魏立新 ，初勇強(qiáng) ，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(tuán)公司 中國石油天然氣集團(tuán)公司油氣儲(chǔ)運(yùn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北廊坊 065000；3.大慶油田有限責(zé)任公司 儲(chǔ)運(yùn)銷售分公司，黑龍江大慶 163411）

關(guān)鍵字：輸油泵機(jī)組；模糊綜合評(píng)價(jià)法；故障模式；安全評(píng)價(jià)

0 引言

輸油站場(chǎng)是石油儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)的核心單元，負(fù)責(zé)各個(gè)采油廠原油的儲(chǔ)存、外輸和轉(zhuǎn)運(yùn)，站場(chǎng)設(shè)備設(shè)施的安全狀況長(zhǎng)期以來都是國家和社會(huì)所關(guān)注的焦點(diǎn)問題。隨著世界能源危機(jī)愈演愈烈、國際競(jìng)爭(zhēng)不斷加劇，給我國的石油石化資產(chǎn)設(shè)備的基于整個(gè)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(xiǎn)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(jì)學(xué)原理，結(jié)合專家知識(shí)經(jīng)驗(yàn)對(duì)輸油泵歷史數(shù)據(jù)進(jìn)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(yàn)或者計(jì)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(duì)輸油泵機(jī)組故障診斷主要依靠維修人員憑個(gè)人經(jīng)驗(yàn)來完成，不能準(zhǔn)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(yán)重影響正常生產(chǎn)。因此，本文主要依據(jù)設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)因素辨識(shí)技術(shù)，結(jié)合某輸油站場(chǎng)6臺(tái)輸油泵機(jī)組，采用風(fēng)險(xiǎn)分析手段，找出對(duì)輸油泵壽命影響的諸多因素，用層次分析法確定其指標(biāo)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(píng)價(jià)法實(shí)現(xiàn)了輸油泵機(jī)組故障及故障因素的科學(xué)合理的分析評(píng)價(jià)，改善各零部件使用周期，全面的考慮輸油泵機(jī)組的各主要部件，實(shí)現(xiàn)對(duì)其故障的診斷，對(duì)提高輸油泵的工作壽命具有重大的意義。

1 輸油泵機(jī)組的風(fēng)險(xiǎn)因素辨識(shí)

故障模式、原因及影響分析是一種有效的設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)因素辨識(shí)技術(shù)［7］。故障模式分析的目的是找出輸油泵機(jī)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(jī)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(jìn)行修正，從而得到所分析輸油泵機(jī)組的故障模式。故障原因分析的目的是要找出每個(gè)故障模式產(chǎn)生的原因，進(jìn)而采取針對(duì)性的有效改進(jìn)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(duì)安全、環(huán)境、生產(chǎn)運(yùn)行及后續(xù)成本風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估［8-9］。

針對(duì)輸油泵機(jī)組，將其系統(tǒng)劃分為泵本體、電機(jī)、電氣、儀表、閥門、輔助管路6個(gè)系統(tǒng)。其中閥門、輔助管路、儀表和電氣這4個(gè)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(jìn)行分析，因此對(duì)于這4個(gè)系統(tǒng)采用其它的分析方法，不在本研究中進(jìn)行?，F(xiàn)根據(jù)某輸油站場(chǎng)6臺(tái)輸油泵機(jī)組，編號(hào)為1#～6#輸油泵機(jī)組歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)記錄表，統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)泵本體和電機(jī)2個(gè)系統(tǒng)，15個(gè)部件梳理出故障模式29種，針對(duì)其32種故障表現(xiàn)形式分析出相應(yīng)故障原因64種。對(duì)生產(chǎn)運(yùn)行系統(tǒng)造成的后果主要是介質(zhì)泄漏、機(jī)械損壞導(dǎo)致輸油泵機(jī)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(jī)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(jī)組模糊綜合評(píng)價(jià)

