鉆井平臺電氣設備完整性評價研究

劉曉林

（中海油田服務股份有限公司）

0 引言

鉆井平臺電氣設備的正常運行是海洋石油安全生產、可靠運行的重要保證。做好電氣設備安全管理工作，首先要對電氣設備進行完整性評價，確保平臺設備具有安全性、完整性和可靠性，這是避免鉆井平臺事故發生、降低人員傷害與財產損失的一項重要措施，是鉆井平臺工作的重點之一[1]。

在設備完整性評價與管理方面，現有的研究主要集中于機械設備或長輸管道站場設備，針對鉆井平臺電氣設備的研究尚少。針對石化裝置靜設備和長輸管道站場電氣設備的完整性評價技術在國內已經有了初步的研究進展，可為研究者和管理人員提供設備管理思路。在鉆井平臺設備管理方面，現有的研究普遍在海洋石油鉆井平臺設備安全管理方面進行研究[2]，而在鉆井平臺電氣設備的完整性評價方面研究不夠深入。鉆井平臺設備安全管理研究主要針對平臺設備安全管理中出現的問題提供管理的優化措施，并未解決由于電氣設備安全可靠性不足導致生產安全事故頻發的根源性問題。因此，亟需針對鉆井平臺電氣設備進行完整性評價技術的研究，從而保證電氣設備安全、完整、可靠，為鉆井平臺的安全作業提供重要保障。

鉆井平臺電氣設備的完整性評價是指在設備制造、安裝、使用、維護的各個階段，基于設備的基本參數信息，通過數據采集與處理分析，監測其運行狀態，評估運行風險，分析故障或失效模式[3]，制定預測性維護策略，確保平臺設備能夠保持良好的性能，以高質量、高效地完成海洋石油開采各項工作任務。因此，海洋石油鉆井平臺電氣設備的完整性評價已成為確保有效發展生產安全管理的支柱。

1 技術框架

鉆井平臺電氣設備的完整性管理主要包括設備完整性評價數據源、設備完整性風險評估、設備完整性評價和設備預測性維護，如圖1所示。以安全系統的監測控制器為例，獲取監測控制器的原始數據，根據監測控制器安裝位置、規格信息和功能參數等基本參數信息，結合監測控制器運行時間和歷史檢驗維修信息，運用基于可靠性維護技術（RCM）、安全完整性等級評估技術（SIL）和風險檢驗技術（RBI）的風險評估方法對失效概率和失效風險進行分析，根據電氣設備完整性評價制定對應的預測性維護方法，保證該監測控制器的失效風險處于合理的、可接受的范圍內，保證電氣設備與系統安全、平穩、可靠、長周期運行，降低成本，提升企業效益。

圖1 鉆井平臺電氣設備完整性評價技術框架

1.1 電氣設備完整性評價數據源

鉆井平臺電氣設備由于處在海洋環境下，高濕度、鹽霧、強風、大浪和惡劣天氣條件，溫差大、高鹽度空氣等獨特的環境條件對電氣設備的性能有著更高的要求，同時也意味著鉆井平臺電氣設備完整性評價的數據來源需要考慮包含運行環境數據、性能缺陷數據在內的多源數據采集，從而保證對電氣設備復雜多變的工況條件下的運行狀態和運行風險的分析更加準確、全面、可靠。如圖2所示為鉆井平臺電氣設備完整性評價數據源。

圖2 鉆井平臺電氣設備完整性評價數據源

鉆井平臺上的電氣設備一般分為儀表儀器和傳感器、控制系統、驅動系統、通信系統、照明系統、防爆設備、安全系統和遙測、遙控系統幾類。這些電氣設備的結構信息，如設備尺寸、安裝位置、規格型號和出廠日期等提供了設備的設計和制造細節，以及與設備的構造和性能相關的關鍵信息；電氣設備數據信息，如工藝標號、資產編號、缺陷數據和維修記錄等有助于唯一標識和跟蹤每個電氣設備和歷史健康狀況[4]；這兩類數據構成了電氣設備基本參數信息，是鉆井平臺電氣設備完整性評價的重要數據源之一。

