周代軍，溫 皓，梁 俊，賈彥杰，陳小華，臧仕程

1.國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)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(jī)組作為天然氣管道輸送的動(dòng)力，發(fā)生非計(jì)劃故障停機(jī)將造成管網(wǎng)輸送水力系統(tǒng)波動(dòng)，影響到上下游輸量、壓力等工況，造成停輸、減產(chǎn)及無(wú)法保供等后果。目前國(guó)內(nèi)外研究局限于對(duì)輸油氣站場(chǎng)進(jìn)行分區(qū)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、壓縮機(jī)組故障失效原因分析、基于可靠性的維修技術(shù)等，缺乏對(duì)管道離心式壓縮機(jī)組進(jìn)行系統(tǒng)分析和評(píng)價(jià)，尤其是機(jī)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(píng)價(jià)等研究工作還未成體系，需要結(jié)合電驅(qū)離心式壓縮機(jī)組的特點(diǎn)、各系統(tǒng)的關(guān)鍵控制點(diǎn)、歷史故障數(shù)據(jù)及專家評(píng)分對(duì)機(jī)組失效進(jìn)行綜合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組運(yùn)行、維護(hù)、檢修的科學(xué)指導(dǎo)。

1 風(fēng)險(xiǎn)因素分析

1.1 機(jī)組失效故障樹(shù)

各廠商在電驅(qū)離心式壓縮機(jī)組的設(shè)計(jì)、制造和安全保護(hù)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(jī)組失效為頂事件的故障樹(shù)分析時(shí)，需要通過(guò)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(mén)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(gè)方面），以下對(duì)F13進(jìn)行展開(kāi)分析，分析基本事件X51～X67。機(jī)組失效故障樹(shù)如圖1所示，符號(hào)、事件如表1所示。

圖1 電驅(qū)離心式壓縮機(jī)組失效故障樹(shù)

表1 機(jī)組失效故障樹(shù)事件

1.2 故障樹(shù)最小割集分析

割集即引起頂事件機(jī)組失效的基本事件集合。通過(guò)分析該故障樹(shù)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(guò)分析，得知機(jī)組失效共有66個(gè)最小割集，其中一階最小割集50個(gè)，占總數(shù)75.7%，二階最小割集16個(gè)，占總數(shù)24.3%。

1.3 故障樹(shù)底事件的結(jié)構(gòu)重要度分析

通過(guò)分析故障樹(shù)各基本事件的結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)，從而反映底事件對(duì)頂事件的影響程度[1]。結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)計(jì)算見(jiàn)式（1）。

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

計(jì)算得到的機(jī)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?yàn)椋↖1～I(xiàn)50=1）>I67>（I51～I(xiàn)66=0.5）。因此，將X1～X50及X67（包含X51～X66）基本事件作為基本風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行分析。

2 風(fēng)險(xiǎn)矩陣評(píng)價(jià)法

結(jié)合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，風(fēng)險(xiǎn)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(xiǎn)矩陣所在等級(jí)區(qū)間值決定的變量。第二，失效概率分為5個(gè)等級(jí)，Ⅰ級(jí)極少發(fā)生、Ⅱ級(jí)偶爾發(fā)生、Ⅲ級(jí)時(shí)有發(fā)生、Ⅳ級(jí)經(jīng)常發(fā)生、Ⅴ級(jí)頻繁發(fā)生，不同等級(jí)的判斷依據(jù)可根據(jù)該事件發(fā)生的頻率來(lái)確定，通常情況，各運(yùn)營(yíng)單位是通過(guò)動(dòng)設(shè)備可靠性指標(biāo)進(jìn)行關(guān)鍵績(jī)效指標(biāo)KPI考核的，結(jié)合運(yùn)行管理需要，評(píng)價(jià)參考失效頻率Ⅰ級(jí)為≤1次/季度（對(duì)應(yīng)可靠性目標(biāo)值99.3%），Ⅱ級(jí)為≤2次/季度（對(duì)應(yīng)可靠性目標(biāo)值98.7%），Ⅲ級(jí)為≤3次/季度（對(duì)應(yīng)可靠性目標(biāo)值98%），Ⅳ級(jí)為≤4次/季度（對(duì)應(yīng)可靠性目標(biāo)值97.5%），Ⅴ級(jí)為＞5次/季度（對(duì)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(jì)損失及環(huán)境破壞三方面進(jìn)行評(píng)價(jià)，其中人身傷害分為5個(gè)等級(jí)，評(píng)價(jià)參考尺度A級(jí)無(wú)健康影響、B級(jí)造成輕傷、C級(jí)導(dǎo)致重傷、D級(jí)致1人死亡、E級(jí)致＞1人死亡；經(jīng)濟(jì)損失分為5級(jí)，評(píng)價(jià)參考尺度A級(jí)無(wú)財(cái)產(chǎn)損失、B級(jí)損失≤1萬(wàn)元、C級(jí)損失1～3萬(wàn)元之間、D級(jí)損失≥3萬(wàn)元、E級(jí)損失超過(guò)10萬(wàn)元；環(huán)境損失分為5級(jí)，評(píng)價(jià)參考尺度A級(jí)無(wú)影響、B級(jí)影響范圍≤1萬(wàn)m3、C級(jí)影響范圍1～5萬(wàn)m3之間、D級(jí)影響≥5萬(wàn)m3、E級(jí)影響超過(guò)10萬(wàn)m3。按上述評(píng)價(jià)法建立的風(fēng)險(xiǎn)矩陣如表2所示。

