中東油田采出水處理及注水系統RAM分析應用

中國石油工程建設有限公司北京設計分公司

在中東地區大中型油氣田投資開發項目中，業主方對油氣田站場安全風險等級要求較高，在項目前期設計FEED 及建設EPCC 階段，通過安全風險分析對項目設計可靠性進行校核，依據安全分析結果來優化設計方案，為設計及業主的一系列決策提供技術支持，保障項目后續運行階段平順穩定。一般在項目設計初期制定項目HSE Philosophy 及HSE Plan作為安全風險專業設計指導性文件，依據項目說明、工藝設計圖紙和數據表等資料開展定性分析，比如HAZID （Hazard Identification）、ENZID（Environment Identification）、HAZOP（Hazard and Operability）和Bow-Tie 等。隨著項目深入開展及3D 模型搭建，進行半定量/定量分析，比如SILLOPA （Safety Integrity Level-Layers of Protection Analysis）、FSA （Fire Safety Assessment）、GDS（Gas Dispersion Study）、QRA （Quantitative Risk Analysis）、Facility Layout Assessment、Fire &Gas Mapping Study、SCE （Safety Critical Elements）、RAM （Reliability，Availability，Maintainability）和Project HSE Register等方法[1]。

1 RAM分析簡介

RAM 分析作為衡量一個系統或某個工藝單元的可靠性、可用性及可維修性的一種完整性分析方法，通常利用蒙特卡羅方法對項目全生命周期的可用性（一般用生產效率來衡量）進行分析。RAM分析技術已在航空、航天、核電及鐵道運輸等行業開展相應研究，近年來，RAM 技術在石油工業領域如陸上油田地面工程、石油化工、海洋石油處理及LNG等領域也快速發展起來[2-9]。

可靠性代表系統成功完成工作的概率，可維修性代表系統發生失效在一定時間及條件下完成維修工作使系統恢復的概率。可用性為兩者組合，所以三者關系為可用性=可靠性+可維修性。以設備工作時間軸表示，設備平均故障間隔時間=設備平均失效前時間+設備平均維修時間。

1.1 RAM分析在項目不同階段的作用

中東地區油氣田呈現產量較大、站場內工藝單元數量多、單列設備規模大、投資建設成本及運行成本較高等特點。因此，在項目設計初期階段引入RAM 分析，不僅可協助項目決策關鍵設備選型及備用原則，優化工藝設計方案，提高關鍵設備采辦關注度，保障投產之后設施系統高可靠性，減少系統停機時間，降低生產損失，保證工程項目的經濟效益；而且可協助運行管理人員制定合理運行維修方案，促使運行人員重視易損設備的預防性維護，縮短故障維修所需時間，可降低設施維護花費。

RAM 分析可用于項目從概念設計到操作運行在內的各個階段。各個階段RAM 分析的目的和特點有所不同，具體如表1所示。

表1 RAM分析在項目不同階段的作用Tab.1 Effect of RAM analysis on different stages of project

1.2 RCM、RBI&M、REM和RAM適用性

設備完整性源于OSHA 29 CFR 1910·119 規范，基于系統或設備完整性管理系統，開發出多種完整性分析方法，其中RAM 與RCM（Reliability Centered Maintenance）、REM（Reliability and Efficiency Management）、RBI&M （Risk Based Inspection & Maintenance）等都是設備完整性管理方法，幾種分析方法適用階段如表2所示。

表2 RCM、RBI&M、REM和RAM適用于項目不同階段Tab.2 RCM，RBI&M，REM and RAM applied in different stages of project

RCM 是以可靠性為中心的維修策略，利用故障模式、影響及危害性分析半定量風險評價方法確定設備預防性維修需求，識別設備每種故障模式和失效影響，側重于對轉動設備（如泵、壓縮機等）故障分析，協助運行管理人員制定詳細的維修策略、備件庫存和工作計劃，適用于項目運行階段。

RBI&M 是設備檢測和維護的策略，根據設備失效后果、頻率和失效原因等，采用風險矩陣方法計算設備風險等級，按風險矩陣排序依次對高—中—低風險設備制定相應設備檢測和維護方案。側重于靜設備（罐、塔、壓力容器等）關鍵部件檢測，根據檢測結果和分析，提出建設性的維護意見，適用于項目施工和運行階段。

REM 是一種設備生產效率及可靠性指標考核方法，側重于協助運行管理人員如何更好地集中有限資源，對設備進行完整性管理和決策，為提高設備運行效率提供支持，適用于項目運行階段。

而RAM 側重于量化風險后果，利用蒙特卡羅方法分析系統或設備產量可用性及關鍵度，從成本和效益的角度分析和評價系統或設備，根據關鍵設備的可用性結論，在設計階段制定相應的備用原則，或在運行階段制定相應的維護及備件方案，適用于項目各個階段。

2 RAM分析項目應用

2.1 項目簡介

該項目的服務對象為中東某油田采出水處理及注水系統，水處理及注水設計規模為1×106bbl/d（1 bbl=0.158 9 m3），項目范圍分為4 個區域，各個區域設計規模如表3所示。

