劉啟聰 范 秦 熊生勇 練興元

(1.中國(guó)石油西南油氣田公司天然氣研究院 2. 中國(guó)石油西南油氣田公司重慶天然氣凈化總廠萬(wàn)州分廠)

(3. 中國(guó)石油西南油氣田公司川西北氣礦)

以可靠性為中心的維修(Reliability Centered Maintenance，以下簡(jiǎn)稱RCM)技術(shù)是目前國(guó)際上通用的、用以確定資產(chǎn)預(yù)防性維修需求、優(yōu)化維修制度的一種系統(tǒng)工程方法。它的基本思路是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行功能與故障分析，明確系統(tǒng)內(nèi)各故障的發(fā)生后果，用規(guī)范化的邏輯決斷方法，確定各故障后果的預(yù)防性對(duì)策，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)故障統(tǒng)計(jì)、專家評(píng)估、定量化建模等手段，在保證安全性和完好性的前提下，以維修停機(jī)損失最小為目標(biāo)，優(yōu)化系統(tǒng)的維修策略。

RCM技術(shù)先后在鐵路、石油化工、鋁礦、造紙、藥品、電力、銀行、甚至木制品加工、大眾房產(chǎn)等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。目前，我國(guó)部分海軍和空軍裝備、海洋鉆井平臺(tái)、核電站等部門也開(kāi)始應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)。

近年來(lái)，機(jī)械設(shè)備維護(hù)、石油化工設(shè)備維護(hù)也引入了RCM技術(shù)，特別是石化公司與國(guó)際公司，通過(guò)開(kāi)展對(duì)RCM應(yīng)用的深入研究，在石化領(lǐng)域進(jìn)行了廣泛應(yīng)用，取得了很好的效果。

推進(jìn)RCM技術(shù)在天然氣凈化裝置上的應(yīng)用，可有效提高工廠運(yùn)行的可靠性，降低裝置停車次數(shù)，增加裝置運(yùn)轉(zhuǎn)效率。

1 RCM技術(shù)要點(diǎn)

RCM分析從數(shù)據(jù)收集開(kāi)始，在項(xiàng)目的不同階段分別進(jìn)行小組討論。RCM的執(zhí)行包含以下主要步驟，其基本流程如圖1所示。

(1) 數(shù)據(jù)收集和整理。

(2) 系統(tǒng)劃分和確定設(shè)備的技術(shù)層次。

(3) 失效模式與影響分析和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

(4) 制定和優(yōu)化維護(hù)策略。

1.1 數(shù)據(jù)收集及整理

對(duì)收集的設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總、整理和校對(duì)，數(shù)據(jù)收集、整理完成后要對(duì)其正確性、一致性及完整性進(jìn)行校核。

1.2 系統(tǒng)劃分和確定設(shè)備的技術(shù)層次

系統(tǒng)劃分主要是按照功能或用途將整個(gè)生產(chǎn)裝置劃分為不同的工藝系統(tǒng)，在不同的工藝系統(tǒng)中又可根據(jù)各系統(tǒng)的設(shè)備和儀表等組成以及功能特性再細(xì)分為子系統(tǒng)。在對(duì)裝置進(jìn)行系統(tǒng)劃分后，確定系統(tǒng)中所包含的設(shè)備，設(shè)備功能以及相關(guān)的期望功能要求，然后確定設(shè)備的失效模式及影響。

系統(tǒng)、設(shè)備的技術(shù)層次和功能的關(guān)系見(jiàn)圖2。

1.3 失效模式與影響分析及風(fēng)險(xiǎn)分析

1.3.1失效模式與影響分析

失效模式與影響分析(Failure Mode and Effects Analysis，簡(jiǎn)稱FMEA)流程的第1步是確定失效模式。

失效影響分析是在確定失效模式的基礎(chǔ)上，分析失效對(duì)設(shè)備局部及對(duì)系統(tǒng)整體的影響。識(shí)別出哪種失效模式會(huì)造成功能性失效，對(duì)功能性失效則要進(jìn)行失效模式與影響分析及風(fēng)險(xiǎn)分析。失效影響要考慮到如果失效/故障發(fā)生對(duì)生產(chǎn)、安全、環(huán)境和后續(xù)成本的影響。

