如何提高数字孪生在工程数字化交付过程

通过对数字孪生（Digital Twin）技术进行详细调研及了解，并结合油气田工程建设、生产运营阶段的真实需求，就如何提高其在工程数字化交付过程中的应用成效进行了深入研究，利用拥有突出特点的数字孪生技术作为技术核心，辅以虚拟仿真技术，糅合形成了一条实施思路及可行的技术路线。

关键词：

数字孪生；工程数字化交付；虚拟仿真技术

中图分类号：TE2；TU17

0

引言

对于24 h不间断生产的海上采油平台来讲，持续的油气产出离不开流程稳定做保障，而在这其中，阀门作为节控装置，对流程调控起着不可替代的关键性作用。但阀门原理各异、种类繁多、规格多样，故障也呈多时多点多发特点。

1

背景与现状

某海上油田下辖4个平台，设备及生产流程阀门数以千计。使用中阀门故障率较高，导致生产及公用等各流程控制困难，且疲于应对检修，直接加大了维修工作量；阀门泄漏引发的高压油气介质泄漏，还增加了安全环保等严重次生风险产生的可能性。

在统计年度1月—12月，平台故障阀门检修总量达到43个，月均检修数量近4个。但从目前的维修模式上看，以整体换新为主，不仅方式单一，造成维修费居高不下、人员技能提升有限的被动局面，而且影响了现场管理的质效提升；从管理上看，海上采油平台阀门系统性管理借鉴资料匮乏，理念成型构建不足，以上问题亟待解决。

2

全周期管理理念的提出

从类型看，故障阀门涵盖手、自动阀门，仪控、机械阀门，气体及液体阀门[1]。其中除部分阀门需停产检修外，从技术层面讲，大部分常规口径阀门的检维修均可由维修人员在线完成。

为了改变以换代修的粗犷式阀门维修模式，解决现场技术人员阀门故障处理方法单一、被动应对、阀门故障率高的现状，本文从前期采购、现场安装、使用维护、回收利用等4个阶段入手，提出阀门全生命周期管理理念，并在深入剖析与挖掘阀门故障深层次成因的基础上，以针对性措施实现有效突破。

3

阀门故障成因分析

3.1 前期采购阶段

阀门采购前技术环节把控不严，导致因采办技术属性描述错误、不准确而造成阀门到货后无法使用或使用匹配度不高，为引发阀门故障埋下了隐患。如未按实际需求采办相应压力等级匹配的阀门，导致使用期间介质压力高于阀门承压能力，引发阀门损坏；非标阀门采购技术参数不准，导致到货阀门长度不匹配、法兰安装孔中心孔距不对应等问题。

实例：生产药剂流程药剂泵出口2寸球阀，因选型偏长，受到两端管线长时持续挤压，阀体自身中段密封圈挤损引发泄漏。

3.2 现场安装阶段

现场人员对阀门的安装不规范、不到位，存在薄弱环节，未做到合理、正确、规范安装。如阀门未按指示安装，安装反向、错位，密封垫片不匹配；螺纹连接类阀门因螺纹旋合长度不够，造成密封不严。

实例：现场消防海水流程用4英寸偏心蝶阀安装反向，在启动消防流程并注入海水后，因密封不严引发内漏。

3.3 使用维护阶段

3.3.1流程介质物理、化学性质影响

阀门所控制流体介质的物理、化学性质，对故障的产生具有重要影响，其中包括腐蚀性流体、高温高压冲击性流体、高含砂冲蚀性流体。

实例：污水系统清水剂药剂对碳钢腐蚀性极强，即便对不锈钢也存在一定腐蚀性，阀门多为孔洞性可见腐蚀，维修价值不高，只能被动换新。

3.3.2原始管路流程设计不合理

现场阀门管路流程设计不合理，造成阀门使用中故障多发。

实例：6英寸海水排放闸阀因管线走向选择不合理，且前端无减压装置，导致阀门进出口压差长时间达7 kg/cm2左右，持续高压冲刷引发阀板几乎阀体冲蚀外漏。

3.3.3日常操作不当

在操作关闭阀门时，为确保关严，存在使用管钳及加力杠等辅助工具，造成阀门密封面过度咬合压磨、阀柄损坏、阀杆变形断裂情况，此种情况在高压阀门及重点流程阀门故障中尤为常见。

