基于風(fēng)險(xiǎn)矩陣的海洋石油動(dòng)態(tài)RCM技術(shù)研究

王慶國(guó)，李進(jìn)

（中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司，天津 300450）

隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的快速發(fā)展，海洋石油平臺(tái)逐步向智能化、無人化等方向發(fā)展，動(dòng)設(shè)備自動(dòng)化、集成化和精細(xì)化程度越來越高，海洋石油數(shù)字化水平逐漸提升。由于以上背景，在生產(chǎn)過程中,海洋石油平臺(tái)關(guān)鍵動(dòng)設(shè)備一旦發(fā)生故障則會(huì)引起非計(jì)劃性停機(jī),進(jìn)而造成重大損失和較高維修成本,甚至引起嚴(yán)重的安全事故和環(huán)境污染。目前，海洋石油平臺(tái)關(guān)鍵動(dòng)設(shè)備已逐步建設(shè)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，建立預(yù)知性維修模式，對(duì)于提高設(shè)備可靠性和管理水平、降低設(shè)備維護(hù)費(fèi)用具有重要作用。基于RCM的完整性管理能夠在一定程度改善海上油氣生產(chǎn)平臺(tái)動(dòng)設(shè)備維修管理現(xiàn)狀，建立預(yù)防性維修模式，則以最少資源消耗為原則,保持設(shè)備的固有可靠性和安全性。而目前國(guó)外或國(guó)內(nèi)其他領(lǐng)域已經(jīng)開展研究改進(jìn)RCM技術(shù)方法，提出了基于時(shí)間的維護(hù)和基于狀態(tài)的維護(hù)技術(shù)的基礎(chǔ)上廣義的混合維護(hù)策略，提供更好地維護(hù)性能及基于預(yù)測(cè)的維護(hù)策略，通過監(jiān)控和管理故障模式來確定可以提供最高性能的各種CBM系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案潛在的投資回報(bào)率。因此，在海洋石油領(lǐng)域目前還沒有實(shí)現(xiàn)基于狀態(tài)監(jiān)測(cè)改進(jìn)RCM技術(shù)，對(duì)于提升兩者在海洋石油領(lǐng)域行業(yè)的融合應(yīng)用和價(jià)值,還有待研究。

1 傳統(tǒng)RCM和在線監(jiān)測(cè)技術(shù)

1.1 傳統(tǒng)RCM技術(shù)

RCM是以可靠性為中心的維修，針對(duì)維修資源的優(yōu)化配置方法。針對(duì)海上油氣生產(chǎn)裝置設(shè)備資產(chǎn)管理，傳統(tǒng)的RCM是采用風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先指數(shù)來對(duì)風(fēng)險(xiǎn)排序，以期將有限資源充分利用到最危險(xiǎn)故障模式的預(yù)防與維修。根據(jù)RCM技術(shù)理念，海洋石油動(dòng)設(shè)備傳統(tǒng)RCM分析流程和分析過程如圖1所示。設(shè)備邊界的定義及使用遵循以下的幾條規(guī)則：

圖1 傳統(tǒng)RCM工作流程和分析過程

（1）設(shè)備的主要功能部件一定在邊界范圍之內(nèi)，對(duì)于設(shè)備的功能沒有影響或影響很小的輔助單元或部件可以不予考慮。

（2）對(duì)于那些發(fā)生在連接處的失效，如法蘭泄漏等，應(yīng)劃歸為于設(shè)備相關(guān)的失效。因此，這些連接處也是與設(shè)備相關(guān)的部分，需要將它們劃分到設(shè)備邊界定義的范圍內(nèi)。

（3）設(shè)備的子系統(tǒng)中不包括那些為了特殊需要而定制的部件。這樣的劃分有利于同類別設(shè)備間可靠性數(shù)據(jù)的比較與分析。

（4）如果驅(qū)動(dòng)端與被驅(qū)動(dòng)端被劃分到同一個(gè)子系統(tǒng)中，那么與該系統(tǒng)相關(guān)的失效以及所采取的維修策略都應(yīng)該被定義到被驅(qū)動(dòng)端上。

RCM技術(shù)的重要內(nèi)容是FMEA分析（故障模式和效果分析），選擇一個(gè)級(jí)別的解決方案，在研究范圍內(nèi)系統(tǒng)地識(shí)別和檢查故障模式，作為一個(gè)整體評(píng)估每個(gè)失效模式的直接和最終影響系統(tǒng)。通過設(shè)備篩選后非關(guān)鍵性部件不需要進(jìn)行后面地分析，但是對(duì)于關(guān)鍵性部件需要進(jìn)行失效模式及其影響分析。設(shè)備失效模式通俗來講即設(shè)備發(fā)生失效時(shí)維護(hù)人員所能觀察或通過儀器檢測(cè)到的失效現(xiàn)象，如振動(dòng)大、過熱、泄露、低輸出、不能啟動(dòng)等。同一種失效模式不同的人會(huì)有不同的描述,如果標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一可能會(huì)造成重復(fù)和混亂,不便于數(shù)據(jù)的交流、分析和管理，可參照ISO14224標(biāo)準(zhǔn)編制。每一種失效模式的背后都隱含著各種失效原因，只有找到相應(yīng)的失效原因才能從根本上避免失效的發(fā)生。在進(jìn)行失效原因的描述時(shí)需要遵循以下原則：