失效模式與影響分析的結(jié)果可作為風(fēng)險(xiǎn)分析的基礎(chǔ)。

1.3.2風(fēng)險(xiǎn)基準(zhǔn)的確定

在對(duì)失效模式進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析之前，首先要確定風(fēng)險(xiǎn)基準(zhǔn)。風(fēng)險(xiǎn)基準(zhǔn)的確定可根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)公司(如挪威DNV公司、法國(guó)BV公司)的通用設(shè)定，一般可采用5×5的風(fēng)險(xiǎn)矩陣作為風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的確定。

風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的定義至少必須包含：①失效概率(Probability of Failure，簡(jiǎn)稱PoF)等級(jí)的分類，一般可以是量化結(jié)果或定性的判定；②失效后果(Consequence of Failure，簡(jiǎn)稱CoF)的等級(jí)分類，CoF等級(jí)分類應(yīng)能分別衡量出對(duì)安全、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和其他成本的影響高低。失效概率和影響性等級(jí)的定義將直接影響到風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的大小及分布。因此，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的定義必須通過(guò)討論確定。

表1 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)定義基準(zhǔn)

風(fēng)險(xiǎn)基準(zhǔn)的確定可參考表1，凈化裝置可根據(jù)實(shí)際情況對(duì)其失效概率和失效后果進(jìn)行重新定義。

1.3.3天然氣凈化裝置典型過(guò)程設(shè)備失效模式分析

失效模式與影響分析是一種可靠性分析方法，這種分析致力于在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中找出對(duì)系統(tǒng)性能有顯著影響的各種失效模式。一般而言，任何部件的失效或失效模式均會(huì)對(duì)系統(tǒng)性能產(chǎn)生不利影響，在進(jìn)行系統(tǒng)可靠性、安全性和有效性研究時(shí)，要求進(jìn)行定性和定量分析，且二者互為補(bǔ)充。應(yīng)用定量分析方法可計(jì)算或預(yù)測(cè)在特定條件下執(zhí)行任務(wù)期間或長(zhǎng)期運(yùn)行中的系統(tǒng)性能典型指標(biāo)。系統(tǒng)性能典型指標(biāo)包括可靠性、安全性、有效性、失效率和平均失效時(shí)間等。

天然氣凈化裝置是氣田開(kāi)發(fā)過(guò)程中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，包含的設(shè)備較多，其設(shè)備內(nèi)部介質(zhì)通常具有易燃、易爆、有毒、強(qiáng)腐蝕性等特點(diǎn)，同時(shí)，操作壓力和溫度較高，如果發(fā)生失效將會(huì)給裝置帶來(lái)嚴(yán)重的后果。目前，在制定天然氣凈化裝置檢、維修計(jì)劃時(shí)主要采取傳統(tǒng)維修方法，即根據(jù)經(jīng)驗(yàn)定期進(jìn)行檢、維修，具有一定的盲目性，且存在以下不足：

(1) 傳統(tǒng)的檢維修方法由于缺乏理論依據(jù)和詳細(xì)分析，檢修方案的制定極大程度上依賴于有經(jīng)驗(yàn)的人員，人為因素太多。

(2) 傳統(tǒng)檢修方法通常只關(guān)注設(shè)備失效后果，往往忽略了對(duì)其失效概率的分析。應(yīng)用RCM技術(shù)的方法和原理，系統(tǒng)地對(duì)裝置內(nèi)設(shè)備失效模式及后果進(jìn)行分析和評(píng)估，進(jìn)而定量確定出每種設(shè)備失效模式的風(fēng)險(xiǎn)及失效根本原因，識(shí)別出裝置中固有的或者潛在的危險(xiǎn)及其影響后果和程度，在保證安全的前提下，以最小的維修停車損失和最少的維修資源消耗為目標(biāo)，制定出優(yōu)化的維修策略。天然氣凈化廠典型過(guò)程設(shè)備包括：壓縮機(jī)、電動(dòng)機(jī)、風(fēng)機(jī)、換熱器、泵、閥和容器等，其失效模式分別見(jiàn)表2～表8。