实例：主机B滑油阀门，因多次使用管钳紧固，造成仅1.5英寸截止阀手轮及阀杆磨损、变形，无法正常使用。

3.3.4季节性变化影响

阀门故障数量于1、8月份出现峰值，月均达5个，经分析发现，1月份正值冬季，气温低，流体冻结导致部分阀门胀裂；同年8月，日均气温在32 ℃以上，现场所辖冷却换热器全部投运，流程在用阀门增加，介质温度升高，腐蚀速率加快，非金属密封垫老化加剧。

3.3.5维修人员技能存在薄弱环节

在检维修中，部分维修人员对阀门内部结构不了解，对阀门故障判断不深入，存在“坏了再修”的错误认知，未能及时预判阀门初期故障并应对处理，造成问题加剧，贻误检修时机。

实例：某维修人员在发现消防泵出口旋启式单流阀异响后，未引起重视，及时拆检，造成内部阀瓣在流体作用下长时敲击损坏，内部密封面也出现碰损，失去检修价值。

3.4回收利用阶段

对故障阀门进行单一弃置处理，但未对其完好部件进行拆卸留存，导致原本同类型阀门在可更换局部配件进行解决的情况下，无配件可换，造成资源浪费，无法检维修。如常见标准法兰球阀、闸阀、截止阀备件通用性较强，可互换使用[2]。

4

阀门故障引发风险矩阵及风险级别定义

在明确阀门故障成因的基础上，以系统考量、分级管控为原则，创新制订阀门故障引发风险矩阵如表1所示，阀门故障风险级别定义如表2所示，为检维修提供依据。

5

具体应对措施

以降低阀门故障率为问题导向与目标导向，制订“系统谋划、全局管控、重点跟进”的实践应对方案，在使用全周期管理理念全面深入剖析故障深层次成因的基础上，合理调配维修人力、物力资源，推动机制建设及责任落实。

5.1 严控采购规范化

规范现场阀门采购前技术参数确认环节操作，严格使用卡钳、卡尺、直尺等专业测量工具，并将测得数据与阀门标准手册中数据进行比对修正；对非标阀门，在采购中要重点写明存在差异的技术参数，并严格按照采购需求验货，验货时必须使用测量工具进行确认，杜绝目测，对不确认信息，需与供货方沟通；对与采购要求不符、本体存在铸造缺陷（砂眼、松散组织、夹碴等）、明显撞击损坏、焊接不良的阀门，要及时落实调换事宜，禁止入库；对使用在高腐蚀流程的阀门，应根据腐蚀介质特性，选取采购不锈钢、铜镍、PPR等材质阀门[3]。

5.2 现场安装标准化

对法兰连接阀门，要选取规格直径与法兰孔径相匹配的螺栓进行安装，并配套使用平垫及弹簧垫，紧固后的螺栓，其螺纹端需露出螺母2～3个螺距；海水流程阀门在安装前，需重点检查管路法兰端面腐蚀情况，检查有无径向贯穿腐蚀及局部坑面腐蚀，如有应采用金属胶或焊接修复，密封垫可选3 mm规格橡胶垫；对凸面法兰，金属缠绕垫选取要匹配确认压力等级，杜绝低压缠绕垫用于高压流程，压痕明显的老旧缠绕垫必须更换，禁止使用无标记缠绕垫。

对螺纹连接阀门，要注意阀门两端与管线连接的旋合长度不宜过短，需配合使用丝扣胶带，加强密封；对螺纹连接的旋启式止回阀、升降式止回阀，还要注意，安装后方向应朝上，以免影响启闭效果。

