石油裝備的可靠性分析與優化設計

＊王宇涵 王長建 劉久明

（1.長江大學機械工程學院 湖北 434023 2.渤海鉆探井下作業分公司 河北 062550）

與傳統的石油裝備相比，當前時代下的石油裝備，無論是生產效率還是生產質量均有顯著的提升。推進可靠性分析和優化設計，不僅能夠規避常見的石油設備故障，同時也能提升石油設備的運行效率，有序推進可靠性分析和優化設計成為石油行業管理中的關鍵任務，技術人員需要基于行業生產的實際需求，針對不同的石油裝備，制定科學的可靠性分析并優化設計策略，為石油生產工作的推進奠定堅實的物質基礎。

1.石油裝備的概述及特點

石油裝備種類繁多，每一種設備都具有特定的功能和特點，從鉆機到石油儲罐，從管道到煉油設備，每一種設備在石油生產鏈中都扮演著獨特的角色。石油裝備通常具有復雜的結構和工作原理，譬如深海石油鉆機需要能夠在極端海底環境中工作，而煉油裝置需要進行多層次的化學反應和分餾過程，要求設備制造商不僅要具備先進的工程技術，還需要具備強大的研發和創新能力；石油裝備需要具備高性能特點，以滿足高產量和高效率的要求，油井鉆機需要具備高扭矩和高功率，以完成深井鉆探；石油裝備的操作環境通常危險且惡劣，油井勘探工作可能在海底、沙漠或寒冷的高山環境中進行，而煉油裝置涉及高溫、高壓和易燃氣體。因此，石油裝備必須具備高度的安全性和可靠性，以防止事故和環境污染。

2.石油裝備可靠性分析與優化設計要點

（1）可靠性分析要點。可靠性是指石油裝備在一定的工作環境和條件下，能夠在規定的時間內完成預定任務，而不發生故障或性能下降的能力，旨在評估裝備的工作狀態和壽命，以確定其在不同工作條件下的可靠性水平。可靠性分析的第一步是數據采集和監測，工程師需要收集有關裝備的運行數據，包括故障記錄、維修歷史、工作負荷、環境條件等信息。監測設備的運行狀況也是關鍵，可使用傳感器和監測系統來實時跟蹤裝備性能。可靠性模型是用于評估裝備可靠性的數學工具，不同的裝備和系統往往需要借助不同的可靠性模型，常見的可靠性模型包括失效模型、可靠性均值模型、可靠性增長模型等，相關模型可用于預測裝備的壽命和性能。失效分析是可靠性分析的關鍵環節，涵蓋了裝備可能發生的故障類型、原因、模式和頻率，常用方法包括故障樹分析、事件樹分析、故障模式和效應分析（FMEA）等。可用性是裝備在一定時間內正常運行的概率，通過需要考慮裝備的可維修性、維修時間、備件供應等因素來計算，確定裝備在需要時是否可用，支持生產計劃和維修策略的制定；故障診斷和預測是可靠性分析的關鍵任務，工程師可使用傳感器數據、監測系統和故障模式識別技術來檢測裝備的異常行為，并提前預測可能的故障，及時采取預防性維修措施，降低不必要的停機時間和維修成本；根據可靠性分析結果采取措施來改進裝備的可靠性，包括改進設計、提高材料質量、加強維護和培訓等（如圖1所示）。

圖1 裝備可靠性設計

（2）優化設計要點。可靠性應從裝備設計的早期階段進行考慮，工程師需要了解裝備的工作環境和要求，以確定裝備材料、結構和零部件。在設計過程中，需要考慮到裝備的可維修性、可維護性和耐用性。材料的選擇對于裝備的可靠性至關重要，不同的材料具有不同的機械性能、化學性質和耐用性。工程師需要選擇特定的材料，以確保裝備在不同工作條件下都能保持穩定的性能。裝備的布局和結構設計應滿足工作需求和安全標準，考慮到裝備的工作空間、通風、維護和維修便捷性，在布局設計中盡量減少設備之間的干擾和協作問題。石油裝備是一個復雜的綜合性系統，包括多個子系統和組件，系統集成是裝備設計的重要環節，促進不同部分之間的協調和協作，關鍵在于考慮系統的穩定性、一致性和整體性能。裝備的可維修性和維護性設計是關鍵，涵蓋了設備維護的方便性、維修時間的減少和維修成本的控制，工程師需要考慮到零部件的更換、維護設施和培訓等方面；石油裝備通常在惡劣的工作環境中運行，包括高溫、高壓、腐蝕、沙塵暴等條件。

3.推進石油裝備可靠性分析與優化設計的意義

（1）提高石油生產效率。石油生產是一個長期的過程，需要裝備的不間斷運行，如果裝備發生故障，將導致停產，影響整個生產鏈的效率。可靠性分析與優化設計可幫助技術人員提前發現潛在的故障，采取預防性維護措施，降低停產風險，提高生產連續性；在石油工業中，維修和維護裝備是不可避免的，但維修成本卻是可以控制的，通過可靠性分析，工程師可以確定裝備的壽命和維修周期，采取計劃性維修，減少緊急維修，降低維修成本，減少維修時間和維修頻率。可靠的裝備可大幅提高生產能力，石油工業需要大量的裝備來開采和精煉原油，借助可靠性分析和優化設計，裝備可以在更長時間內穩定運行，提高生產效率。

