鄒付兵，于昊天，張鳳麗，王金江

(1.中海油田服務股份有限公司 鉆井研究院，天津 300451；2.中國石油大學(北京)機械與儲運工程學院，北京 102249)

0 引 言

隨著能源勘探逐漸向深海、深地、極地邁進，勘探設備的構成日趨復雜，逐漸朝著集成化、連續(xù)化、高速化、精密化、自動化、流程化、綜合化的方向發(fā)展[1]。海洋鉆井平臺遠離海岸基地在深海作業(yè)，其關鍵設備(如頂驅、推進器、鉆井絞車、甲板起重機、主機發(fā)電機組等)的性能關系著海洋石油鉆井作業(yè)的進度和開采過程的危險系數(shù)。此類設備一般具有體積大、重量大、結構封閉的特點，高度的結構復雜性和系統(tǒng)特性導致難以通過頻繁拆卸和經(jīng)驗判斷進行故障檢測，傳統(tǒng)的預防維修模式越來越難以適應實際生產的需要。據(jù)統(tǒng)計，平臺關鍵設備故障導致的緊急停產不僅帶來嚴重的經(jīng)濟損失，而且伴有巨大的安全風險。表1列舉多個海洋鉆井平臺關鍵設備故障的調研情況。

表1 平臺關鍵設備故障事例調研

隨著海洋鉆井平臺關鍵設備智能化程度的不斷提高，其故障類型也從單一的機械結構問題演變?yōu)楹w機械、電氣、控制等多維度的難題[2-3]。因此，對于此類具備信息化、網(wǎng)絡化、智能化特點的信息物理系統(tǒng)(Cyber-Physical System，CPS)，研究更先進的維修技術和維護管理模式迫在眉睫。GONG等[4]為解決系統(tǒng)維修中維修策略選擇的多樣性，提出一種由云模型和向量空間模型組成的維修決策模型，通過多方位評估故障狀況以選擇最優(yōu)的維修策略。ZHANG等[5]對于系統(tǒng)多部件關聯(lián)導致故障溯源難的問題，提出一種基于深度強化學習的狀態(tài)維護模型，并通過分析單個部件狀態(tài)以及各部件間的依賴性關系，實現(xiàn)對系統(tǒng)整體狀態(tài)的評估。WANG等[6]基于設備最小長期平均成本率和最大剩余使用壽命提出一種基于狀態(tài)的維修策略，通過確定多組件系統(tǒng)的最優(yōu)監(jiān)測間隔和臨界狀態(tài)開展預防性維護。BURGGRF等[7]從技術、生態(tài)和經(jīng)濟的綜合角度提出適應性再制造的主動智能維修策略，根據(jù)成本和效益對維護措施進行優(yōu)選。SHENG等[8]利用增強現(xiàn)實技術研發(fā)維修引導系統(tǒng)，旨在通過虛擬引導提高維修效率、降低維修成本。本文針對復雜設備早期故障征兆微弱、故障溯源難等問題，從智能維修策略出發(fā)，結合遠程運維技術，創(chuàng)新性地基于.Net平臺開發(fā)一套智能維修決策系統(tǒng)，能全方位獲取設備的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，并開展分析處理，實現(xiàn)對設備從部件到整體的狀態(tài)評估，給出合理的維修建議。目前，該系統(tǒng)已成功應用于某海洋鉆井平臺，現(xiàn)場應用情況表明，該系統(tǒng)能有效提高平臺關鍵設備維護管理水平，輔助推動海洋鉆井平臺的智慧化轉型。

1 智能維修

設備維修制度發(fā)展至今已經(jīng)歷4代，分別為事后維修制、預防維修制、生產維修制和視情維修制(狀態(tài)維修制)，目前幾乎所有的海洋鉆井平臺還在沿用實行多年的預防維修制，即以設備實際運行時間為依據(jù)，按照磨損程度制定修理周期[9]，維修人員定期按照規(guī)定進行拆檢修理。這種維修制度在一定程度上能夠預防故障的發(fā)生，將故障排除在設備劣化期以前，但其缺點也十分明顯[10]：(1)維護成本高；(2)制度呆板；(3)人為縮短機械壽命。

近年來，狀態(tài)維修理念替代傳統(tǒng)預防維修逐漸成為趨勢[11]。狀態(tài)維修是一種以設備運行狀態(tài)為根本的維修方式，通過收集設備日常點檢、定期檢查、狀態(tài)監(jiān)測等方式提供的各類信息，經(jīng)過固定的流程進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計和綜合分析來判斷設備的劣化程度，并在故障發(fā)生前有計劃地進行適當維修[12-13]。這種維修方式從根本上杜絕了預防維修的無效拆卸，不僅能夠保證設備隨時處于良好的運行狀態(tài)，而且充分利用了零部件的壽命，有效避免了維修不足或維修過剩情況的發(fā)生[14]。目前，結合數(shù)字化轉型規(guī)劃要求，在狀態(tài)維修的基礎上，融入多項技術，引入智能維修的理念[15]。

