海上油氣田設備設施設計完整性探討

中海油安全技術服務有限公司

設備設施完整性管理是企業(yè)質量、健康、安全、環(huán)保管理工作的基礎，是防范重大風險、保障安全生產(chǎn)的基石，是實現(xiàn)設備設施本質安全的重要途徑和有效措施。設備設施完整性管理本質上就是設備管理，是設備管理理論的進一步發(fā)展。設計階段屬于設備設施資產(chǎn)的前期獲取階段，開展設備設施的設計完整性研究對于有效管控后期風險、及時發(fā)現(xiàn)設計問題、充分滿足操作使用需求、提高設備設施本質安全以及經(jīng)濟可靠具有重要現(xiàn)實意義。海上油氣田開發(fā)工程是一個復雜的系統(tǒng)工程，作業(yè)空間小、設備復雜程度高、投產(chǎn)運行后重大維修改造難度大等特點決定了從設計上解決設備設施運行維護階段的問題，規(guī)避生產(chǎn)操作的風險，考慮全生命周期成本等十分必要。

1 設備完整性研究與應用

1.1 國外概況

“完整性”的理念最早是由美國職業(yè)安全與健康管理局（OHSA）在1992 年頒布的29CFR1910.119《高度危險化學品工藝安全管理》中提出，要求裝有危險物質的系統(tǒng)在使用期間要確保其完整性，并把“機械完整性”作為其中一個核心要素。20 世紀60 年代，美國形成的后勤工程學被認為是體現(xiàn)設備周期管理最為徹底的學科，其目標是追求設備壽命周期費用最經(jīng)濟。1970 年，英國人丹尼斯·巴克斯提出了設備綜合工程學，把與設備有關的工程技術、財務、管理等方面結合起來進行綜合性管理，研究提高設備的可靠性、維修性設計，提高設計的質量和效率。1971 年，日本設備管理協(xié)會提出全員生產(chǎn)維護，簡稱TPM（Total Productive Maintenance），確立以設備一生（全生命周期或全過程）為目標的全系統(tǒng)的預防維修，設備的計劃、使用、維修等所有部門都要參加，而不僅僅局限于生產(chǎn)部門。

20 世紀80 年代，澳大利亞和新西蘭逐步將資產(chǎn)管理理論應用于鐵路、公路及電力等行業(yè)。2004年4 月，以英國資產(chǎn)管理協(xié)會（IAM）和英國國家標準委員會（BSI）主導，率先推出資產(chǎn)管理標準PAS 55。2014 年2 月5 日，ISO 55000 系列標準發(fā)布會在倫敦舉行。2016 年，美國化工過程安全中心（CCPS）編制了《資產(chǎn)完整性管理指南》，是機械完整性管理體系指南的更新和擴展。

1.2 國內(nèi)概況

我國的設備設施完整性管理始于1998 年，重點針對油氣管道完整性管理開展了大量的研究與應用工作。中國石油管道公司管道科技研究中心建立了管道完整性管理體系和管道基礎數(shù)據(jù)庫，成立了管道完整性管理專門機構，促進了管道完整性管理的發(fā)展。2007 年底，由中國石油管道公司研究中心承擔的中國石油科研項目“長輸油氣管道完整性管理體系研究”針對國內(nèi)管道管理現(xiàn)狀，提出了中國石油管道完整性管理體系框架，在國內(nèi)率先開展場站完整性管理研究，彌補了當時基層場站傳統(tǒng)安全管理的薄弱環(huán)節(jié)[1]。我國油氣管道完整性管理經(jīng)過發(fā)展逐步由以前狹隘的局部管理和維護發(fā)展為全局整體預防[2]。2015 年，GB32167—2015《油氣輸送管道完整性管理規(guī)范》的正式發(fā)布是我國管道完整性管理的標志性事件。2016 年，我國等同采用ISO 55000 資產(chǎn)管理系列標準的GB/T 33172—2016《資產(chǎn)管理 綜述、原則和術語》、GB/T 33173—2016《資產(chǎn)管理管理體系要求》及GB/T 33174—2016《資產(chǎn)管理 管理體系 GB/T 33173應用指南》標準發(fā)布，提出了我國資產(chǎn)完整性管理工作的具體要求。2018 年6 月，國家能源局發(fā)布了DL/T 1868—2018《電力資產(chǎn)全壽命周期管理體系規(guī)范》，對電力行業(yè)的資產(chǎn)完整性管理提出了明確的要求。馬磊等[3]研究指出，承壓設備完整性管理包括設計管理，并指出設計管理中基于風險的設計管理國內(nèi)還處在探索階段。湯林等[4]研究提出在油氣輸送管道工程設計階段要做好高后果區(qū)識別和風險辨識，及時規(guī)避敏感區(qū)域；管道的設計要能夠滿足生產(chǎn)階段檢測、監(jiān)測和評價的要求，特別是需要做內(nèi)檢測的管道要考慮智能檢測器對收發(fā)球筒的要求。尹廣增[5]等提出了通過程序化、標準化的實施，強化設備生命周期中的每一個階段管理。

