油氣站場關鍵設備完整性管理技術研究

趙曉隆，劉 哲，李 捷

（1.甘肅省特種設備檢驗檢測研究院，甘肅 蘭州 730000；2.中國特種設備檢測研究院，北京 100000）

1 概述

完整性管理于21 世紀初經油氣管道企業引入國內用于長輸油氣管道的線路管理。自行業標準SY/T 7974—2014《油氣管道完整性管理實施指南》，轉化為國家標準GB 32167—2015《油氣輸送管道完整性管理規范》，進而于2019 年發布國內主導的國標標準ISO 19345《管道完整性管理規范》，形成了覆蓋站外管道線路設計建設、運行、廢棄處置全周期的管理技術流程，并在油氣儲運行業日益發揮出對安全和效益的重要積極作用。2016 年，石油石化上游開發企業響應政策引導、吸納儲運行業的先進管理方式，在推行集輸管道線路完整性管理的同時，開展站場完整性管理科研攻關，摸索建立適用于油氣田站場關鍵設備的完整性管理體系。針對油氣田站場關鍵設備設施，借鑒資產完整性管理理念，通過科學的分析評價和檢測維修將風險控制在可接受的范圍內，并優化管理成本的投入。

經歷多年試點研究和實踐，已形成了一系列站場完整性管理技術，可以通過數據管理、腐蝕控制、風險分析和優化后的檢維修手段，有效降低設備設施失效率、故障率，控制管理成本投入，提升站場安全管理水平。

2 技術現狀

相對于長輸油氣管道，油氣田站場設備類型復雜，完整性管理所需的分析評價、檢測維修技術各異，且須考慮與傳統管理方式的結合，尚未形成完備的技術方法和管理體系。目前，國際管道研究理事會等紛紛設立項目開展站場設備完整性管理的相關研究應用；部分理事會成員初步形成了各自體系實施設備設施完整性管理。國內在站場的危險與可操作性（HAZOP）分析、后果定量風險評價（QRA）等評估技術，在站場設施檢測與完整性評價、內外腐蝕控制、泵/壓縮機組故障診斷等關鍵技術領域開展大量科研攻關，優化了靜設備基于風險的檢驗（RBI）、轉動設備和電器儀表以可靠性為中心的維修（RCM）、安全儀表系統安全完整性等級（SIL）評價等完整性管理技術的應用策略，并通過在油氣田站場實踐逐步建立站場完整性管理框架、完善實施流程。歐美管道企業或團體已有專業設備失效數據庫和風險評估軟件化的多年應用經驗，國內亦有搭建站場基礎數據庫、失效數據庫和完整性管理信息化的有益嘗試。國外管道完整性管理的技術標準有涉及管道站場完整性管理的大致原則和部分專業技術，如API 1160 指出站場完整性管理模式應與長輸管道模式相似，API 353 提出地面儲罐設施危害識別與風險評價方法，但均未提及站場完整性管理完整技術體系和實施的方法步驟[2]。國內大型企業均在開展設備設施完整性管理實踐基礎上逐步建立各自體系，如2013 年中海油《設備設施完整性管理體系》，2017 年中石油“一規三則”，但迄今尚未提出支撐油氣田站場設備完整性管理的系統、完善的標準/規范體系。

3 管理體系

3.1 管理原則

風險管理是資產完整性管理的有效途徑，即識別資產運行面臨的風險因素，分析評估資產的適應性和可靠性，制定實施基于風險的檢測和維修維護策略，將資產運行的風險水平控制在合理可接受的范圍內。站場設備完整性管理是站場管理單位通過分析各類設備的失效/故障模式及持續識別分析運行中的風險因素，借助檢測技術評價設備的適用性和可靠性狀態，制定和實施最優化的維修維護等風險控制措施，達到以經濟合理的管理成本持續減少安全事故、改進風險管理水平的目的。資產完整性指正常運行條件下資產應有的機能狀態，資產在物理、功能上是均完整的，其風險和可靠性處于受控狀態。資產的使用單位通過科學合理的檢測、分析評價和維修改造保證其完整性，防止失效和故障的發生。資產完整性管理（Asset Integrity Management）技術是面向對象全壽命周期的管理方式，根據設備的類型、重要性、失效機理、故障模式等特征，制定優化測試和檢測維修策略，并含管理效果驗證改進。并非單一管理方式，而是權衡管理投入與風險可接受性基礎上的綜合管理方式，可包括故障維修、計劃性維修、預防性維修、劃分優先級的維修、基于風險的維修等。

