基于熵的RCM方法在海上油气设施安全评估中的应用*

聂炳林

(中国石化胜利海上石油工程技术检验有限公司，山东东营 257001)

自1947年美国墨西哥湾建造第一座钢质海洋平台以来，世界上已建成6 000余座各类海洋石油开采平台[1]。20世纪60年代至今，以海洋石油981深水半潜式钻井平台为代表，我国已建成了超过100座海洋平台。一般而言，海洋石油平台远离陆地，应急救援抢险远比陆地困难得多。由于受海洋平台面积限制，在紧凑的空间内布置有大量的油气生产设施设备，形成风险集中的危险区，一旦发生安全环境事故，轻则影响油气产量，重则引起火灾、爆炸、平台倾覆倒塌等灾难，国内外有许多这方面的案例[2-4]。因此对海洋平台油气生产设施设备开展安全可靠性分析，提出设备预防性维修策略，一来可减少维护维修成本，二来可降低安全生产和环境风险，是很有必要和有意义的工作。

近年来，国内外应用RCM分析方法在军工、通信、石油化工、交通等众多领域开展了应用研究，取得了许多成果[5-10]。如空军雷达学院的黄建军等人开展了基于RCM的雷达装备维修决策支持系统研究，分析了传统RCM方法存在的不足，提出了信息化改进思路[11]；天津大学余建星等人开展了基于RCM的海上油气生产装置设备资产管理的研究，引入了熵权理论，通过计算客观权重，使得到的风险排序结果更准确等[12]。

1 RCM分析方法和熵

1.1 RCM分析方法

以可靠性为中心的维修(Reliability Centered Maintenance，RCM)是当前国际上通用的一种针对维修资源的优化配置方法，是一种以确定设备预防性维修需求，优化维修制度的系统工程方法，也是发达国家军队及工业部门制定军用装备和设备预防性维修大纲的首选方法。

1.1.1RCM分析步骤

RCM工作流程见图1，一般分4个步骤：①单元划分和设备筛选分析，主要目的是识别出对装置的运行起关键作用的单元、设备，同时筛选出低风险等级的单元和设备，确保进一步针对高、中风险的单元及设备进行分析；②故障模式、影响及危害性分析(FMEA分析)。FMEA方法是分析系统中所有可能产生的故障模式及其对系统造成的所有可能影响，并按每一故障模式的发生频度Sf、影响严重程度SS和检测难易程度Sd予以分类的一种归纳方法；③风险分析。对每一种故障模式，确定其故障概率，并根据其故障影响确定故障后果，然后按风险=失效概率×故障后果确定风险大小；④制定和优化维修策略。一般采用RCM软件中的故障原因或根本原因数据库，也可以采用现场经验和专家和分析，或参考其他类似装置的积累数据，所识别的故障原因和根本原因是制定维修策略的基础。

图1 RCM工作流程

1.2 熵

1.2.1熵权因素的引入

从RCM分析方法4个步骤可知，RCM的一个重要特征是对故障模式进行优先级排序，以确定出危害最大的故障模式，将RCM的优质资源分配给这些故障，从而实现优化配置，减少损失和资源浪费。对于风险排序低的设备，可以不考虑花费较多的RCM分析时间和资源。

根据文献[13]可知，传统的FMEA方法采用风险优先指数(risk priority number,RPN)来对风险排序，RPN的值取决于Sf、SS和Sd，RPN的值越大，故障模式越重要，需赋予更高的优先级。显然，这种RPN值的方法存在3个不足：①不同因素的组合可能得到相同的RPN值，但实际风险却可能大不相同；②不能体现3个要素的相对重要度；③RPN值主要分布在1～1 000之间的离散数，数据分布集中，相同的差值并不能反映相同的风险等级差别[12]。

鉴于传统FMEA方法的不足，同时我国北方某海域油气设备故障模式库和故障概率库不多，为排除现场有经验人员或专家提供数据的不确定性，在开展RCM分析时，引入熵权理论计算筛选分析获得高/中风险设备，再对目标设备的每种故障模式进行详细的FMEA分析和风险分析。

1.2.2基于熵权的FMEA方法

(1)

其中：

(2)

其中eij为第i专家对第j个目标的评价水平。

以上模型把专家对问题的评价能力用给定的评分结果的不确定性来度量，熵值Hi的大小表示了专家评分结果的不确定性，Hi越小，专家的评分结果越准确，评分也越科学。因此采用下式计算各专家的权重：

(3)

ci值越大，说明专家i的评分比重越大。

2 RCM应用过程

2.1 单元、设备筛选分析

以中国北方某海域采修一体化平台上部29台在役动设备为研究对象，6名专家根据该海上平台生产实际情况，对29台设备进行打分筛选，划分为修井模块、公用工程和平台辅助模块、救生逃生模块3个单元，根据上述的专家模型，对设备进行高风险性、关键性单元设备打分。专家给出的评分结果如表1。

