海上油氣田設(shè)備設(shè)施設(shè)計完整性探討

中海油安全技術(shù)服務(wù)有限公司

設(shè)備設(shè)施完整性管理是企業(yè)質(zhì)量、健康、安全、環(huán)保管理工作的基礎(chǔ)，是防范重大風(fēng)險、保障安全生產(chǎn)的基石，是實現(xiàn)設(shè)備設(shè)施本質(zhì)安全的重要途徑和有效措施。設(shè)備設(shè)施完整性管理本質(zhì)上就是設(shè)備管理，是設(shè)備管理理論的進一步發(fā)展。設(shè)計階段屬于設(shè)備設(shè)施資產(chǎn)的前期獲取階段，開展設(shè)備設(shè)施的設(shè)計完整性研究對于有效管控后期風(fēng)險、及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計問題、充分滿足操作使用需求、提高設(shè)備設(shè)施本質(zhì)安全以及經(jīng)濟可靠具有重要現(xiàn)實意義。海上油氣田開發(fā)工程是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，作業(yè)空間小、設(shè)備復(fù)雜程度高、投產(chǎn)運行后重大維修改造難度大等特點決定了從設(shè)計上解決設(shè)備設(shè)施運行維護階段的問題，規(guī)避生產(chǎn)操作的風(fēng)險，考慮全生命周期成本等十分必要。

1 設(shè)備完整性研究與應(yīng)用

1.1 國外概況

“完整性”的理念最早是由美國職業(yè)安全與健康管理局（OHSA）在1992 年頒布的29CFR1910.119《高度危險化學(xué)品工藝安全管理》中提出，要求裝有危險物質(zhì)的系統(tǒng)在使用期間要確保其完整性，并把“機械完整性”作為其中一個核心要素。20 世紀(jì)60 年代，美國形成的后勤工程學(xué)被認(rèn)為是體現(xiàn)設(shè)備周期管理最為徹底的學(xué)科，其目標(biāo)是追求設(shè)備壽命周期費用最經(jīng)濟。1970 年，英國人丹尼斯·巴克斯提出了設(shè)備綜合工程學(xué)，把與設(shè)備有關(guān)的工程技術(shù)、財務(wù)、管理等方面結(jié)合起來進行綜合性管理，研究提高設(shè)備的可靠性、維修性設(shè)計，提高設(shè)計的質(zhì)量和效率。1971 年，日本設(shè)備管理協(xié)會提出全員生產(chǎn)維護，簡稱TPM（Total Productive Maintenance），確立以設(shè)備一生（全生命周期或全過程）為目標(biāo)的全系統(tǒng)的預(yù)防維修，設(shè)備的計劃、使用、維修等所有部門都要參加，而不僅僅局限于生產(chǎn)部門。

20 世紀(jì)80 年代，澳大利亞和新西蘭逐步將資產(chǎn)管理理論應(yīng)用于鐵路、公路及電力等行業(yè)。2004年4 月，以英國資產(chǎn)管理協(xié)會（IAM）和英國國家標(biāo)準(zhǔn)委員會（BSI）主導(dǎo)，率先推出資產(chǎn)管理標(biāo)準(zhǔn)PAS 55。2014 年2 月5 日，ISO 55000 系列標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布會在倫敦舉行。2016 年，美國化工過程安全中心（CCPS）編制了《資產(chǎn)完整性管理指南》，是機械完整性管理體系指南的更新和擴展。