對(duì)輸油泵機(jī)組進(jìn)行模糊綜合評(píng)價(jià)是在全面分析影響輸油泵機(jī)組安全的故障模式的基礎(chǔ)上，建立評(píng)價(jià)等級(jí)集合及評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)的相對(duì)權(quán)重及各指標(biāo)對(duì)輸油泵機(jī)組安全的影響進(jìn)行綜合分析，進(jìn)而確定輸油泵機(jī)組的安全性。

2.1 確定被評(píng)價(jià)部件的因素集

在評(píng)價(jià)一個(gè)具體對(duì)象過程中［10］，首先確定評(píng)價(jià)該對(duì)象的若干因素，即評(píng)價(jià)因素或評(píng)價(jià)指標(biāo)。待評(píng)價(jià)對(duì)象的n個(gè)評(píng)價(jià)因素（指標(biāo)）構(gòu)成的幾何稱為評(píng)價(jià)因素集，即 U={u1，u2，…，un}。

以1#輸油泵機(jī)組為評(píng)價(jià)對(duì)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(jī)組將發(fā)生機(jī)械損壞，導(dǎo)致輸油泵機(jī)組停運(yùn)，嚴(yán)重還會(huì)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(gè)要素，故以15大要素組成的集合作為評(píng)價(jià)因素集，即：

2.2 確定評(píng)語集

對(duì)于被評(píng)價(jià)因素的m個(gè)評(píng)語（等級(jí)）構(gòu)成的集合稱為評(píng)價(jià)集［10］，即 V={V1，V2，…，Vm}。一個(gè)評(píng)語等級(jí)對(duì)應(yīng)一個(gè)模糊子集，現(xiàn)確定評(píng)價(jià)階數(shù)為5，即：

2.3 建立模糊關(guān)系矩陣

對(duì)每一個(gè)單因素uiri單獨(dú)做一個(gè)評(píng)價(jià)f（uiri） ，可誘導(dǎo)出一個(gè)uiri到ui的模糊線性變換［10］。對(duì)n個(gè)評(píng)判因素子集ui，（i=1，2，…，n）進(jìn)行綜合評(píng)判，其評(píng)判決策矩陣為下式：

結(jié)合1#輸油泵機(jī)組歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，采用統(tǒng)計(jì)方法，結(jié)合專家評(píng)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(jī)組歷史運(yùn)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(gè)角度，就評(píng)判結(jié)果給出的評(píng)語的情況如下：有2位專家主要認(rèn)為葉輪磨損及汽蝕會(huì)對(duì)輸油泵機(jī)組的輸油效率有較大的影響，對(duì)于生產(chǎn)后果、維修成本以及輸油泵機(jī)組的安全運(yùn)行都會(huì)有較大的影響，故其認(rèn)為葉輪對(duì)輸油泵機(jī)組的安全性處于中高風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)，有7位專家主要認(rèn)為輸油泵機(jī)組其葉輪磨損程度對(duì)輸油泵機(jī)組的輸油效率影響甚微，故其認(rèn)為葉輪對(duì)輸油泵機(jī)組的安全性處于中風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)，有5位專家主要認(rèn)為葉輪是不易損壞部件，且損壞后，常啟用備用泵，對(duì)于生產(chǎn)后果影響較小，僅針對(duì)維修成本后果來講，認(rèn)為葉輪對(duì)輸油泵機(jī)組的安全性處于中低風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)，有6位專家主要認(rèn)為葉輪發(fā)生異常時(shí)，常常泵振動(dòng)會(huì)發(fā)生異常，對(duì)生產(chǎn)后果及輸油泵機(jī)組的安全運(yùn)行都不會(huì)造成影響或影響可忽略，故其認(rèn)為葉輪對(duì)輸油泵機(jī)組的安全性處于低風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)。計(jì)算可得葉輪的單因素評(píng)價(jià)矩陣，用向量表示：