3.2 體系組成

設備資產的管理體系通常由管理功能平臺（含數據庫）、管理體系文件、技術方法3 個重要部分構成。數據管理與功能平臺通常以完整性管理系統平臺的整體呈現。完整性管理是基于大量數據的管理方式，根據設備數據模型建立數據庫，用于存儲站場設備風險管理所需的各類數據項目與檢測、監測歷史數據等，同時實現與關聯系統的數據交換。功能平臺用于完整性管理過程中數據采集、風險評價、檢測維護、效能評價等各環節工作的信息化和自動化管理，根據風險分析和檢測評價結果生成設備維修維護策略，為管理決策和工單執行提供支持。站場設備的完整性管理須基于“三維空間+時間軸”的“四維”方式呈現，即實現站場設備布置的三維空間關系和隨時間變化的各類數據信息（如質量安全狀況或風險水平的改變）[3]。廣義的管理體系文件包含法律規章和企業管理制度，其中企業的管理制度依據ISO 9001 質量管理體系相關要求可分為總則（質量手冊）、程序文件、操作規程和記錄文檔共4 個層級。技術方法用于實現各管理環節的主要目的，如站場的風險分析評價、設備安全質量狀況的檢驗檢測、安全聯鎖功能的可靠性等級評估等。站場設備完整性管理涉及的技術專業廣泛，且隨工作對象和技術的自身更迭而持續改進和創新如圖1 所示。

圖1 站場設備完整性管理循環

4 工作流程

站場設備完整性管理流程可劃分為基礎數據采集、風險與需求分析、完整性與可靠性評價驗證、風險消減策略制定實施、效能評價5 個主要環節并循環執行。（1）基礎數據采集：通過原始資料審查或現場獲取等方式收集風險分析評價所需的基礎數據，及后續管理周期比對的歷史數據。（2）風險與需求分析：評價站場總體風險、各設備單元、子系統或部件風險（失效可能性、失效后果），及分析對設備可靠性（失效率或故障率）的需求水平。（3）完整性與可靠性評價：采用相應技術方法，結合所需的檢測手段獲取狀態數據，分析評價或驗證設備的適用性、可靠性。（4）風險消減策略制定實施：依據風險分析評價、可靠性評價結果，制定或優化針對設備失效或故障的風險管控策略，權衡風險水平及措施成本投入。（5）效能評價：基于分析評價和措施執行的成本、效果等表征指標，評估本管理周期的措施策略的實施效果，查找問題并形成針對下一管理周期的改進建議。由于通行的基于風險的檢驗維修程序（RIMAP，Risk Based Inspection and Maintenance Procedures）中，對于不同設備類型有相應適應的方法流程（如靜設備基于風險的檢驗、動設備以可靠性為中心的維護、安全儀表系統安全完整性等級評價等），所以站場設備的完整性管理程序對靜、動、安全聯鎖等設備類型均有相應工作流程如圖2 所示。