表2 壓縮機(jī)失效模式

表3 電動(dòng)機(jī)的失效模式

表4 熱交換器的失效模式

1.3.4風(fēng)險(xiǎn)分析

對(duì)每一種功能失效的失效模式進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析，確定其風(fēng)險(xiǎn)大小。

風(fēng)險(xiǎn)定義為失效概率和失效后果的乘積，對(duì)每一種功能失效模式，確定其失效概率，并根據(jù)失效影響確定失效后果。主要評(píng)估以下幾個(gè)方面的風(fēng)險(xiǎn)：

(1) 安全風(fēng)險(xiǎn)。

(2) 環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。

(3) 生產(chǎn)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

表5 泵的失效模式

表6 風(fēng)機(jī)的失效模式

(4) 后續(xù)成本風(fēng)險(xiǎn)。

設(shè)備的失效概率建立在失效頻率的基礎(chǔ)上，失效頻率基于失效平均時(shí)間間隔(Mean Time Between Failure，簡(jiǎn)稱MTBF)進(jìn)行計(jì)算，必須綜合考慮設(shè)備的冗余、影響設(shè)備可靠性的因素及其他不可確定性因素等的影響。若設(shè)備沒(méi)有失效/故障歷史的跟蹤記錄，則采用實(shí)際失效頻率，或參考其他同類天然氣凈化裝置或可靠性較高的信息。

表7 閥的失效模式

表8 容器的失效模式

在失效后果的計(jì)算中，安全及環(huán)境后果可參考RBI的分析結(jié)果，對(duì)生產(chǎn)損失則可以依據(jù)影響生產(chǎn)的時(shí)間作計(jì)算，而后續(xù)成本中的維修成本則取決于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際成本大小。

1.3.5FMEA討論會(huì)

FMEA討論會(huì)由設(shè)備、工藝、安全、儀表等專業(yè)技術(shù)人員參加，對(duì)失效模式、失效影響分析的結(jié)果、確定的風(fēng)險(xiǎn)可接受準(zhǔn)則和風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果進(jìn)行確認(rèn)。

1.3.6制定基于風(fēng)險(xiǎn)的維護(hù)策略

優(yōu)化維護(hù)策略的制定主要依據(jù)風(fēng)險(xiǎn)分析的結(jié)果。對(duì)于所有中、高風(fēng)險(xiǎn)的失效模式，應(yīng)確定其失效直接原因及根本原因，借助于維護(hù)策略避免可能發(fā)生的失效，進(jìn)而降低失效風(fēng)險(xiǎn)，提升設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性；對(duì)于低風(fēng)險(xiǎn)的失效模式，則采取糾正性維護(hù)策略，避免過(guò)度維護(hù)，以提高人員工作效率。

最優(yōu)化維護(hù)策略至少包括：設(shè)備、設(shè)備名稱、失效影響、失效模式、失效直接原因、根本原因、工作項(xiàng)、工作說(shuō)明、維護(hù)任務(wù)分類、負(fù)責(zé)人、維護(hù)頻率、人數(shù)、配合事項(xiàng)、PoF、CoF、風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)、經(jīng)濟(jì)影響等參考內(nèi)容。

維護(hù)任務(wù)的分類如圖3所示。

定期維護(hù)是基于固定時(shí)間間隔、固定工作內(nèi)容的計(jì)劃性維護(hù)。例如對(duì)設(shè)備的定期保養(yǎng)，巡檢及日常維護(hù)等在正常運(yùn)轉(zhuǎn)情況下進(jìn)行的維護(hù)活動(dòng)。

預(yù)測(cè)維護(hù)指使用技術(shù)手段來(lái)監(jiān)控和測(cè)量設(shè)備的狀態(tài)，通過(guò)對(duì)設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行分析以預(yù)測(cè)設(shè)備發(fā)生失效的可能時(shí)間，從而采取預(yù)防或修理措施，避免失效的發(fā)生。

