周代軍，溫 皓，梁 俊，賈彥杰，陳小華，臧仕程

1.國家管網(wǎng)集團西南管道有限責(zé)任公司，四川成都 610366

2.西南石油大學(xué)，四川成都 610500

電驅(qū)離心式壓縮機組作為天然氣管道輸送的動力，發(fā)生非計劃故障停機將造成管網(wǎng)輸送水力系統(tǒng)波動，影響到上下游輸量、壓力等工況，造成停輸、減產(chǎn)及無法保供等后果。目前國內(nèi)外研究局限于對輸油氣站場進行分區(qū)風(fēng)險評價、壓縮機組故障失效原因分析、基于可靠性的維修技術(shù)等，缺乏對管道離心式壓縮機組進行系統(tǒng)分析和評價，尤其是機組各系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)、相互影響及各類故障失效發(fā)生的頻次、后果評價等研究工作還未成體系，需要結(jié)合電驅(qū)離心式壓縮機組的特點、各系統(tǒng)的關(guān)鍵控制點、歷史故障數(shù)據(jù)及專家評分對機組失效進行綜合風(fēng)險評價，最終實現(xiàn)對機組運行、維護、檢修的科學(xué)指導(dǎo)。

1 風(fēng)險因素分析

1.1 機組失效故障樹

各廠商在電驅(qū)離心式壓縮機組的設(shè)計、制造和安全保護方面存在差異，但各系統(tǒng)之間的功能設(shè)置及邏輯關(guān)系相似。因此，在建立以機組失效為頂事件的故障樹分析時，需要通過分析各因素之間的邏輯關(guān)系確定基本事件。其中基本事件X1～X50與F13“關(guān)鍵閥門故障”一樣應(yīng)為中間事件（中間事件包括管理和技術(shù)兩個方面），以下對F13進行展開分析，分析基本事件X51～X67。機組失效故障樹如圖1所示，符號、事件如表1所示。

圖1 電驅(qū)離心式壓縮機組失效故障樹

表1 機組失效故障樹事件

1.2 故障樹最小割集分析

割集即引起頂事件機組失效的基本事件集合。通過分析該故障樹的最小割集以確定薄弱環(huán)節(jié)。求解圖1得到的最小割集如下：

經(jīng)過分析，得知機組失效共有66個最小割集，其中一階最小割集50個，占總數(shù)75.7%，二階最小割集16個，占總數(shù)24.3%。

1.3 故障樹底事件的結(jié)構(gòu)重要度分析

通過分析故障樹各基本事件的結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)，從而反映底事件對頂事件的影響程度[1]。結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)計算見式（1）。

式中：Ia表示第a個基本事件的結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)；Jb表示第a個基本事件處于第b個最小割集中；Nb表示第a個基本事件所在的第b個最小割集事件總數(shù)量；Xa表示第a個基本事件屬于第b個最小割集[2]。

計算得到的機組失效各基本事件的結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)如下：

綜上，結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)排序為（I1～I50=1）>I67>（I51～I66=0.5）。因此，將X1～X50及X67（包含X51～X66）基本事件作為基本風(fēng)險因素進行分析。

