層次分析法在原油外輸泵故障停泵中的應(yīng)用

柯文超，姜顯英，徐壯飛，張金磊，苗 清，秦海波

中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300459

1 原油外輸泵組成及工作原理

海上油田原油外輸泵工作原理為將電機(jī)的電能轉(zhuǎn)換為油氣介質(zhì)的壓力能，以達(dá)到輸送油氣介質(zhì)的目的。從類型上講，大多為多級離心泵。其組成通常涵蓋電機(jī)、聯(lián)軸器、泵體、就地控制盤（含報警系統(tǒng)）、遠(yuǎn)程控制盤等。對大型外輸泵機(jī)組，還會獨(dú)立配備帶機(jī)泵的壓力潤滑冷卻系統(tǒng)。原油外輸泵在啟動前，需做好盤泵、灌泵排氣、電力系統(tǒng)及電機(jī)檢測、入口濾網(wǎng)清洗、入口供液調(diào)節(jié)、報警確認(rèn)復(fù)位、滑油冷卻系統(tǒng)檢查等工作。原油外輸泵主要故障包括但不限于：軸封（主要是機(jī)械密封）泄漏、機(jī)組振動異常、軸承高溫?fù)p壞、供液壓力不足、排壓不足、軸瓦損壞、潤滑不良導(dǎo)致高溫、電機(jī)過載、斷路器故障等。

由海上某油田群外輸泵故障案例可知：曾因?yàn)樵屯廨敱帽幂S高溫停泵出現(xiàn)火災(zāi)；也出現(xiàn)過外輸泵故障停泵導(dǎo)致油田大量油井緊急關(guān)停，影響原油產(chǎn)量；由于外輸泵緊急停泵導(dǎo)致“跑、冒、滴、漏”在油田現(xiàn)場也時有發(fā)生；外輸泵由于滑油系統(tǒng)出現(xiàn)故障導(dǎo)致外輸泵緊急高溫停泵直接返廠維修情況時有出現(xiàn)，增加油田現(xiàn)場工作難度。因此，對原油外輸泵故障停泵原因進(jìn)行分析具有重要意義[1-4]。

在分析外輸泵故障停泵原因時，分析外輸流體介質(zhì)成分是否對泵體產(chǎn)生腐蝕很有必要。由相關(guān)文獻(xiàn)可知：流體中硫化氫含量過高會導(dǎo)致閥桿出現(xiàn)腐蝕應(yīng)力破壞，氫離子在向閥桿內(nèi)部擴(kuò)散運(yùn)動中導(dǎo)致閥桿出現(xiàn)氫鼓泡，硫化氫引起的全面腐蝕可以使整個金屬表面厚度均勻減少，金屬表面有鱗片狀硫化物腐蝕產(chǎn)物沉淀，沉淀物經(jīng)過沖蝕導(dǎo)致泵體磨損[5-6]。通過對某油田外輸油水混合物進(jìn)行檢測，流體中各種成分如表1所示。

表1 某油田外輸介質(zhì)油水混合物成分

由表1可知，SRB數(shù)量為0，硫化氫含量為0，硫含量為0.1%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），因此，可以排除硫化氫產(chǎn)生硫化物對外輸泵造成的腐蝕，為研究現(xiàn)場其他因素導(dǎo)致外輸泵故障停泵提供依據(jù)。

本文結(jié)合某海上油田采油外輸泵故障停泵實(shí)例，在現(xiàn)場原因分析基礎(chǔ)上，從人、機(jī)、料、法、環(huán)這五個方面建立魚骨圖（如圖1所示），對故障停泵原因進(jìn)行分析。將其轉(zhuǎn)換為層次分析法結(jié)構(gòu)模型，對每個因素進(jìn)行定量標(biāo)定，構(gòu)建矩陣并運(yùn)用MATLAB軟件對構(gòu)建矩陣進(jìn)行檢驗(yàn)，以及對矩陣中各子因素進(jìn)行權(quán)重比例計算。

圖1 外輸泵故障停泵原因魚骨圖

層次分析法中，通常采用兩兩比較方法對元素u1，u2，…，un進(jìn)行賦值定義。其方法是判斷元素ui和uj哪一個更重要、重要的程度如何，通常按1～9比例標(biāo)度對重要性程度賦值，表2中列出了1～9標(biāo)度的含義。

表2 標(biāo)度定義

2 外輸泵故障停泵原因統(tǒng)計

為了確定外輸泵故障停泵原因，匯集某海上油田近年來外輸泵故障停泵的各種原因，結(jié)合實(shí)際情況，從5個主因素和15個子因素中分析外輸泵故障停泵原因。層次分析法是根據(jù)實(shí)際情況把總問題分成若干小問題，把小問題分成不同因素，按照每個因素之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系形成層次組合，從而構(gòu)建分析問題與目標(biāo)的模型。從引發(fā)外輸泵故障停泵的5個主因素和15個子因素中，構(gòu)建如圖2所示的層次分析法結(jié)構(gòu)模型。

