往复式天然气压缩机整体安全性评价方法

董超群，田 芳，田家林，马科笃，童 亮

(1.重庆科技学院 机械与动力工程学院，重庆 大学城 401331； 2.西南石油大学 石油天然气装备教育部重点实验室，四川 成都 610500；3.中国石油西南油气田分公司 装备处，四川 成都 610051； 4.中石化 西北油田分公司，新疆 轮台 841600)

引 言

往复式压缩机(简称压缩机)是天然气增压、集输及油气田开发中的关键设备，其安全运行在油气生产及运输中起着至关重要的作用[1-2]。目前，国内外很多学者开展往复式压缩机故障监测[3]、故障诊断[4-6]、事故分析[7-8]等研究，大都是基于机组故障的事后分析和决策，往往具有滞后性，给安全生产带来不便。对于超期服役机组事故频率明显高于设计寿命期的运行机组，开展在役压缩机组及超期服役机组各部件的安全性能评价、剩余寿命分析及耐久性评价等整体安全性评价具有重要意义。

刁安娜等[9]通过分析天然气压缩机管路系统气流脉动及管道振动，优化共振频率及其对应转速和管路位置来减少安全隐患；唐鹏等[10]通过对天然气压缩机噪声源及特性的分析寻找引起噪声原因并进行有效控制。目前我国逐渐对压缩机组及其配套设施标准化。美国在往复式压缩机标准化方面已形成《Reciprocating Compressors for Petroleum,Chemical,and Gas Industry Services》ANSI/API 618—2008，至少每5年重审和修订一次，内容较为规范；英国建立了标准《Petroleum and Natural Gas Industries,Packaged Reciprocating Gas Compressors》BS EN ISO 13631—2002；国际上有ISO 13707—2000《Petroleum and Natural Gas Industries—Reciprocating Compressors》；我国在学习美国API618及国际标准的基础上建立了自己的标准：GB/T 25359—2010《石油及天然气工业用集成撬装往复压缩机》，GB/T 20787—2006《往复式内燃机中、高速往复式内燃机底脚结构噪声测试规范》和石油行业标准SY/T 6650—2012《石油、化学、天然气工业用往复式压缩机》等。虽然机组运行符合行业标准，但由于机组运行工况变化及机组老化等原因，仍不可避免地发生事故，特别是性能降低或超期服役机组的安全问题仍时有发生。超期服役机组故障多出现在机身、曲轴、空冷器及仪表控制系统等影响机组使用寿命的部件，继续使用则存在较大安全隐患，若采取强制性报废又缺乏科学依据。目前，超期服役机组除了维修后继续使用之外，并没有其他好的处理措施，特别是面对艰巨的产量任务，机组管理者尤为担心设备出现意外状况，因此，对压缩机组安全运行和整体安全性评价具有重要意义，特别是建立超期服役机组的报废标准对设备管理者来说具有重要的创新意义。

1 压缩机组整体安全性评价

压缩机组整体安全性评价主要针对各部件的安全性能和使用寿命进行评价。为保证机组运行安全、可靠和经济，开展对往复式压缩机机身、曲轴、压力容器、燃气发动机等结构部件的强度、刚度、损伤容限及耐久性等结构性能的评价研究[11]。并开展压缩机部件剩余寿命和机组整体安全性评价研究，为机组的安全运行及报废标准的建立提供理论依据。

1.1 整体评价方法

西南油气田分公司是国内应用压缩机种类和数量较多的单位之一，近几年由压缩机增压生产的天然气均在30%～45%，且呈逐年增长的趋势，使用的压缩机类型分为整体式和分体式，整体式为主要机型约占80%，多以燃气、燃油和电驱动，其中燃气机组约300台，接近总量的90%。机组结构复杂、零部件多，机组零部件的失效分析和安全评价较多，但目前没有对机组系统进行整体安全性评价成果，根据近3年的现场调研、检测和理论分析结果，提出了机组系统整体安全性评价体系，如图1所示。

图1 压缩机组系统整体安全性评价方法Fig.1 Overall safety evaluation method of compressor unit system

压缩机评价对象包括曲轴、连杆、分离器等组成机组安全运行的机械、仪控系统及润滑系统，分别进行疲劳寿命评价、含缺陷部件的剩余寿命评价及安全性能评价，其中必须进行机组系统资料调研和现场检测。系统资料调研包括机组制造、投入使用时间，零部件的结构参数、材料力学性能参数及制造装配参数，机组历史工况参数，故障历史参数。整体安全性评价体系注重机组整体评价和部件评价，根据评价结果分别给出指导建议，然后根据各部件的安全性和经济性因素建立机组系统评价中各部件的权重，进而确定机组整体性评价方法。

