吳同鋒 蔡曉君 劉湘晨 王麗萍

(北京石油化工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院)

石油化工靜設(shè)備狀態(tài)檢測維修系統(tǒng)的構(gòu)建*

吳同鋒**蔡曉君 劉湘晨 王麗萍

(北京石油化工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院)

石油化工企業(yè)靜設(shè)備的失效問題一直是制約石化行業(yè)發(fā)展的棘手問題。通過分析石化企業(yè)靜設(shè)備的失效現(xiàn)狀和維修手段，并借鑒動設(shè)備常用檢測維修技術(shù)，綜合其他行業(yè)狀態(tài)檢測維修案例，構(gòu)建出適合石化企業(yè)靜設(shè)備的狀態(tài)檢測維修系統(tǒng)。用現(xiàn)代設(shè)備檢測技術(shù)代替人工的點(diǎn)檢，通過外部檢測設(shè)備或嵌入式傳感器獲取靜設(shè)備的狀態(tài)信息，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)用數(shù)學(xué)模型來反映靜設(shè)備的損傷狀態(tài)，達(dá)到實(shí)時反饋靜設(shè)備損傷狀態(tài)的目的。同時采用閉環(huán)的檢測維修模式和靜設(shè)備信息動態(tài)化管理，能夠?qū)κ髽I(yè)靜設(shè)備的長周期安全運(yùn)行起到良好的效果。

靜設(shè)備 可靠性維修 狀態(tài)維修 維修不足 損傷狀態(tài) 風(fēng)險分析

以石油作為原料的生活產(chǎn)品遍布世界的每一個角落，是人類物質(zhì)文明的一個重要標(biāo)志和體現(xiàn)[1]。石化企業(yè)作為各種生活產(chǎn)品的源頭企業(yè)，靜設(shè)備的失效問題一直制約著它的發(fā)展和經(jīng)濟(jì)效益的提高，同時也給安全生產(chǎn)帶來諸多隱患,容易發(fā)生安全事故，給企業(yè)造成巨大損失。隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，最近幾年進(jìn)口原油逐漸增加，石化企業(yè)靜設(shè)備的腐蝕問題日益突出，而由腐蝕問題所造成的各種損失也逐漸增大。同時靜設(shè)備在高溫高壓、流量變化范圍大和減溫減壓幅度大的情況下，存在安全可靠性差、噪音高及壽命短等問題[2]。在提高靜設(shè)備維修管理水平的同時降低維修費(fèi)用成為企業(yè)降本增效最有效的方法[3]。目前，國內(nèi)大多數(shù)石化企業(yè)采用定期維修和事后維修的管理模式，實(shí)踐證明，這兩種維修方式不僅會出現(xiàn)維修不足和維修過剩的現(xiàn)象，而且維修費(fèi)用也很高。有研究表明，約50%的事故是由維修不足引起的[4]。因此，如何及時發(fā)現(xiàn)靜設(shè)備的腐蝕隱患，如何評定靜設(shè)備的失效狀態(tài)并做出合理的維修決策，已成為石化企業(yè)靜設(shè)備管理的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的化工靜設(shè)備管理不僅管理觀念落后，而且在管理指標(biāo)和管理方法方面同樣存在著不足[5]。

RBI技術(shù)的應(yīng)用改變了傳統(tǒng)觀念上的檢驗(yàn)方法與手段[6]，隨著RBI技術(shù)在機(jī)械制造、油氣開采等行業(yè)的廣泛應(yīng)用，RBI技術(shù)在國內(nèi)石化行業(yè)得到了相應(yīng)的應(yīng)用和發(fā)展，在石化動設(shè)備的成功應(yīng)用，為靜設(shè)備的狀態(tài)維修管理提供了一種可能性。筆者基于RBI技術(shù)的理念，利用現(xiàn)代檢測手段，構(gòu)建了基于狀態(tài)的靜設(shè)備狀態(tài)檢測維修系統(tǒng)(CBM)。該系統(tǒng)可以實(shí)時的監(jiān)測靜設(shè)備損傷狀態(tài)，并且以現(xiàn)代檢測設(shè)備代替人工點(diǎn)檢，依靠物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[7]把靜設(shè)備的損傷狀態(tài)通過專家系統(tǒng)以數(shù)據(jù)的形式反映出來，依據(jù)損傷的實(shí)際分布狀態(tài)和風(fēng)險等級，實(shí)現(xiàn)科學(xué)、合理的動態(tài)決策從而避免“檢測過?！焙汀熬S修過?！钡默F(xiàn)象，以科學(xué)的分析代替人為的感性判斷和經(jīng)驗(yàn)。同時本系統(tǒng)采用閉環(huán)的系統(tǒng)循環(huán)模式，對石化企業(yè)靜設(shè)備的長周期安全運(yùn)行能夠起到良好的效果。