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

2.4 確定指標(biāo)因素權(quán)重

指標(biāo)因素的權(quán)重指的是下層評(píng)判指標(biāo)對(duì)上層評(píng)判指標(biāo)的隸屬程度，不同指標(biāo)的重要性對(duì)結(jié)果的體現(xiàn)通常不同，因此需要對(duì)指標(biāo)因素的權(quán)重進(jìn)行計(jì)算。由于權(quán)重的計(jì)算結(jié)果直接影響評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)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(píng)價(jià)結(jié)果。

本文采用兩兩比較法確定各元素的相對(duì)權(quán)重，決策者根據(jù)不同元素對(duì)于于同一準(zhǔn)則的重要度進(jìn)行量化評(píng)分，評(píng)分準(zhǔn)則見表2。

表2 量化評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及其含義Tab.2 Quantitative evaluation standard and its meaning

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

現(xiàn)對(duì)評(píng)價(jià)因素集中各因素進(jìn)行兩兩比較，構(gòu)造比較判別矩陣，比較判別矩陣見表3。評(píng)價(jià)因素集對(duì)輸油泵機(jī)組的比較判別矩陣A及計(jì)算過程見表3。

表3 評(píng)價(jià)因素集對(duì)輸油泵機(jī)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(duì)比較判別矩陣A計(jì)算，求出A的最大特征值對(duì)應(yīng)的特征向量，歸一化得到15個(gè)子部件的 指標(biāo)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(yàn)。

計(jì)算對(duì)目標(biāo)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(píng)價(jià)

按一級(jí)模型用算子計(jì)算，得到綜合評(píng)判為A1×n·Rn×m=B1×m=（B1，B2，…，Bm）∈ F（V）。綜合評(píng)價(jià)B是V上得一個(gè)模糊子集，其中Bj（j=1，2，…，m）表示第j種評(píng)價(jià)v1對(duì)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(jí)。

單因素模糊關(guān)系矩陣對(duì)輸油泵機(jī)組的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)不夠全面，需要綜合所有的影響因素，結(jié)合各個(gè)部件因素的權(quán)重，才能得出科學(xué)的評(píng)價(jià)結(jié)果。選取模糊變換加權(quán)平均模型M（*，+）對(duì)單因素模糊關(guān)系矩陣R和指標(biāo)因素權(quán)重集A進(jìn)行合成，得到1#輸油泵機(jī)組的模糊綜合評(píng)價(jià)集B：

表4為1#輸油泵機(jī)組評(píng)價(jià)等級(jí)隸屬度。根據(jù)最大隸屬度原則［14］，由表 4可知，1#輸油泵機(jī)組的安全狀況為“中風(fēng)險(xiǎn)”。

表4 評(píng)價(jià)等級(jí)隸屬度Tab.4 Evaluation table for rating grade of subjection

應(yīng)用模糊綜合評(píng)價(jià)方法對(duì)其它5個(gè)輸油泵機(jī)組進(jìn)行安全評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)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(jī)組的安全狀況為“低風(fēng)險(xiǎn)”，3#輸油泵機(jī)組的安全狀況為“低風(fēng)險(xiǎn)”，4#輸油泵機(jī)組的安全狀況為“低風(fēng)險(xiǎn)”，5#輸油泵機(jī)組的安全狀況為“低風(fēng)險(xiǎn)”，6#輸油泵機(jī)組的安全狀況為“中低風(fēng)險(xiǎn)”。

表5 評(píng)價(jià)等級(jí)隸屬度Tab.5 Evaluation table for rating grade of subjection

3 評(píng)價(jià)結(jié)果分析及維修維護(hù)建議

應(yīng)用模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)輸油泵機(jī)組進(jìn)行安全評(píng)價(jià)，同時(shí)應(yīng)用最大隸屬度原則可知該輸油站場(chǎng)中1#輸油泵機(jī)組的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)最高，為“中風(fēng)險(xiǎn)”。針對(duì)1#輸油泵機(jī)組處于中風(fēng)險(xiǎn)，需要特別關(guān)注是否有欠維修維護(hù)現(xiàn)象，需要提出最優(yōu)化的維修維護(hù)策略以避免潛在風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生。

