基于模糊FMECA的管道輸油泵安全風(fēng)險評價

寧雙生工程師

(中國石油西部管道分公司，新疆 烏魯木齊 830012)

0 引言

管道與輸油泵是石油管道系統(tǒng)中最主要的靜設(shè)備與動設(shè)備，其運行的穩(wěn)定性直接決定了整個石油管道儲運系統(tǒng)的安全性、可靠性[1]。輸油泵如轉(zhuǎn)子不平衡、軸承磨損、油膜渦動、葉輪磨損等都是常見的故障形式，一旦發(fā)生故障而未被及時發(fā)現(xiàn)，將可能導(dǎo)致惡性停機、管道停輸?shù)劝踩a(chǎn)事故。因此，對管道輸油泵組定期開展切實有效的安全風(fēng)險辨識、評估、分析，及時發(fā)現(xiàn)石油儲運過程中的隱患與風(fēng)險，制定有針對性的技術(shù)措施、管理措施、個體防護措施對管道及輸油站場的安全運行具有重要的意義。本文提出一種模糊FMECA對輸油泵進行安全風(fēng)險評價。

目前，已有很多學(xué)者對管道及輸油泵的風(fēng)險與故障進行了大量的研究。如何立新[2]、張來斌[3]等從多元影響因素對管道輸油泵進行了可靠度分析，建立了較為完善的輸油泵評估指標體系。也有大量的學(xué)者對模糊綜合評價法和FMECA評價法進行了研究，并將2種評價方法應(yīng)用于不同行業(yè)的安全風(fēng)險評價過程中。如張晗亮[4]利用FMECA對柴油機系統(tǒng)進行了可靠性研究，建立模糊馬爾可夫結(jié)合FMECA的柴油機可靠性工作框架。孫月[5]將FMECA與FTA相結(jié)合，并應(yīng)用于無人機起降系統(tǒng)來研究其可靠性。金菊良[6]等采用改進層次分析法結(jié)合模糊綜合分析法對水電站裝機系統(tǒng)進行安全性評價。劉斌[7]采用基于振動檢測的故障診斷方法對輸油泵故障模式進行了識別、分析及歸類。由于FMECA分析法在使用過程中存在部分模糊性描述，使得評價結(jié)果往往局限于定性的描述而缺乏客觀性，在工程風(fēng)險評價領(lǐng)域仍需要對其進行改進、優(yōu)化；模糊綜合評價方法可用定量計算的方式描述定性的風(fēng)險評價結(jié)果，能夠較好彌補FMECA難以量化分析的局限性，與此同時，F(xiàn)MECA分析法在一定程度上也能夠解決模糊綜合評價法中主觀性與模糊性的問題。將兩者方法結(jié)合應(yīng)用于輸油泵的風(fēng)險評價中，能夠有效提高石油儲運安全風(fēng)險評價的客觀性、可靠性。

1 模糊FMECA的基本原理

1.1 FMECA法

FMECA(Failure Models，Effects and Criticality Analysis)是油氣管道儲運過程中較為常用的風(fēng)險評價方法之一[8]，通過系統(tǒng)分割的方式來分析目標系統(tǒng)中各組成部分中潛在的故障模式及其對該系統(tǒng)及上層系統(tǒng)所產(chǎn)生的影響，進而全面識別設(shè)計過程中的薄弱環(huán)節(jié)[9]，并為安全風(fēng)險評價和系統(tǒng)設(shè)計改進提供一定的指導(dǎo)措施。

FMECA的基本原理為：根據(jù)技術(shù)質(zhì)量文件、程序管理文件和歷史統(tǒng)計資料，明確系統(tǒng)本身的情況并將系統(tǒng)分割成子系統(tǒng)，細化子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)并鑒別故障失效模式，分析引起故障失效的機理或原因，評估故障失效時后果的嚴重性、失效的可能性，進而計算風(fēng)險序數(shù)RPN，根據(jù)RPN值對故障模式進行排序，并采取相應(yīng)的改進或者增補的風(fēng)險管控措施，以確保系統(tǒng)的安全、可靠。在油氣管道儲運過程中，后果嚴重度等級(見表1)，失效可能性等級，見表2[10]。