表2 離心式壓縮機(jī)組失效風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)矩陣

2.1 機(jī)組失效頻率分析

從歷史統(tǒng)計(jì)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(jī)組167臺(tái)套，總裝機(jī)容量2 833 MW，累計(jì)運(yùn)行約260×104h。從中篩選出2 799次故障，機(jī)組平均故障率（故障時(shí)間/累計(jì)運(yùn)行時(shí)間）為0.67%。各類故障原因統(tǒng)計(jì)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(jī)組歷史故障庫(kù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，通過(guò)專家故障原因評(píng)價(jià)占比β，對(duì)各類故障原因最終占比γ進(jìn)行加權(quán)修正，如式（2）所示。

根據(jù)2010—2019年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中各因素對(duì)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(kù)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(jì)分析如表3所示。

2.2 機(jī)組故障停機(jī)可能性評(píng)價(jià)

采用模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)各基本事件發(fā)生的可能性進(jìn)行評(píng)估，建立評(píng)價(jià)對(duì)象因素集S={s1，s2，…，s50，s51}，確定評(píng)價(jià)等級(jí)論域V={Ⅰ級(jí)極少發(fā)生v1、Ⅱ級(jí)偶爾發(fā)生v2、Ⅲ級(jí)時(shí)有發(fā)生v3、Ⅳ級(jí)經(jīng)常發(fā)生v4、Ⅴ級(jí)頻繁發(fā)生v5}。評(píng)價(jià)步驟如下：

（1）設(shè)計(jì)專家調(diào)查表（總?cè)藬?shù)為m）。

（2）請(qǐng)有經(jīng)驗(yàn)的專家在以上五個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)中打勾，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ等級(jí)的分值可分別表示為：qv={1，3，5，7，9}。

（3） 統(tǒng)計(jì)出對(duì)第i個(gè)評(píng)價(jià)因素評(píng)價(jià)等級(jí)v的專家人數(shù)kvi（≤m）。

（4）計(jì)算出各評(píng)價(jià)因素的分值ti：

（5） 計(jì)算總分值t：

（6） 計(jì)算各評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)

在對(duì)失效后果的評(píng)價(jià)中，對(duì)人身傷害cr、經(jīng)濟(jì)損失cj、環(huán)境損失ch進(jìn)行專家打分，每項(xiàng)后果因素評(píng)價(jià)根據(jù)評(píng)價(jià)等級(jí)進(jìn)行打分，其中得分區(qū)間為A級(jí) [0，20)、B 級(jí) [20，40)、C 級(jí) [40，60)、D 級(jí)[60，80)、E級(jí)[80，100]。失效后果最終得分為各專家評(píng)價(jià)得分的平均分，并對(duì)三項(xiàng)失效后果得分進(jìn)行累加，見(jiàn)式（6），作為失效后果評(píng)價(jià)的最終得分，通過(guò)查詢風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)矩陣確定后果等級(jí)Ci。