1 靜設(shè)備失效的根源

石化靜設(shè)備一般包括塔、罐、釜等各類壓力容器以及附屬閥、管道等[8]。圖1為合肥通用機(jī)械研究院對45家大型石化企業(yè)，686臺液化氣球罐，1 166臺高強(qiáng)鋼壓力容器，164 638臺壓力容器進(jìn)行失效原因的調(diào)研結(jié)果?？梢钥闯?990年前投用的設(shè)備存在的缺陷以設(shè)計和加工工藝為主；之后，由于科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，制造水平的提高，設(shè)計選材不當(dāng)、結(jié)構(gòu)不合理及焊接缺陷等問題逐漸淡出人們的視線，而腐蝕和疲勞問題所占的比例加大，成為現(xiàn)代石化企業(yè)靜設(shè)備失效的主要因素。造成這一現(xiàn)象的主要原因是，石化企業(yè)越來越多地進(jìn)行大型和特大型企業(yè)改擴(kuò)建，高強(qiáng)鋼被普遍使用(韌性差，裂紋敏感性增大)，各種石油化工強(qiáng)化新工藝，使設(shè)備長期處于高溫、高壓和強(qiáng)腐蝕的環(huán)境中。2015年在對中石化燕山分公司的靜設(shè)備維修作業(yè)調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，由腐蝕引起的故障維修在所有故障中所占比率高達(dá)61%，這一結(jié)果進(jìn)一步體現(xiàn)了現(xiàn)在國內(nèi)靜設(shè)備維修管理的現(xiàn)狀和腐蝕維修問題。

圖1 不同時期壓力容器失效原因的對比

2 基于狀態(tài)的維修(CBM)系統(tǒng)

迄今為止，在石化企業(yè)檢驗(yàn)和維修決策的目標(biāo)上存在著兩個極端：一個是以確保安全為目的，進(jìn)行頻繁的預(yù)防性維修；另一個是從經(jīng)濟(jì)性的角度，為滿足生產(chǎn)需要而縮短檢維修時間，以確保生產(chǎn)的連續(xù)性。看似矛盾的兩個極端問題隨著狀態(tài)檢測技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和維修分析決策技術(shù)的發(fā)展，在檢測和維修決策的過程中完全可以綜合考慮可靠性和可用性兩方面的因素，進(jìn)而平衡了安全生產(chǎn)與經(jīng)濟(jì)投入之間的矛盾?；跔顟B(tài)的維修(CBM)得到迅猛發(fā)展，并日益顯示出巨大的優(yōu)越性，目前已成為國外維修理論與應(yīng)用研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題[9],并在國外大型的石化企業(yè)中得到初步應(yīng)用[10,11]。然而，國內(nèi)的研究還尚處在起步階段。

