魏立新 ，初勇強 ，劉 芳 ，閆 鋒 ，葉 霖 ，王 霽

（1.東北石油大學(xué) 石油工程學(xué)院，黑龍江大慶 163318；2中國石油天然氣集團公司 中國石油天然氣集團公司油氣儲運重點實驗室，河北廊坊 065000；3.大慶油田有限責(zé)任公司 儲運銷售分公司，黑龍江大慶 163411）

關(guān)鍵字：輸油泵機組；模糊綜合評價法；故障模式；安全評價

0 引言

輸油站場是石油儲運系統(tǒng)的核心單元，負責(zé)各個采油廠原油的儲存、外輸和轉(zhuǎn)運，站場設(shè)備設(shè)施的安全狀況長期以來都是國家和社會所關(guān)注的焦點問題。隨著世界能源危機愈演愈烈、國際競爭不斷加劇，給我國的石油石化資產(chǎn)設(shè)備的基于整個生命周期的安全性和可靠性有了更高的要求［1-4］。關(guān)于輸油泵的風(fēng)險分析及安全管理研究，國內(nèi)外學(xué)者主要研究思路有兩種［5］：（1）利用安全分析方法和統(tǒng)計學(xué)原理，結(jié)合專家知識經(jīng)驗對輸油泵歷史數(shù)據(jù)進行分析，從而探究輸油泵不安全狀態(tài)下發(fā)生的概率和后果；（2）利用試驗或者計算流體力學(xué)方法，從原理上研究輸油泵內(nèi)部存在的故障及原因，提出輸油泵結(jié)構(gòu)和操作方面的優(yōu)化措施。目前，在原油輸送過程中，對輸油泵機組故障診斷主要依靠維修人員憑個人經(jīng)驗來完成，不能準確地反應(yīng)事故原因及變化規(guī)律，一旦輸油泵發(fā)生故障，將嚴重影響正常生產(chǎn)。因此，本文主要依據(jù)設(shè)備風(fēng)險因素辨識技術(shù)，結(jié)合某輸油站場6臺輸油泵機組，采用風(fēng)險分析手段，找出對輸油泵壽命影響的諸多因素，用層次分析法確定其指標權(quán)重［6］，分析其薄弱環(huán)節(jié)，利用模糊數(shù)學(xué)中模糊綜合評價法實現(xiàn)了輸油泵機組故障及故障因素的科學(xué)合理的分析評價，改善各零部件使用周期，全面的考慮輸油泵機組的各主要部件，實現(xiàn)對其故障的診斷，對提高輸油泵的工作壽命具有重大的意義。

1 輸油泵機組的風(fēng)險因素辨識

故障模式、原因及影響分析是一種有效的設(shè)備風(fēng)險因素辨識技術(shù)［7］。故障模式分析的目的是找出輸油泵機組可能發(fā)生的所有的故障模式。其中故障模式的確定主要以同類的輸油泵機組在過去的使用中所發(fā)生的故障模式為基礎(chǔ)，再根據(jù)該產(chǎn)品的使用環(huán)境進行修正，從而得到所分析輸油泵機組的故障模式。故障原因分析的目的是要找出每個故障模式產(chǎn)生的原因，進而采取針對性的有效改進措施，防止減少故障模式發(fā)生的可能性。故障模式影響分析是每一種故障發(fā)生后所產(chǎn)生的影響，主要對安全、環(huán)境、生產(chǎn)運行及后續(xù)成本風(fēng)險進行評估［8-9］。

針對輸油泵機組，將其系統(tǒng)劃分為泵本體、電機、電氣、儀表、閥門、輔助管路6個系統(tǒng)。其中閥門、輔助管路、儀表和電氣這4個系統(tǒng)并不適合應(yīng)用故障模式、原因及影響分析方法來進行分析，因此對于這4個系統(tǒng)采用其它的分析方法，不在本研究中進行?，F(xiàn)根據(jù)某輸油站場6臺輸油泵機組，編號為1#～6#輸油泵機組歷史運行數(shù)據(jù)記錄表，統(tǒng)計分析，對泵本體和電機2個系統(tǒng)，15個部件梳理出故障模式29種，針對其32種故障表現(xiàn)形式分析出相應(yīng)故障原因64種。對生產(chǎn)運行系統(tǒng)造成的后果主要是介質(zhì)泄漏、機械損壞導(dǎo)致輸油泵機組停用維修檢修。各部件故障表現(xiàn)形式及故障原因見表1。