圖2 站場設備完整性管理工作流程

5 工程實踐

5.1 靜設備RBI 檢測與評估

靜設備基于風險的檢驗(Risk—based Inspection，RBI) 技術，其基本思路是采用系統論的原理和方法，對系統中固有的或潛在的危險及其程度進行定量分析和評估，找出薄弱環節，優化檢驗的效率和頻率，在保證設備安全的前提下，減少運行檢維修費用。2018 年某煉化企業采用基于風險的RBI 檢驗技術對3 套裝置181 臺壓力容器、1473 條壓力管道和993 臺安全閥開展了風險評估和在線檢驗，通過資料收集、失效機理分析和風險評價、優化檢驗策略、安全評估，為企業節省了設備檢修費用、開、停機車的損耗費用合計120 萬元，因不停產大幅增加了經濟效益3472.5 萬元[4]。2014 年大慶石化公司委托檢驗單位對120 萬t/a 乙烯工藝裝置進行基本RBI 評估，此套裝置包含296 臺壓力容器、4976 條工藝管道、322 臺安全閥，通過風險評估壓力容器中等風險占比達到56.07%，壓力管道低風險單元占比為64.63%，均未出現高風險單元，采用風險分析降低了檢驗工作量和維修成本，制定針對性的檢測手段有效地控制裝置的安全風險，實現設備運行的可靠性、安全性與經濟性的統一[5]。

5.2 動設備可靠性評價與維護

基于可靠性為中心的維修（RCM）理論認為，一切維修活動，歸根結底都是為了保持、恢復設備的可靠性。根據設備及其構件的可靠性狀況，運用邏輯決斷分析方法來制定設備的維修大綱，確定所需要的維修內容和合理的維修類型和維修級別等，以最少的資源消耗來保持設備的可靠性，從而達到優化維修的目的。在這種理論的指導下進行設備維修，既能提高質量和可用率，保證使用安全，又能節約費用。董紹華等[6]應用RCM 技術對站場關鍵動設備進行評估，采用IOTECH 震動檢測儀對北京市衙門口加氣站4 臺壓縮機機組進行了測試，并對各個檢測點進行風險分類，指導使用單位制定維修維護計劃。羅青[7]以可靠性為中心的維修（RCM）理論為基礎，面向現代設備討論維修管理的決策，將維修決策分為S 層維修方式決策、T 層維修時機決策和O 層維修決策管理系統，建立以可靠性和重要性為指標的維修時機和維修方式決策模型，并開發了以兩個模型為基礎的維修決策支持系統。

5.3 安全儀表系統SIL 評價

安全儀表的用途是當DCS 控制失效時，及時通過安全聯鎖關閉或開啟閥門，或觸發系統停車等方式確保系統安全性，可能由于保護功能不足或過度導致存在安全隱患。基于危險與可操作性研究（HAZOP）方法形成的站場工藝危害分析結果，通過對工藝系統和過程進行保護層（LOPA），以確定所有可能導致嚴重后果的事故情形均有足夠的安全措施，其風險低于風險標準所要求的水平，特別是確定是否需要采用安全儀表系統，以及所采用安全儀表系統的回路的安全完整性等級（SIL）。劉哲等[8]結合國際電工組織IEC 頒布標準所推薦的保護層分析方法和GB/T 20438/21109 功能安全標準，對某油氣聯合站安全儀表系統中各個回路的可靠性進行識別，并將安全儀表分成SIL1、SIL2、SIL3 和SIL4 4 個等級，根據使用單位提供的PFD 圖、PID 圖和聯鎖系統邏輯圖的設置要求等資料信息，分析確認SIF 和硬件冗余設置，再按照Exida 和Oreda 數據庫選擇傳感器、邏輯求解器和執行機構的可靠性數據，采用Markov模型計算可靠性指標，最后根據分析結果確定符合性并形成結論和改進建議。

6 結論

（1）靜設備基于風險的檢驗、動設備以可靠性為中心的分析和安全儀表系統安全完整性等級評價等資產完整性管理方式和技術的有效實施，可以為油氣站場關鍵設備的風險管理提出科學有效的解決方案，以助管理單位在風險管控的成本投入與效果之間尋求策略的最優化。

（2）以實現完整性管理主要功能的系統平臺作為支撐，配合體系文件和有效的技術手段，可以構建站場設備的完整性管理體系，但在體系框架建立完善過程中仍有大量技術和管理層面的問題亟待解決，包括在時間維度上擴展至站場設備的全壽命周期，對象維度上擴展至更多的站場設備設施類型。技術維度上擴展至智能化數據采集、風險精準識別與動態評價、高精度完整性檢測評價等諸多方面。