表1 故障后果嚴重性等級Tab.1 Fault consequence severity rating

表2 故障失效可能性等級Tab.2 Fault probability level

1.2 模糊綜合評價法

模糊綜合評價方法是一種基于模糊數(shù)學(xué)的多因素決策方法，該方法將待評價的對象以及反映對象的模糊概念作為一定的模糊集合，并建立適當?shù)碾`屬度矩陣，通過模糊集合論的有關(guān)運算和變換，對評價對象進行定量計算與分析[11]。在油氣管道輸油站場輸油泵安全風(fēng)險評價過程中，由于FMECA分析流程中涉及的評價因素多，且大多數(shù)風(fēng)險因素難以量化，同時故障后果、影響具有很大的不可比性，因而導(dǎo)致安全風(fēng)險分析人員常常難以給出準確、客觀、有效的分析結(jié)果，而利用模糊數(shù)學(xué)理論能夠較好的解決分析不確定性、難以量化的問題。其主要步驟包括：建立故障模式集與評語集、建立評估指標權(quán)重集、建立隸屬度矩陣以及模糊綜合評判。

1.2.1 建立故障模式集與評語集

因素集U是影響評判對象各因素的集合，本文因素集U表示輸油泵的故障模式集。將部件系統(tǒng)的故障模式分為兩級，一級故障模式為Un=(u1,u2,…,un)，(i=1,2,…,n，表示一級故障模式的個數(shù))；二級故障模式Unm=(un1,un2,…,unm)，(j=1,2,…,m，表示二級故障模式中屬于一級故障模式Un的個數(shù))。評語集V是用以確定指標因素集中狀態(tài)的集合，記為V=(V1,V2,…,Vk)，Vk表示不同的故障失效的可能性或后果嚴重度等級，在油氣管道輸油泵風(fēng)險評估過程中，V通常被劃分為5個等級(k=5)，即有V=(非常低,低,中,高,非常高)，表1與表2分別給出了不同故障后果嚴重度與失效可能性等級的描述。

1.2.2 建立評估指標權(quán)重集

不同風(fēng)險因素對于各種故障模式的影響程度各不相同，應(yīng)根據(jù)各風(fēng)險因素的重要程度，計算并確定其相應(yīng)的指標權(quán)重，并由這些指標權(quán)重確定權(quán)重集。利用層次分析法進行權(quán)重分析主要包含3個步驟：構(gòu)造判斷矩陣、檢驗一致性、計算權(quán)重。

(1)構(gòu)造判斷矩陣。判斷矩陣反映了同一指標因素集內(nèi)每2個指標因素間的優(yōu)先關(guān)系，用aij表示影響因素ui對uj的相對重要性數(shù)值，其選取依據(jù)，見表3，并構(gòu)造判斷矩陣A，即

表3 判斷矩陣標度及含義Tab.3 The scale and meaning of the judgment matrix

(1)

其中，IR表示影響因素的平均隨機一致性指標，其具體取值，見表4[13]。當RC>0.1時，認為判斷矩陣的一致性是不合適的，應(yīng)對判斷矩陣予以適當?shù)男拚?/p>

表4 平均隨機一致性指標IRTab.4 Average random consistency index

(3)計算權(quán)重集。由判斷矩陣獲得權(quán)重集的方法有很多且各有優(yōu)劣，本文采用和行歸一法計算指標權(quán)重，并將特征向量ω進行歸一化處理后得到各評判因素的權(quán)重ω′，即

(2)

繼而權(quán)重集為W=(ω′1,ω′1,…,ω′n)。

1.2.3 建立隸屬度矩陣

隸屬度矩陣R是用來描述各個指標對于評語集各等級的隸屬度矩陣[12]，是基礎(chǔ)的評價結(jié)果。

(3)