1.2 國內(nèi)概況

我國的設(shè)備設(shè)施完整性管理始于1998 年，重點針對油氣管道完整性管理開展了大量的研究與應(yīng)用工作。中國石油管道公司管道科技研究中心建立了管道完整性管理體系和管道基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，成立了管道完整性管理專門機構(gòu)，促進了管道完整性管理的發(fā)展。2007 年底，由中國石油管道公司研究中心承擔(dān)的中國石油科研項目“長輸油氣管道完整性管理體系研究”針對國內(nèi)管道管理現(xiàn)狀，提出了中國石油管道完整性管理體系框架，在國內(nèi)率先開展場站完整性管理研究，彌補了當(dāng)時基層場站傳統(tǒng)安全管理的薄弱環(huán)節(jié)[1]。我國油氣管道完整性管理經(jīng)過發(fā)展逐步由以前狹隘的局部管理和維護發(fā)展為全局整體預(yù)防[2]。2015 年，GB32167—2015《油氣輸送管道完整性管理規(guī)范》的正式發(fā)布是我國管道完整性管理的標(biāo)志性事件。2016 年，我國等同采用ISO 55000 資產(chǎn)管理系列標(biāo)準(zhǔn)的GB/T 33172—2016《資產(chǎn)管理 綜述、原則和術(shù)語》、GB/T 33173—2016《資產(chǎn)管理管理體系要求》及GB/T 33174—2016《資產(chǎn)管理 管理體系 GB/T 33173應(yīng)用指南》標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布，提出了我國資產(chǎn)完整性管理工作的具體要求。2018 年6 月，國家能源局發(fā)布了DL/T 1868—2018《電力資產(chǎn)全壽命周期管理體系規(guī)范》，對電力行業(yè)的資產(chǎn)完整性管理提出了明確的要求。馬磊等[3]研究指出，承壓設(shè)備完整性管理包括設(shè)計管理，并指出設(shè)計管理中基于風(fēng)險的設(shè)計管理國內(nèi)還處在探索階段。湯林等[4]研究提出在油氣輸送管道工程設(shè)計階段要做好高后果區(qū)識別和風(fēng)險辨識，及時規(guī)避敏感區(qū)域；管道的設(shè)計要能夠滿足生產(chǎn)階段檢測、監(jiān)測和評價的要求，特別是需要做內(nèi)檢測的管道要考慮智能檢測器對收發(fā)球筒的要求。尹廣增[5]等提出了通過程序化、標(biāo)準(zhǔn)化的實施，強化設(shè)備生命周期中的每一個階段管理。

目前已有華為、國家電網(wǎng)、蒙牛乳業(yè)、香港地鐵、香港中華電力、中國重汽集團等企業(yè)或其子公司取得了ISO 55001 資產(chǎn)管理體系認(rèn)證。以中國石油、中國石化、中國海油等為代表的石油石化企業(yè)在不同的設(shè)備設(shè)施方面開展了完整性管理工作。

2015—2018 年，中國石油開展了油氣田管道完整性管理試點工程，探索油氣田管道完整性管理模式，其中2015—2017 年間產(chǎn)生經(jīng)濟效益超過6.4×108元，取得了顯著的成效；2017 年以來中國石油編制了以“一規(guī)三則”為代表的管道與站場完整性管理系列文件，有效地規(guī)范和指導(dǎo)了完整性管理工作，提高了管理水平[6]。2016 年以來，中國海油從集團公司層面全面推動設(shè)備設(shè)施完整性管理建設(shè)工作，要求應(yīng)用完整性管理技術(shù)，推動安全生產(chǎn)和降本增效。近年來中國海油有限公司天津分公司大力推行設(shè)備全壽命周期管理，重視費效比，實施了包括基于風(fēng)險的檢驗、檢測，基于可靠性的維護、海管完整性管理等[7]，并于2015 年率先在渤海蓬萊19-9 油田開展工程建設(shè)階段的完整性試點工作，其中對于設(shè)計的完整性管理是重要一環(huán)。

總體上來講，國內(nèi)外對設(shè)備設(shè)施完整性的研究較多，全生命周期管理的理念基本得到認(rèn)同，對設(shè)備設(shè)施設(shè)計管理提出了相關(guān)要求。然而，針對從哪些方面開展工程建設(shè)階段設(shè)計完整性管理的相關(guān)文獻(xiàn)、研究成果及應(yīng)用較為鮮見。

2 設(shè)計完整性的含義

設(shè)計完整性源自杜邦公司的安全設(shè)計理念，英文Design Integrity，譯為設(shè)計完整性，其含義是指提高設(shè)計可靠性[8]。杜邦公司的設(shè)計完整性體系包括6 大要素：工藝安全管理，安全、職業(yè)健康與防火，環(huán)保實踐，人體工學(xué)設(shè)計，項目文檔管理，設(shè)計審查。馬繼國等[9]對化工建設(shè)項目設(shè)備完整性設(shè)計從實現(xiàn)化工裝置功能、遵守法律法規(guī)要求、遵守技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求、易于操作與維保、技術(shù)文件的完整五個方面進行了定義。根據(jù)海上油氣田項目的特點，海上油氣田設(shè)備設(shè)施設(shè)計完整性包含以下幾個方面的要素：