1.2 机组系统的部件评价

整体式或分体式压缩机部件评价根据部件属性、工作环境及承受载荷的不同分别评价，例如曲轴、连杆、活塞杆部件承受交变疲劳载荷，在对其进行运动学、动力学及强度分析的基础上，结合历史工况参数建立载荷谱，进而对其进行疲劳寿命及剩余寿命评价，若回厂大修时检测出其含有某种类型的裂纹缺陷，则计算该工况下或变工况下该部件的剩余寿命进而给出评价结果。由于失效形式相同，故对空冷器、分离器、缓冲罐及工艺管线部分分别进行安全性能评价、 含缺陷状态下的剩余寿命评价及在H2S、CO2等腐蚀情况下的评价分析；对已磨损影响工作性能进而造成事故的十字头、缸体进行磨损分析及剩余寿命评价；对机身、中体等通过公差配合检测，进行影响工作性能的安全评价。机组部件安全评价方法见表1，编制压缩机安全评价软件可分析评价结果。

表1 机组部件安全评价方法Tab.1 Evaluation methods for safety of components of compressor unit

1.3 机组评价与部件评价结果

在压缩机组系统和部件评价过程中，首先进行部件分类安全评价，部件评价不仅包括寿命分析、安全性能分析及综合评价，还在评价结果的基础上给出评价建议，评价建议是在压缩机管理者、操作者、设计制造者等专家综合评价后得到；在部件评价的基础上，考虑部件自身安全性和经济性因素赋予一定权重系数，建立机组系统评价方法，在评价结果的基础上给出机组评价建议，再根据相关专家意见和机组在运行使用过程中的实际情况进行适当调整，最终得出机组系统的评价结果及建议。

2 部件权重因子计算

2.1 考虑关键因素

压缩机整体安全性评价中影响部件安全性的因素很多，包括机组运行工况、工作载荷、气质含量、机组振动等，但进行机组整体安全性评价并建立超期服役机组的报废标准时主要考虑部件在机组系统中所承担的作用及失效后可能造成的后果，以及其自身材质、设计制造等因素作为确定权重系数的主要考虑准则。

2.2 层次分析法确定权重

层次分析法(The Analytic Hierarchy Process，简称AHP)是一种将定性问题进行定量分析的较实用的多准则、多目标决策方法[12]，它将复杂问题分解为各个因素，再将这些因素按支配关系分成若干组，形成有序的递阶层次结构，通过两两比较的方式确定层次中各因素相对重要性的权重方法[13-14]。首先制订考虑安全性、经济性因素的部件评价准则指标，对压缩机组现场使用、管理及设计和制造等进行调查评定，根据模糊比较结果按照层次分析法确定定量的部件权重。

2.2.1 构造层次结构模型

在综合考虑安全性因素和经济性因素的情况下，确定机组曲轴、活塞杆、连杆、连接螺栓、机身、中体、飞轮、缸体、缸盖、活塞、十字头、余隙缸体、轴承、风扇叶片、空冷器、缓冲罐、分离器、工艺气管道、仪控系统及润滑系统在机组安全运行和经济价值中的比重。层次分析法计算部件权重思想确定后，构造层次结构模型将问题划分为目标层、准则层和评价对象层，如图2所示。目标层为各部件权重确定，准则层为要考虑的安全性因素和经济性因素，评价对象层为机组各部件。

图2 压缩机各部件权重递阶层次结构Fig.2 Weight hierarchy structure of compressor components

2.2.2 构造各层次两两比较判断矩阵

评价层次结构模型确定之后，各因素层次指标之间的隶属关系随即确定，对同一层次指标进行两两比较，结果按照标度法要求表示，见表2。

表2 判断矩阵标度及其含义Tab.2 Scales of judgment matrix and their meaning

设有n个评价对象x={x1,x2,…,xn}对目标层的权重，首先确定他们所在准则层中所占比重，每次取两个因素进行比较，即以aij表示xi和xj对所在准则层的影响之比，将专家评价结果经过两两比较后按矩阵标度表示为

(1)

式中：A为比较判断矩阵；aij为评价对象xi与xj对所在准则层的影响之比。

对于同一层次n个指标，得到两两比较判断矩阵A={aij}，判断矩阵中的值应满足条件：①正互反性：aij>0,aij=1/aij,aii=1；②一致性：aij·ajk=aik,i,j,k=1,2,…,n，满足上述两个条件的正互反矩阵A为一致性矩阵。

