基于熵的RCM方法在海上油氣設(shè)施安全評(píng)估中的應(yīng)用*

聶炳林

(中國(guó)石化勝利海上石油工程技術(shù)檢驗(yàn)有限公司，山東東營(yíng) 257001)

自1947年美國(guó)墨西哥灣建造第一座鋼質(zhì)海洋平臺(tái)以來(lái)，世界上已建成6 000余座各類海洋石油開采平臺(tái)[1]。20世紀(jì)60年代至今，以海洋石油981深水半潛式鉆井平臺(tái)為代表，我國(guó)已建成了超過(guò)100座海洋平臺(tái)。一般而言，海洋石油平臺(tái)遠(yuǎn)離陸地，應(yīng)急救援搶險(xiǎn)遠(yuǎn)比陸地困難得多。由于受海洋平臺(tái)面積限制，在緊湊的空間內(nèi)布置有大量的油氣生產(chǎn)設(shè)施設(shè)備，形成風(fēng)險(xiǎn)集中的危險(xiǎn)區(qū)，一旦發(fā)生安全環(huán)境事故，輕則影響油氣產(chǎn)量，重則引起火災(zāi)、爆炸、平臺(tái)傾覆倒塌等災(zāi)難，國(guó)內(nèi)外有許多這方面的案例[2-4]。因此對(duì)海洋平臺(tái)油氣生產(chǎn)設(shè)施設(shè)備開展安全可靠性分析，提出設(shè)備預(yù)防性維修策略，一來(lái)可減少維護(hù)維修成本，二來(lái)可降低安全生產(chǎn)和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，是很有必要和有意義的工作。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外應(yīng)用RCM分析方法在軍工、通信、石油化工、交通等眾多領(lǐng)域開展了應(yīng)用研究，取得了許多成果[5-10]。如空軍雷達(dá)學(xué)院的黃建軍等人開展了基于RCM的雷達(dá)裝備維修決策支持系統(tǒng)研究，分析了傳統(tǒng)RCM方法存在的不足，提出了信息化改進(jìn)思路[11]；天津大學(xué)余建星等人開展了基于RCM的海上油氣生產(chǎn)裝置設(shè)備資產(chǎn)管理的研究，引入了熵權(quán)理論，通過(guò)計(jì)算客觀權(quán)重，使得到的風(fēng)險(xiǎn)排序結(jié)果更準(zhǔn)確等[12]。

1 RCM分析方法和熵

1.1 RCM分析方法

以可靠性為中心的維修(Reliability Centered Maintenance，RCM)是當(dāng)前國(guó)際上通用的一種針對(duì)維修資源的優(yōu)化配置方法，是一種以確定設(shè)備預(yù)防性維修需求，優(yōu)化維修制度的系統(tǒng)工程方法，也是發(fā)達(dá)國(guó)家軍隊(duì)及工業(yè)部門制定軍用裝備和設(shè)備預(yù)防性維修大綱的首選方法。

1.1.1RCM分析步驟

RCM工作流程見圖1，一般分4個(gè)步驟：①單元?jiǎng)澐趾驮O(shè)備篩選分析，主要目的是識(shí)別出對(duì)裝置的運(yùn)行起關(guān)鍵作用的單元、設(shè)備，同時(shí)篩選出低風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的單元和設(shè)備，確保進(jìn)一步針對(duì)高、中風(fēng)險(xiǎn)的單元及設(shè)備進(jìn)行分析；②故障模式、影響及危害性分析(FMEA分析)。FMEA方法是分析系統(tǒng)中所有可能產(chǎn)生的故障模式及其對(duì)系統(tǒng)造成的所有可能影響，并按每一故障模式的發(fā)生頻度Sf、影響嚴(yán)重程度SS和檢測(cè)難易程度Sd予以分類的一種歸納方法；③風(fēng)險(xiǎn)分析。對(duì)每一種故障模式，確定其故障概率，并根據(jù)其故障影響確定故障后果，然后按風(fēng)險(xiǎn)=失效概率×故障后果確定風(fēng)險(xiǎn)大??；④制定和優(yōu)化維修策略。一般采用RCM軟件中的故障原因或根本原因數(shù)據(jù)庫(kù)，也可以采用現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)和專家和分析，或參考其他類似裝置的積累數(shù)據(jù)，所識(shí)別的故障原因和根本原因是制定維修策略的基礎(chǔ)。