（1）功能性。設(shè)備設(shè)施的設(shè)計應(yīng)滿足其投入使用后應(yīng)具有的功能要求。

（2）可施工性。設(shè)備設(shè)施的設(shè)計應(yīng)能保證制造、建造、安裝、調(diào)試等施工的正常進行。

（3）安全性。設(shè)備設(shè)施應(yīng)盡量實現(xiàn)本質(zhì)安全設(shè)計。

（4）可靠性。設(shè)備設(shè)施的設(shè)計應(yīng)考慮其投入使用后運行穩(wěn)定，在需要時可以正確發(fā)揮其功能，并且盡量減少故障時間。

（5）可操作性。設(shè)備設(shè)施的設(shè)計應(yīng)保證設(shè)備設(shè)施投入使用后便于人員操作，符合人機工程學(xué)的期望。

（6）可維護性。設(shè)備設(shè)施應(yīng)從設(shè)計上考慮其投入使用后便于維修、保養(yǎng)，提前設(shè)計相關(guān)維護條件和措施，提升后期維護的快速性和有效性。

（7）經(jīng)濟性。從設(shè)計上考慮設(shè)備設(shè)施全生命周期成本最經(jīng)濟。

（8）數(shù)據(jù)完整性。設(shè)備設(shè)施設(shè)計各階段設(shè)計方案、圖紙、計算書、模型、廠家說明書、操作規(guī)程、專家審查意見及落實情況等結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的完整性。

3 設(shè)計完整性的實現(xiàn)路徑

海上油氣田設(shè)備設(shè)施設(shè)計完整性可通過控制8大要素去實現(xiàn)，如圖1 所示。

圖1 海上油氣田設(shè)備設(shè)施設(shè)計完整性控制要素Fig.1 Control elements of design integrity of equipment and facilities in offshore oil and gas fields

3.1 功能性控制

設(shè)備設(shè)施的設(shè)計首先應(yīng)確保設(shè)備設(shè)施能夠?qū)崿F(xiàn)主要功能和輔助功能。海上油氣田設(shè)備設(shè)施功能性要素可從以下方面進行控制：①設(shè)計文件中應(yīng)對所有設(shè)備設(shè)施進行功能描述；②功能描述應(yīng)當(dāng)明確，清晰；③功能描述應(yīng)當(dāng)全面，包括主要功能、輔助功能等；④功能描述應(yīng)當(dāng)包括本質(zhì)安全設(shè)計的內(nèi)容，如工藝安全、儀表安全等；⑤設(shè)備設(shè)施設(shè)計深度和范圍能否滿足功能需求；⑥設(shè)計的質(zhì)量和水平能否落實等。

3.2 可施工性控制

海上油氣田工程建設(shè)項目涉及陸地建造、碼頭裝船、海上拖航、導(dǎo)管架下水、上部組塊海上大型吊裝或浮托安裝、導(dǎo)管架預(yù)鉆井等多種特殊類型的施工作業(yè)。空間受限、陸海銜接、多種施工裝備和作業(yè)機具配合等特點要求設(shè)備設(shè)施在設(shè)計過程中應(yīng)充分考慮施工的順利開展和施工過程中的保護措施。海上油氣田設(shè)備設(shè)施可施工性要素可從以下方面進行控制：①閥門安裝的可實現(xiàn)和便利性；②線槽、控制面板和管線設(shè)備碰撞情況；③爬梯設(shè)置與管道設(shè)備模型碰撞情況；④管線碰撞、電氣/儀表纜橋布置、管廊爬坡；⑤管線與裝置、工作間等的碰撞等；⑥設(shè)備吊點、滑道梁的設(shè)置；⑦火炬、冷放空等大管徑管線的技術(shù)性和經(jīng)濟性要求；⑧設(shè)備供貨商所有技術(shù)要求，在設(shè)計模型里考慮；⑨現(xiàn)場空間滿足設(shè)備供應(yīng)商最終版文件的技術(shù)要求；⑩供貨商技術(shù)參數(shù)與管道模型的一致性；?建造場地能力和施工船舶作業(yè)能力等。