（1）失效原因的描述至少由“一個(gè)名詞+一個(gè)動(dòng)詞”組成。

（2）動(dòng)詞的選擇以描述清楚具體的原因?yàn)樵瓌t。

（3）失效原因的層次不可太高也不可太低，將失效原因描述到足以能夠選擇相應(yīng)的維修策略即可。

（4）失效原因的分析應(yīng)當(dāng)分析到維護(hù)人員有能力解決的層面，而并非一味地追求根本原因。

重要功能產(chǎn)品的邏輯決斷分析是RCM分析的核心。RCM邏輯決斷分析的流程始于決斷圖的頂部，通過對(duì)問題回答“是”或“否”確定分析流程的方向。

通過對(duì)重要功能產(chǎn)品的每一個(gè)失效原因進(jìn)行邏輯決斷分析，尋找出相應(yīng)的有效的維修策略、維修工作內(nèi)容、所需要的工種和維修間隔期等。維修策略包含：

（1）功能檢測(cè)（FFM）。

（2）狀態(tài)監(jiān)測(cè)(OCM)。

（3）定期檢查（SM）。

（4）修改設(shè)計(jì)(MOD)。

（5）運(yùn)行至失效(RTF)。

通過RCM分析技術(shù)梳理海洋石油某設(shè)備的失效模式和影響分析，具體見圖2所示。

圖2 某設(shè)備的失效模式統(tǒng)計(jì)

1.2 在線監(jiān)測(cè)技術(shù)

目前，針對(duì)突發(fā)故障一般較難預(yù)測(cè)，而針對(duì)絕大多數(shù)故障屬于數(shù)據(jù)漸進(jìn)型故障可采用在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)為故障的預(yù)測(cè)和診斷，并可根據(jù)設(shè)備狀態(tài)指標(biāo)-劣化值及其變化趨勢(shì)進(jìn)行維修決策。而海洋石油企業(yè)考慮其生產(chǎn)設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)行在高溫、高壓、易燃易爆、鹽霧腐蝕、油砂顆粒等惡劣工況，對(duì)安全生產(chǎn)運(yùn)行有著重要影響，因此針對(duì)如注水泵、外輸泵等A類關(guān)鍵設(shè)備已陸續(xù)安裝在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。傳統(tǒng)的海洋石油動(dòng)設(shè)備在線監(jiān)測(cè)主要采用依賴專業(yè)工程師的“人工”服務(wù)模式，已經(jīng)在一定程度上為設(shè)備運(yùn)維管理提供了強(qiáng)有力的支持。

目前，隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等等技術(shù)的快速發(fā)展，針對(duì)動(dòng)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)已逐步建立起智能化的預(yù)警和診斷手段。文獻(xiàn)[10]和文獻(xiàn)[11]提出針對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械提出一維深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障診斷模型，通過軸承和齒輪箱健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)表明可以實(shí)現(xiàn)高精度、穩(wěn)定和快速的故障診斷；文獻(xiàn)[12]提出了一種基于降噪自編碼器和自適應(yīng)高斯深度信念網(wǎng)絡(luò)的深度學(xué)習(xí)融合模型來實(shí)現(xiàn)機(jī)械裝備故障診斷，提高了網(wǎng)絡(luò)的收斂速度和診斷精度，優(yōu)于傳統(tǒng)單一的深度學(xué)習(xí)模型，并且在噪聲環(huán)境下工作良好；文獻(xiàn)[13]提出了基于多傳感器信息融合和正向推理的智能診斷專家系統(tǒng),通過提取敏感特征參數(shù)并建立和故障類型相關(guān)的獨(dú)立診斷規(guī)則,實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)故障診斷；文獻(xiàn)[14]提出了運(yùn)用CBR方法對(duì)系統(tǒng)故障診斷過程中案例搜集與整理、案例知識(shí)表示、案例檢索與匹配、案例學(xué)習(xí)機(jī)制以及案例維護(hù)等關(guān)鍵技術(shù)。