圖1 RCM工作流程

1.2 熵

1.2.1熵權(quán)因素的引入

從RCM分析方法4個(gè)步驟可知，RCM的一個(gè)重要特征是對(duì)故障模式進(jìn)行優(yōu)先級(jí)排序，以確定出危害最大的故障模式，將RCM的優(yōu)質(zhì)資源分配給這些故障，從而實(shí)現(xiàn)優(yōu)化配置，減少損失和資源浪費(fèi)。對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)排序低的設(shè)備，可以不考慮花費(fèi)較多的RCM分析時(shí)間和資源。

根據(jù)文獻(xiàn)[13]可知，傳統(tǒng)的FMEA方法采用風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先指數(shù)(risk priority number,RPN)來(lái)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)排序，RPN的值取決于Sf、SS和Sd，RPN的值越大，故障模式越重要，需賦予更高的優(yōu)先級(jí)。顯然，這種RPN值的方法存在3個(gè)不足：①不同因素的組合可能得到相同的RPN值，但實(shí)際風(fēng)險(xiǎn)卻可能大不相同；②不能體現(xiàn)3個(gè)要素的相對(duì)重要度；③RPN值主要分布在1～1 000之間的離散數(shù)，數(shù)據(jù)分布集中，相同的差值并不能反映相同的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)差別[12]。

鑒于傳統(tǒng)FMEA方法的不足，同時(shí)我國(guó)北方某海域油氣設(shè)備故障模式庫(kù)和故障概率庫(kù)不多，為排除現(xiàn)場(chǎng)有經(jīng)驗(yàn)人員或?qū)＜姨峁?shù)據(jù)的不確定性，在開展RCM分析時(shí)，引入熵權(quán)理論計(jì)算篩選分析獲得高/中風(fēng)險(xiǎn)設(shè)備，再對(duì)目標(biāo)設(shè)備的每種故障模式進(jìn)行詳細(xì)的FMEA分析和風(fēng)險(xiǎn)分析。

1.2.2基于熵權(quán)的FMEA方法

(1)

其中：

(2)

其中eij為第i專家對(duì)第j個(gè)目標(biāo)的評(píng)價(jià)水平。

以上模型把專家對(duì)問(wèn)題的評(píng)價(jià)能力用給定的評(píng)分結(jié)果的不確定性來(lái)度量，熵值Hi的大小表示了專家評(píng)分結(jié)果的不確定性，Hi越小，專家的評(píng)分結(jié)果越準(zhǔn)確，評(píng)分也越科學(xué)。因此采用下式計(jì)算各專家的權(quán)重：

(3)

ci值越大，說(shuō)明專家i的評(píng)分比重越大。

2 RCM應(yīng)用過(guò)程

2.1 單元、設(shè)備篩選分析

以中國(guó)北方某海域采修一體化平臺(tái)上部29臺(tái)在役動(dòng)設(shè)備為研究對(duì)象，6名專家根據(jù)該海上平臺(tái)生產(chǎn)實(shí)際情況，對(duì)29臺(tái)設(shè)備進(jìn)行打分篩選，劃分為修井模塊、公用工程和平臺(tái)輔助模塊、救生逃生模塊3個(gè)單元，根據(jù)上述的專家模型，對(duì)設(shè)備進(jìn)行高風(fēng)險(xiǎn)性、關(guān)鍵性單元設(shè)備打分。專家給出的評(píng)分結(jié)果如表1。

表1 專家評(píng)分表

根據(jù)模型(1)、(2)、(3)，用R語(yǔ)言程序求解。計(jì)算結(jié)果如表2所示。

由計(jì)算結(jié)果可知，公用工程單元的2臺(tái)加藥泵、1臺(tái)化學(xué)藥劑罐攪拌機(jī)和2臺(tái)淡水泵被評(píng)定為低風(fēng)險(xiǎn)的設(shè)備，只需采取糾正性維護(hù)。對(duì)其余24臺(tái)高、中風(fēng)險(xiǎn)設(shè)備需進(jìn)行詳細(xì)的FMEA分析和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