2 系統(tǒng)架構

基于智能維修理念，以某海洋鉆井平臺為例，研究并開發(fā)一套海洋鉆井平臺關鍵設備智能維修系統(tǒng)(簡稱“系統(tǒng)”)，系統(tǒng)技術路線如圖1所示。該系統(tǒng)整體由平臺端和陸地端兩部分組成，平臺端系統(tǒng)通過在線傳感技術獲取平臺關鍵設備的運行狀態(tài)參數(shù)，進一步結合TCP/IP通信協(xié)議和倍福Ethercat現(xiàn)場總線協(xié)議將系統(tǒng)PLC采集到的數(shù)據(jù)寫入平臺設備集成數(shù)據(jù)庫進行存儲，利用數(shù)據(jù)庫同步技術和衛(wèi)星通信技術實時地將數(shù)據(jù)傳輸至陸地端數(shù)據(jù)庫服務器進行備份。另外，平臺端和陸地端共用一套前端操控系統(tǒng)，支持數(shù)據(jù)的分析處理以及陸海工作人員的溝通與交流，從而實現(xiàn)平臺關鍵設備的陸海協(xié)同維護。系統(tǒng)采用4層架構，系統(tǒng)框架結構如圖2所示。

圖1 海洋鉆井平臺關鍵設備智能維修系統(tǒng)技術路線

圖2 海洋鉆井平臺關鍵設備智能維修系統(tǒng)框架結構

從開發(fā)角度來看，基于.Net平臺開發(fā)的海洋鉆井平臺關鍵設備智能維修系統(tǒng)共劃分為7個功能模塊，分別為用戶管理、設備在線監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析處理、歷史趨勢、故障診斷、維修記錄和留言記錄。

3 應用實例

該系統(tǒng)已在某海洋鉆井平臺上線運行。圖3～圖8為系統(tǒng)在某時段采集到的平臺頂驅設備各測點趨勢圖。圖3～圖6中：HDc為記錄在200脈沖/s水平的沖擊脈沖值；HDm為采樣期間獲得的沖擊脈沖信號最大值。

圖3 電機上軸承沖擊脈沖趨勢圖

圖4 電機下軸承沖擊脈沖趨勢圖

圖5 齒輪箱輸入端沖擊脈沖趨勢圖

圖6 齒輪箱輸出端沖擊脈沖趨勢圖

圖7 齒輪箱輸入端振動烈度趨勢圖

圖8 齒輪箱輸出端振動烈度趨勢圖

由圖3～圖8可知，在某年12月02—14日和16—23日，頂驅沖擊脈沖測點值有較大波動，而振動測點速度烈度值較高，集中在3～5 mm/s，判斷為頂驅的作業(yè)時間。選取該作業(yè)時間段內一條運行數(shù)據(jù)開展故障診斷分析，結果顯示該頂驅各測點振動烈度均處于A級，其關鍵部件，如電機、齒輪箱和主軸軸承，無明顯故障發(fā)生。進一步結合失效模式和影響分析(Failure Mode and Effect Analysis，F(xiàn)MEA)算法對頂驅設備進行整體評價：頂驅電機評分為94.164，權重占比為0.426；頂驅齒輪箱評分為94.828，權重占比為0.387；主軸評分為92.426，權重占比為0.187。綜合后頂驅評分為94.096，評價為A。頂驅設備故障診斷報告如圖9所示。

圖9 智能維修系統(tǒng)頂驅設備診斷報告

除頂驅設備外，該海洋鉆井平臺關鍵設備智能維修系統(tǒng)還包括對平臺6臺主機和6臺推進器的實時監(jiān)測和故障診斷，表2為系統(tǒng)上線運行以來統(tǒng)計出的各設備的報警準確率和診斷準確率。

表2 智能維修系統(tǒng)報警和診斷準確率

該系統(tǒng)對各設備異常狀況的平均報警準確率達97.51%，這得益于系統(tǒng)的報警參數(shù)配置功能，系統(tǒng)初始報警標準是參考常見機械設備振動標準ISO 20816建立的，由于其對海洋鉆井平臺設備的適用性欠佳，系統(tǒng)早期經(jīng)常出現(xiàn)誤警、誤診等情況，經(jīng)現(xiàn)場技術人員確認后，可手動對相應的報警標準參數(shù)進行調整，在系統(tǒng)長期歷史數(shù)據(jù)累積下，故障報警功能實現(xiàn)了對平臺現(xiàn)有設備的適配工作。圖10為系統(tǒng)報警參數(shù)設置界面。

圖10 智能維修系統(tǒng)報警參數(shù)設置界面

系統(tǒng)的故障診斷算法參數(shù)會根據(jù)報警標準參數(shù)的更改進行自適應優(yōu)化，但從表3所統(tǒng)計的實際運行效果分析，系統(tǒng)的綜合診斷準確率雖然有所提升但并不顯著，目前穩(wěn)定在90.08%，難以完全適應平臺現(xiàn)場生產施工的需要，因此，系統(tǒng)故障診斷算法本身以及診斷標準有待進一步改進與完善。

系統(tǒng)自上線運行以來，多次預警設備故障狀況并輔助維修人員開展維修工作，為公司避免了近百萬元的經(jīng)濟損失，另外，對于發(fā)現(xiàn)的設備早期微弱故障均留有備案以督促現(xiàn)場技術人員重點檢查與維護，在一定程度上節(jié)約了人力成本和設備維護成本。

4 結 論

基于智能維修理念搭建一套海洋鉆井平臺關鍵設備智能維修系統(tǒng)，對海洋鉆井平臺關鍵設備關鍵部件狀態(tài)參數(shù)進行實時監(jiān)測，該系統(tǒng)能準確表征設備運轉狀況，輔助發(fā)現(xiàn)關鍵部件故障征兆，進而利用故障診斷技術確定設備的故障類型并給出合理的維修建議，保障關鍵設備的長周期安全運行。系統(tǒng)的成功應用有效降低平臺的技術和人力成本，提升平臺設備維護管理水平，對推動海洋鉆井平臺的智慧化轉型具有較高的現(xiàn)實意義。