能力，通常用平均維修時間MTTR(Mean Time To Repair)來表示?？删S修性高的系統(tǒng)，抗外界干擾能力強(qiáng)，可以在最短的時間內(nèi)以最經(jīng)濟(jì)節(jié)省的方式恢復(fù)到正常工作狀態(tài)。

(5)

可維護(hù)性也可使用修復(fù)率μ評價：

(6)

e)停車時間。停車時間是對修復(fù)系統(tǒng)未處于工作狀態(tài)的時間計(jì)量。導(dǎo)致停車的原因，可能是系統(tǒng)處于故障狀態(tài)、應(yīng)急處置滯后、等待更換部件或技術(shù)人員到達(dá)，正在檢維修中或者維修條件乏力等。

1.3 可靠性模型

根據(jù)工藝流程圖創(chuàng)建系統(tǒng)的RBD，再由RBD演化得到系統(tǒng)各組成部分的可靠性與系統(tǒng)可靠性之間的關(guān)系，被稱為系統(tǒng)的RAM模型。RBD將RAM模型中設(shè)備組件的邏輯關(guān)系以圖示的形式表達(dá)出來，RBD顯示RAM模型中需要建立的各種關(guān)系，并指出設(shè)備各組件的配置，以及設(shè)備失效對系統(tǒng)生產(chǎn)的影響。

根據(jù)系統(tǒng)與其組成單元之間的故障邏輯關(guān)系，系統(tǒng)的可靠性模型可以分為：串聯(lián)模型、并聯(lián)模型、表決模型、旁聯(lián)模型、橋聯(lián)模型以及混聯(lián)模型等。串聯(lián)模型是最常用和最簡單的模型之一，串聯(lián)系統(tǒng)蘊(yùn)含“木桶效應(yīng)”的邏輯思維，其可靠度等于系統(tǒng)組成部分的可靠度之積。并聯(lián)系統(tǒng)是最簡單的冗余系統(tǒng)，與串聯(lián)模型相比，并聯(lián)可明顯提高系統(tǒng)可靠性。

2 RAM分析在海上平臺油氣處理系統(tǒng)中的應(yīng)用

2.1 工藝簡介

本文RAM分析對象為某海上石油平臺油氣處理系統(tǒng)，主要工藝流程包括井口系統(tǒng)、油氣處理系統(tǒng)、外輸系統(tǒng)。井口生產(chǎn)的油氣通過井口管匯，一支進(jìn)入電加熱器后進(jìn)入混輸管道，然后通過海底管道輸送至陸地；另一支從井口來油進(jìn)入計(jì)量電加熱器，經(jīng)過計(jì)量撬塊對氣體計(jì)量和原油計(jì)量后進(jìn)入混輸管道，然后由海底管道輸送到陸地終端，工藝流程如圖4所示。

圖4 工藝流程

2.2 數(shù)據(jù)收集

RAM分析過程中所使用的可靠性數(shù)據(jù)分為：特征數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來源于4個方面，數(shù)據(jù)采用的優(yōu)先順序分別是海上平臺現(xiàn)場調(diào)研數(shù)據(jù)、海上可靠性數(shù)據(jù)(OREDA)手冊、評價機(jī)構(gòu)可靠性數(shù)據(jù)庫、工程經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。表1所示為平臺油氣處理系統(tǒng)主要設(shè)備所選故障模式的MTTF和MTTR數(shù)據(jù)。

表1 主要設(shè)備的可靠性數(shù)據(jù) h

2.3 RAM模型建立

為了模擬過程的生命周期各系統(tǒng)設(shè)備的性能，本文采用Blocksim軟件創(chuàng)建RAM模型。RAM模型需要模擬完整的生命周期，以便結(jié)果可以集中在統(tǒng)計(jì)的穩(wěn)定數(shù)值。

本文RAM模擬了10年使用壽命(從2011年至2020年)，并模擬了1 000次生命周期。模型包括以下假設(shè)：①設(shè)備故障率在10年使用壽命過程中是恒定的(指數(shù)分布)，同時假定油氣生產(chǎn)處于穩(wěn)定生產(chǎn)階段，設(shè)備修復(fù)后無障礙啟動；②具有專業(yè)維修技能的維修組的可用性為每天24 h，維修一旦開始，將一直持續(xù)到維修結(jié)束，并且不存在因獲取備件和工具而引起的延遲；③RAM模型考慮安全設(shè)備對生產(chǎn)的影響，考慮了設(shè)備的影響、持續(xù)時間和誤操作頻率；④不同類型設(shè)備的維護(hù)時間差異已包含在RAM模型中；⑤并聯(lián)單元之間的切換是瞬時的，且無障礙的。

RAM模型是依據(jù)圖4所示的工藝流程建立的，并由收集的產(chǎn)能預(yù)測值、工藝流程圖、設(shè)備列表、設(shè)備故障和操作維護(hù)手冊等項(xiàng)目信息組成。建立的RAM模型結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 RAM模型結(jié)構(gòu)

