油田站场输油泵模糊安全评价

魏立新 ，初勇强 ，刘 芳 ，闫 锋 ，叶 霖 ，王 霁

（1.东北石油大学 石油工程学院，黑龙江大庆 163318；2中国石油天然气集团公司 中国石油天然气集团公司油气储运重点实验室，河北廊坊 065000；3.大庆油田有限责任公司 储运销售分公司，黑龙江大庆 163411）

关键字：输油泵机组；模糊综合评价法；故障模式；安全评价

0 引言

输油站场是石油储运系统的核心单元，负责各个采油厂原油的储存、外输和转运，站场设备设施的安全状况长期以来都是国家和社会所关注的焦点问题。随着世界能源危机愈演愈烈、国际竞争不断加剧，给我国的石油石化资产设备的基于整个生命周期的安全性和可靠性有了更高的要求［1-4］。关于输油泵的风险分析及安全管理研究，国内外学者主要研究思路有两种［5］：（1）利用安全分析方法和统计学原理，结合专家知识经验对输油泵历史数据进行分析，从而探究输油泵不安全状态下发生的概率和后果；（2）利用试验或者计算流体力学方法，从原理上研究输油泵内部存在的故障及原因，提出输油泵结构和操作方面的优化措施。目前，在原油输送过程中，对输油泵机组故障诊断主要依靠维修人员凭个人经验来完成，不能准确地反应事故原因及变化规律，一旦输油泵发生故障，将严重影响正常生产。因此，本文主要依据设备风险因素辨识技术，结合某输油站场6台输油泵机组，采用风险分析手段，找出对输油泵寿命影响的诸多因素，用层次分析法确定其指标权重［6］，分析其薄弱环节，利用模糊数学中模糊综合评价法实现了输油泵机组故障及故障因素的科学合理的分析评价，改善各零部件使用周期，全面的考虑输油泵机组的各主要部件，实现对其故障的诊断，对提高输油泵的工作寿命具有重大的意义。

1 输油泵机组的风险因素辨识

故障模式、原因及影响分析是一种有效的设备风险因素辨识技术［7］。故障模式分析的目的是找出输油泵机组可能发生的所有的故障模式。其中故障模式的确定主要以同类的输油泵机组在过去的使用中所发生的故障模式为基础，再根据该产品的使用环境进行修正，从而得到所分析输油泵机组的故障模式。故障原因分析的目的是要找出每个故障模式产生的原因，进而采取针对性的有效改进措施，防止减少故障模式发生的可能性。故障模式影响分析是每一种故障发生后所产生的影响，主要对安全、环境、生产运行及后续成本风险进行评估［8-9］。

针对输油泵机组，将其系统划分为泵本体、电机、电气、仪表、阀门、辅助管路6个系统。其中阀门、辅助管路、仪表和电气这4个系统并不适合应用故障模式、原因及影响分析方法来进行分析，因此对于这4个系统采用其它的分析方法，不在本研究中进行。现根据某输油站场6台输油泵机组，编号为1#～6#输油泵机组历史运行数据记录表，统计分析，对泵本体和电机2个系统，15个部件梳理出故障模式29种，针对其32种故障表现形式分析出相应故障原因64种。对生产运行系统造成的后果主要是介质泄漏、机械损坏导致输油泵机组停用维修检修。各部件故障表现形式及故障原因见表1。

表1 输油泵机组各部件故障表现形式及故障原因Tab.1 The failure modes and causes of the parts of the oil transfer pump unit

2 输油泵机组模糊综合评价

对输油泵机组进行模糊综合评价是在全面分析影响输油泵机组安全的故障模式的基础上，建立评价等级集合及评价指标体系，并对各评价指标的相对权重及各指标对输油泵机组安全的影响进行综合分析，进而确定输油泵机组的安全性。

2.1 确定被评价部件的因素集

在评价一个具体对象过程中［10］，首先确定评价该对象的若干因素，即评价因素或评价指标。待评价对象的n个评价因素（指标）构成的几何称为评价因素集，即 U={u1，u2，…，un}。

