海洋鉆井平臺關(guān)鍵設(shè)備智能維修系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)

鄒付兵，于昊天，張鳳麗，王金江

(1.中海油田服務(wù)股份有限公司 鉆井研究院，天津 300451；2.中國石油大學(北京)機械與儲運工程學院，北京 102249)

0 引 言

隨著能源勘探逐漸向深海、深地、極地邁進，勘探設(shè)備的構(gòu)成日趨復(fù)雜，逐漸朝著集成化、連續(xù)化、高速化、精密化、自動化、流程化、綜合化的方向發(fā)展[1]。海洋鉆井平臺遠離海岸基地在深海作業(yè)，其關(guān)鍵設(shè)備(如頂驅(qū)、推進器、鉆井絞車、甲板起重機、主機發(fā)電機組等)的性能關(guān)系著海洋石油鉆井作業(yè)的進度和開采過程的危險系數(shù)。此類設(shè)備一般具有體積大、重量大、結(jié)構(gòu)封閉的特點，高度的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和系統(tǒng)特性導(dǎo)致難以通過頻繁拆卸和經(jīng)驗判斷進行故障檢測，傳統(tǒng)的預(yù)防維修模式越來越難以適應(yīng)實際生產(chǎn)的需要。據(jù)統(tǒng)計，平臺關(guān)鍵設(shè)備故障導(dǎo)致的緊急停產(chǎn)不僅帶來嚴重的經(jīng)濟損失，而且伴有巨大的安全風險。表1列舉多個海洋鉆井平臺關(guān)鍵設(shè)備故障的調(diào)研情況。

表1 平臺關(guān)鍵設(shè)備故障事例調(diào)研

隨著海洋鉆井平臺關(guān)鍵設(shè)備智能化程度的不斷提高，其故障類型也從單一的機械結(jié)構(gòu)問題演變?yōu)楹w機械、電氣、控制等多維度的難題[2-3]。因此，對于此類具備信息化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化特點的信息物理系統(tǒng)(Cyber-Physical System，CPS)，研究更先進的維修技術(shù)和維護管理模式迫在眉睫。GONG等[4]為解決系統(tǒng)維修中維修策略選擇的多樣性，提出一種由云模型和向量空間模型組成的維修決策模型，通過多方位評估故障狀況以選擇最優(yōu)的維修策略。ZHANG等[5]對于系統(tǒng)多部件關(guān)聯(lián)導(dǎo)致故障溯源難的問題，提出一種基于深度強化學習的狀態(tài)維護模型，并通過分析單個部件狀態(tài)以及各部件間的依賴性關(guān)系，實現(xiàn)對系統(tǒng)整體狀態(tài)的評估。WANG等[6]基于設(shè)備最小長期平均成本率和最大剩余使用壽命提出一種基于狀態(tài)的維修策略，通過確定多組件系統(tǒng)的最優(yōu)監(jiān)測間隔和臨界狀態(tài)開展預(yù)防性維護。BURGGRF等[7]從技術(shù)、生態(tài)和經(jīng)濟的綜合角度提出適應(yīng)性再制造的主動智能維修策略，根據(jù)成本和效益對維護措施進行優(yōu)選。SHENG等[8]利用增強現(xiàn)實技術(shù)研發(fā)維修引導(dǎo)系統(tǒng)，旨在通過虛擬引導(dǎo)提高維修效率、降低維修成本。本文針對復(fù)雜設(shè)備早期故障征兆微弱、故障溯源難等問題，從智能維修策略出發(fā)，結(jié)合遠程運維技術(shù)，創(chuàng)新性地基于.Net平臺開發(fā)一套智能維修決策系統(tǒng)，能全方位獲取設(shè)備的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，并開展分析處理，實現(xiàn)對設(shè)備從部件到整體的狀態(tài)評估，給出合理的維修建議。目前，該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于某海洋鉆井平臺，現(xiàn)場應(yīng)用情況表明，該系統(tǒng)能有效提高平臺關(guān)鍵設(shè)備維護管理水平，輔助推動海洋鉆井平臺的智慧化轉(zhuǎn)型。