表3 關鍵設計數據Tab.3 Key design data

采出水接收站A&B 接收和儲存上游來水，站內主要設備為緩沖罐組，罐組下游為外輸水泵組，輸送污水至采出水處理及注水站，采出水處理區主要工藝為氣浮橇+核桃殼過濾器橇，將處理后達到注水指標水通過高壓注水泵組注入站外注水井組。水源井作為注水補充水源，井水先后經沉降罐和精細過濾器后處理達標并匯入注水系統，站內設置公用工程相關配套系統，如罐密封燃料氣系統、火炬系統、儀表風系統、給排水及消防系統等，其工藝流程如圖1所示。

圖1 工藝流程Fig.1 Process flow

2.2 RAM計算

2.2.1 輸入數據確認

站場按20 年生命周期設計，一般情況不出現全廠停車。故障數據收集一般來源業主自有數據庫或業主認可的第三方數據庫。本項目的設備維修頻率和維修時長均來源于OREDA（Offshore Reliability Data Handbook） 和API 653 數 據 庫 中 相 關 數據[10]，假設設備故障及維修數據如表4所示。

維修假設數據包括：①1 次維修只停用1 個設備；②維修人力安排充足，每天3 班，每班8 h；③維修人員白天響應時間為1 h，夜間為2 h；④維修備件及資源充足。

2.2.2 建立模型

根據項目工藝流程（參考PFD 和P&ID 圖紙）、設備故障及維修數據，采用MAROS 軟件和蒙特卡羅原理建立可靠性數學模型，然后轉化為可靠性方塊圖RBD（Reliability Block Diagram），以描述系統內組成單元之間功能關系，顯示各個裝備之間的可靠性關聯度，計算出系統在壽命周期內可用性數值及變化趨勢，模擬各個單元、設備失效對系統的影響，確定設備關鍵度排序，從而得出影響系統失效的關鍵單元、設備，以提出相應的解決方案。本項目設備備用方案如表5所示。

表4 假設設備故障及維修數據Tab.4 Assumption for equipment failure and maintenance data

表5 設備備用方案Tab.5 Equipment alternative plan

表6 項目可用性數據Tab.6 Project availability data

2.2.3 計算結果

該項目正常情況下采出水經過處理流程后滿足注水指標要求，進而實現高壓注水。

（1）正常流程，不考慮水源井補水。

根據計算結果（表6）可知，項目整體可用性達到96.9%，失效率為3.1%，根據計劃性維修時損失的注水量推算，年停產時間當量為11天。

根據計算出的各個關鍵因子貢獻數值和失效率得出各個設備對系統失效的貢獻度，關鍵度分析結果如表7、表8 所示。影響項目完成注水任務的最關鍵設備為氣浮單元，關鍵度為39.6%（圖2），失效率占比1.1%，為項目整體失效貢獻接近30%。

表7 區域關鍵度分析Tab.7 Area criticality analysis

表8 采出水處理及注水站設備關鍵度分析Tab.8 Criticality analysis of produced water treatment and water injection station equipment

根據上述計算結果發現，氣浮設備停產維修對系統生產運行產生較大影響，應考慮減小氣浮失效對系統整體失效的貢獻。

（2）考慮水源井補水。

引入水源井補水設計方案，以補充氣浮設備維修時損失的注水量，計算結果如表9所示，項目整體可用性達到98.3%，失效率為1.7%，根據計劃性維修時損失的注水量推算，年停產時間當量為7 天。

圖2 主要設備關鍵度分析Fig.2 Criticality analysis of key equipment

3 結論

本項目在設計階段應用RAM 分析得到項目整體可用性指標及系統失效率，根據各個設備失效影響貢獻度，查找出影響系統失效的關鍵設備如氣浮單元，并核算水源井補水系統對減緩系統失效的作用。RAM 分析一般要求可用性為95%以上，本項目無水源井補水系統可用性為96.9%，增加水源井補水系統可用性為98.3%。

（1）在無水源井補水情況下，氣浮單元是導致系統失效的最主要原因，在氣浮設備檢修期間，系統污水處理及注水量降低，損失水量約為11 000 bbl/d；ESD/火氣全廠停車誤報是導致系統失效的次要原因，損失水量約為6 800 bbl/d；工廠風/儀表風系統為系統失效的第三大因素，損失水量約3 400 bbl/d。

（2）根據關鍵因子貢獻分析，雖然氣浮單元是導致系統失效的主要原因，但在氣浮停產維修期間，油田注水量由水源井水進行補充，因此，氣浮維修造成的失效影響可減小，整體可用性由96.9%提高到98.3%，失效率由3.1%降低到1.7%，年停產時間當量由11天減少到7天。

（3）設計人員可復核氣浮單元及關鍵部件的備用設計原則；生產運行人員可制定合理氣浮單元維修及備件庫存計劃。

利用RAM 分析結果可得出設備關鍵度指標和項目可用性，既為項目設計階段設備備用設計方案提供指導，為運行階段設備維檢修計劃提供支持，又為節省項目投資和運行成本提供參考，從而進一步提高項目完整性管理水平。

表9 項目可用性數據Tab.9 Project availability data