2.2.3 层次单排序及一致性检验

层次单排序需要确定判断矩阵特征向量和最大特征值。根据判断矩阵定义，最大特征值与其他特征值的比较相差很大时适宜用方根法[15]，若判断矩阵满足一致性条件，则其最大特征值应为其判断矩阵的阶数。

(1)方根法计算评价指标权重

(2)计算判断矩阵A的最大特征值

(2)

式中：λmax为判断矩阵A的最大特征值；Wi为各项指标权重，%。

(3)层次单排序一致性检验

检验判断矩阵是否具有满意一致性需计算单层一致性指标CI=(λmax-n)/(n-1)，λmax由式(2)计算可得；判断矩阵一致性比率为CR=CI/RI，其中RI为判断矩阵平均随机一致性指标，通过查表获得[16]。当CR=0时，A具有完全一致性；当CR<0.1时，即认为判断矩阵具有满意的一致性，否则需要调整判断矩阵使其达到可接受的一致性比率[17]。

2.2.4 层次总排序及其一致性检验

层次总排序为评价对象层所有指标相对于总目标的权重向量，需要进行多层次的组合计算[18]，假如第k层组合权重wk由本层(n个指标)的相对权重Rk与上一层(设有m个指标)的组合权重wk-1的乘积求得，即

(3)

(4)

当CRk<0.1时，认为判断矩阵的整体一致性是可以接受的，计算出各部件的权重因子；若不能满足该条件时调整判断矩阵以达到能够接受的结果。

3 评价软件编制及结果分析

根据以上分析所建立的压缩机整体安全性评价方法，编制了评价软件“天然气压缩机安全使用评价Version 1.0”，如图3所示。软件运行界面包括基础参数的输入、评价计算及评价结果和建议等。基础参数包括机组的型号、生产厂家、投入运行时间、测试时间、地点等基本情况和工艺参数。工艺参数主要包括机组工作的气质分析、工况参数及投入运行时间等。气质分析包括压缩气体和燃料气的气质分析，需在现场测试时取样进行；工况载荷及历史载荷参数的获取需进行机组现场检测和历史资料统计。该评价方法主要用于油气田往复式压缩机，包括整体机和分体机的整体安全性评价。

通过某油气田增压站ZTY265压缩机组对压缩机组整体性安全评价方法及评价软件试行评价。该机组连续工作35 000 h后需要大修，压缩机进气压力1.7 MPa，排气压力5.4 MPa，处理气量4 584 m3/h，机组整体安全性评价结果和部件评价结果见表4。

由表4可知，机组整体安全性评价结果为86.6，评价建议继续使用。评价结果表明：机组继续使用是比较安全的，机组本身具有一定的安全使用价值，但对某些评价分值较低的部件如动力活塞杆、动力连杆、机身等需进行重点分析，建议报废更换或修复使用。造成部件失效的原因很多，如动力活塞杆失效可能是由于动力缸内燃气燃烧冲击产生振动、材料本身缺陷造成应力集中以及高温使材料性能发生变化等引起安全性能降低；动力连杆失效原因可能是润滑不良造成烧瓦断瓦、高温引起材料力学性能发生变化，磨损加剧以及材料缺陷引起应力集中等；机身可能因磨损加剧造成装配效果下降、应力集中发生裂纹等缺陷。由于该机组已使用35 000 h，部分部件评价分值较低需回厂大修以恢复其安全性能，但动力活塞和压缩活塞由于刚维修保养过，所以安全性能评价保持较高值。

4 结 论

(1)综合考虑机组部件评价和整体评价因素提出了一种根据不同部件的结构属性和载荷特性进行评价的整体评价方法。整体评价方法既考虑了部件评价结果也考虑了部件在整体评价中的影响，通过重要性和经济性指标进行加权，该方法为油气单位设备管理及安全评定提供一种尝试，也为设备安全运行和设备报废提供一定的科学依据。

(2)在确定部件权重的过程中主要考虑部件在机组运行过程中的重要性、故障频率等因素确定部件在整机中的重要性的模糊比较判定，通过具体的价值及维修更换等对经济性的影响确定经济性比较评定结果，综合考虑部件重要性和经济性的模糊评价结果，应用层次分析法建立模糊比较评价矩阵，通过矩阵特征值计算和结果一致性判断确定定量的权重结果，为确定整体性评价方法权重合理性提供理论计算依据。

(3)根据此算法建立压缩机组完整性评价方法并编制安全评价软件，对现场某站ZTY265压缩机组进行评价验证，根据部件评价结果和整体性评价结果判定危险状态，针对性地加强管理及维修，对某些“短板”如动力活塞杆进行重点关注，同时可评价从安全性和经济性角度考虑多久报废更合理、更经济。