海上油气田设备设施设计完整性探讨

中海油安全技术服务有限公司

设备设施完整性管理是企业质量、健康、安全、环保管理工作的基础，是防范重大风险、保障安全生产的基石，是实现设备设施本质安全的重要途径和有效措施。设备设施完整性管理本质上就是设备管理，是设备管理理论的进一步发展。设计阶段属于设备设施资产的前期获取阶段，开展设备设施的设计完整性研究对于有效管控后期风险、及时发现设计问题、充分满足操作使用需求、提高设备设施本质安全以及经济可靠具有重要现实意义。海上油气田开发工程是一个复杂的系统工程，作业空间小、设备复杂程度高、投产运行后重大维修改造难度大等特点决定了从设计上解决设备设施运行维护阶段的问题，规避生产操作的风险，考虑全生命周期成本等十分必要。

1 设备完整性研究与应用

1.1 国外概况

“完整性”的理念最早是由美国职业安全与健康管理局（OHSA）在1992 年颁布的29CFR1910.119《高度危险化学品工艺安全管理》中提出，要求装有危险物质的系统在使用期间要确保其完整性，并把“机械完整性”作为其中一个核心要素。20 世纪60 年代，美国形成的后勤工程学被认为是体现设备周期管理最为彻底的学科，其目标是追求设备寿命周期费用最经济。1970 年，英国人丹尼斯·巴克斯提出了设备综合工程学，把与设备有关的工程技术、财务、管理等方面结合起来进行综合性管理，研究提高设备的可靠性、维修性设计，提高设计的质量和效率。1971 年，日本设备管理协会提出全员生产维护，简称TPM（Total Productive Maintenance），确立以设备一生（全生命周期或全过程）为目标的全系统的预防维修，设备的计划、使用、维修等所有部门都要参加，而不仅仅局限于生产部门。

20 世纪80 年代，澳大利亚和新西兰逐步将资产管理理论应用于铁路、公路及电力等行业。2004年4 月，以英国资产管理协会（IAM）和英国国家标准委员会（BSI）主导，率先推出资产管理标准PAS 55。2014 年2 月5 日，ISO 55000 系列标准发布会在伦敦举行。2016 年，美国化工过程安全中心（CCPS）编制了《资产完整性管理指南》，是机械完整性管理体系指南的更新和扩展。

1.2 国内概况

我国的设备设施完整性管理始于1998 年，重点针对油气管道完整性管理开展了大量的研究与应用工作。中国石油管道公司管道科技研究中心建立了管道完整性管理体系和管道基础数据库，成立了管道完整性管理专门机构，促进了管道完整性管理的发展。2007 年底，由中国石油管道公司研究中心承担的中国石油科研项目“长输油气管道完整性管理体系研究”针对国内管道管理现状，提出了中国石油管道完整性管理体系框架，在国内率先开展场站完整性管理研究，弥补了当时基层场站传统安全管理的薄弱环节[1]。我国油气管道完整性管理经过发展逐步由以前狭隘的局部管理和维护发展为全局整体预防[2]。2015 年，GB32167—2015《油气输送管道完整性管理规范》的正式发布是我国管道完整性管理的标志性事件。2016 年，我国等同采用ISO 55000 资产管理系列标准的GB/T 33172—2016《资产管理 综述、原则和术语》、GB/T 33173—2016《资产管理管理体系要求》及GB/T 33174—2016《资产管理 管理体系 GB/T 33173应用指南》标准发布，提出了我国资产完整性管理工作的具体要求。2018 年6 月，国家能源局发布了DL/T 1868—2018《电力资产全寿命周期管理体系规范》，对电力行业的资产完整性管理提出了明确的要求。马磊等[3]研究指出，承压设备完整性管理包括设计管理，并指出设计管理中基于风险的设计管理国内还处在探索阶段。汤林等[4]研究提出在油气输送管道工程设计阶段要做好高后果区识别和风险辨识，及时规避敏感区域；管道的设计要能够满足生产阶段检测、监测和评价的要求，特别是需要做内检测的管道要考虑智能检测器对收发球筒的要求。尹广增[5]等提出了通过程序化、标准化的实施，强化设备生命周期中的每一个阶段管理。

目前已有华为、国家电网、蒙牛乳业、香港地铁、香港中华电力、中国重汽集团等企业或其子公司取得了ISO 55001 资产管理体系认证。以中国石油、中国石化、中国海油等为代表的石油石化企业在不同的设备设施方面开展了完整性管理工作。

2015—2018 年，中国石油开展了油气田管道完整性管理试点工程，探索油气田管道完整性管理模式，其中2015—2017 年间产生经济效益超过6.4×108元，取得了显著的成效；2017 年以来中国石油编制了以“一规三则”为代表的管道与站场完整性管理系列文件，有效地规范和指导了完整性管理工作，提高了管理水平[6]。2016 年以来，中国海油从集团公司层面全面推动设备设施完整性管理建设工作，要求应用完整性管理技术，推动安全生产和降本增效。近年来中国海油有限公司天津分公司大力推行设备全寿命周期管理，重视费效比，实施了包括基于风险的检验、检测，基于可靠性的维护、海管完整性管理等[7]，并于2015 年率先在渤海蓬莱19-9 油田开展工程建设阶段的完整性试点工作，其中对于设计的完整性管理是重要一环。