（2）保障石油生產安全。石油工業是典型的高危行業，任何裝備故障都可能引發事故，可靠性分析可以幫助識別潛在的故障模式，采取措施預防事故的發生。例如，通過失效模式和效應分析（FMEA）確定裝備的高風險區域，制定相應的安全措施（如圖2所示）。操作員的人身安全是石油生產的基礎和前提，可靠的裝備可以降低操作員的風險，優化設計可考慮到裝備的安全性，包括避免可燃氣體泄漏、減少高溫高壓風險等。同時，可靠性分析可幫助技術人員識別設備的安全隱患，采取相應的改進措施。石油工業的一項主要問題是環境污染，裝備故障容易導致油漏和化學品泄漏，對土壤和水源造成污染。借助可靠性分析可提前預測可能出現的故障，采取措施避免環境污染。同時，優化設計可考慮到環保要求，采取相應的措施以減少環境風險。

圖2 FMEA分析流程

（3）促進生產技術創新。石油裝備的可靠性分析與優化設計需不斷推動工程技術的進步，裝備制造商需要不斷探索新的材料、制造工藝和設計方法，以提高裝備的可靠性，在無形中推動了工程技術的創新和發展。數字化技術在石油工業中的應用也在不斷推進。利用數字化監測和智能控制系統，可以實現裝備狀態實時監測，提高可靠性分析的精度。此外，數字化技術還可以實現裝備的遠程監控和維護，減少不必要的人工干預。

4.推進石油裝備可靠性分析與優化設計的策略

（1）轉變分析設計觀念。科學的分析設計觀念能夠為后期的分析和設計工作提供正確的指引，轉變設計觀念的首要任務是從源頭抓起，即在裝備設計的早期階段就考慮可靠性。工程師需要將可靠性納入設計的首要考慮因素，而不是作為次要的附加要求，這就需要改變設計過程的文化和習慣，將可靠性視為產品生命周期的關鍵構成；系統工程方法是一種綜合性的方法，可幫助工程師在裝備設計中考慮到各種因素，包括性能、可維修性、可維護性、環境適應性和安全性等。通過系統工程方法，可以實現裝備設計的整體性能優化，而不是單一指標的追求。

（2）推進技術設備更新。為滿足日益增長的生產需求，推進技術設備的更新與升級尤為重要，石油工業中存在大量老化設備，它們的可靠性和性能存在不同程度的下降。通過更換老舊設備，引入先進技術和新材料，可以提高裝備的可靠性，降低維護成本，并減少停機時間；為了推進技術設備更新，需要進行研發創新。石油裝備制造商和石油公司應該加大研發投入，開發新的裝備和技術，以提高性能和可靠性。研發創新也可以幫助推動整個行業的進步。數字化技術在石油工業中的應用也是推進技術設備更新的關鍵，例如，物聯網（IoT）和大數據分析可以用于實時監測裝備的運行狀況，幫助提前識別潛在故障，并采取相應的維修措施。此外，自動化系統和遠程監控技術也可以提高裝備的性能和可維修性；新材料的引入可以改進裝備的性能和可靠性，耐腐蝕材料、高強度材料和高溫材料可提高裝備的耐用性和環境適應性，裝備制造商應密切關注新材料的研發和應用。

（3）培養專業技術人才。由于裝備可靠性分析與優化設計涉及到大量的專業知識和信息設備，對于人才的專業素質提出了更高的要求，需推進專業人才的培養。培養專業技術人才是確保石油裝備可靠性的關鍵。石油公司和裝備制造商應該提供專業的培訓計劃，培養工程師和技術人員的能力，使他們具備分析可靠性的技能和知識，包括可靠性工程師、維護工程師、安全專家等不同領域的專業人才；跨學科合作不僅應用于設計階段，也適用于培養專業技術人才。石油工業需要多領域的專業人才，這類人才需跨越工程、科學、技術和管理等領域，共同解決裝備可靠性的問題。鼓勵學生跨學科學習和合作可以培養更具綜合素質的專業人才；為了吸引并留住優秀的專業技術人才，石油工業需要提供充足的職業發展機會，包括晉升機會、培訓計劃、項目經驗和薪酬福利等方面，吸引更多的人才加入石油工業。

（4）構建質量監管體系。完善的質量監管體系對于推進裝備的可靠性分析和優化設計有著巨大幫助，構建質量監管體系需要強化質量控制。石油裝備制造商應該建立質量管理體系，包括質量標準、流程監控、檢驗和測試等方面。石油工業需要遵守各種法規和標準，包括環保法規、安全法規、質量標準等，構建質量監管體系需要強調合規性，裝備制造商和石油公司應確保生產裝備符合相關法規和標準，以降低法律風險和環境風險。

5.結束語

推進石油裝備可靠性分析與優化設計是石油工業可持續發展的關鍵，也是推進石油產業轉型與升級的重點，本文結合石油裝備的可靠性分析和優化設計工作，明確了分析和優化設計工作中的重點和難點，行業工作人員需要加大對相關工作的重視，通過轉變設計觀念，推進技術設備更新，培養專業技術人才和構建質量監管體系等多項策略，提高裝備的可靠性，降低事故風險。未來，裝備制造商、石油公司和政府等各方應共同努力，注重設備的日常養護、構建完善的設備管理程序，進一步強化維修實施體制，緊跟行業和時代的發展腳步，構建以云計算和大數據為核心的裝備可靠性分析和優化設計體系，以確保石油工業的可持續發展和安全性，一方面能夠推進石油產業的長遠健康發展，另一方面也能為經濟社會的后期建設助力。