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(dòng)設(shè)備，其運(yùn)行的穩(wěn)定性直接決定了整個(gè)石油管道儲(chǔ)運(yùn)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(dòng)、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(shí)發(fā)現(xiàn)，將可能導(dǎo)致惡性停機(jī)、管道停輸?shù)劝踩a(chǎn)事故。因此，對(duì)管道輸油泵組定期開展切實(shí)有效的安全風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)、評(píng)估、分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)石油儲(chǔ)運(yùn)過程中的隱患與風(fēng)險(xiǎn)，制定有針對(duì)性的技術(shù)措施、管理措施、個(gè)體防護(hù)措施對(duì)管道及輸油站場的安全運(yùn)行具有重要的意義。本文提出一種模糊FMECA對(duì)輸油泵進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。

目前，已有很多學(xué)者對(duì)管道及輸油泵的風(fēng)險(xiǎn)與故障進(jìn)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(duì)管道輸油泵進(jìn)行了可靠度分析，建立了較為完善的輸油泵評(píng)估指標(biāo)體系。也有大量的學(xué)者對(duì)模糊綜合評(píng)價(jià)法和FMECA評(píng)價(jià)法進(jìn)行了研究，并將2種評(píng)價(jià)方法應(yīng)用于不同行業(yè)的安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)過程中。如張晗亮[4]利用FMECA對(duì)柴油機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了可靠性研究，建立模糊馬爾可夫結(jié)合FMECA的柴油機(jī)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(jī)起降系統(tǒng)來研究其可靠性。金菊良[6]等采用改進(jìn)層次分析法結(jié)合模糊綜合分析法對(duì)水電站裝機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行安全性評(píng)價(jià)。劉斌[7]采用基于振動(dòng)檢測的故障診斷方法對(duì)輸油泵故障模式進(jìn)行了識(shí)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(píng)價(jià)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(xiǎn)評(píng)價(jià)領(lǐng)域仍需要對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)、優(yōu)化；模糊綜合評(píng)價(jià)方法可用定量計(jì)算的方式描述定性的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果，能夠較好彌補(bǔ)FMECA難以量化分析的局限性，與此同時(shí)，F(xiàn)MECA分析法在一定程度上也能夠解決模糊綜合評(píng)價(jià)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(xiǎn)評(píng)價(jià)中，能夠有效提高石油儲(chǔ)運(yùn)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)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(chǔ)運(yùn)過程中較為常用的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法之一[8]，通過系統(tǒng)分割的方式來分析目標(biāo)系統(tǒng)中各組成部分中潛在的故障模式及其對(duì)該系統(tǒng)及上層系統(tǒng)所產(chǎn)生的影響，進(jìn)而全面識(shí)別設(shè)計(jì)過程中的薄弱環(huán)節(jié)[9]，并為安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)改進(jìn)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(jì)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(xì)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(jī)理或原因，評(píng)估故障失效時(shí)后果的嚴(yán)重性、失效的可能性，進(jìn)而計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)序數(shù)RPN，根據(jù)RPN值對(duì)故障模式進(jìn)行排序，并采取相應(yīng)的改進(jìn)或者增補(bǔ)的風(fēng)險(xiǎn)管控措施，以確保系統(tǒng)的安全、可靠。在油氣管道儲(chǔ)運(yùn)過程中，后果嚴(yán)重度等級(jí)(見表1)，失效可能性等級(jí)，見表2[10]。

表1 故障后果嚴(yán)重性等級(jí)Tab.1 Fault consequence severity rating

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

1.2 模糊綜合評(píng)價(jià)法

模糊綜合評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)的對(duì)象以及反映對(duì)象的模糊概念作為一定的模糊集合，并建立適當(dāng)?shù)碾`屬度矩陣，通過模糊集合論的有關(guān)運(yùn)算和變換，對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象進(jìn)行定量計(jì)算與分析[11]。在油氣管道輸油站場輸油泵安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)過程中，由于FMECA分析流程中涉及的評(píng)價(jià)因素多，且大多數(shù)風(fēng)險(xiǎn)因素難以量化，同時(shí)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(xiǎn)分析人員常常難以給出準(zhǔn)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(píng)語集、建立評(píng)估指標(biāo)權(quán)重集、建立隸屬度矩陣以及模糊綜合評(píng)判。