目前已有華為、國家電網(wǎng)、蒙牛乳業(yè)、香港地鐵、香港中華電力、中國重汽集團等企業(yè)或其子公司取得了ISO 55001 資產(chǎn)管理體系認證。以中國石油、中國石化、中國海油等為代表的石油石化企業(yè)在不同的設備設施方面開展了完整性管理工作。

2015—2018 年，中國石油開展了油氣田管道完整性管理試點工程，探索油氣田管道完整性管理模式，其中2015—2017 年間產(chǎn)生經(jīng)濟效益超過6.4×108元，取得了顯著的成效；2017 年以來中國石油編制了以“一規(guī)三則”為代表的管道與站場完整性管理系列文件，有效地規(guī)范和指導了完整性管理工作，提高了管理水平[6]。2016 年以來，中國海油從集團公司層面全面推動設備設施完整性管理建設工作，要求應用完整性管理技術，推動安全生產(chǎn)和降本增效。近年來中國海油有限公司天津分公司大力推行設備全壽命周期管理，重視費效比，實施了包括基于風險的檢驗、檢測，基于可靠性的維護、海管完整性管理等[7]，并于2015 年率先在渤海蓬萊19-9 油田開展工程建設階段的完整性試點工作，其中對于設計的完整性管理是重要一環(huán)。

總體上來講，國內(nèi)外對設備設施完整性的研究較多，全生命周期管理的理念基本得到認同，對設備設施設計管理提出了相關要求。然而，針對從哪些方面開展工程建設階段設計完整性管理的相關文獻、研究成果及應用較為鮮見。

2 設計完整性的含義

設計完整性源自杜邦公司的安全設計理念，英文Design Integrity，譯為設計完整性，其含義是指提高設計可靠性[8]。杜邦公司的設計完整性體系包括6 大要素：工藝安全管理，安全、職業(yè)健康與防火，環(huán)保實踐，人體工學設計，項目文檔管理，設計審查。馬繼國等[9]對化工建設項目設備完整性設計從實現(xiàn)化工裝置功能、遵守法律法規(guī)要求、遵守技術標準要求、易于操作與維保、技術文件的完整五個方面進行了定義。根據(jù)海上油氣田項目的特點，海上油氣田設備設施設計完整性包含以下幾個方面的要素：

（1）功能性。設備設施的設計應滿足其投入使用后應具有的功能要求。

（2）可施工性。設備設施的設計應能保證制造、建造、安裝、調(diào)試等施工的正常進行。

（3）安全性。設備設施應盡量實現(xiàn)本質安全設計。

（4）可靠性。設備設施的設計應考慮其投入使用后運行穩(wěn)定，在需要時可以正確發(fā)揮其功能，并且盡量減少故障時間。

（5）可操作性。設備設施的設計應保證設備設施投入使用后便于人員操作，符合人機工程學的期望。

（6）可維護性。設備設施應從設計上考慮其投入使用后便于維修、保養(yǎng)，提前設計相關維護條件和措施，提升后期維護的快速性和有效性。

（7）經(jīng)濟性。從設計上考慮設備設施全生命周期成本最經(jīng)濟。

（8）數(shù)據(jù)完整性。設備設施設計各階段設計方案、圖紙、計算書、模型、廠家說明書、操作規(guī)程、專家審查意見及落實情況等結構化數(shù)據(jù)和非結構化數(shù)據(jù)的完整性。

3 設計完整性的實現(xiàn)路徑

海上油氣田設備設施設計完整性可通過控制8大要素去實現(xiàn)，如圖1 所示。

圖1 海上油氣田設備設施設計完整性控制要素Fig.1 Control elements of design integrity of equipment and facilities in offshore oil and gas fields