2 風(fēng)險矩陣評價法

結(jié)合風(fēng)險評價模型，風(fēng)險大小R=修正因子n×失效概率Pi×失效后果Ci。第一，修正因子是根據(jù)風(fēng)險矩陣所在等級區(qū)間值決定的變量。第二，失效概率分為5個等級，Ⅰ級極少發(fā)生、Ⅱ級偶爾發(fā)生、Ⅲ級時有發(fā)生、Ⅳ級經(jīng)常發(fā)生、Ⅴ級頻繁發(fā)生，不同等級的判斷依據(jù)可根據(jù)該事件發(fā)生的頻率來確定，通常情況，各運營單位是通過動設(shè)備可靠性指標(biāo)進行關(guān)鍵績效指標(biāo)KPI考核的，結(jié)合運行管理需要，評價參考失效頻率Ⅰ級為≤1次/季度（對應(yīng)可靠性目標(biāo)值99.3%），Ⅱ級為≤2次/季度（對應(yīng)可靠性目標(biāo)值98.7%），Ⅲ級為≤3次/季度（對應(yīng)可靠性目標(biāo)值98%），Ⅳ級為≤4次/季度（對應(yīng)可靠性目標(biāo)值97.5%），Ⅴ級為＞5次/季度（對應(yīng)可靠性目標(biāo)值96.8%）。第三，失效后果分為人身傷害、經(jīng)濟損失及環(huán)境破壞三方面進行評價，其中人身傷害分為5個等級，評價參考尺度A級無健康影響、B級造成輕傷、C級導(dǎo)致重傷、D級致1人死亡、E級致＞1人死亡；經(jīng)濟損失分為5級，評價參考尺度A級無財產(chǎn)損失、B級損失≤1萬元、C級損失1～3萬元之間、D級損失≥3萬元、E級損失超過10萬元；環(huán)境損失分為5級，評價參考尺度A級無影響、B級影響范圍≤1萬m3、C級影響范圍1～5萬m3之間、D級影響≥5萬m3、E級影響超過10萬m3。按上述評價法建立的風(fēng)險矩陣如表2所示。

表2 離心式壓縮機組失效風(fēng)險評價矩陣

2.1 機組失效頻率分析

從歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)得到，中油管道公司所轄西南管道、西氣東輸、西部管道、北京管道及管道公司擁有電驅(qū)離心式壓縮機組167臺套，總裝機容量2 833 MW，累計運行約260×104h。從中篩選出2 799次故障，機組平均故障率（故障時間/累計運行時間）為0.67%。各類故障原因統(tǒng)計分析的平均占比α及平均故障率如表3所示。

表3 電驅(qū)離心式壓縮機組歷史故障庫數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

在實際應(yīng)用過程中，通過專家故障原因評價占比β，對各類故障原因最終占比γ進行加權(quán)修正，如式（2）所示。

根據(jù)2010—2019年統(tǒng)計數(shù)據(jù)中各因素對應(yīng)失效的次數(shù)，結(jié)合基本事件發(fā)生的頻次以及在故障庫中的占比，確定各因素的權(quán)重因子，相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析如表3所示。

2.2 機組故障停機可能性評價

采用模糊綜合評價法對各基本事件發(fā)生的可能性進行評估，建立評價對象因素集S={s1，s2，…，s50，s51}，確定評價等級論域V={Ⅰ級極少發(fā)生v1、Ⅱ級偶爾發(fā)生v2、Ⅲ級時有發(fā)生v3、Ⅳ級經(jīng)常發(fā)生v4、Ⅴ級頻繁發(fā)生v5}。評價步驟如下：

（1）設(shè)計專家調(diào)查表（總?cè)藬?shù)為m）。

（2）請有經(jīng)驗的專家在以上五個評價等級中打勾，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ等級的分值可分別表示為：qv={1，3，5，7，9}。

（3） 統(tǒng)計出對第i個評價因素評價等級v的專家人數(shù)kvi（≤m）。

（4）計算出各評價因素的分值ti：

（5） 計算總分值t：

（6） 計算各評價因素的發(fā)生可能性Pi：

式中：w表示維修系數(shù)，分別取0.8、0.6、0.5。

2.3 故障嚴(yán)重性評價

在對失效后果的評價中，對人身傷害cr、經(jīng)濟損失cj、環(huán)境損失ch進行專家打分，每項后果因素評價根據(jù)評價等級進行打分，其中得分區(qū)間為A級 [0，20)、B 級 [20，40)、C 級 [40，60)、D 級[60，80)、E級[80，100]。失效后果最終得分為各專家評價得分的平均分，并對三項失效后果得分進行累加，見式（6），作為失效后果評價的最終得分，通過查詢風(fēng)險評價矩陣確定后果等級Ci。