1.2.1 建立故障模式集與評(píng)語集

因素集U是影響評(píng)判對(duì)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(jí)，一級(jí)故障模式為Un=(u1,u2,…,un)，(i=1,2,…,n，表示一級(jí)故障模式的個(gè)數(shù))；二級(jí)故障模式Unm=(un1,un2,…,unm)，(j=1,2,…,m，表示二級(jí)故障模式中屬于一級(jí)故障模式Un的個(gè)數(shù))。評(píng)語集V是用以確定指標(biāo)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(yán)重度等級(jí)，在油氣管道輸油泵風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估過程中，V通常被劃分為5個(gè)等級(jí)(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(yán)重度與失效可能性等級(jí)的描述。

1.2.2 建立評(píng)估指標(biāo)權(quán)重集

不同風(fēng)險(xiǎn)因素對(duì)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(xiǎn)因素的重要程度，計(jì)算并確定其相應(yīng)的指標(biāo)權(quán)重，并由這些指標(biāo)權(quán)重確定權(quán)重集。利用層次分析法進(jìn)行權(quán)重分析主要包含3個(gè)步驟：構(gòu)造判斷矩陣、檢驗(yàn)一致性、計(jì)算權(quán)重。

(1)構(gòu)造判斷矩陣。判斷矩陣反映了同一指標(biāo)因素集內(nèi)每2個(gè)指標(biāo)因素間的優(yōu)先關(guān)系，用aij表示影響因素ui對(duì)uj的相對(duì)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(biāo)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(jī)一致性指標(biāo)，其具體取值，見表4[13]。當(dāng)RC>0.1時(shí)，認(rèn)為判斷矩陣的一致性是不合適的，應(yīng)對(duì)判斷矩陣予以適當(dāng)?shù)男拚?/p>

表4 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)IRTab.4 Average random consistency index

(3)計(jì)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(jì)算指標(biāo)權(quán)重，并將特征向量ω進(jìn)行歸一化處理后得到各評(píng)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(gè)指標(biāo)對(duì)于評(píng)語集各等級(jí)的隸屬度矩陣[12]，是基礎(chǔ)的評(píng)價(jià)結(jié)果。

(3)

其中，rij(i=1,2,…,n;j=1,2,…,k)表示第i個(gè)指標(biāo)關(guān)于第j個(gè)指標(biāo)評(píng)語集的隸屬度。在對(duì)管道輸油泵的安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)過程中，其指標(biāo)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(gè)故障模式Uij分值，并運(yùn)用梳理統(tǒng)計(jì)的方法進(jìn)行概率計(jì)算，進(jìn)而得到各個(gè)故障模式對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)等級(jí)的隸屬度。

1.2.4 模糊綜合評(píng)判

(1)一級(jí)故障模式綜合評(píng)價(jià)。將二級(jí)故障模式Unm的權(quán)重Wi與其對(duì)應(yīng)的隸屬度矩陣Ri相乘，即得到一級(jí)故障模式綜合評(píng)價(jià)結(jié)果Ai，并對(duì)Ai進(jìn)行歸一化處理，即得

Ai=Wi×Ri=(ω′1,ω′1,…,ω′n)×

=(ai1,ai2,…,aik)

(4)

(2)目標(biāo)層綜合評(píng)價(jià)結(jié)果。將一級(jí)故障模式綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)Ui的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果Ai組合起來，得到一級(jí)故障模式對(duì)應(yīng)的判斷矩陣R，與一級(jí)故障模式綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)Ui的W相乘，即得到目標(biāo)層綜合評(píng)價(jià)結(jié)果A，即得

A=W×R=(a1,a2,…ak)

(5)

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

C=A×VT

(6)