2.4 RAM分析結(jié)果

2.4.1RAM計(jì)算結(jié)果

海上平臺油氣處理系統(tǒng)的可用度和停車時間如表2、表3所示。

表2 設(shè)備可靠性計(jì)算結(jié)果

表3 RAM結(jié)果統(tǒng)計(jì)

由表2可知，總體來說，該油氣處理系統(tǒng)的各主要設(shè)備運(yùn)行較為平穩(wěn)，可靠性分配合理，沒有發(fā)現(xiàn)對生產(chǎn)造成較大損失的系統(tǒng)/設(shè)備。油氣處理系統(tǒng)各個設(shè)備中電潛泵、計(jì)量分離裝置、天然氣洗滌器的可靠性較低，屬于系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)，SCSSV的可靠性最高。

由表3可知，油氣處理系統(tǒng)的可用度為94.953 0%，低于同行業(yè)的可用度設(shè)計(jì)目標(biāo)(97%～98%)，停車時間為18.421 6天，都超過了計(jì)劃性維修時間(7d/a)。

2.4.2油氣處理系統(tǒng)壽命分布

油氣處理系統(tǒng)壽命周期內(nèi)可用度分布如圖6、圖7所示。

由圖6可見，油氣處理系統(tǒng)1 000次壽命周期的可用度是95.023%，相當(dāng)于18.166天的停車期；壽命周期90%的可用度高于94.665%，相當(dāng)于19.474天的停車期；壽命周期10%的可用度高于95.251%，相當(dāng)于17.334天的停車期。

由圖7可知，在油氣處理系統(tǒng)1 000次壽命周期內(nèi)，原油產(chǎn)能每年大約降低12%，而可用度比較平穩(wěn)，略有增長，這說明系統(tǒng)的可用度與原油產(chǎn)能沒有必然聯(lián)系。

圖6 油氣處理系統(tǒng)壽命同期內(nèi)可用度分布

圖7 油氣處理系統(tǒng)壽命周期內(nèi)可用度和生產(chǎn)率變化趨勢

2.4.3建議

a)電潛泵、計(jì)量分離裝置、天然氣洗滌器在油氣處理系統(tǒng)主要設(shè)備中的可靠性相對較低，建議嚴(yán)抓設(shè)備采購質(zhì)量管理，制定有效的維檢修策略，對操作維護(hù)人員加強(qiáng)培訓(xùn)。

b)油氣處理系統(tǒng)的可用度低于同行業(yè)的可用度設(shè)計(jì)目標(biāo)的原因是由于油氣處理系統(tǒng)除了電加熱器外都為單列設(shè)備，導(dǎo)致了系統(tǒng)的可用度低，建議增加系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備的列數(shù)。

c)原油產(chǎn)能每年降低12%，需要提液開采，這導(dǎo)致了含水量增加，這說明目前的配置并不能滿足含水量逐漸增大的需求，建議含水量增加到一定程序后，改進(jìn)系統(tǒng)生產(chǎn)污水處理系統(tǒng)的配置。

3 結(jié)語

本文將RAM分析技術(shù)運(yùn)用到某海上平臺油氣處理系統(tǒng)，確定了整個系統(tǒng)的可用度以及生命周期內(nèi)可用度分布和變化趨勢，并發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中可靠性薄弱點(diǎn)，不僅可以輔助管理層制定實(shí)施有效科學(xué)的檢維修和庫存策略，而且也為預(yù)防事故發(fā)生以及事故調(diào)查分析指明了方向。

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ApplicationofRAMAnalysisTechnologyinOffshoreOilandGasProcessingSystem

Nie Binglin1，Bai Jianping2，3，F(xiàn)an Jianqiang2，Wang yue2，Li Xiangfu2

(1.SINOPEC Offshore Petroleum Engineering Technology Survey, Shandong Dongying 257001 2.Chongqing University of Science and Technology, Chongqing 401331 3.Chongqing Academy of Safety Science and Technology,Chongqing 401331)

Considering the characteristic of low reliability under harsh working environment, the paper applies the RAM analysis technology to analyze the reliability and availability of oil and gas processing system on the offshore oil platform. According to the technological process of oil and gas processing system, the technology establishes a kind of mathematical model. With the use of the reliability analysis algorithm, it calculates the reliability value of the main equipment in the system and the change trend of availability within the life cycle of the system. The application results show that the use of the RAM analysis technology can calculate the distribution of the oil and gas processing system in life cycle and identify the weak link of the system; meanwhile, it provides some advices and measures to improve the reliability and how to improve the system configuration.

RAM technology; oil and gas processing system; reliability; availability

2016-10-08

聶炳林，高級工程師，畢業(yè)于中國石油大學(xué)(北京)過程控制專業(yè)，碩士學(xué)位，現(xiàn)工作于中國石化海上石油工程技術(shù)檢驗(yàn)中心，從事海洋石油工程技術(shù)檢驗(yàn)檢測和安全評價工作。

國家安監(jiān)總局2016年安全生產(chǎn)重大事故防治關(guān)鍵技術(shù)科技項(xiàng)目(chongqing-0001-2016AQ)