電氣設備結構信息提供了設備的設計和制造規格，包括尺寸、材料、工程標準等，這有助于確定設備的設計壽命和性能期望，還可用于評估其安全特性，如是否具備防爆、防水、防腐蝕等特性以滿足特定的海洋環境要求。電氣設備數據信息中，工藝標號和資產編號有助于設備的定位和管理；缺陷數據和維修記錄反映出設備曾經發生的缺陷、故障、故障模式、報警信息和維護操作、維修操作、更換部件、校準、調整和改進操作的詳細信息，這些數據可用于分析設備的可靠性和健康狀況，識別重復性問題，確定維護質量和維護頻率，改進維護策略，以及預測潛在問題。

電氣設備的狀態一般分為完好運行、完好備用、生產性停機、故障性停機、保養性停機和報廢這幾種。根據其運行的狀態需要記錄下電氣設備的運行時間、停機時間、運行狀態數據和運行環境數據，這些數據由鉆井平臺SCADA系統進行采集、存儲和分析處理。電氣設備運行時間記錄包括設備在生產和非生產狀態下的運行時間，而停機時間記錄包括設備的停機、維護和維修時間，這些數據用于評估設備的使用頻率和可用性，確定維護需求，以及制定維護計劃。運行狀態數據包括設備的運行參數、性能數據和運行狀態，如電流、電壓、溫度、振動、壓力等，用于監測設備的實際運行狀況，檢測潛在問題，以及預測設備的性能和壽命。運行環境數據包括電氣設備所處的環境條件，如溫度、濕度、鹽度、風速、浪高和海水溫度，這些數據將有利于評估設備的環境暴露，確定腐蝕和腐蝕風險，以及評估環境對設備性能的影響。

鉆井平臺電氣設備一旦出現故障，需要對其故障數據信息進行采集，這些故障數據信息包括確定故障設備、故障部位、故障時間、故障原因、故障溯源和故障描述等。在電氣設備故障模式進行分析時，除了分析故障數據信息外還需要考慮設備歷史維護信息、設備結構信息、設備歷史運行數據和設備運行關聯模式等因素，確定不同因素之間的相互關系以及它們對設備性能和壽命的影響，這可以幫助確定設備故障機制和模式，從而制定更有效的運維策略和方案。

1.2 電氣設備完整性風險評估

鉆井平臺電氣設備完整性風險評估是一種旨在識別、分析和評估電氣設備在海洋環境下的運行、維護和環境因素對設備完整性的潛在影響的方法。這個過程包括評估設備的安全性、可用性、可維修性和性能，以確定可能對設備造成危險或損害的風險。鉆井平臺電氣設備處于特殊的海洋環境，與陸地環境相比，存在一些特殊的風險源。海洋環境下，電氣設備可能受到鹽霧和腐蝕、惡劣天氣條件和自然災害等的影響，對電氣設備造成損壞或破壞。除了環境風險源，還包括安全風險、生產風險和維護風險。在鉆井平臺作業時，常常伴隨著易燃易爆氣體從井口逸出，電氣設備處于易燃易爆氣體的環境中，有著爆炸的風險。電氣設備還可能因短路、過載或其他故障而引發火災，存在電擊風險、火災風險和高溫過熱風險。在生產當中，電氣設備故障風險和動力、控制系統故障風險可能導致生產中斷，影響鉆井操作和油田生產。在維護電氣設備時，維護操作風險和維護策略風險可能導致設備未能得到及時維護，增加了人員事故傷亡率。

電氣設備完整性風險評估可以借助多種技術和方法，包括可靠性維護技術（RCM）、安全完整性等級評估技術（SIL）和基于風險檢驗技術（RBI）。這些方法可用于綜合評估電氣設備的完整性、可靠性、安全性和性能，以降低風險和提高設備的壽命[5]，如圖3所示。RCM方法用于確定電氣設備的關鍵性能特征，制定維護策略，以確保設備在安全和可靠的條件下運行。它強調維護決策的重要性，包括預防性維護、糾正性維護和條件維護。結合設備結構信息、歷史失效信息和維護維修信息，RCM方法考慮了不同類型的故障對電氣設備性能、生產過程和安全性的潛在影響，幫助識別電氣設備可能遭遇的潛在故障模式，確定維護頻率和維護任務的優化計劃，以確保電氣設備在最佳狀態下運行，并減少未來故障的風險。