其中，rij(i=1,2,…,n;j=1,2,…,k)表示第i個指標關(guān)于第j個指標評語集的隸屬度。在對管道輸油泵的安全風(fēng)險評價過程中，其指標因素也即故障模式是難以量化的，因此采用頭腦風(fēng)暴法，由專家的群體決策確定單個故障模式Uij分值，并運用梳理統(tǒng)計的方法進行概率計算，進而得到各個故障模式對應(yīng)的評價等級的隸屬度。

1.2.4 模糊綜合評判

(1)一級故障模式綜合評價。將二級故障模式Unm的權(quán)重Wi與其對應(yīng)的隸屬度矩陣Ri相乘，即得到一級故障模式綜合評價結(jié)果Ai，并對Ai進行歸一化處理，即得

Ai=Wi×Ri=(ω′1,ω′1,…,ω′n)×

=(ai1,ai2,…,aik)

(4)

(2)目標層綜合評價結(jié)果。將一級故障模式綜合評價指標Ui的綜合評價結(jié)果Ai組合起來，得到一級故障模式對應(yīng)的判斷矩陣R，與一級故障模式綜合評價指標Ui的W相乘，即得到目標層綜合評價結(jié)果A，即得

A=W×R=(a1,a2,…ak)

(5)

(3)綜合危害指數(shù)的計算。為了更加直觀的看出模糊FMECA的綜合評價結(jié)果，將目標層綜合評價結(jié)果A通過加權(quán)平均處理，即用C表示故障模式對于系統(tǒng)的綜合危害分析，有：

C=A×VT

(6)

其中，V表示評價等級矩陣，V越低表示風(fēng)險評價等級越低。

2 模糊FMECA的基本流程

FMECA是一種由下至上的邏輯分析方法，該方法從系統(tǒng)或設(shè)備的最低層組成單元(零部件)開始，對每個零部件的故障模式進行分析并回溯跟蹤到該故障模式對系統(tǒng)級的影響，以確定各零部件的各故障模式對系統(tǒng)的風(fēng)險等級，但該方法的評價結(jié)果局限于主觀的定性描述，難以進行量化風(fēng)險評價，模糊綜合評價方法可用定量的計算描述定性的評價結(jié)果，可較好彌補FMECA難以量化分析的局限性。

利用模糊理論處理不確定信息，考慮各故障失效因素之間的權(quán)重系數(shù)，將FMECA的分析結(jié)果進行量化，使風(fēng)險評價結(jié)果更加客觀、可靠、合理。二者相結(jié)合并應(yīng)用于輸油泵的風(fēng)險評價，能夠較好的實現(xiàn)對輸油泵組風(fēng)險辨識、風(fēng)險評價以及風(fēng)險分析。模糊FMECA分析的基本流程，如圖1。

圖1 模糊FMECA基本流程圖Fig.1 The flow chart of fuzzy FMECA

(1)選擇研究對象。確定研究對象及目標層，對設(shè)備層級(設(shè)備/子單元)進行劃分。

(2)繪制FMECA表。以頭腦風(fēng)暴法為手段，識別每個子單元的功能和失效模式，分析每個失效模式的典型失效機理與失效原因，評估失效模式的初始風(fēng)險(即失效可能性與后果嚴重性)是否滿足可接受準則，并繪制FMECA記錄表。

