层次分析法在原油外输泵故障停泵中的应用

柯文超，姜显英，徐壮飞，张金磊，苗 清，秦海波

中海石油（中国）有限公司天津分公司，天津 300459

1 原油外输泵组成及工作原理

海上油田原油外输泵工作原理为将电机的电能转换为油气介质的压力能，以达到输送油气介质的目的。从类型上讲，大多为多级离心泵。其组成通常涵盖电机、联轴器、泵体、就地控制盘（含报警系统）、远程控制盘等。对大型外输泵机组，还会独立配备带机泵的压力润滑冷却系统。原油外输泵在启动前，需做好盘泵、灌泵排气、电力系统及电机检测、入口滤网清洗、入口供液调节、报警确认复位、滑油冷却系统检查等工作。原油外输泵主要故障包括但不限于：轴封（主要是机械密封）泄漏、机组振动异常、轴承高温损坏、供液压力不足、排压不足、轴瓦损坏、润滑不良导致高温、电机过载、断路器故障等。

由海上某油田群外输泵故障案例可知：曾因为原油外输泵泵轴高温停泵出现火灾；也出现过外输泵故障停泵导致油田大量油井紧急关停，影响原油产量；由于外输泵紧急停泵导致“跑、冒、滴、漏”在油田现场也时有发生；外输泵由于滑油系统出现故障导致外输泵紧急高温停泵直接返厂维修情况时有出现，增加油田现场工作难度。因此，对原油外输泵故障停泵原因进行分析具有重要意义[1-4]。

在分析外输泵故障停泵原因时，分析外输流体介质成分是否对泵体产生腐蚀很有必要。由相关文献可知：流体中硫化氢含量过高会导致阀杆出现腐蚀应力破坏，氢离子在向阀杆内部扩散运动中导致阀杆出现氢鼓泡，硫化氢引起的全面腐蚀可以使整个金属表面厚度均匀减少，金属表面有鳞片状硫化物腐蚀产物沉淀，沉淀物经过冲蚀导致泵体磨损[5-6]。通过对某油田外输油水混合物进行检测，流体中各种成分如表1所示。

表1 某油田外输介质油水混合物成分

由表1可知，SRB数量为0，硫化氢含量为0，硫含量为0.1%（质量分数），因此，可以排除硫化氢产生硫化物对外输泵造成的腐蚀，为研究现场其他因素导致外输泵故障停泵提供依据。

本文结合某海上油田采油外输泵故障停泵实例，在现场原因分析基础上，从人、机、料、法、环这五个方面建立鱼骨图（如图1所示），对故障停泵原因进行分析。将其转换为层次分析法结构模型，对每个因素进行定量标定，构建矩阵并运用MATLAB软件对构建矩阵进行检验，以及对矩阵中各子因素进行权重比例计算。

图1 外输泵故障停泵原因鱼骨图

层次分析法中，通常采用两两比较方法对元素u1，u2，…，un进行赋值定义。其方法是判断元素ui和uj哪一个更重要、重要的程度如何，通常按1～9比例标度对重要性程度赋值，表2中列出了1～9标度的含义。

表2 标度定义

2 外输泵故障停泵原因统计

为了确定外输泵故障停泵原因，汇集某海上油田近年来外输泵故障停泵的各种原因，结合实际情况，从5个主因素和15个子因素中分析外输泵故障停泵原因。层次分析法是根据实际情况把总问题分成若干小问题，把小问题分成不同因素，按照每个因素之间的关联关系形成层次组合，从而构建分析问题与目标的模型。从引发外输泵故障停泵的5个主因素和15个子因素中，构建如图2所示的层次分析法结构模型。

图2 层次分析法结构模型

图2中A层代表总目标外输泵故障停泵，B层代表人、机、料、法、环结构，C层代表B层以下每个小层因素。对其中各层各因素根据表进行赋值后，构建矩阵，利用MATLAB软件进行相关权重计算[7-8]。

2.1 B层各因素权重的确定

根据海上油田现场外输泵故障停泵案例以及相关专业意见，按照表2提供的标度值，运用MATLAB软件对矩阵合理性以及权重核算，构建判断矩阵RAB如表3所示。

表3 中间B层矩阵RAB以及判断结果

2.2 C层单因素权重指标及综合权重计算

构建C层矩阵并通过MATLAB软件计算C层单因素权重及综合权重。将单层C权重与上一级单层权重B相乘，其中上一级单层权重为中间层（B层）对于最高层（A层）的权重，两者乘积所得数据为综合权重。并且矩阵需要通过MATLAB软件一致性检验，检验合格数据才是有效矩阵。其中电仪因素B1下的C1～C3构建矩阵及检验结果如表4所示，机械因素B2下的C4～C6构建矩阵及检验结果如表5所示，流程因素B3下的C7～C9构建矩阵及检验结果如表6所示，人员因素B4下的C10～C12构建矩阵及检验结果如表7所示，其他因素B5下的C13～C15构建矩阵及检验结果如表8所示。

表4 电仪因素B1下的C1～C3矩阵以及检验结果

表5 机械因素B2下的C4～C6矩阵以及检验结果

表6 流程因素B3下的C7～C9矩阵以及检验结果

表7 人员因素B4下的C10～C12矩阵以及检验结果

表8 其他因素B5下的C13～C15矩阵以及检验结果

由表4～表8可知，所构建矩阵都通过MATLAB软件数据合理一致性检验。断路器保险故障C3综合权重为0.220 7，影响度最高，主要是运行时间过长导致，有些断路器从油田投产至今一直运行，长达十余年。泵轴高温C4占综合权重为0.194 6，影响度次之，引起泵轴高温的主要原因有磨损、介质脏等。泵振动过大C6与吸入口低压C8两种因素之和所占综合权重达0.205 4，导致外输泵振动过大主要是泵对中出现偏差，线度比过大，出现共振所致。综合上述停泵原因分析，需要在实际管理中加密日常巡检，切实做到“望、闻、问、切”。当出现上述故障萌芽时，及时停泵，进行预防性保养维护工作，进一步提升故障维修质量。有计划地采购易损备件，对于部分昂贵的进口备件，可以依托技术部门进行国产化，缩短供货周期。

3 结论

（1） 在对外输泵故障停泵原因定量分析中，可以使用层次分析法对其中5个主因素及15个子因素构建合理矩阵，对矩阵进行合理性检验，同时计算出各个权重指标。

（2）采用MATLAB软件对构建矩阵进行合理性检验以及权重核算得出：电仪因素与机械因素的权重值相加高达0.667，是现场设备管理需要考虑的重点；断路器保险故障所占权重（0.2207）最高，泵轴高温综合权重（0.1946）次之，振动过大以及吸入口低压所占综合权重之和高达0.205 4，要引起油田各专业足够重视；透平系统失电 （0.077 6） 与温度探头故障（0.069 5）所占综合权重为0.147 1，平时要加强对电网稳定管理。