圖3 鉆井平臺電氣設備完整性風險評估

SIL方法在電氣設備風險評估中發揮關鍵作用，主要用于評估和確保電氣設備在特定安全應用中的可靠性和安全性。在安全性能方面，SIL方法將識別電氣設備在特定系統中的安全功能，確定特定電氣設備在特定安全應用中所需的安全性能水平；在安全級別方面，SIL方法根據評估電氣設備潛在的危險源，確定了其SIL級別。在電氣設備投入使用時，需選擇適當的電氣設備和安全措施，SIL方法驗證和確認這些設備的性能和功能以滿足SIL級別要求。這為降低電氣設備事故風險，提高電氣設備的安全性起到了重要作用[6]。

RBI方法主要用于確定何時和如何進行檢驗、維護和修復電氣設備，以提高電氣設備利用率。RBI方法使用概率論和統計學來評估潛在的風險，包括考慮可能的故障、損壞和事故的概率。它側重于風險的數量化分析，以確定維護和檢驗的優先級。建立風險監測機制，以確保隨著時間的推移對風險進行定期審查和更新，以持續改進電氣設備的完整性和性能[7]。它與RCM和SIL方法的不同之處在于其專注于維護和檢驗方面的風險管理，而不同于設備設計和功能的評估。這三種方法綜合運用于鉆井平臺電氣設備完整性風險評估，可實現電氣設備完整性管理方案的優化，保障電氣設備正常運行。

1.3 電氣設備完整性評價

基于電氣設備數據采集分析和完整性風險評估，電氣設備完整性評價需要對電氣設備進行狀態評估，以驗證其完整性和性能，包括定期的檢驗、測試和非破壞性檢測，以監測設備的狀態。根據風險評估的結果和維護策略，制定和實施電氣設備的監測和維護計劃，以確保設備處于最佳狀態。另外，建立起性能監控系統，用于跟蹤電氣設備的運行狀況；定期審查和更新電氣設備的風險評估，以反映設備的實際運行和維護情況，確保風險評估仍然準確，并根據需要調整維護策略。這些完整性評價工作的目標是確保電氣設備在其整個壽命周期內能夠安全、可靠地運行，減少生產中斷、事故和環境風險，維護鉆井平臺的運行和生產[8]。

1.4 電氣設備預測性維護

電氣設備預測性維護通常是電氣設備完整性評價工作的一個重要組成部分，通常是一個和完整性評價工作并行的步驟，它涉及實時監測設備的運行數據，以識別潛在的故障跡象，并制定和更新相應的預測性維護方案。由于平臺上的儀表通常具有高度的準確性和可靠性，可以提供可信賴的數據，這對于預測性維護至關重要，因為準確的數據是準確的故障診斷和維護決策的基礎。儀表提供的準確、實時的數據，包括溫度、振動、電流、電壓、壓力等，這些數據對于監測電氣設備的性能和狀態至關重要，電氣設備的異常溫度、電流波動等跡象也可通過儀表傳感器感知[9]。另外，儀表系統的數據記錄和分析功能，可以存儲歷史數據，并對數據進行分析以識別趨勢和模式，可進一步預測設備性能的未來趨勢，并確定維護時機。因此基于儀表的預測性維護是鉆井平臺電氣設備維護的一項關鍵實踐技術，可顯著降低電氣設備的故障率和停機時間。

針對鉆井平臺復雜多樣的電氣設備，監測數據的來源往往呈現出多源參數融合的特征。而儀表通常在只針對單一系統的電氣設備監測數據進行分析時起到作用，面對多源異構數據信息時則無法有效進行預測維護。因此，本文提出基于多參數和數字孿生的預測性維護方法，如圖4所示。針對大量離線和在線監測數據源，基于數字孿生模型優化數據選擇策略，建立多源異構信息融合模型及融合評價，實現對電氣設備的預測性維護。具體實現為，數字孿生模型對設備檢測點的各類傳感器所采集到的數據進行實時感知，并通過嵌入式系統和通信網絡輸入到虛擬模型。在虛擬模型中通過對實時數據和歷史數據進行算法分析，針對多參數數據融合構建多源異構信息融合模型，利用監測信息的冗余性及互補性，消除監測數據的不確定性、不完備性、不準確性；以融合評價為依據，采用知識和客觀評價的融合評估方法，優化融合算法及模型[10]。工程師可根據評價的結果在虛擬模型中進行維護，預測其下一次發生故障的時間，監控維護后輸出的結果。若故障問題沒有得到解決，則將評價結果反饋給故障類型知識庫重新進行分析，以找到故障發生的根本原因。在故障解決后，再對物理實體進行預防性維護，實現預測性維護。