总体上来讲，国内外对设备设施完整性的研究较多，全生命周期管理的理念基本得到认同，对设备设施设计管理提出了相关要求。然而，针对从哪些方面开展工程建设阶段设计完整性管理的相关文献、研究成果及应用较为鲜见。

2 设计完整性的含义

设计完整性源自杜邦公司的安全设计理念，英文Design Integrity，译为设计完整性，其含义是指提高设计可靠性[8]。杜邦公司的设计完整性体系包括6 大要素：工艺安全管理，安全、职业健康与防火，环保实践，人体工学设计，项目文档管理，设计审查。马继国等[9]对化工建设项目设备完整性设计从实现化工装置功能、遵守法律法规要求、遵守技术标准要求、易于操作与维保、技术文件的完整五个方面进行了定义。根据海上油气田项目的特点，海上油气田设备设施设计完整性包含以下几个方面的要素：

（1）功能性。设备设施的设计应满足其投入使用后应具有的功能要求。

（2）可施工性。设备设施的设计应能保证制造、建造、安装、调试等施工的正常进行。

（3）安全性。设备设施应尽量实现本质安全设计。

（4）可靠性。设备设施的设计应考虑其投入使用后运行稳定，在需要时可以正确发挥其功能，并且尽量减少故障时间。

（5）可操作性。设备设施的设计应保证设备设施投入使用后便于人员操作，符合人机工程学的期望。

（6）可维护性。设备设施应从设计上考虑其投入使用后便于维修、保养，提前设计相关维护条件和措施，提升后期维护的快速性和有效性。

（7）经济性。从设计上考虑设备设施全生命周期成本最经济。

（8）数据完整性。设备设施设计各阶段设计方案、图纸、计算书、模型、厂家说明书、操作规程、专家审查意见及落实情况等结构化数据和非结构化数据的完整性。

3 设计完整性的实现路径

海上油气田设备设施设计完整性可通过控制8大要素去实现，如图1 所示。

图1 海上油气田设备设施设计完整性控制要素Fig.1 Control elements of design integrity of equipment and facilities in offshore oil and gas fields

3.1 功能性控制

设备设施的设计首先应确保设备设施能够实现主要功能和辅助功能。海上油气田设备设施功能性要素可从以下方面进行控制：①设计文件中应对所有设备设施进行功能描述；②功能描述应当明确，清晰；③功能描述应当全面，包括主要功能、辅助功能等；④功能描述应当包括本质安全设计的内容，如工艺安全、仪表安全等；⑤设备设施设计深度和范围能否满足功能需求；⑥设计的质量和水平能否落实等。

3.2 可施工性控制

海上油气田工程建设项目涉及陆地建造、码头装船、海上拖航、导管架下水、上部组块海上大型吊装或浮托安装、导管架预钻井等多种特殊类型的施工作业。空间受限、陆海衔接、多种施工装备和作业机具配合等特点要求设备设施在设计过程中应充分考虑施工的顺利开展和施工过程中的保护措施。海上油气田设备设施可施工性要素可从以下方面进行控制：①阀门安装的可实现和便利性；②线槽、控制面板和管线设备碰撞情况；③爬梯设置与管道设备模型碰撞情况；④管线碰撞、电气/仪表缆桥布置、管廊爬坡；⑤管线与装置、工作间等的碰撞等；⑥设备吊点、滑道梁的设置；⑦火炬、冷放空等大管径管线的技术性和经济性要求；⑧设备供货商所有技术要求，在设计模型里考虑；⑨现场空间满足设备供应商最终版文件的技术要求；⑩供货商技术参数与管道模型的一致性；⑪建造场地能力和施工船舶作业能力等。

3.3 安全性控制

安全性设计应满足国家法律法规、强制性标准规范等关于HSE 方面的要求。同时，应尽可能通过设计手段实现“人员失误—安全”和“设备故障—安全”，达到本质安全的目的。海上油气田设备设施安全性要素可从以下方面进行控制：①设备、储罐、工作间等的防火分区，防火墙设置；②装置进出通道、设备橇块和平台的安全疏散通道、紧急切断和泄放阀门的通道；③洗眼器、灭火器、通风、公用工程站的设置；④火炬、冷放空管线的设置；⑤火气探头、自动报警系统的设置；⑥救生艇、救生筏、救生衣的设置；⑦自动求救信号发射器的设置；⑧各类风险分析报告所识别出的风险在设计上是否考虑规避等。