2.2 FMEA分析

2.2.1FMEA可接受風(fēng)險(xiǎn)準(zhǔn)則

根據(jù)設(shè)備業(yè)主愿意接受的風(fēng)險(xiǎn)能力，在RCM的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中確定設(shè)備故障概率等級(jí)準(zhǔn)則及4類設(shè)備故障后果準(zhǔn)則。其中設(shè)備故障概率等級(jí)以發(fā)生故障次數(shù)定義了5類故障等級(jí)，安全后果準(zhǔn)則以對(duì)工作和身體的影響程度定義了5個(gè)后果等級(jí)，環(huán)境后果根據(jù)對(duì)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)的影響程度定義了輕微至重大5類后果；生產(chǎn)后果按損失的工時(shí)定義了5類影響等級(jí)，維修成本按費(fèi)用從1～50萬(wàn)對(duì)應(yīng)定義了5類后果。

2.2.2FMEA風(fēng)險(xiǎn)矩陣

以風(fēng)險(xiǎn)矩陣的Y軸表示故障概率，以X軸表示故障后果，根據(jù)以上風(fēng)險(xiǎn)接受準(zhǔn)則，該平臺(tái)設(shè)備篩選風(fēng)險(xiǎn)矩陣分別如表3～表6所示(其中低風(fēng)險(xiǎn)(L)，中風(fēng)險(xiǎn)(M)，高風(fēng)險(xiǎn)(H))。

表2 計(jì)算結(jié)果

表3 安全風(fēng)險(xiǎn)矩陣

表4 環(huán)境影響風(fēng)險(xiǎn)矩陣

表5 生產(chǎn)損失風(fēng)險(xiǎn)矩陣

表6 維修成本風(fēng)險(xiǎn)矩陣

2.3 風(fēng)險(xiǎn)分析

FMEA風(fēng)險(xiǎn)分析的結(jié)果是制定設(shè)備維護(hù)檢修策略的基礎(chǔ)，每種故障模式都要分別進(jìn)行安全、環(huán)境、生產(chǎn)損失和維修成本風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，只要一個(gè)為高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，則故障模式為高風(fēng)險(xiǎn)模式，而全部為低風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)時(shí)，故障模式即為低風(fēng)險(xiǎn)模式，其余為中風(fēng)險(xiǎn)模式。以上FMEA分析中共有高、中風(fēng)險(xiǎn)設(shè)備24臺(tái)，包括121故障模式，其中高風(fēng)險(xiǎn)故障模式5種，中風(fēng)險(xiǎn)故障模式55種，低風(fēng)險(xiǎn)故障模式61種，分別如表7～表10所示。

表7 安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分布

表8 環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分布

表9 生產(chǎn)損失風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分布

表10 維修成本風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分布

2.4 維護(hù)維修策略

針對(duì)以上FMEA分析的60種高、中風(fēng)險(xiǎn)故障模式，制定如下主要維護(hù)檢修策略。

a)可采用狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障檢測(cè)、定期更換或修復(fù)、改進(jìn)性維修方向性操作。

b)可采用維護(hù)點(diǎn)檢措施，包括機(jī)械常規(guī)檢查、機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測(cè)、電氣檢查、儀表檢查、聯(lián)鎖檢查、絕熱檢查。

3 結(jié)語(yǔ)

a)通過(guò)熵權(quán)分析，篩選出了高、中風(fēng)險(xiǎn)模塊的主要設(shè)備。

b)通過(guò)RCM分析，識(shí)別出50.5%的低風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)目，避免過(guò)度維護(hù)。

c)通過(guò)RCM分析，加強(qiáng)了人員對(duì)設(shè)備運(yùn)行維護(hù)的系統(tǒng)性，從整體上提升了設(shè)備的管理水平。

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