海洋石油梳理十多年的狀態(tài)監(jiān)測(cè)服務(wù)典型特征數(shù)據(jù)，提出采用基于“機(jī)理模型+數(shù)據(jù)模型”雙驅(qū)動(dòng)的智能預(yù)警診斷技術(shù)方案。基于機(jī)理模型，即機(jī)械系統(tǒng)的失效分析，依靠基礎(chǔ)理論和專家經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)已有的軸承、齒輪箱等等的機(jī)械特征參數(shù)，并將實(shí)時(shí)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)故障進(jìn)行預(yù)測(cè)，往往會(huì)依賴長(zhǎng)期的數(shù)據(jù)積累，形成“專家系統(tǒng)”，類似于“查表”的方式，對(duì)故障進(jìn)行預(yù)測(cè)、定位、分析，是對(duì)“已知”世界的洞察；基于數(shù)學(xué)模型，是在現(xiàn)有的人工智能技術(shù)基礎(chǔ)發(fā)展起來的，同樣也是基于物理建模，通過大數(shù)據(jù)方法對(duì)特征值進(jìn)行學(xué)習(xí)，可以通過“強(qiáng)化學(xué)習(xí)”“監(jiān)督學(xué)習(xí)”方法來預(yù)測(cè)未來的故障，通過大量數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)，自主掌握設(shè)備的潛在故障，可對(duì)“未知”世界進(jìn)行洞察。而基于機(jī)理模型和基于數(shù)據(jù)模型相融合，機(jī)理模型提供了快速構(gòu)建預(yù)測(cè)性維護(hù)的基礎(chǔ)，但機(jī)理模型的保真度，以及運(yùn)行環(huán)境中的不確定性等會(huì)讓機(jī)理模型進(jìn)行的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度不夠，而基于數(shù)據(jù)模型則可以彌補(bǔ)這方面的缺陷，提高預(yù)測(cè)的精度。智能預(yù)警診斷技術(shù)路線見圖3所示、智能預(yù)警診斷系統(tǒng)見圖4所示。

圖3 智能預(yù)警診斷技術(shù)路線

圖4 智能預(yù)警診斷系統(tǒng)

2 基于風(fēng)險(xiǎn)矩陣的動(dòng)態(tài)RCM技術(shù)

動(dòng)態(tài)RCM技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)包含兩個(gè)層面：（1）狀態(tài)監(jiān)測(cè)分析診斷的設(shè)備狀態(tài)結(jié)論要能夠與RCM分析產(chǎn)生數(shù)據(jù)互動(dòng)，實(shí)現(xiàn)維修策略的優(yōu)化；（2）狀態(tài)監(jiān)測(cè)分析診斷要能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)智能化自動(dòng)判別設(shè)備狀態(tài)。RCM 為狀態(tài)監(jiān)測(cè)的方案制定提供科學(xué)的分析手段與依據(jù),作為其主要分析手段的潛在失效模式及后果分析( FMEA) 方法也隨著其在狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用而進(jìn)行了擴(kuò)展。隨著海洋石油在線監(jiān)測(cè)智能化的建設(shè)以及傳統(tǒng)RCM分析應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)，在傳統(tǒng)RCM風(fēng)險(xiǎn)定性分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合設(shè)備狀態(tài)建立定量的統(tǒng)一風(fēng)險(xiǎn)矩陣模式，海洋石油基于風(fēng)險(xiǎn)矩陣的動(dòng)態(tài)RCM技術(shù)路線見圖5所示。

圖5 基于風(fēng)險(xiǎn)矩陣的動(dòng)態(tài)RCM技術(shù)路線

3 系統(tǒng)研發(fā)和效果

參照以上設(shè)計(jì)理論研究，采用程序語言開發(fā)出海洋石油動(dòng)態(tài)RCM分析軟件系統(tǒng)，如圖6所示。動(dòng)態(tài)RCM分析軟件包含常規(guī)RCM分析、故障模式與影響分析、故障模式風(fēng)險(xiǎn)分析、設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)分析、維修策略（優(yōu)化）、故障庫等功能。設(shè)備智能預(yù)警診斷狀態(tài)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)自動(dòng)與動(dòng)態(tài)RCM系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

圖6 動(dòng)態(tài)RCM分析軟件系統(tǒng)

4 結(jié)語

通過對(duì)傳統(tǒng)RCM技術(shù)和在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)的梳理，提出基于風(fēng)險(xiǎn)矩陣的定量化動(dòng)態(tài)RCM分析技術(shù)方法，并開發(fā)出海洋石油動(dòng)態(tài)RCM分析軟件系統(tǒng)。通過以上技術(shù)研究，可將基于傳統(tǒng)RCM的預(yù)防性維修和基于狀態(tài)監(jiān)測(cè)的預(yù)知性維修實(shí)現(xiàn)有效、有機(jī)結(jié)合，是完善設(shè)備完整性管理的有效技術(shù)手段和途徑，是實(shí)現(xiàn)“檢維修一體化”的重要橋梁。本文雖然提出了基于風(fēng)險(xiǎn)矩陣的動(dòng)態(tài)RCM技術(shù)方法，但在線監(jiān)測(cè)診斷的智能化還需要進(jìn)一步研究和提升。