3 風(fēng)險(xiǎn)控制

3.1 可接受準(zhǔn)則

從生產(chǎn)運(yùn)行的角度，當(dāng)機(jī)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(píng)價(jià)所得結(jié)果為“較高風(fēng)險(xiǎn)”及以上的屬于不可接受區(qū)域，可采取預(yù)測(cè)性維護(hù)或狀態(tài)監(jiān)測(cè)策略；對(duì)于“低風(fēng)險(xiǎn)”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(xiǎn)”及“中等風(fēng)險(xiǎn)”則屬于維護(hù)區(qū)，需要擬定預(yù)防性維修、功能測(cè)試或修正性維護(hù)與改進(jìn)等定期綜合維修計(jì)劃[3]。電驅(qū)離心式壓縮機(jī)失效風(fēng)險(xiǎn)可接受標(biāo)準(zhǔn)如圖2所示。

圖2 電驅(qū)離心式壓縮機(jī)組失效可接受風(fēng)險(xiǎn)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(hù)費(fèi)用低，備件采購(gòu)周期短，且備件充裕的故障情況。對(duì)于能通過(guò)部分故障的歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)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(guò)渡到視情況進(jìn)行維修的策略。

（2）定期維修。主要應(yīng)用于壓縮機(jī)、電機(jī)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(yàn)確定維修周期，通常以機(jī)組運(yùn)行時(shí)間4 000、8 000、25 000、50 000 h為周期進(jìn)行保養(yǎng)、小修、中修或大修，并可根據(jù)需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)、功能性測(cè)試及修正性維護(hù)。

（3）預(yù)測(cè)性維護(hù)。主要應(yīng)用于對(duì)維修成本大、維修周期長(zhǎng)、備件采購(gòu)周期長(zhǎng)或保存困難的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)。根據(jù)潛在的故障發(fā)生規(guī)律、機(jī)理及趨勢(shì)，預(yù)測(cè)性判斷機(jī)組的健康狀態(tài)，建立被監(jiān)測(cè)變量的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)數(shù)據(jù)變化或惡化到標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)進(jìn)行更換或維修。若采取常規(guī)維修，均不能將風(fēng)險(xiǎn)控制在可接受水平上，而通過(guò)預(yù)測(cè)性維護(hù)改善各系統(tǒng)運(yùn)行狀況，則可達(dá)到提高機(jī)組運(yùn)行可靠性的目的。

（4）維修策略投入。參考機(jī)組故障原因中儀表控制、機(jī)械、電氣、外界因素及誤操作的比例進(jìn)行財(cái)力、人力及物力分配，提高維護(hù)檢修及備件儲(chǔ)備的精準(zhǔn)度，使維保更有針對(duì)性。

3.3 風(fēng)險(xiǎn)消減算法

通過(guò)開(kāi)展合理、科學(xué)的維檢修工作，各風(fēng)險(xiǎn)因素需在原有風(fēng)險(xiǎn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行重新計(jì)算，不同的維修策略對(duì)風(fēng)險(xiǎn)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(cè)性維修的系數(shù)w為0.5。

3.4 實(shí)例分析

對(duì)某管道企業(yè)站場(chǎng)進(jìn)口電驅(qū)離心式壓縮機(jī)組進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，邀請(qǐng)5位行業(yè)專家進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)機(jī)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(guò)發(fā)放5份專家調(diào)查表，對(duì)各因素發(fā)生的可能性、故障原因、人身傷害、經(jīng)濟(jì)損失、環(huán)境損失進(jìn)行評(píng)價(jià)和打分：計(jì)算出該壓氣站進(jìn)口電驅(qū)離心式壓縮機(jī)組頂事件“T”發(fā)生的概率是3.4×10-2，失效概率等級(jí)為V；失效后果平均得分為87.19，失效后果等級(jí)為B級(jí)，根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)矩陣評(píng)定該站的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為中等風(fēng)險(xiǎn)。各因素的失效概率、失效后果、評(píng)價(jià)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(jì)

通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，該站機(jī)組存在較高風(fēng)險(xiǎn)因素為X9“外電線路故障停機(jī)”，中等風(fēng)險(xiǎn)因素為X15“系統(tǒng)誤報(bào)警”；其中較低風(fēng)險(xiǎn)占比55%，低風(fēng)險(xiǎn)占比41%，機(jī)組運(yùn)行的總體風(fēng)險(xiǎn)可控。