以1#输油泵机组为评价对象，其常见的故障表现形式为27种，一旦发生故障，输油泵机组将发生机械损坏，导致输油泵机组停运，严重还会造成人员伤亡，危害极大。根据其常见的故障表现形式将其划分为15个要素，故以15大要素组成的集合作为评价因素集，即：

2.2 确定评语集

对于被评价因素的m个评语（等级）构成的集合称为评价集［10］，即 V={V1，V2，…，Vm}。一个评语等级对应一个模糊子集，现确定评价阶数为5，即：

2.3 建立模糊关系矩阵

对每一个单因素uiri单独做一个评价f（uiri） ，可诱导出一个uiri到ui的模糊线性变换［10］。对n个评判因素子集ui，（i=1，2，…，n）进行综合评判，其评判决策矩阵为下式：

结合1#输油泵机组历史运行数据，采用统计方法，结合专家评判结果，就叶轮这一子部件因素来说，20位专家通过1#输油泵机组历史运行数据，从生产后果、环境后果、维修成本后果及安全后果4个角度，就评判结果给出的评语的情况如下：有2位专家主要认为叶轮磨损及汽蚀会对输油泵机组的输油效率有较大的影响，对于生产后果、维修成本以及输油泵机组的安全运行都会有较大的影响，故其认为叶轮对输油泵机组的安全性处于中高风险状态，有7位专家主要认为输油泵机组其叶轮磨损程度对输油泵机组的输油效率影响甚微，故其认为叶轮对输油泵机组的安全性处于中风险状态，有5位专家主要认为叶轮是不易损坏部件，且损坏后，常启用备用泵，对于生产后果影响较小，仅针对维修成本后果来讲，认为叶轮对输油泵机组的安全性处于中低风险状态，有6位专家主要认为叶轮发生异常时，常常泵振动会发生异常，对生产后果及输油泵机组的安全运行都不会造成影响或影响可忽略，故其认为叶轮对输油泵机组的安全性处于低风险状态。计算可得叶轮的单因素评价矩阵，用向量表示：

其他14个子部件因素，结合输油泵机组的历史运行数据统计，通过专家评判的方法，可得输油泵机组的模糊关系矩阵R：

2.4 确定指标因素权重

指标因素的权重指的是下层评判指标对上层评判指标的隶属程度，不同指标的重要性对结果的体现通常不同，因此需要对指标因素的权重进行计算。由于权重的计算结果直接影响评价结果的准确性，因此采用层次分析法，比较系统中各因素的优劣次序，得到合理的评价结果。

本文采用两两比较法确定各元素的相对权重，决策者根据不同元素对于于同一准则的重要度进行量化评分，评分准则见表2。

表2 量化评价标准及其含义Tab.2 Quantitative evaluation standard and its meaning

在构造判别矩阵时，首先要确定两两因素之间的判别值，然后进行一致性检验，此时需要计算判别矩阵的最大特征值λmax和 CI=（λmax-λ）/（λ-1）一致性指标，然后与随机一致性指标RI进行比较，当阶数λ=15时，随机一致性指标RI=1.59，根据CR=CI/RI计算随机一致性比率，当CR＜0.10时，认为判别矩阵具有一致性，否则需要重新调整［11-13］。

现对评价因素集中各因素进行两两比较，构造比较判别矩阵，比较判别矩阵见表3。评价因素集对输油泵机组的比较判别矩阵A及计算过程见表3。

表3 评价因素集对输油泵机组的比较判别矩阵Tab.3 The comparative discriminant matrix for the influence of evaluation factors on for the oil transfer pump unit

对比较判别矩阵A计算，求出A的最大特征值对应的特征向量，归一化得到15个子部件的 指标因素 权 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通过一致性检验。

计算对目标的比较判别矩阵A及权重向量，确定各子部件权重为：

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 模糊综合评价

按一级模型用算子计算，得到综合评判为A1×n·Rn×m=B1×m=（B1，B2，…，Bm）∈ F（V）。综合评价B是V上得一个模糊子集，其中Bj（j=1，2，…，m）表示第j种评价v1对模糊集B的隶属度。最后，根据最大隶属度原则确定1#输油泵的安全等级。

