浅论机械自动化对油气集输设备运行稳定性的影响

引言：油气集输系统承担着油气分离、计量、储存及外输等任务，其设备长期处于高温、高压、腐蚀性环境，运行稳定性易受人为操作、设备老化及外部干扰影响。传统管理模式依赖人工巡检与经验维护，存在响应滞后、误差率高、安全隐患多等局限。近年来，随着工业4.0 与“中国制造2025”战略的推进，机械自动化技术（如 SCADA 系统、智能传感器、机器人巡检等）在油气领域加速渗透，为提升设备稳定性提供了新路径。本文旨在系统梳理机械自动化对油气集输设备稳定性的影响，为行业技术升级提供理论参考[1]。

一、 机械自动化技术概述及其在油气集输中的应用

（一）机械自动化技术核心组成

机械自动化技术以传感器、控制器、执行机构及通信网络为基础，通过数据采集、传输、分析与反馈实现设备自主运行。在油气集输领域，典型技术包括：（1）SCADA 系统：实时监控压力、温度、流量等参数，构建数字化孪生模型；（2）智能阀门与泵组：通过变频调速与自适应控制优化工艺流程；（3）机器人巡检技术：利用无人机或爬壁机器人检测管道泄漏与设备腐蚀；（4）预测性维护（PdM）：基于大数据与机器学习预测设备故障周期。

（二）油气集输设备稳定性需求

油气集输设备需满足以下稳定性要求：（1）连续性：避免非计划停机导致生产中断；（2）安全性：防止泄漏、爆炸等事故；（3）经济性：降低能耗与维护成本 [2]。

二、 机械自动化对油气集输设备稳定性的影响机制

（一）构筑设备健康感知网络

传统依赖人工定期巡检的模式存在感知盲区，难以捕捉设备运行中的瞬态异常与早期故障征兆。机械自动化技术通过部署高密度、多类型的传感器网络，实现了对关键设备 24 小时不间断的在线监测与深度感知，彻底改变了故障管理模式。振动分析技术持续采集泵机组轴承、齿轮箱等旋转部件的振动频谱特征，结合智能算法识别异常频率分量（如轴承磨损产生的特征谐波），可在故障实际发生前 30 天甚至更早发出预警，为维护争取黄金时间窗。声发射技术如同设备的“听诊器”，能够灵敏捕捉管道因微小裂纹扩展或材料疲劳释放的应力波信号，精准定位潜在泄漏点，将重大事故扼杀在萌芽状态。红外热成像技术则对电气柜、接线端子、电机绕组等关键部位进行非接触式温度扫描，快速识别因接触不良、过载或绝缘老化导致的异常过热点，有效预防电气火灾风险。某油田广泛部署 SCADA 系统集成各类传感器数据后，设备故障的平均响应时间显著缩短了 80% ，年非计划停机次数更是锐减 65% ，充分彰显了实时监控与智能预警对保障连续生产的强大支撑力[3]。

（二）工艺参数精准控制

油气集输工艺流程复杂多变，物性参数（如原油黏度、气液比）及输量需求波动频繁。自动化控制系统通过高速运算与闭环反馈，实现对设备运行参数的动态、精准调节，这是稳定性的核心保障。变频调速技术深度应用于输油 /输水泵组，控制系统根据实时采集的管网压力与流量需求，智能调节电机转速，使泵始终工作在高效区。这不仅避免了传统阀门节流造成的巨大能量损失（节能率普遍达 20%-30% ），更显著降低了设备因偏离设计工况而产生的机械应力与磨损。自适应 PID 控制算法在原油处理设备（如三相分离器）中大显身手，它能根据原油黏度、处理量的实时变化，自动调整比例、积分、微分参数，确保液位、界面控制精度稳定在毫米级，有效防止了跑油、窜气等工艺紊乱。紧急截断系统（ESD） 则是安全防线的终极保障，当压力传感器检测到管线或容器压力瞬间超限达到安全阈值时，系统能在 0.5 秒内驱动安全等级阀门（SIL2/SIL3）紧急关闭，其响应速度和可靠性远超人工操作，将事故扩大的风险降至最低。部分大型气田引入先进智能控制系统后，输气综合效率提升了 12% ，单位能耗则降低了 18% ，实现了效率与能耗的双赢 [4]。