圖4 基于多參數和數字孿生的預測性維護

2 典型應用

2.1 鉆井平臺電氣設備安全管理

鉆井平臺電氣設備完整性評價技術在鉆井平臺電氣設備安全管理方面扮演至關重要的角色。這項技術的主要任務是評估和確保電氣設備的可靠性、性能和安全性，以降低事故風險，確保生產運營的可持續性，并遵守相關法規和標準。通過定期的檢查和測試，它有助于提前發現潛在問題，防止設備故障對鉆井作業產生不利影響。此外，完整性評價技術生成的數據和報告可用于決策制定，幫助管理團隊規劃維護工作、制定預算和優化資產管理。重要的是，它增強了鉆井平臺上的安全文化，加強了員工和管理層對設備安全的關注，從而提高了整體安全水平，確保員工的生命安全，降低環境風險，并保護企業聲譽。因此，電氣設備完整性評價技術在鉆井平臺電氣設備安全管理方面是一項不可或缺的工具。

2.2 石化裝置靜設備完整性管理

靜設備是石油化工生產裝置的主要設備，有效管理靜設備對于裝置長周期安全穩定運行非常重要。RBI方法在靜設備完整性管理中以設備失效而導致的介質泄漏為分析對象；通過對生產裝置中每個設備單元固有的或潛在的失效模式而導致的危險及其后果進行定性或定量地分析、評估來量化風險的大小，確定設備的風險等級并進行排序[11]；對風險等級較高的設備單元給予重點關注，并施以有針對性的檢驗為主要手段的風險評估和管理過程。而在鉆井平臺電氣設備完整性評價技術中，RBI對于明確電氣設備故障模式與故障機理診斷，實現電氣設備分級管理，制定有針對性的檢驗策略，指導電氣設備預知性維修，對于電氣設備長周期運行具有重要意義。

2.3 管道站場設備完整性管理

在長輸管道站場設備完整性風險評估工作中，RCM 能夠檢測系統的功能是否失效，并幫助工作人員明確系統失效的不同后果，之后使用規范化邏輯決斷手段制定出針對不同失效后果的預防處置策略。該方法可保障設備的安全性與完整性，以損失最小為構建目標實現系統維修策略的優化[12]。RCM 可分析設備功能失效模式，其能夠檢測并分析系統各設備與部件的失效情況，結合相關設備與部件的維護維修數據以及設備失效數據得到可能出現的失效模式，協助技術人員分析出現失效的原因。RCM在鉆井平臺電氣設備完整性評價工作中同樣起到了重要的評估作用，它通過深入分析電氣設備的功能、性能需求和潛在故障模式，幫助確定適當的維護策略，確定哪些設備需要進行定期維護，哪些可以進行條件監測，以及哪些需要采取更側重于預防性維護的措施，實現優化維護計劃，降低維護成本，減少停機時間，延長設備壽命，從而提高鉆井平臺電氣設備的完整性管理效率。

3 總結與展望

電氣設備完整性評價技術在海洋石油鉆井平臺上的應用具有廣泛的前景和深遠的影響。它在確保設備可靠性、安全性和性能方面發揮著至關重要的作用，對于提高生產效率、降低風險以及推動可持續發展具有重要意義。電氣設備完整性評價技術通過數據采集、監測、分析和維護策略的制定，可有效確保鉆井平臺上的電氣設備在極端海洋環境下的可靠性和安全性。未來，隨著技術的不斷演進，電氣設備完整性評價技術將迎來更多發展前景：

1）智能化與自動化：隨著物聯網和人工智能技術的成熟，電氣設備的監測和維護將更加智能化和自動化。設備將能夠自主進行健康狀態檢測，并提出維護建議，減少人工干預。

2）遠程監控和維護：遠程監控技術將繼續發展，平臺中控室可以隨時隨地遠程監控設備的狀態，從而提高效率和快速響應問題。

3）環保和可持續性：電氣設備的完整性評價將更多地關注環保和可持續性。技術將用于監測設備的環境影響，以確保符合法規和標準。

4）數據安全：隨著數據在電氣設備完整性評價中的重要性增加，數據安全將成為一個關鍵問題，需要采取措施來保護數據免受潛在的威脅和攻擊。

5）跨行業應用：電氣設備完整性評價技術將不僅在海洋石油鉆井平臺領域，還在其他工業領域得到應用，如制造業、能源產業和基礎設施。