3.4 可靠性控制

可靠性是设备设施完整性的最重要要素之一。设计过程中应用系统工程学的原理考虑设备运行后与其他设备、系统之间的匹配性、适应性。海上油气田设备设施可靠性要素可从以下方面进行控制：①装置内外管线界面连接可靠（坐标、标高、分层布置、遗漏管线、材质、应力等）；②放空、取样、分配管、长度最大化/最小化、固定等要求；③仪表最小直管段要求；④腐蚀和磨蚀的监测位置、监测设备选择和安装要求；⑤管道应力布置要求（管道柔性和支架要求等）；⑥海管腐蚀监测、水下安防等在线监测技术的应用；⑦关键设备设计文件的质量控制（文件复核点/R 点、图纸会审等）；⑧新材料、新产品和新技术的测试结果和承包商资格；⑨后评估数据中有关设计阶段问题的梳理；⑩其他类似平台生产适应性评估中发现设计问题的借鉴与改进；⑪其他类似平台、海管、海上浮式生产储油装置（FPSO）等设施运行维护阶段问题的设计规避。

3.5 可操作性控制

海上采油平台是众多设备高度集中的生产设施。在设计的阶段模型中各专业经常发生模型上的碰撞，然后再根据实际空间进行调整。尽管如此，依然应在满足合规的前提下运用人机工程学原理，尽可能设计得更加人性化。海上油气田设备设施可操作性要素可从以下方面进行控制：①设备按工艺流程进行集中布置；②仪表视觉化布置；③安全阀调试和管线设备的操作设置；④取样点位置及其合理性；⑤大型设备、集装箱等的吊装区域；⑥直梯、爬梯、操作平台、栏杆等使用和操作的考虑；⑦装置内部的平台、楼梯、通道设置等。

3.6 可维护性控制

全生命周期理念是设备设施完整性管理的最核心理念之一。设计完整性工作一方面可以落实项目投资规划和项目前期研究的要求，另一方面可以将投入使用后生产方对设备维修、检验、检测、保养等方面的需求或期望通过设计来改进。海上油气田设备设施可维护性要素可从以下方面进行控制：①设备自身可拆卸空间考虑；②盲板和人孔的活动空间；③设备将来改扩建的预留和界面考虑；④通道的净空和宽度充分考虑后期维修的空间需求；⑤大型装置的检修区域和空间；⑥设备内件抽取空间；⑦换热器、过滤器、压缩机等的检修空间；⑧安全阀调试和管线设备的检修、通道预留空间等。

3.7 经济性控制

通常来讲，经济效益是设备设施价值的最重要体现。采用先进的设计理念、方法和技术手段，并通过优化设计，可以达到投资与效益的最佳组合[10]。设备设施资产状态管理不完善、全生命周期费用管理缺失、维护成本分析不全面、经济指标管理要求不明确会导致设备设施经济性管理的缺失。海上油气田设备设施经济性要素可从以下方面控制：①设备设施经济性统计指标的设计；②规划投资阶段对全生命周期费用优化策略在设计上的落实；③设计阶段应用最优化理论方法开展全生命周期费用分析；④比选/优化方案时，费用优化原则或策略制定；⑤项目后续阶段、运营维护阶段涉及的全生命周期费用的策略制定；⑥预测的稳产年均总成本（年均可变成本、年均固定成本等）各项组成的优化策略制定；⑦同类设备设施全生命周期费用核算模型（LCC）对设备购置成本等设计的借鉴。

3.8 数据完整性控制

数据完整是做好设计工作完整的基础。中国海油提出了“智慧海油”的概念，并推进了设备设施全生命周期的数字化管理[11]。设计数据是设备设施制造、建造、安装、调试的依据，也是后期运营维护的重要参考。设计相关的数据完整才能确保设计工作的完整。海上油气田设备设施设计数据完整性要素可从以下方面进行控制：①各专业图纸文件目录、设计基础、图纸、系统描述、设计准则、模型、计算书、功能评价、消耗表、管线表、安全分析表、规格书、数据表及设备清单、调试大纲、材料清单、程序文件、设计报告等归档；②结构化设计数据录入信息系统；③设计自查表的归档；④设计审查大纲归档；⑤设计差异性修正资料的归档；⑥设计阶段风险分析报告的归档；⑦安全专篇、环保专篇、职业卫生专篇、完整性专篇归档；⑧设计各项审查的专家意见及回复归档；⑨设备设施招投标技术文件归档；⑩供货商技术澄清及变更资料归档。

4 结束语

开展设计完整性管理是实现设备设施本质安全和经济可靠的重要手段。针对海上油气田设备设施设计完整性管理工作进行了探讨，指出海上油气田设备设施设计完整性工作包含功能性、可施工性、安全性、可靠性、可操作性、可维护性、经济性、数据完整性8 个方面的控制要素。2017 年以来，渤海蓬莱19-3 油田、19-9 油田新建项目开展了设计完整性辨识工作，基本上是围绕这8 个要素进行的，取得了较好的效果，打破了标准化设计的惯向思维，控制了设计阶段的完整性风险。

海上油气田设备设施完整性管理的8 个控制要素起到了抛砖引玉的作用，进一步的研究可按照设计进度分阶段细化完整性控制点，形成检查表或检查大纲。企业可根据工程建设阶段和运营维护阶段发现的问题建立设计问题数据库，基于实际数据开展设备设施设计完整性管理工作。