3.3 安全性控制

安全性設(shè)計應(yīng)滿足國家法律法規(guī)、強制性標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等關(guān)于HSE 方面的要求。同時，應(yīng)盡可能通過設(shè)計手段實現(xiàn)“人員失誤—安全”和“設(shè)備故障—安全”，達(dá)到本質(zhì)安全的目的。海上油氣田設(shè)備設(shè)施安全性要素可從以下方面進行控制：①設(shè)備、儲罐、工作間等的防火分區(qū)，防火墻設(shè)置；②裝置進出通道、設(shè)備橇塊和平臺的安全疏散通道、緊急切斷和泄放閥門的通道；③洗眼器、滅火器、通風(fēng)、公用工程站的設(shè)置；④火炬、冷放空管線的設(shè)置；⑤火氣探頭、自動報警系統(tǒng)的設(shè)置；⑥救生艇、救生筏、救生衣的設(shè)置；⑦自動求救信號發(fā)射器的設(shè)置；⑧各類風(fēng)險分析報告所識別出的風(fēng)險在設(shè)計上是否考慮規(guī)避等。

3.4 可靠性控制

可靠性是設(shè)備設(shè)施完整性的最重要要素之一。設(shè)計過程中應(yīng)用系統(tǒng)工程學(xué)的原理考慮設(shè)備運行后與其他設(shè)備、系統(tǒng)之間的匹配性、適應(yīng)性。海上油氣田設(shè)備設(shè)施可靠性要素可從以下方面進行控制：①裝置內(nèi)外管線界面連接可靠（坐標(biāo)、標(biāo)高、分層布置、遺漏管線、材質(zhì)、應(yīng)力等）；②放空、取樣、分配管、長度最大化/最小化、固定等要求；③儀表最小直管段要求；④腐蝕和磨蝕的監(jiān)測位置、監(jiān)測設(shè)備選擇和安裝要求；⑤管道應(yīng)力布置要求（管道柔性和支架要求等）；⑥海管腐蝕監(jiān)測、水下安防等在線監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用；⑦關(guān)鍵設(shè)備設(shè)計文件的質(zhì)量控制（文件復(fù)核點/R 點、圖紙會審等）；⑧新材料、新產(chǎn)品和新技術(shù)的測試結(jié)果和承包商資格；⑨后評估數(shù)據(jù)中有關(guān)設(shè)計階段問題的梳理；⑩其他類似平臺生產(chǎn)適應(yīng)性評估中發(fā)現(xiàn)設(shè)計問題的借鑒與改進；?其他類似平臺、海管、海上浮式生產(chǎn)儲油裝置（FPSO）等設(shè)施運行維護階段問題的設(shè)計規(guī)避。

3.5 可操作性控制

海上采油平臺是眾多設(shè)備高度集中的生產(chǎn)設(shè)施。在設(shè)計的階段模型中各專業(yè)經(jīng)常發(fā)生模型上的碰撞，然后再根據(jù)實際空間進行調(diào)整。盡管如此，依然應(yīng)在滿足合規(guī)的前提下運用人機工程學(xué)原理，盡可能設(shè)計得更加人性化。海上油氣田設(shè)備設(shè)施可操作性要素可從以下方面進行控制：①設(shè)備按工藝流程進行集中布置；②儀表視覺化布置；③安全閥調(diào)試和管線設(shè)備的操作設(shè)置；④取樣點位置及其合理性；⑤大型設(shè)備、集裝箱等的吊裝區(qū)域；⑥直梯、爬梯、操作平臺、欄桿等使用和操作的考慮；⑦裝置內(nèi)部的平臺、樓梯、通道設(shè)置等。

3.6 可維護性控制

全生命周期理念是設(shè)備設(shè)施完整性管理的最核心理念之一。設(shè)計完整性工作一方面可以落實項目投資規(guī)劃和項目前期研究的要求，另一方面可以將投入使用后生產(chǎn)方對設(shè)備維修、檢驗、檢測、保養(yǎng)等方面的需求或期望通過設(shè)計來改進。海上油氣田設(shè)備設(shè)施可維護性要素可從以下方面進行控制：①設(shè)備自身可拆卸空間考慮；②盲板和人孔的活動空間；③設(shè)備將來改擴建的預(yù)留和界面考慮；④通道的凈空和寬度充分考慮后期維修的空間需求；⑤大型裝置的檢修區(qū)域和空間；⑥設(shè)備內(nèi)件抽取空間；⑦換熱器、過濾器、壓縮機等的檢修空間；⑧安全閥調(diào)試和管線設(shè)備的檢修、通道預(yù)留空間等。