3 風(fēng)險控制

3.1 可接受準(zhǔn)則

從生產(chǎn)運行的角度，當(dāng)機組可靠性降低到限值以下就將采取必要的控制措施。失效因素評價所得結(jié)果為“較高風(fēng)險”及以上的屬于不可接受區(qū)域，可采取預(yù)測性維護或狀態(tài)監(jiān)測策略；對于“低風(fēng)險”的則屬于可接受區(qū)域，可采取事后維修或常規(guī)維修方式處置；余下的“較低風(fēng)險”及“中等風(fēng)險”則屬于維護區(qū)，需要擬定預(yù)防性維修、功能測試或修正性維護與改進等定期綜合維修計劃[3]。電驅(qū)離心式壓縮機失效風(fēng)險可接受標(biāo)準(zhǔn)如圖2所示。

圖2 電驅(qū)離心式壓縮機組失效可接受風(fēng)險標(biāo)準(zhǔn)

3.2 維修策略分析

（1） 事后維修。主要應(yīng)用于部分輔助系統(tǒng)、零部件故障失效存在不確定性，維修周期短，維護費用低，備件采購周期短，且備件充裕的故障情況。對于能通過部分故障的歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計及可分析判斷出易損件和備件更換周期的情況，則采取逐步過渡到視情況進行維修的策略。

（2）定期維修。主要應(yīng)用于壓縮機、電機本體以及關(guān)鍵輔助系統(tǒng)故障具有一定隱蔽性的情況?？梢砸罁?jù)故障發(fā)生的規(guī)律和歷史經(jīng)驗確定維修周期，通常以機組運行時間4 000、8 000、25 000、50 000 h為周期進行保養(yǎng)、小修、中修或大修，并可根據(jù)需要對系統(tǒng)進行預(yù)防性維護、功能性測試及修正性維護。

（3）預(yù)測性維護。主要應(yīng)用于對維修成本大、維修周期長、備件采購周期長或保存困難的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測。根據(jù)潛在的故障發(fā)生規(guī)律、機理及趨勢，預(yù)測性判斷機組的健康狀態(tài)，建立被監(jiān)測變量的評定標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)數(shù)據(jù)變化或惡化到標(biāo)準(zhǔn)值時進行更換或維修。若采取常規(guī)維修，均不能將風(fēng)險控制在可接受水平上，而通過預(yù)測性維護改善各系統(tǒng)運行狀況，則可達到提高機組運行可靠性的目的。

（4）維修策略投入。參考機組故障原因中儀表控制、機械、電氣、外界因素及誤操作的比例進行財力、人力及物力分配，提高維護檢修及備件儲備的精準(zhǔn)度，使維保更有針對性。

3.3 風(fēng)險消減算法

通過開展合理、科學(xué)的維檢修工作，各風(fēng)險因素需在原有風(fēng)險的基礎(chǔ)上進行重新計算，不同的維修策略對風(fēng)險消減的權(quán)重存在差異，其中事后維修的系數(shù)w為0.8，定期維修的系數(shù)w為0.6，預(yù)測性維修的系數(shù)w為0.5。

3.4 實例分析

對某管道企業(yè)站場進口電驅(qū)離心式壓縮機組進行風(fēng)險評價，邀請5位行業(yè)專家進行現(xiàn)場機組健康檢查、管理水平調(diào)研、員工訪談、歷史數(shù)據(jù)收集分析。通過發(fā)放5份專家調(diào)查表，對各因素發(fā)生的可能性、故障原因、人身傷害、經(jīng)濟損失、環(huán)境損失進行評價和打分：計算出該壓氣站進口電驅(qū)離心式壓縮機組頂事件“T”發(fā)生的概率是3.4×10-2，失效概率等級為V；失效后果平均得分為87.19，失效后果等級為B級，根據(jù)風(fēng)險矩陣評定該站的風(fēng)險等級為中等風(fēng)險。各因素的失效概率、失效后果、評價結(jié)果及維修策略如表4所示。