其中，V表示評(píng)價(jià)等級(jí)矩陣，V越低表示風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等級(jí)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(duì)每個(gè)零部件的故障模式進(jìn)行分析并回溯跟蹤到該故障模式對(duì)系統(tǒng)級(jí)的影響，以確定各零部件的各故障模式對(duì)系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，但該方法的評(píng)價(jià)結(jié)果局限于主觀的定性描述，難以進(jìn)行量化風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，模糊綜合評(píng)價(jià)方法可用定量的計(jì)算描述定性的評(píng)價(jià)結(jié)果，可較好彌補(bǔ)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(jìn)行量化，使風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)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(xiǎn)評(píng)價(jià)，能夠較好的實(shí)現(xiàn)對(duì)輸油泵組風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)以及風(fēng)險(xiǎn)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(duì)象。確定研究對(duì)象及目標(biāo)層，對(duì)設(shè)備層級(jí)(設(shè)備/子單元)進(jìn)行劃分。

(2)繪制FMECA表。以頭腦風(fēng)暴法為手段，識(shí)別每個(gè)子單元的功能和失效模式，分析每個(gè)失效模式的典型失效機(jī)理與失效原因，評(píng)估失效模式的初始風(fēng)險(xiǎn)(即失效可能性與后果嚴(yán)重性)是否滿足可接受準(zhǔn)則，并繪制FMECA記錄表。

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

(4)風(fēng)險(xiǎn)序數(shù)的確定。風(fēng)險(xiǎn)序數(shù)RPN=失效可能性×后果嚴(yán)重性，進(jìn)行RPN等級(jí)的劃分，見表5。

表5 RPN等級(jí)劃分表Tab.5 RPN grading table

(5)模糊綜合評(píng)價(jià)。

(6)風(fēng)險(xiǎn)控制措施的制定。由風(fēng)險(xiǎn)矩陣RPN等級(jí)的劃分確定不同風(fēng)險(xiǎn)的控制措施準(zhǔn)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(dòng)軸承、滑動(dòng)軸承、葉輪作為研究對(duì)象，運(yùn)用模糊FMECA對(duì)其風(fēng)險(xiǎn)程度進(jìn)行評(píng)價(jià)，輸油泵安全風(fēng)險(xiǎn)作為目標(biāo)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(duì)輸油泵機(jī)組的功能、故障模式、故障原因進(jìn)行分析，并由表1-2名專家的經(jīng)驗(yàn)對(duì)其風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的失效可能性與后果嚴(yán)重性進(jìn)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(biāo)FMECA專家評(píng)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(yàn)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(dòng)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(dòng)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(píng)價(jià)

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(píng)判

以轉(zhuǎn)子U1為例，由計(jì)算所得的W1和R1及式(3)及式(4)，歸一化處理后可得一級(jí)指標(biāo)評(píng)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(jí)指標(biāo)評(píng)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(píng)判計(jì)算

賦值給等級(jí)參數(shù)向量C=(20,40,60,80,100)，由式(6)可得模糊綜合評(píng)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(jì)算結(jié)果并結(jié)合表5，可知該輸油泵的風(fēng)險(xiǎn)較低，安全性能較高。因此應(yīng)加強(qiáng)輸油泵的維護(hù)保養(yǎng)并進(jìn)行隱患排查，進(jìn)一步降低輸油泵故障的安全風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)論

(1)比較分析了FMECA與FCE兩種評(píng)價(jià)方法優(yōu)點(diǎn)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(píng)價(jià)模型及流程，為油氣管道設(shè)備設(shè)施安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)提供了較好的應(yīng)用模式。

(2)運(yùn)用模糊FMECA評(píng)價(jià)方法對(duì)某管道輸油站場輸油泵4大主要部件(轉(zhuǎn)子U1、滾動(dòng)軸承U2、滑動(dòng)軸承U3、葉輪U4)進(jìn)行故障風(fēng)險(xiǎn)分析，結(jié)果表明該輸油泵的安全性較高、風(fēng)險(xiǎn)較低。