1 智能維修

設(shè)備維修制度發(fā)展至今已經(jīng)歷4代，分別為事后維修制、預(yù)防維修制、生產(chǎn)維修制和視情維修制(狀態(tài)維修制)，目前幾乎所有的海洋鉆井平臺還在沿用實行多年的預(yù)防維修制，即以設(shè)備實際運行時間為依據(jù)，按照磨損程度制定修理周期[9]，維修人員定期按照規(guī)定進行拆檢修理。這種維修制度在一定程度上能夠預(yù)防故障的發(fā)生，將故障排除在設(shè)備劣化期以前，但其缺點也十分明顯[10]：(1)維護成本高；(2)制度呆板；(3)人為縮短機械壽命。

近年來，狀態(tài)維修理念替代傳統(tǒng)預(yù)防維修逐漸成為趨勢[11]。狀態(tài)維修是一種以設(shè)備運行狀態(tài)為根本的維修方式，通過收集設(shè)備日常點檢、定期檢查、狀態(tài)監(jiān)測等方式提供的各類信息，經(jīng)過固定的流程進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計和綜合分析來判斷設(shè)備的劣化程度，并在故障發(fā)生前有計劃地進行適當維修[12-13]。這種維修方式從根本上杜絕了預(yù)防維修的無效拆卸，不僅能夠保證設(shè)備隨時處于良好的運行狀態(tài)，而且充分利用了零部件的壽命，有效避免了維修不足或維修過剩情況的發(fā)生[14]。目前，結(jié)合數(shù)字化轉(zhuǎn)型規(guī)劃要求，在狀態(tài)維修的基礎(chǔ)上，融入多項技術(shù)，引入智能維修的理念[15]。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

基于智能維修理念，以某海洋鉆井平臺為例，研究并開發(fā)一套海洋鉆井平臺關(guān)鍵設(shè)備智能維修系統(tǒng)(簡稱“系統(tǒng)”)，系統(tǒng)技術(shù)路線如圖1所示。該系統(tǒng)整體由平臺端和陸地端兩部分組成，平臺端系統(tǒng)通過在線傳感技術(shù)獲取平臺關(guān)鍵設(shè)備的運行狀態(tài)參數(shù)，進一步結(jié)合TCP/IP通信協(xié)議和倍福Ethercat現(xiàn)場總線協(xié)議將系統(tǒng)PLC采集到的數(shù)據(jù)寫入平臺設(shè)備集成數(shù)據(jù)庫進行存儲，利用數(shù)據(jù)庫同步技術(shù)和衛(wèi)星通信技術(shù)實時地將數(shù)據(jù)傳輸至陸地端數(shù)據(jù)庫服務(wù)器進行備份。另外，平臺端和陸地端共用一套前端操控系統(tǒng)，支持數(shù)據(jù)的分析處理以及陸海工作人員的溝通與交流，從而實現(xiàn)平臺關(guān)鍵設(shè)備的陸海協(xié)同維護。系統(tǒng)采用4層架構(gòu)，系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 海洋鉆井平臺關(guān)鍵設(shè)備智能維修系統(tǒng)技術(shù)路線

圖2 海洋鉆井平臺關(guān)鍵設(shè)備智能維修系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)

從開發(fā)角度來看，基于.Net平臺開發(fā)的海洋鉆井平臺關(guān)鍵設(shè)備智能維修系統(tǒng)共劃分為7個功能模塊，分別為用戶管理、設(shè)備在線監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析處理、歷史趨勢、故障診斷、維修記錄和留言記錄。

3 應(yīng)用實例

該系統(tǒng)已在某海洋鉆井平臺上線運行。圖3～圖8為系統(tǒng)在某時段采集到的平臺頂驅(qū)設(shè)備各測點趨勢圖。圖3～圖6中：HDc為記錄在200脈沖/s水平的沖擊脈沖值；HDm為采樣期間獲得的沖擊脈沖信號最大值。