糾正性維護(hù)即運(yùn)轉(zhuǎn)至出現(xiàn)故障后，再進(jìn)行維修及維護(hù)。

根據(jù)RCM分析的結(jié)果制定維護(hù)策略，同時(shí)對(duì)那些不能通過(guò)維護(hù)防止的失效提出設(shè)計(jì)更改和操作變更的建議，以降低或避免潛在的風(fēng)險(xiǎn)。

2 凈化裝置RCM實(shí)施方案

根據(jù)凈化裝置現(xiàn)有包含設(shè)備故障原因及故障時(shí)間的檢維修記錄，按RCM建模的3大模型：故障風(fēng)險(xiǎn)模型、可用度模型和費(fèi)用模型，將建立的分析模型是故障風(fēng)險(xiǎn)模型。

風(fēng)險(xiǎn)模型的建立可通過(guò)聯(lián)合開(kāi)發(fā)軟件或采用成熟軟件模型加以實(shí)施，只需把典型凈化裝置各失效模式的失效概率輸入軟件庫(kù)即可完成建模。失效概率可采用廣泛使用的百萬(wàn)小時(shí)失效次數(shù)和年失效頻率，其數(shù)據(jù)可來(lái)自行業(yè)協(xié)會(huì)、權(quán)威部門、工廠統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等。

以MDEA溶液循環(huán)泵為例，工廠可提供的信息為生產(chǎn)廠家的維護(hù)手冊(cè)、內(nèi)部設(shè)備管理手冊(cè)、故障及維護(hù)歷史記錄，如表9所列。

表9 MDEA溶液循環(huán)泵歷史維護(hù)記錄

依據(jù)歷史記錄，對(duì)比泵的典型失效模式，歸納統(tǒng)計(jì)出本廠失效頻率，與數(shù)據(jù)庫(kù)中的泵模型進(jìn)行類比，再結(jié)合失效后果，得出MDEA循環(huán)泵的風(fēng)險(xiǎn)水平，給出維護(hù)措施及頻率。除磨損和老化引起的故障采用定期維護(hù)方式外，其他類型的故障應(yīng)采用不同的維護(hù)策略。針對(duì)不同故障，分別采取變更設(shè)計(jì)、預(yù)見(jiàn)性維護(hù)、定期測(cè)換、隱患檢測(cè)等不同措施。

RCM分析的最終目的是建立適用于天然氣凈化裝置的最佳實(shí)踐數(shù)據(jù)庫(kù)，針對(duì)每種失效模式提供最佳解決方案，該數(shù)據(jù)庫(kù)可以依托工廠一線技術(shù)員和設(shè)備服務(wù)商逐步建立。

在天然氣凈化裝置實(shí)施RCM技術(shù)的方案如下：①建立掌握RCM技術(shù)的專業(yè)團(tuán)隊(duì);②建立天然氣凈化裝置故障風(fēng)險(xiǎn)模型;③建立天然氣凈化裝置最佳實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)。

首先，依托天然氣凈化裝置多年的安全運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，建立設(shè)備維護(hù)數(shù)據(jù)庫(kù)，然后引入RCM理念，結(jié)合國(guó)際工程公司先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，制定出基于失效模式與影響分析(FMEA)的最佳實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)。

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)RCM技術(shù)的探討，建立了在天然氣凈化裝置上推廣RCM技術(shù)的方案，應(yīng)用系統(tǒng)化的方法和原理對(duì)裝置內(nèi)設(shè)備失效模式及后果進(jìn)行分析和評(píng)估，定量地確定每種設(shè)備失效模式的風(fēng)險(xiǎn)、失效直接原因和根本原因，從而識(shí)別出裝置中固有或潛在的危險(xiǎn)及其影響后果和程度，制訂出針對(duì)失效原因的、基于RCM方法論的維護(hù)策略，對(duì)低風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)實(shí)行矯正性維修，其他風(fēng)險(xiǎn)設(shè)備項(xiàng)以預(yù)防性保養(yǎng)為主，即定期保養(yǎng)和狀態(tài)監(jiān)測(cè)，為天然氣凈化裝置的長(zhǎng)周期運(yùn)行提供科學(xué)依據(jù)，從整體上提升設(shè)備管理水平。

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