表1 专家评分表

根据模型(1)、(2)、(3)，用R语言程序求解。计算结果如表2所示。

由计算结果可知，公用工程单元的2台加药泵、1台化学药剂罐搅拌机和2台淡水泵被评定为低风险的设备，只需采取纠正性维护。对其余24台高、中风险设备需进行详细的FMEA分析和风险评估。

2.2 FMEA分析

2.2.1FMEA可接受风险准则

根据设备业主愿意接受的风险能力，在RCM的风险评估中确定设备故障概率等级准则及4类设备故障后果准则。其中设备故障概率等级以发生故障次数定义了5类故障等级，安全后果准则以对工作和身体的影响程度定义了5个后果等级，环境后果根据对环境和经济的影响程度定义了轻微至重大5类后果；生产后果按损失的工时定义了5类影响等级，维修成本按费用从1～50万对应定义了5类后果。

2.2.2FMEA风险矩阵

以风险矩阵的Y轴表示故障概率，以X轴表示故障后果，根据以上风险接受准则，该平台设备筛选风险矩阵分别如表3～表6所示(其中低风险(L)，中风险(M)，高风险(H))。

表2 计算结果

表3 安全风险矩阵

表4 环境影响风险矩阵

表5 生产损失风险矩阵

表6 维修成本风险矩阵

2.3 风险分析

FMEA风险分析的结果是制定设备维护检修策略的基础，每种故障模式都要分别进行安全、环境、生产损失和维修成本风险评价，只要一个为高风险等级，则故障模式为高风险模式，而全部为低风险等级时，故障模式即为低风险模式，其余为中风险模式。以上FMEA分析中共有高、中风险设备24台，包括121故障模式，其中高风险故障模式5种，中风险故障模式55种，低风险故障模式61种，分别如表7～表10所示。

表7 安全风险等级分布

表8 环境风险等级分布

表9 生产损失风险等级分布

表10 维修成本风险等级分布

2.4 维护维修策略

针对以上FMEA分析的60种高、中风险故障模式，制定如下主要维护检修策略。

a)可采用状态监测、故障检测、定期更换或修复、改进性维修方向性操作。

b)可采用维护点检措施，包括机械常规检查、机械状态监测、电气检查、仪表检查、联锁检查、绝热检查。

3 结语

a)通过熵权分析，筛选出了高、中风险模块的主要设备。

b)通过RCM分析，识别出50.5%的低风险项目，避免过度维护。

c)通过RCM分析，加强了人员对设备运行维护的系统性，从整体上提升了设备的管理水平。

4 参考文献

[1] 余建星,李彦苍,吴海欣,等. 基于熵的海洋平台安全评价专家评定模型[J].海洋工程, 2006, 24 (4):90-94.

[2] 郭恒,陈国明,朱渊.基于动态风险平衡的海洋平台事故连锁风险研究[J].安全与环境学报,2012,12(1):244-249.

[3] 王刚,徐长航,陈国明.自升式海洋平台倾斜事故综合安全分析[J].中国海洋平台,2014,29(2):33-39.

[4] Valdes Victor M,Ramirez Roberto Ortga.Issues and challenges in the prequalification of offshore platforms in Mexico[J].Journal of Offshore Mechanics&Arctic Engineering,200,122(2):65-71.

[5] 翟铁利.石化设备的可靠性问题研究[J].科技信息,2011(25):100-101.

[6] 白文柱,冯文奇,叶剑,等.基于RCM的海上设备维修管理模式[J].中国修船,2013,26(4):51-53.

[7] 徐丹,吴俊.基于RCM的设备维修管理平台研究与开发[J].计算机与数字工程,2011,39(12):66-68.

[8] 刘启聪,范秦,熊生勇,等.RCM技术在天然气净化装置中实施方法初探[J].石油与天然气化工,2014,43(4):374-379.

[9] 李希宁,张奕奕,李忠厚,等.机车车辆RCM分析技术研究与应用[J].铁道机车车辆,2015,35(6):86-90,114.

[10] 黄建军,杨江平,张新生.基于RCM的雷达装备维修决策支持系统研究[J].计算机工程与设计,2011,32(8):2909-2913.

[11] 王朕,秦亮.基于RCM的某类导弹电子设备维修决策[J].海军航空工程学院学报,2016,31(1):69-74.

[12] 余建星,周清基,杜尊峰,等.基于RCM的海上油气生产装置设备资产管理[J].天津大学学报,2012,45(1):36-45.