外電波動(dòng)（不穩(wěn)定）、雷擊及造成供電中斷在非計(jì)劃性停機(jī)中占比最高，是電驅(qū)離心式壓縮機(jī)組失效的主要原因之一。管道企業(yè)可采取多項(xiàng)控制措施，包括：其一，加強(qiáng)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(jī)制，及時(shí)掌握電網(wǎng)情況；其二，加強(qiáng)外電線路巡檢，對(duì)外電線路進(jìn)行安全隱患排查工作；其三，增加對(duì)外電供電質(zhì)量監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)變頻器的失電穿越功能，可保證在外電短時(shí)波動(dòng)期間，變頻器在降低到最低轉(zhuǎn)速以下后自動(dòng)恢復(fù)運(yùn)行；其四，嘗試加裝無(wú)擾動(dòng)切換裝置，通過(guò)并聯(lián)切換功能實(shí)現(xiàn)正常運(yùn)行時(shí)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(bào)警是機(jī)組失效的又一重要因素。在機(jī)組實(shí)際運(yùn)行過(guò)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(hào)錯(cuò)誤、控制器離線、IO模塊損壞、數(shù)據(jù)飄移及聯(lián)鎖保護(hù)等原因造成誤報(bào)警后，將聯(lián)鎖停機(jī)。管道企業(yè)需要加強(qiáng)以下幾個(gè)方面工作[5]：其一，及時(shí)對(duì)儀表進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，包括本體安全檢查、定期檢定，檢查控制系統(tǒng)信號(hào)線接頭的緊固、ESD系統(tǒng)回路測(cè)試、現(xiàn)場(chǎng)儀表信號(hào)傳輸AI通道等；其二，機(jī)組運(yùn)行期間重點(diǎn)檢查各控制柜、交換機(jī)工作狀態(tài)、機(jī)架模塊指示燈是否正常，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障及時(shí)處理，若有整體老化問(wèn)題，可考慮對(duì)控制系統(tǒng)硬件進(jìn)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(dú)屏蔽，減少信號(hào)干擾可能性；其四，針對(duì)疑難故障、普遍性故障或高頻故障開(kāi)展專項(xiàng)研究，比如對(duì)記憶卡失效、電源模塊燒壞、儀表電纜干擾等進(jìn)行專項(xiàng)研究；其五，對(duì)于部分易損硬件進(jìn)行備件儲(chǔ)備。

3.5 動(dòng)態(tài)管理與評(píng)價(jià)

電驅(qū)離心式壓縮機(jī)組失效評(píng)價(jià)方法是基于動(dòng)態(tài)管理的系統(tǒng)性方法，運(yùn)營(yíng)單位通過(guò)設(shè)定機(jī)組運(yùn)行可靠性目標(biāo)值確定各因素失效頻率對(duì)應(yīng)的失效等級(jí)，歷史失效數(shù)據(jù)錄入后自動(dòng)更新單因素權(quán)重因子，對(duì)不同階段、不同時(shí)期專家評(píng)價(jià)打分結(jié)果均進(jìn)行綜合計(jì)算評(píng)分，降低單次評(píng)價(jià)對(duì)結(jié)果的影響程度；對(duì)機(jī)組或單因素執(zhí)行維修策略后，將修正風(fēng)險(xiǎn)的結(jié)果輸出；維修資源的投入可動(dòng)態(tài)參考各類故障原因占比進(jìn)行合理分配。最終實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)、科學(xué)決策。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)以機(jī)組失效為頂事件的故障樹(shù)分析，辨識(shí)出67項(xiàng)電驅(qū)離心式壓縮機(jī)組風(fēng)險(xiǎn)因素，結(jié)合結(jié)構(gòu)重要度分析確定51項(xiàng)因素為機(jī)組風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)重要因素，對(duì)機(jī)組失效數(shù)據(jù)故障庫(kù)、故障原因進(jìn)行分析，利用專家打分的方式確定各風(fēng)險(xiǎn)因素失效的后果，采用風(fēng)險(xiǎn)矩陣對(duì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行判別，從而采取與之相對(duì)應(yīng)的維修策略。本研究工作可為類似項(xiàng)目提供借鑒。