在各部件中，泵軸及泵軸承、電機(jī)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(biāo)或振動(dòng)超標(biāo)而引起輸油泵機(jī)組機(jī)械損壞、造成停運(yùn)檢修，對(duì)輸油泵機(jī)組安全平穩(wěn)運(yùn)行產(chǎn)生較大的影響。針對(duì)此類現(xiàn)象，梳理其故障原因，主要由于對(duì)中不準(zhǔn)造成的磨損嚴(yán)重，導(dǎo)致溫度超標(biāo)、振動(dòng)劇烈而影響泵機(jī)組安全運(yùn)行。建議開機(jī)前做好檢查，可對(duì)輸油泵機(jī)組安裝溫度檢測(cè)及振動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置，定期緊固定位螺絲，降低輸油泵機(jī)組的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，避免危險(xiǎn)事故的發(fā)生。

聯(lián)軸器、機(jī)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(yùn)行時(shí)間過長(zhǎng)、磨損嚴(yán)重或某些特殊工況而導(dǎo)致油品泄漏、機(jī)械磨損而致使輸油泵機(jī)組停運(yùn)更換配件，對(duì)輸油泵機(jī)組有一定的影響。針對(duì)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(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，密封液壓不當(dāng)而導(dǎo)致油品泄漏，機(jī)械損壞而影響泵機(jī)組安全運(yùn)行。建議定期檢查密封循環(huán)管路，更換潤(rùn)滑油脂，檢查聯(lián)軸器、彈性元件，如果損壞嚴(yán)重予以更換。

對(duì)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(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)或特殊工況導(dǎo)致堵塞、磨損嚴(yán)重致使輸油泵機(jī)組其它部件受損或需停運(yùn)更換檢修，對(duì)輸油泵機(jī)組影響較低，且不易發(fā)生。針對(duì)此類現(xiàn)象，做到周期性維修維護(hù)，定期檢查、定期更換，日常巡檢，能滿足控制風(fēng)險(xiǎn)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(jī)組劃分為2個(gè)系統(tǒng)共15個(gè)可維護(hù)部件，進(jìn)行了詳細(xì)的故障模式分析。通過模糊綜合評(píng)價(jià)法，確定出該輸油站場(chǎng)中6臺(tái)輸油泵的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，1#輸油泵機(jī)組的風(fēng)險(xiǎn)程度最高，隸屬于“中風(fēng)險(xiǎn)”，主要是由于泵軸及軸承、電機(jī)軸承和密封的風(fēng)險(xiǎn)值較高、為易損部件所致。

（2）輸油泵機(jī)組中各部件葉輪、聯(lián)軸器、泵軸、軸承、泵殼、機(jī)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(jī)軸承、轉(zhuǎn)子定子、電機(jī)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(jī)軸承以及定子轉(zhuǎn)子所占權(quán)值最大，聯(lián)軸器、機(jī)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(jī)軸承、聯(lián)軸器及機(jī)械密封和靜密封風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)較高，尤其是泵軸及軸承、電機(jī)軸承權(quán)值較大，是預(yù)防和監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)對(duì)象。

（4）對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)較高的部件，需特別關(guān)注是否有欠維修維護(hù)現(xiàn)象，必要時(shí)需要對(duì)常用備件進(jìn)行采購和管理；對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)較低的部件，需分析是否有過度維護(hù)現(xiàn)象，并對(duì)維修維護(hù)任務(wù)進(jìn)行相應(yīng)簡(jiǎn)化，可為維修維護(hù)項(xiàng)目的決定提供一個(gè)決策上的依據(jù)。