单因素模糊关系矩阵对输油泵机组的风险评价不够全面，需要综合所有的影响因素，结合各个部件因素的权重，才能得出科学的评价结果。选取模糊变换加权平均模型M（*，+）对单因素模糊关系矩阵R和指标因素权重集A进行合成，得到1#输油泵机组的模糊综合评价集B：

表4为1#输油泵机组评价等级隶属度。根据最大隶属度原则［14］，由表 4可知，1#输油泵机组的安全状况为“中风险”。

表4 评价等级隶属度Tab.4 Evaluation table for rating grade of subjection

应用模糊综合评价方法对其它5个输油泵机组进行安全评价，评价结果如表5所示。根据最大隶属度原则可知，2#输油泵机组的安全状况为“低风险”，3#输油泵机组的安全状况为“低风险”，4#输油泵机组的安全状况为“低风险”，5#输油泵机组的安全状况为“低风险”，6#输油泵机组的安全状况为“中低风险”。

表5 评价等级隶属度Tab.5 Evaluation table for rating grade of subjection

3 评价结果分析及维修维护建议

应用模糊综合评价法对输油泵机组进行安全评价，同时应用最大隶属度原则可知该输油站场中1#输油泵机组的风险等级最高，为“中风险”。针对1#输油泵机组处于中风险，需要特别关注是否有欠维修维护现象，需要提出最优化的维修维护策略以避免潜在风险的发生。

在各部件中，泵轴及泵轴承、电机轴承以及定子转子的权值最大，故障模式常表现为温度超标或振动超标而引起输油泵机组机械损坏、造成停运检修，对输油泵机组安全平稳运行产生较大的影响。针对此类现象，梳理其故障原因，主要由于对中不准造成的磨损严重，导致温度超标、振动剧烈而影响泵机组安全运行。建议开机前做好检查，可对输油泵机组安装温度检测及振动监测装置，定期紧固定位螺丝，降低输油泵机组的风险等级，避免危险事故的发生。

联轴器、机械密封、泵壳、叶轮及静密封的权值次之，故障模式常表现为因运行时间过长、磨损严重或某些特殊工况而导致油品泄漏、机械磨损而致使输油泵机组停运更换配件，对输油泵机组有一定的影响。针对此类现象，梳理其故障原因，主要由于油品内含有一些杂质磨损或者运行时间长，密封液压不当而导致油品泄漏，机械损坏而影响泵机组安全运行。建议定期检查密封循环管路，更换润滑油脂，检查联轴器、弹性元件，如果损坏严重予以更换。

对于衬套、口环、冲洗管、甩油环及排污管线的权值最低，故障模式常表现为因运行时间长或特殊工况导致堵塞、磨损严重致使输油泵机组其它部件受损或需停运更换检修，对输油泵机组影响较低，且不易发生。针对此类现象，做到周期性维修维护，定期检查、定期更换，日常巡检，能满足控制风险的需求即可。

4 结论

（1）本次通过故障模式、原因及影响分析将输油泵机组划分为2个系统共15个可维护部件，进行了详细的故障模式分析。通过模糊综合评价法，确定出该输油站场中6台输油泵的风险等级，1#输油泵机组的风险程度最高，隶属于“中风险”，主要是由于泵轴及轴承、电机轴承和密封的风险值较高、为易损部件所致。

（2）输油泵机组中各部件叶轮、联轴器、泵轴、轴承、泵壳、机械密封、静密封、衬套、口环、冲洗管、泵甩油环、排污管线、电机轴承、转子定子、电机甩油环的权值分别为：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，泵轴及泵轴承、电机轴承以及定子转子所占权值最大，联轴器、机械密封、泵壳、叶轮及静密封的次之，衬套、口环、冲洗管、甩油环及排污管线最小。

（3）在各部件中，泵轴及轴承、电机轴承、联轴器及机械密封和静密封风险等级较高，尤其是泵轴及轴承、电机轴承权值较大，是预防和监测的重点对象。

（4）对于风险等级较高的部件，需特别关注是否有欠维修维护现象，必要时需要对常用备件进行采购和管理；对于风险等级较低的部件，需分析是否有过度维护现象，并对维修维护任务进行相应简化，可为维修维护项目的决定提供一个决策上的依据。