表1 輸油泵機組各部件故障表現(xiàn)形式及故障原因Tab.1 The failure modes and causes of the parts of the oil transfer pump unit

2 輸油泵機組模糊綜合評價

對輸油泵機組進行模糊綜合評價是在全面分析影響輸油泵機組安全的故障模式的基礎(chǔ)上，建立評價等級集合及評價指標體系，并對各評價指標的相對權(quán)重及各指標對輸油泵機組安全的影響進行綜合分析，進而確定輸油泵機組的安全性。

2.1 確定被評價部件的因素集

在評價一個具體對象過程中［10］，首先確定評價該對象的若干因素，即評價因素或評價指標。待評價對象的n個評價因素（指標）構(gòu)成的幾何稱為評價因素集，即 U={u1，u2，…，un}。

以1#輸油泵機組為評價對象，其常見的故障表現(xiàn)形式為27種，一旦發(fā)生故障，輸油泵機組將發(fā)生機械損壞，導(dǎo)致輸油泵機組停運，嚴重還會造成人員傷亡，危害極大。根據(jù)其常見的故障表現(xiàn)形式將其劃分為15個要素，故以15大要素組成的集合作為評價因素集，即：

2.2 確定評語集

對于被評價因素的m個評語（等級）構(gòu)成的集合稱為評價集［10］，即 V={V1，V2，…，Vm}。一個評語等級對應(yīng)一個模糊子集，現(xiàn)確定評價階數(shù)為5，即：

2.3 建立模糊關(guān)系矩陣

對每一個單因素uiri單獨做一個評價f（uiri） ，可誘導(dǎo)出一個uiri到ui的模糊線性變換［10］。對n個評判因素子集ui，（i=1，2，…，n）進行綜合評判，其評判決策矩陣為下式：

結(jié)合1#輸油泵機組歷史運行數(shù)據(jù)，采用統(tǒng)計方法，結(jié)合專家評判結(jié)果，就葉輪這一子部件因素來說，20位專家通過1#輸油泵機組歷史運行數(shù)據(jù)，從生產(chǎn)后果、環(huán)境后果、維修成本后果及安全后果4個角度，就評判結(jié)果給出的評語的情況如下：有2位專家主要認為葉輪磨損及汽蝕會對輸油泵機組的輸油效率有較大的影響，對于生產(chǎn)后果、維修成本以及輸油泵機組的安全運行都會有較大的影響，故其認為葉輪對輸油泵機組的安全性處于中高風(fēng)險狀態(tài)，有7位專家主要認為輸油泵機組其葉輪磨損程度對輸油泵機組的輸油效率影響甚微，故其認為葉輪對輸油泵機組的安全性處于中風(fēng)險狀態(tài)，有5位專家主要認為葉輪是不易損壞部件，且損壞后，常啟用備用泵，對于生產(chǎn)后果影響較小，僅針對維修成本后果來講，認為葉輪對輸油泵機組的安全性處于中低風(fēng)險狀態(tài)，有6位專家主要認為葉輪發(fā)生異常時，常常泵振動會發(fā)生異常，對生產(chǎn)后果及輸油泵機組的安全運行都不會造成影響或影響可忽略，故其認為葉輪對輸油泵機組的安全性處于低風(fēng)險狀態(tài)。計算可得葉輪的單因素評價矩陣，用向量表示：

其他14個子部件因素，結(jié)合輸油泵機組的歷史運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，通過專家評判的方法，可得輸油泵機組的模糊關(guān)系矩陣R：

2.4 確定指標因素權(quán)重

指標因素的權(quán)重指的是下層評判指標對上層評判指標的隸屬程度，不同指標的重要性對結(jié)果的體現(xiàn)通常不同，因此需要對指標因素的權(quán)重進行計算。由于權(quán)重的計算結(jié)果直接影響評價結(jié)果的準確性，因此采用層次分析法，比較系統(tǒng)中各因素的優(yōu)劣次序，得到合理的評價結(jié)果。