表4 專家調(diào)查結(jié)果分析統(tǒng)計

通過分析發(fā)現(xiàn)，該站機組存在較高風(fēng)險因素為X9“外電線路故障停機”，中等風(fēng)險因素為X15“系統(tǒng)誤報警”；其中較低風(fēng)險占比55%，低風(fēng)險占比41%，機組運行的總體風(fēng)險可控。

外電波動（不穩(wěn)定）、雷擊及造成供電中斷在非計劃性停機中占比最高，是電驅(qū)離心式壓縮機組失效的主要原因之一。管道企業(yè)可采取多項控制措施，包括：其一，加強與供電公司的溝通協(xié)調(diào)，比如在惡劣天氣情況下與供電公司建立2 h聯(lián)系機制，及時掌握電網(wǎng)情況；其二，加強外電線路巡檢，對外電線路進行安全隱患排查工作；其三，增加對外電供電質(zhì)量監(jiān)測，實現(xiàn)變頻器的失電穿越功能，可保證在外電短時波動期間，變頻器在降低到最低轉(zhuǎn)速以下后自動恢復(fù)運行；其四，嘗試加裝無擾動切換裝置，通過并聯(lián)切換功能實現(xiàn)正常運行時雙饋線備用電源的可靠切換，保證不間斷供電[4]。

系統(tǒng)誤報警是機組失效的又一重要因素。在機組實際運行過程中，控制系統(tǒng)在由于儀表老化、邏輯缺陷、不穩(wěn)定、通信中斷、受到干擾、虛接、信號錯誤、控制器離線、IO模塊損壞、數(shù)據(jù)飄移及聯(lián)鎖保護等原因造成誤報警后，將聯(lián)鎖停機。管道企業(yè)需要加強以下幾個方面工作[5]：其一，及時對儀表進行維護保養(yǎng)，包括本體安全檢查、定期檢定，檢查控制系統(tǒng)信號線接頭的緊固、ESD系統(tǒng)回路測試、現(xiàn)場儀表信號傳輸AI通道等；其二，機組運行期間重點檢查各控制柜、交換機工作狀態(tài)、機架模塊指示燈是否正常，便于及時發(fā)現(xiàn)故障及時處理，若有整體老化問題，可考慮對控制系統(tǒng)硬件進行預(yù)防性更換；其三，檢查電纜屏蔽層接地情況，接線是否規(guī)范，做到儀表電纜單獨屏蔽，減少信號干擾可能性；其四，針對疑難故障、普遍性故障或高頻故障開展專項研究，比如對記憶卡失效、電源模塊燒壞、儀表電纜干擾等進行專項研究；其五，對于部分易損硬件進行備件儲備。

3.5 動態(tài)管理與評價

電驅(qū)離心式壓縮機組失效評價方法是基于動態(tài)管理的系統(tǒng)性方法，運營單位通過設(shè)定機組運行可靠性目標(biāo)值確定各因素失效頻率對應(yīng)的失效等級，歷史失效數(shù)據(jù)錄入后自動更新單因素權(quán)重因子，對不同階段、不同時期專家評價打分結(jié)果均進行綜合計算評分，降低單次評價對結(jié)果的影響程度；對機組或單因素執(zhí)行維修策略后，將修正風(fēng)險的結(jié)果輸出；維修資源的投入可動態(tài)參考各類故障原因占比進行合理分配。最終實現(xiàn)動態(tài)評價、科學(xué)決策。

4 結(jié)束語

通過以機組失效為頂事件的故障樹分析，辨識出67項電驅(qū)離心式壓縮機組風(fēng)險因素，結(jié)合結(jié)構(gòu)重要度分析確定51項因素為機組風(fēng)險評價重要因素，對機組失效數(shù)據(jù)故障庫、故障原因進行分析，利用專家打分的方式確定各風(fēng)險因素失效的后果，采用風(fēng)險矩陣對風(fēng)險評價結(jié)果進行判別，從而采取與之相對應(yīng)的維修策略。本研究工作可為類似項目提供借鑒。