圖2 層次分析法結(jié)構(gòu)模型

圖2中A層代表總目標(biāo)外輸泵故障停泵，B層代表人、機(jī)、料、法、環(huán)結(jié)構(gòu)，C層代表B層以下每個小層因素。對其中各層各因素根據(jù)表進(jìn)行賦值后，構(gòu)建矩陣，利用MATLAB軟件進(jìn)行相關(guān)權(quán)重計算[7-8]。

2.1 B層各因素權(quán)重的確定

根據(jù)海上油田現(xiàn)場外輸泵故障停泵案例以及相關(guān)專業(yè)意見，按照表2提供的標(biāo)度值，運(yùn)用MATLAB軟件對矩陣合理性以及權(quán)重核算，構(gòu)建判斷矩陣RAB如表3所示。

表3 中間B層矩陣RAB以及判斷結(jié)果

2.2 C層單因素權(quán)重指標(biāo)及綜合權(quán)重計算

構(gòu)建C層矩陣并通過MATLAB軟件計算C層單因素權(quán)重及綜合權(quán)重。將單層C權(quán)重與上一級單層權(quán)重B相乘，其中上一級單層權(quán)重為中間層（B層）對于最高層（A層）的權(quán)重，兩者乘積所得數(shù)據(jù)為綜合權(quán)重。并且矩陣需要通過MATLAB軟件一致性檢驗(yàn)，檢驗(yàn)合格數(shù)據(jù)才是有效矩陣。其中電儀因素B1下的C1～C3構(gòu)建矩陣及檢驗(yàn)結(jié)果如表4所示，機(jī)械因素B2下的C4～C6構(gòu)建矩陣及檢驗(yàn)結(jié)果如表5所示，流程因素B3下的C7～C9構(gòu)建矩陣及檢驗(yàn)結(jié)果如表6所示，人員因素B4下的C10～C12構(gòu)建矩陣及檢驗(yàn)結(jié)果如表7所示，其他因素B5下的C13～C15構(gòu)建矩陣及檢驗(yàn)結(jié)果如表8所示。

表4 電儀因素B1下的C1～C3矩陣以及檢驗(yàn)結(jié)果

表5 機(jī)械因素B2下的C4～C6矩陣以及檢驗(yàn)結(jié)果

表6 流程因素B3下的C7～C9矩陣以及檢驗(yàn)結(jié)果

表7 人員因素B4下的C10～C12矩陣以及檢驗(yàn)結(jié)果

表8 其他因素B5下的C13～C15矩陣以及檢驗(yàn)結(jié)果

由表4～表8可知，所構(gòu)建矩陣都通過MATLAB軟件數(shù)據(jù)合理一致性檢驗(yàn)。斷路器保險故障C3綜合權(quán)重為0.220 7，影響度最高，主要是運(yùn)行時間過長導(dǎo)致，有些斷路器從油田投產(chǎn)至今一直運(yùn)行，長達(dá)十余年。泵軸高溫C4占綜合權(quán)重為0.194 6，影響度次之，引起泵軸高溫的主要原因有磨損、介質(zhì)臟等。泵振動過大C6與吸入口低壓C8兩種因素之和所占綜合權(quán)重達(dá)0.205 4，導(dǎo)致外輸泵振動過大主要是泵對中出現(xiàn)偏差，線度比過大，出現(xiàn)共振所致。綜合上述停泵原因分析，需要在實(shí)際管理中加密日常巡檢，切實(shí)做到“望、聞、問、切”。當(dāng)出現(xiàn)上述故障萌芽時，及時停泵，進(jìn)行預(yù)防性保養(yǎng)維護(hù)工作，進(jìn)一步提升故障維修質(zhì)量。有計劃地采購易損備件，對于部分昂貴的進(jìn)口備件，可以依托技術(shù)部門進(jìn)行國產(chǎn)化，縮短供貨周期。

3 結(jié)論

（1） 在對外輸泵故障停泵原因定量分析中，可以使用層次分析法對其中5個主因素及15個子因素構(gòu)建合理矩陣，對矩陣進(jìn)行合理性檢驗(yàn)，同時計算出各個權(quán)重指標(biāo)。

（2）采用MATLAB軟件對構(gòu)建矩陣進(jìn)行合理性檢驗(yàn)以及權(quán)重核算得出：電儀因素與機(jī)械因素的權(quán)重值相加高達(dá)0.667，是現(xiàn)場設(shè)備管理需要考慮的重點(diǎn)；斷路器保險故障所占權(quán)重（0.2207）最高，泵軸高溫綜合權(quán)重（0.1946）次之，振動過大以及吸入口低壓所占綜合權(quán)重之和高達(dá)0.205 4，要引起油田各專業(yè)足夠重視；透平系統(tǒng)失電 （0.077 6） 與溫度探頭故障（0.069 5）所占綜合權(quán)重為0.147 1，平時要加強(qiáng)對電網(wǎng)穩(wěn)定管理。