本文采用兩兩比較法確定各元素的相對權(quán)重，決策者根據(jù)不同元素對于于同一準則的重要度進行量化評分，評分準則見表2。

表2 量化評價標準及其含義Tab.2 Quantitative evaluation standard and its meaning

在構(gòu)造判別矩陣時，首先要確定兩兩因素之間的判別值，然后進行一致性檢驗，此時需要計算判別矩陣的最大特征值λmax和 CI=（λmax-λ）/（λ-1）一致性指標，然后與隨機一致性指標RI進行比較，當(dāng)階數(shù)λ=15時，隨機一致性指標RI=1.59，根據(jù)CR=CI/RI計算隨機一致性比率，當(dāng)CR＜0.10時，認為判別矩陣具有一致性，否則需要重新調(diào)整［11-13］。

現(xiàn)對評價因素集中各因素進行兩兩比較，構(gòu)造比較判別矩陣，比較判別矩陣見表3。評價因素集對輸油泵機組的比較判別矩陣A及計算過程見表3。

表3 評價因素集對輸油泵機組的比較判別矩陣Tab.3 The comparative discriminant matrix for the influence of evaluation factors on for the oil transfer pump unit

對比較判別矩陣A計算，求出A的最大特征值對應(yīng)的特征向量，歸一化得到15個子部件的 指標因素 權(quán) 重ω ={0.057 7，0.071 0，0.135 4，0.137 9，0.076 9，0.045 0，0.038 5，0.015 5，0.014 2,0.0218，0.016 5,0.029 8,0.179 2,0.142 3,0.018 2}λmax=16.893 2，CI=（λmax-λ）/（λ-1）=（16.893 2-15）/（15-1）=0.135 2，RI=1.59，CR=0.085 0 ＜ 0.1通過一致性檢驗。

計算對目標的比較判別矩陣A及權(quán)重向量，確定各子部件權(quán)重為：

ω={0.057 7，0.071 0，0.135 4，0.137 9，0.076 9，0.045 0，0.038 5，0.015 5，0.014 2,0.0218，0.016 5,0.029 8,0.179 2,0.142 3,0.018 2}

2.5 模糊綜合評價

按一級模型用算子計算，得到綜合評判為A1×n·Rn×m=B1×m=（B1，B2，…，Bm）∈ F（V）。綜合評價B是V上得一個模糊子集，其中Bj（j=1，2，…，m）表示第j種評價v1對模糊集B的隸屬度。最后，根據(jù)最大隸屬度原則確定1#輸油泵的安全等級。

單因素模糊關(guān)系矩陣對輸油泵機組的風(fēng)險評價不夠全面，需要綜合所有的影響因素，結(jié)合各個部件因素的權(quán)重，才能得出科學(xué)的評價結(jié)果。選取模糊變換加權(quán)平均模型M（*，+）對單因素模糊關(guān)系矩陣R和指標因素權(quán)重集A進行合成，得到1#輸油泵機組的模糊綜合評價集B：

表4為1#輸油泵機組評價等級隸屬度。根據(jù)最大隸屬度原則［14］，由表 4可知，1#輸油泵機組的安全狀況為“中風(fēng)險”。

表4 評價等級隸屬度Tab.4 Evaluation table for rating grade of subjection

應(yīng)用模糊綜合評價方法對其它5個輸油泵機組進行安全評價，評價結(jié)果如表5所示。根據(jù)最大隸屬度原則可知，2#輸油泵機組的安全狀況為“低風(fēng)險”，3#輸油泵機組的安全狀況為“低風(fēng)險”，4#輸油泵機組的安全狀況為“低風(fēng)險”，5#輸油泵機組的安全狀況為“低風(fēng)險”，6#輸油泵機組的安全狀況為“中低風(fēng)險”。

表5 評價等級隸屬度Tab.5 Evaluation table for rating grade of subjection

3 評價結(jié)果分析及維修維護建議

應(yīng)用模糊綜合評價法對輸油泵機組進行安全評價，同時應(yīng)用最大隸屬度原則可知該輸油站場中1#輸油泵機組的風(fēng)險等級最高，為“中風(fēng)險”。針對1#輸油泵機組處于中風(fēng)險，需要特別關(guān)注是否有欠維修維護現(xiàn)象，需要提出最優(yōu)化的維修維護策略以避免潛在風(fēng)險的發(fā)生。