（三）延长设备生命周期

过度维修（增加成本）与欠维修（导致突发故障）是传统定期维护模式的两大痛点。机械自动化驱动的预测性维护（PdM）通过持续监测设备“健康指标”，精准评估其实际状态与剩余寿命，实现了维护策略的根本性变革，极大延长了设备有效生命周期。油液光谱与铁谱分析是评估旋转机械磨损状态的利器。系统自动定时或连续采集设备润滑油样本，分析其中金属磨粒（如 Fe, Cu,Al）的种类、浓度、尺寸及形态特征，精准判断齿轮箱、轴承等核心部件的磨损程度与发展趋势，为更换润滑油或维修决策提供科学依据。在线应力监测系统则通过应变片或光纤传感技术，实时捕捉管道、压力容器在交变载荷下的应力应变状态，结合疲劳寿命分析模型（如 Miner 准则），精确计算其累积损伤程度并预测剩余疲劳寿命，为制定最优检修周期提供数据支撑。数字孪生技术更进一步，构建关键设备的虚拟镜像模型，融合实时运行数据与历史失效数据，模拟设备在各种工况下的性能劣化过程，实现故障模式推演与维护策略仿真，从而制定高度个性化的预防性维护计划。相关大型炼厂系统性实施 PdM 后，其核心机组（如压缩机、反应器进料泵）的平均使用寿命延长了 3-5 年，整体维修成本更是大幅降低了 40% ，经济效益极其可观。

（四）安全风险管控

油气集输环境的高危特性（易燃易爆、高压、有毒）对设备安全提出了苛刻要求。自动化技术通过冗余设计、本质安全理念和智能风险干预，构建了多层纵深防御体系，显著提升系统整体安全水平。安全仪表系统（SIS） 独立于基本过程控制系统（BPCS），专为应对高风险场景设计。它采用多重冗余传感器（如 2oo3 表决逻辑）、独立的安全逻辑解算器（达到 SIL3 级高安全完整性等级）及高可靠性执行元件，在检测到极端危险工况（如超压、超速、火焰、可燃气体超高浓度）时，能自动触发安全动作（如紧急停车、隔离、泄放），将风险控制在可接受范围内。防爆机器人技术则彻底将人员从最高危区域解放。这些获得严格认证（如 ATEX, IECEx）的机器人可进入极度危险区域（如泄漏点附近、密闭空间、高含硫环境），执行泄漏检测、阀门操作、视觉检查等任务，其搭载的多种传感器（气体、红外、高清摄像）可实时回传现场数据，避免了人员暴露风险。

机械自动化技术通过数据驱动与智能决策，显著提升了油气集输设备的运行稳定性，推动了行业向“少人化”“无人化”转型，随着 5G、数字孪生及 AI大模型的融合应用，油气集输系统的稳定性将迈向更高水平，为能源安全与低碳转型提供坚实保障。

参考文献：

[1] 张达 . 浅析油气集输工艺流程优化措施 [J]. 全面腐蚀控制 , 2025, 39 (05):259-261.

[2] 尹莹莹. 油气集输工艺技术与节能降耗[J]. 中国石油和化工标准与质量,2024, 44 (10): 193-195.

[3] 雷鹏. 多井油气集输橇系统设计及研究 [D]. 西安石油大学, 2024.

[4] 雷鹏 , 韩成才 , 尚子俊 . 基于过滤补液方法的新型油气集输橇装置研制与应用 [J]. 机电工程技术 , 2024, 53 (03): 280-284.