圖3 電機上軸承沖擊脈沖趨勢圖

圖4 電機下軸承沖擊脈沖趨勢圖

圖5 齒輪箱輸入端沖擊脈沖趨勢圖

圖6 齒輪箱輸出端沖擊脈沖趨勢圖

圖7 齒輪箱輸入端振動烈度趨勢圖

圖8 齒輪箱輸出端振動烈度趨勢圖

由圖3～圖8可知，在某年12月02—14日和16—23日，頂驅(qū)沖擊脈沖測點值有較大波動，而振動測點速度烈度值較高，集中在3～5 mm/s，判斷為頂驅(qū)的作業(yè)時間。選取該作業(yè)時間段內(nèi)一條運行數(shù)據(jù)開展故障診斷分析，結(jié)果顯示該頂驅(qū)各測點振動烈度均處于A級，其關(guān)鍵部件，如電機、齒輪箱和主軸軸承，無明顯故障發(fā)生。進一步結(jié)合失效模式和影響分析(Failure Mode and Effect Analysis，F(xiàn)MEA)算法對頂驅(qū)設(shè)備進行整體評價：頂驅(qū)電機評分為94.164，權(quán)重占比為0.426；頂驅(qū)齒輪箱評分為94.828，權(quán)重占比為0.387；主軸評分為92.426，權(quán)重占比為0.187。綜合后頂驅(qū)評分為94.096，評價為A。頂驅(qū)設(shè)備故障診斷報告如圖9所示。

圖9 智能維修系統(tǒng)頂驅(qū)設(shè)備診斷報告

除頂驅(qū)設(shè)備外，該海洋鉆井平臺關(guān)鍵設(shè)備智能維修系統(tǒng)還包括對平臺6臺主機和6臺推進器的實時監(jiān)測和故障診斷，表2為系統(tǒng)上線運行以來統(tǒng)計出的各設(shè)備的報警準確率和診斷準確率。

表2 智能維修系統(tǒng)報警和診斷準確率

該系統(tǒng)對各設(shè)備異常狀況的平均報警準確率達97.51%，這得益于系統(tǒng)的報警參數(shù)配置功能，系統(tǒng)初始報警標準是參考常見機械設(shè)備振動標準ISO 20816建立的，由于其對海洋鉆井平臺設(shè)備的適用性欠佳，系統(tǒng)早期經(jīng)常出現(xiàn)誤警、誤診等情況，經(jīng)現(xiàn)場技術(shù)人員確認后，可手動對相應(yīng)的報警標準參數(shù)進行調(diào)整，在系統(tǒng)長期歷史數(shù)據(jù)累積下，故障報警功能實現(xiàn)了對平臺現(xiàn)有設(shè)備的適配工作。圖10為系統(tǒng)報警參數(shù)設(shè)置界面。

圖10 智能維修系統(tǒng)報警參數(shù)設(shè)置界面

系統(tǒng)的故障診斷算法參數(shù)會根據(jù)報警標準參數(shù)的更改進行自適應(yīng)優(yōu)化，但從表3所統(tǒng)計的實際運行效果分析，系統(tǒng)的綜合診斷準確率雖然有所提升但并不顯著，目前穩(wěn)定在90.08%，難以完全適應(yīng)平臺現(xiàn)場生產(chǎn)施工的需要，因此，系統(tǒng)故障診斷算法本身以及診斷標準有待進一步改進與完善。

系統(tǒng)自上線運行以來，多次預(yù)警設(shè)備故障狀況并輔助維修人員開展維修工作，為公司避免了近百萬元的經(jīng)濟損失，另外，對于發(fā)現(xiàn)的設(shè)備早期微弱故障均留有備案以督促現(xiàn)場技術(shù)人員重點檢查與維護，在一定程度上節(jié)約了人力成本和設(shè)備維護成本。

4 結(jié) 論

基于智能維修理念搭建一套海洋鉆井平臺關(guān)鍵設(shè)備智能維修系統(tǒng)，對海洋鉆井平臺關(guān)鍵設(shè)備關(guān)鍵部件狀態(tài)參數(shù)進行實時監(jiān)測，該系統(tǒng)能準確表征設(shè)備運轉(zhuǎn)狀況，輔助發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵部件故障征兆，進而利用故障診斷技術(shù)確定設(shè)備的故障類型并給出合理的維修建議，保障關(guān)鍵設(shè)備的長周期安全運行。系統(tǒng)的成功應(yīng)用有效降低平臺的技術(shù)和人力成本，提升平臺設(shè)備維護管理水平，對推動海洋鉆井平臺的智慧化轉(zhuǎn)型具有較高的現(xiàn)實意義。