在各部件中，泵軸及泵軸承、電機軸承以及定子轉(zhuǎn)子的權(quán)值最大，故障模式常表現(xiàn)為溫度超標或振動超標而引起輸油泵機組機械損壞、造成停運檢修，對輸油泵機組安全平穩(wěn)運行產(chǎn)生較大的影響。針對此類現(xiàn)象，梳理其故障原因，主要由于對中不準造成的磨損嚴重，導(dǎo)致溫度超標、振動劇烈而影響泵機組安全運行。建議開機前做好檢查，可對輸油泵機組安裝溫度檢測及振動監(jiān)測裝置，定期緊固定位螺絲，降低輸油泵機組的風(fēng)險等級，避免危險事故的發(fā)生。

聯(lián)軸器、機械密封、泵殼、葉輪及靜密封的權(quán)值次之，故障模式常表現(xiàn)為因運行時間過長、磨損嚴重或某些特殊工況而導(dǎo)致油品泄漏、機械磨損而致使輸油泵機組停運更換配件，對輸油泵機組有一定的影響。針對此類現(xiàn)象，梳理其故障原因，主要由于油品內(nèi)含有一些雜質(zhì)磨損或者運行時間長，密封液壓不當(dāng)而導(dǎo)致油品泄漏，機械損壞而影響泵機組安全運行。建議定期檢查密封循環(huán)管路，更換潤滑油脂，檢查聯(lián)軸器、彈性元件，如果損壞嚴重予以更換。

對于襯套、口環(huán)、沖洗管、甩油環(huán)及排污管線的權(quán)值最低，故障模式常表現(xiàn)為因運行時間長或特殊工況導(dǎo)致堵塞、磨損嚴重致使輸油泵機組其它部件受損或需停運更換檢修，對輸油泵機組影響較低，且不易發(fā)生。針對此類現(xiàn)象，做到周期性維修維護，定期檢查、定期更換，日常巡檢，能滿足控制風(fēng)險的需求即可。

4 結(jié)論

（1）本次通過故障模式、原因及影響分析將輸油泵機組劃分為2個系統(tǒng)共15個可維護部件，進行了詳細的故障模式分析。通過模糊綜合評價法，確定出該輸油站場中6臺輸油泵的風(fēng)險等級，1#輸油泵機組的風(fēng)險程度最高，隸屬于“中風(fēng)險”，主要是由于泵軸及軸承、電機軸承和密封的風(fēng)險值較高、為易損部件所致。

（2）輸油泵機組中各部件葉輪、聯(lián)軸器、泵軸、軸承、泵殼、機械密封、靜密封、襯套、口環(huán)、沖洗管、泵甩油環(huán)、排污管線、電機軸承、轉(zhuǎn)子定子、電機甩油環(huán)的權(quán)值分別為：0.057 7，0.071 0，0.135 4，0.137 9，0.076 9，0.045 0，0.038 5，0.015 5，0.014 2，0.021 8，0.016 5，0.029 8，0179 2，0.142 3，0.018 2，泵軸及泵軸承、電機軸承以及定子轉(zhuǎn)子所占權(quán)值最大，聯(lián)軸器、機械密封、泵殼、葉輪及靜密封的次之，襯套、口環(huán)、沖洗管、甩油環(huán)及排污管線最小。

（3）在各部件中，泵軸及軸承、電機軸承、聯(lián)軸器及機械密封和靜密封風(fēng)險等級較高，尤其是泵軸及軸承、電機軸承權(quán)值較大，是預(yù)防和監(jiān)測的重點對象。

（4）對于風(fēng)險等級較高的部件，需特別關(guān)注是否有欠維修維護現(xiàn)象，必要時需要對常用備件進行采購和管理；對于風(fēng)險等級較低的部件，需分析是否有過度維護現(xiàn)象，并對維修維護任務(wù)進行相應(yīng)簡化，可為維修維護項目的決定提供一個決策上的依據(jù)。