焊接阀门需注意选取适用不同材质的焊条或焊丝，焊接期间应考虑温度持续提升对阀门内部密封件的影响，可分时多次焊接，降低热量蓄积。

手动（手轮/手柄）阀门安装前需确认为手柄/手柄开关操作预留出足够的空间，并确保实际操作中站位用力方便得当。

5.3 使用维护系统化

（1）对易于腐蚀的海水流程及清水剂药剂流程阀门进行梳理，逐步替换为不锈钢材质阀门或PPR材质阀门，同时对使用中发现的早期针孔式漏点及时进行处理。

（2）定期对在用阀门进行内外部检查。

1）外部检查：主要检查确认外部锈蚀、法兰及阀体螺栓松动、法兰密封垫渗漏、填料渗漏、手柄手轮使用、进出口压力变化、阀门启闭灵活度等情况。

2）内部检查：主要检查确认阀片松动情况、内部连接开焊情况、阀芯使用情况、密封件破损情况、阀体内部腐蚀及堵塞情况等，以细化检查的方式，提前预防预判故障。

（3）通过对海水流程管路延长、走向调整、加装减压装置等措施，降低阀门进口压力，解决进出口压差过大冲刷加剧的问题；通过改造管路，解决阀门长时间受挤压及承受错位应力的问题；通过安装位置调整，解决阀门操作不当、检修空间不足的问题。

（4）制订阀门标准操作及使用程序，涵盖手轮阀门启闭至极限位置回半圈、小型阀门加力工具使用、正确站位及用力、润滑与防锈等多方面实用内容，组织维修人员制作手轮阀门专用F型扳手，并禁止使用大规格管钳开启或关闭小规格阀门，对损坏的阀门手轮或手柄，及时焊接修复或换新，实现阀门操作标准化、统一化和规范化。

（5）统计梳理历年来寒冷季节易冻堵阀门，在入冬前1个月，组织电气专业人员与操作使用人员一起确认阀门电伴热使用情况、保温棉覆盖情况及保温铝皮密封情况，并在重点阀门位置增加缠绕电伴热；对部分阀门进行入冬前排空操作，在消防演习后及时排空所有干式消防系统管路内的海水，避免阀门冻堵；通过定期倒换流程减少长时间使用，及时检查排障等措施，做好高温流程阀门检维保工作。

（6）组织开展阀门专项培训，内容涵盖阀门基础知识、阀门常见故障讲解、阀门早期故障应对、阀门控制原理等诸多方面，同时建立阀门培训专项电子资料库，涵盖现场检修视频、理论资料讲解等内容，实现懂原理、懂结构、懂操作。

5.4 回收利用常态化

选取合适区域，设立废旧阀门定置存放点，并按照高压阀门与非高压阀门、标准阀门与非标准阀门的标准对拆卸下的故障阀门进行分类存放，同时做好以下几项工作：

（1）对损坏不严重的可修复阀门进行系统专业化检修，确保可用后，做好标记留存备用。

（2）组织维修人员，利用废旧阀门开展实操拆解，由工程师进行现场讲解，提升对内部结构的了解认识，提高故障分析能力。

（3）自制加工拆卸工具，拆检并保存废旧阀门中的可用部件，以备在用同型故障阀门检修之需；对内部密封垫片等易损件进行测绘并自制加工。

6

实践效果

经过一年的系统实践，阀门年度故障数量由43个减少至20个，较上一年度减少23个，同型阀门故障率降低超30%，同时经自主维修，节约阀门采办及维修费用20余万元。

7

结语

本文通过引入阀门全周期管理理念，实现了阀门检维修系统化、全局化的有机延伸，实现了多维度梳理阀门故障成因、摸清阀门故障规律的突破，在扎根现场、实事求是、拓宽思路的基础上，为海油平台阀门采办、使用、维修、回收的全过程管控提供了有力借鉴，极大地推动了提质增效、修旧利废与安全生产的有机融合。