3.1 功能性控制

設備設施的設計首先應確保設備設施能夠實現(xiàn)主要功能和輔助功能。海上油氣田設備設施功能性要素可從以下方面進行控制：①設計文件中應對所有設備設施進行功能描述；②功能描述應當明確，清晰；③功能描述應當全面，包括主要功能、輔助功能等；④功能描述應當包括本質安全設計的內(nèi)容，如工藝安全、儀表安全等；⑤設備設施設計深度和范圍能否滿足功能需求；⑥設計的質量和水平能否落實等。

3.2 可施工性控制

海上油氣田工程建設項目涉及陸地建造、碼頭裝船、海上拖航、導管架下水、上部組塊海上大型吊裝或浮托安裝、導管架預鉆井等多種特殊類型的施工作業(yè)。空間受限、陸海銜接、多種施工裝備和作業(yè)機具配合等特點要求設備設施在設計過程中應充分考慮施工的順利開展和施工過程中的保護措施。海上油氣田設備設施可施工性要素可從以下方面進行控制：①閥門安裝的可實現(xiàn)和便利性；②線槽、控制面板和管線設備碰撞情況；③爬梯設置與管道設備模型碰撞情況；④管線碰撞、電氣/儀表纜橋布置、管廊爬坡；⑤管線與裝置、工作間等的碰撞等；⑥設備吊點、滑道梁的設置；⑦火炬、冷放空等大管徑管線的技術性和經(jīng)濟性要求；⑧設備供貨商所有技術要求，在設計模型里考慮；⑨現(xiàn)場空間滿足設備供應商最終版文件的技術要求；⑩供貨商技術參數(shù)與管道模型的一致性；?建造場地能力和施工船舶作業(yè)能力等。

3.3 安全性控制

安全性設計應滿足國家法律法規(guī)、強制性標準規(guī)范等關于HSE 方面的要求。同時，應盡可能通過設計手段實現(xiàn)“人員失誤—安全”和“設備故障—安全”，達到本質安全的目的。海上油氣田設備設施安全性要素可從以下方面進行控制：①設備、儲罐、工作間等的防火分區(qū)，防火墻設置；②裝置進出通道、設備橇塊和平臺的安全疏散通道、緊急切斷和泄放閥門的通道；③洗眼器、滅火器、通風、公用工程站的設置；④火炬、冷放空管線的設置；⑤火氣探頭、自動報警系統(tǒng)的設置；⑥救生艇、救生筏、救生衣的設置；⑦自動求救信號發(fā)射器的設置；⑧各類風險分析報告所識別出的風險在設計上是否考慮規(guī)避等。

3.4 可靠性控制

可靠性是設備設施完整性的最重要要素之一。設計過程中應用系統(tǒng)工程學的原理考慮設備運行后與其他設備、系統(tǒng)之間的匹配性、適應性。海上油氣田設備設施可靠性要素可從以下方面進行控制：①裝置內(nèi)外管線界面連接可靠（坐標、標高、分層布置、遺漏管線、材質、應力等）；②放空、取樣、分配管、長度最大化/最小化、固定等要求；③儀表最小直管段要求；④腐蝕和磨蝕的監(jiān)測位置、監(jiān)測設備選擇和安裝要求；⑤管道應力布置要求（管道柔性和支架要求等）；⑥海管腐蝕監(jiān)測、水下安防等在線監(jiān)測技術的應用；⑦關鍵設備設計文件的質量控制（文件復核點/R 點、圖紙會審等）；⑧新材料、新產(chǎn)品和新技術的測試結果和承包商資格；⑨后評估數(shù)據(jù)中有關設計階段問題的梳理；⑩其他類似平臺生產(chǎn)適應性評估中發(fā)現(xiàn)設計問題的借鑒與改進；?其他類似平臺、海管、海上浮式生產(chǎn)儲油裝置（FPSO）等設施運行維護階段問題的設計規(guī)避。

3.5 可操作性控制

海上采油平臺是眾多設備高度集中的生產(chǎn)設施。在設計的階段模型中各專業(yè)經(jīng)常發(fā)生模型上的碰撞，然后再根據(jù)實際空間進行調(diào)整。盡管如此，依然應在滿足合規(guī)的前提下運用人機工程學原理，盡可能設計得更加人性化。海上油氣田設備設施可操作性要素可從以下方面進行控制：①設備按工藝流程進行集中布置；②儀表視覺化布置；③安全閥調(diào)試和管線設備的操作設置；④取樣點位置及其合理性；⑤大型設備、集裝箱等的吊裝區(qū)域；⑥直梯、爬梯、操作平臺、欄桿等使用和操作的考慮；⑦裝置內(nèi)部的平臺、樓梯、通道設置等。