3.7 經(jīng)濟性控制

通常來講，經(jīng)濟效益是設(shè)備設(shè)施價值的最重要體現(xiàn)。采用先進的設(shè)計理念、方法和技術(shù)手段，并通過優(yōu)化設(shè)計，可以達(dá)到投資與效益的最佳組合[10]。設(shè)備設(shè)施資產(chǎn)狀態(tài)管理不完善、全生命周期費用管理缺失、維護成本分析不全面、經(jīng)濟指標(biāo)管理要求不明確會導(dǎo)致設(shè)備設(shè)施經(jīng)濟性管理的缺失。海上油氣田設(shè)備設(shè)施經(jīng)濟性要素可從以下方面控制：①設(shè)備設(shè)施經(jīng)濟性統(tǒng)計指標(biāo)的設(shè)計；②規(guī)劃投資階段對全生命周期費用優(yōu)化策略在設(shè)計上的落實；③設(shè)計階段應(yīng)用最優(yōu)化理論方法開展全生命周期費用分析；④比選/優(yōu)化方案時，費用優(yōu)化原則或策略制定；⑤項目后續(xù)階段、運營維護階段涉及的全生命周期費用的策略制定；⑥預(yù)測的穩(wěn)產(chǎn)年均總成本（年均可變成本、年均固定成本等）各項組成的優(yōu)化策略制定；⑦同類設(shè)備設(shè)施全生命周期費用核算模型（LCC）對設(shè)備購置成本等設(shè)計的借鑒。

3.8 數(shù)據(jù)完整性控制

數(shù)據(jù)完整是做好設(shè)計工作完整的基礎(chǔ)。中國海油提出了“智慧海油”的概念，并推進了設(shè)備設(shè)施全生命周期的數(shù)字化管理[11]。設(shè)計數(shù)據(jù)是設(shè)備設(shè)施制造、建造、安裝、調(diào)試的依據(jù)，也是后期運營維護的重要參考。設(shè)計相關(guān)的數(shù)據(jù)完整才能確保設(shè)計工作的完整。海上油氣田設(shè)備設(shè)施設(shè)計數(shù)據(jù)完整性要素可從以下方面進行控制：①各專業(yè)圖紙文件目錄、設(shè)計基礎(chǔ)、圖紙、系統(tǒng)描述、設(shè)計準(zhǔn)則、模型、計算書、功能評價、消耗表、管線表、安全分析表、規(guī)格書、數(shù)據(jù)表及設(shè)備清單、調(diào)試大綱、材料清單、程序文件、設(shè)計報告等歸檔；②結(jié)構(gòu)化設(shè)計數(shù)據(jù)錄入信息系統(tǒng)；③設(shè)計自查表的歸檔；④設(shè)計審查大綱歸檔；⑤設(shè)計差異性修正資料的歸檔；⑥設(shè)計階段風(fēng)險分析報告的歸檔；⑦安全專篇、環(huán)保專篇、職業(yè)衛(wèi)生專篇、完整性專篇歸檔；⑧設(shè)計各項審查的專家意見及回復(fù)歸檔；⑨設(shè)備設(shè)施招投標(biāo)技術(shù)文件歸檔；⑩供貨商技術(shù)澄清及變更資料歸檔。

4 結(jié)束語

開展設(shè)計完整性管理是實現(xiàn)設(shè)備設(shè)施本質(zhì)安全和經(jīng)濟可靠的重要手段。針對海上油氣田設(shè)備設(shè)施設(shè)計完整性管理工作進行了探討，指出海上油氣田設(shè)備設(shè)施設(shè)計完整性工作包含功能性、可施工性、安全性、可靠性、可操作性、可維護性、經(jīng)濟性、數(shù)據(jù)完整性8 個方面的控制要素。2017 年以來，渤海蓬萊19-3 油田、19-9 油田新建項目開展了設(shè)計完整性辨識工作，基本上是圍繞這8 個要素進行的，取得了較好的效果，打破了標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計的慣向思維，控制了設(shè)計階段的完整性風(fēng)險。

海上油氣田設(shè)備設(shè)施完整性管理的8 個控制要素起到了拋磚引玉的作用，進一步的研究可按照設(shè)計進度分階段細(xì)化完整性控制點，形成檢查表或檢查大綱。企業(yè)可根據(jù)工程建設(shè)階段和運營維護階段發(fā)現(xiàn)的問題建立設(shè)計問題數(shù)據(jù)庫，基于實際數(shù)據(jù)開展設(shè)備設(shè)施設(shè)計完整性管理工作。