(3)指標權(quán)重的計算。選用層次分析法結(jié)合專家打分法確定指標權(quán)重的計算。

(4)風(fēng)險序數(shù)的確定。風(fēng)險序數(shù)RPN=失效可能性×后果嚴重性，進行RPN等級的劃分，見表5。

表5 RPN等級劃分表Tab.5 RPN grading table

(5)模糊綜合評價。

(6)風(fēng)險控制措施的制定。由風(fēng)險矩陣RPN等級的劃分確定不同風(fēng)險的控制措施準則。

3 案例分析

3.1 關(guān)鍵部分的FMECA分析

選取某油氣管道輸油站場輸油泵的主要組成部分轉(zhuǎn)子、滾動軸承、滑動軸承、葉輪作為研究對象，運用模糊FMECA對其風(fēng)險程度進行評價，輸油泵安全風(fēng)險作為目標分析層，其主要故障形式，如圖2。制定FMECA分析表格，以輸油泵轉(zhuǎn)子U1為例，對輸油泵機組的功能、故障模式、故障原因進行分析，并由表1-2名專家的經(jīng)驗對其風(fēng)險等級的失效可能性與后果嚴重性進行賦分，見表6。

圖2 輸油泵組主要失效故障Fig.2 Main fault of oil pump group

表6 輸油泵組部分指標FMECA專家評分表Tab.6 FMECA expert rating table for some indicators of oil pump group

3.2 建立權(quán)重集

輸油泵及其故障失效的判斷矩陣、最大特征值、一致性檢驗及權(quán)重，見表7-11。

表7 輸油泵T主要故障的判斷矩陣及權(quán)重Tab.7 Judgment matrix and weight of main faults of oil pump

表8 轉(zhuǎn)子U1故障的判斷矩陣及權(quán)重Tab.8 Judgment matrix and weight of rotor fault

表9 滾動軸承U2故障的判斷矩陣及權(quán)重Tab.9 Judgment matrix and weight of rolling bearing fault

表10 滑動軸承U3故障的判斷矩陣及權(quán)重Tab.10 Judgment matrix and weight of sliding bearing fault

表11 葉輪U4故障的判斷矩陣及權(quán)重Tab.11 Judgment matrix and weight of impeller fault

3.3 模糊綜合評價

3.3.1 建立隸屬度矩陣

同理，Ri(i=2,3,4)可由相同方法獲得。

3.3.2 多層次綜合評判

以轉(zhuǎn)子U1為例，由計算所得的W1和R1及式(3)及式(4)，歸一化處理后可得一級指標評判集A1為：

A1=W1×R1=(0.312 2,0.187 5,…,0.173 4)×

=(0.292 7，0.598 7，0.108 7，0，0)

同理可求得A2-A4：

A2=W2×R2=(0.358 1，0.485 2，0.156 7，0，0)

A3=W3×R3=(0.239 5，0.576 4，0.184 0，0，0)

A4=W4×R4=(0.239 1，0.366 4，0.394 5，0，0)

由式(5)，歸一化處理后可得一級指標評判集A為：

A=W×R

=(0.423 1,0.227 2,0.227 2,0.122 5)×

=(0.288 9,0.539 4,0.171 7,0,0)

3.3.3 模糊綜合評判計算

賦值給等級參數(shù)向量C=(20,40,60,80,100)，由式(6)可得模糊綜合評判值為：

C=A×VT

=(0.288 9,0.539 4,0.171 7,0,0)×(20,40,60,80,100)T=37.656

由此計算結(jié)果并結(jié)合表5，可知該輸油泵的風(fēng)險較低，安全性能較高。因此應(yīng)加強輸油泵的維護保養(yǎng)并進行隱患排查，進一步降低輸油泵故障的安全風(fēng)險。

4 結(jié)論

(1)比較分析了FMECA與FCE兩種評價方法優(yōu)點與不足，開展了模糊FMECA分析方法的研究，建立了模糊FMECA綜合評價模型及流程，為油氣管道設(shè)備設(shè)施安全風(fēng)險評價提供了較好的應(yīng)用模式。

(2)運用模糊FMECA評價方法對某管道輸油站場輸油泵4大主要部件(轉(zhuǎn)子U1、滾動軸承U2、滑動軸承U3、葉輪U4)進行故障風(fēng)險分析，結(jié)果表明該輸油泵的安全性較高、風(fēng)險較低。