3.6 可維護性控制

全生命周期理念是設備設施完整性管理的最核心理念之一。設計完整性工作一方面可以落實項目投資規(guī)劃和項目前期研究的要求，另一方面可以將投入使用后生產(chǎn)方對設備維修、檢驗、檢測、保養(yǎng)等方面的需求或期望通過設計來改進。海上油氣田設備設施可維護性要素可從以下方面進行控制：①設備自身可拆卸空間考慮；②盲板和人孔的活動空間；③設備將來改擴建的預留和界面考慮；④通道的凈空和寬度充分考慮后期維修的空間需求；⑤大型裝置的檢修區(qū)域和空間；⑥設備內(nèi)件抽取空間；⑦換熱器、過濾器、壓縮機等的檢修空間；⑧安全閥調(diào)試和管線設備的檢修、通道預留空間等。

3.7 經(jīng)濟性控制

通常來講，經(jīng)濟效益是設備設施價值的最重要體現(xiàn)。采用先進的設計理念、方法和技術手段，并通過優(yōu)化設計，可以達到投資與效益的最佳組合[10]。設備設施資產(chǎn)狀態(tài)管理不完善、全生命周期費用管理缺失、維護成本分析不全面、經(jīng)濟指標管理要求不明確會導致設備設施經(jīng)濟性管理的缺失。海上油氣田設備設施經(jīng)濟性要素可從以下方面控制：①設備設施經(jīng)濟性統(tǒng)計指標的設計；②規(guī)劃投資階段對全生命周期費用優(yōu)化策略在設計上的落實；③設計階段應用最優(yōu)化理論方法開展全生命周期費用分析；④比選/優(yōu)化方案時，費用優(yōu)化原則或策略制定；⑤項目后續(xù)階段、運營維護階段涉及的全生命周期費用的策略制定；⑥預測的穩(wěn)產(chǎn)年均總成本（年均可變成本、年均固定成本等）各項組成的優(yōu)化策略制定；⑦同類設備設施全生命周期費用核算模型（LCC）對設備購置成本等設計的借鑒。

3.8 數(shù)據(jù)完整性控制

數(shù)據(jù)完整是做好設計工作完整的基礎。中國海油提出了“智慧海油”的概念，并推進了設備設施全生命周期的數(shù)字化管理[11]。設計數(shù)據(jù)是設備設施制造、建造、安裝、調(diào)試的依據(jù)，也是后期運營維護的重要參考。設計相關的數(shù)據(jù)完整才能確保設計工作的完整。海上油氣田設備設施設計數(shù)據(jù)完整性要素可從以下方面進行控制：①各專業(yè)圖紙文件目錄、設計基礎、圖紙、系統(tǒng)描述、設計準則、模型、計算書、功能評價、消耗表、管線表、安全分析表、規(guī)格書、數(shù)據(jù)表及設備清單、調(diào)試大綱、材料清單、程序文件、設計報告等歸檔；②結構化設計數(shù)據(jù)錄入信息系統(tǒng)；③設計自查表的歸檔；④設計審查大綱歸檔；⑤設計差異性修正資料的歸檔；⑥設計階段風險分析報告的歸檔；⑦安全專篇、環(huán)保專篇、職業(yè)衛(wèi)生專篇、完整性專篇歸檔；⑧設計各項審查的專家意見及回復歸檔；⑨設備設施招投標技術文件歸檔；⑩供貨商技術澄清及變更資料歸檔。

4 結束語

開展設計完整性管理是實現(xiàn)設備設施本質安全和經(jīng)濟可靠的重要手段。針對海上油氣田設備設施設計完整性管理工作進行了探討，指出海上油氣田設備設施設計完整性工作包含功能性、可施工性、安全性、可靠性、可操作性、可維護性、經(jīng)濟性、數(shù)據(jù)完整性8 個方面的控制要素。2017 年以來，渤海蓬萊19-3 油田、19-9 油田新建項目開展了設計完整性辨識工作，基本上是圍繞這8 個要素進行的，取得了較好的效果，打破了標準化設計的慣向思維，控制了設計階段的完整性風險。

海上油氣田設備設施完整性管理的8 個控制要素起到了拋磚引玉的作用，進一步的研究可按照設計進度分階段細化完整性控制點，形成檢查表或檢查大綱。企業(yè)可根據(jù)工程建設階段和運營維護階段發(fā)現(xiàn)的問題建立設計問題數(shù)據(jù)庫，基于實際數(shù)據(jù)開展設備設施設計完整性管理工作。