CBM是在傳統(tǒng)的設(shè)備檢測和故障診斷基礎(chǔ)上，利用現(xiàn)代檢測技術(shù)對靜設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測,獲取靜設(shè)備的失效狀態(tài)信息，并通過維修決策模塊對所測狀態(tài)參數(shù)值進(jìn)行評價,決定是否維修或更換[12]。從20世紀(jì)70年代發(fā)展至今，狀態(tài)檢測維修在信息技術(shù)的帶動下，形成了以狀態(tài)檢測為依據(jù)的實(shí)時狀態(tài)分析模塊，并通過分析結(jié)果判定靜設(shè)備的失效狀態(tài)，從而做出實(shí)時的維修判斷。它與可靠性維修有相似之處，同時也存在著本質(zhì)的區(qū)別[13]。首先，二者的判斷依據(jù)都采用可靠性數(shù)據(jù)，但是可靠性維修是利用本設(shè)備或同類設(shè)備的歷史故障統(tǒng)計數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的統(tǒng)計學(xué)概率計算，而CBM是以設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)的檢測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，運(yùn)用概率學(xué)理論進(jìn)行設(shè)備故障的概率運(yùn)算，更能準(zhǔn)確且實(shí)時地描述本設(shè)備的失效狀態(tài)；其次，它們都以“0”(失效)、“1”(正常)來判斷本設(shè)備是否進(jìn)入維修狀態(tài)，但是可靠性維修以設(shè)定可靠性閾值的方法將設(shè)備分為“0”、 “1” 兩種狀態(tài)，而CBM能夠多等級細(xì)化設(shè)備的可靠程度，在[0，1]之間建立更多的設(shè)備狀態(tài)，通過可用性等級最終判定設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)是否需要維修、什么時候需要維修等。

對石化企業(yè)靜設(shè)備而言，CBM是靜設(shè)備數(shù)字化維修的發(fā)展趨勢，同時設(shè)備的狀態(tài)檢測通過數(shù)學(xué)模型與維修之間形成一個統(tǒng)一的有機(jī)整體，也是對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展。綜上分析，石化靜設(shè)備狀態(tài)檢測維修系統(tǒng)的構(gòu)建可以分如下幾部分進(jìn)行：

a. 收集、整理相關(guān)設(shè)備的事故案例、生產(chǎn)工藝及風(fēng)險評價等方面的資料。

b. 分析所搜集的資料，總結(jié)靜設(shè)備損傷的原因(工藝、設(shè)計等)和損傷結(jié)果(損傷類型、損傷類型的危害程度和企業(yè)應(yīng)采取的措施)。

c. 分析靜設(shè)備損傷與失效風(fēng)險之間的關(guān)系，以便選擇合理的損傷分析手段和分析過程。

d. 建立基于靜設(shè)備損傷狀態(tài)的決策理論模型。

e. 確定合理的損傷狀態(tài)分析方法。通過分析損傷形成過程、損傷狀態(tài)的轉(zhuǎn)變、損傷影響因子和靜設(shè)備失效之間的關(guān)系，做出合理的損傷狀態(tài)定位，選用正確的數(shù)學(xué)分析方法，同時對當(dāng)前風(fēng)險評價中存在的重大問題進(jìn)行失效風(fēng)險分析方法建模。

f. 利用現(xiàn)代檢測技術(shù)，以裝置為單位建立石化靜設(shè)備損傷狀態(tài)在線檢測系統(tǒng)，使靜設(shè)備的損傷狀態(tài)通過數(shù)字的方式透明化。

3 研究方法

CBM與其說是一種技術(shù)不如說是一種管理手段[14]。石化靜設(shè)備狀態(tài)檢測維修系統(tǒng)的構(gòu)建涉及設(shè)備管理、可靠性理論、檢測技術(shù)及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等多學(xué)科多領(lǐng)域，涵蓋工程科學(xué)、管理科學(xué)等方面的內(nèi)容[15,16]。根據(jù)設(shè)計流程中各模塊涉及領(lǐng)域的不同，在構(gòu)建石化靜設(shè)備狀態(tài)檢測維修系統(tǒng)過程中采用的研究方法存在著巨大的差異：

a. 統(tǒng)計分析法。此方法主要應(yīng)用于靜設(shè)備失效案例收集過程中，對所收集資料做初步的分析。

b. 案例研究法。靜設(shè)備事故案例的收集與分析過程中會涉及到管理學(xué)方面的知識，采用管理學(xué)中常用的案例研究法，通過對大量靜設(shè)備損傷和失效案例的分析，找到石化企業(yè)靜設(shè)備損傷的共同特點(diǎn)和事故緣由，從而建立決策模型。

c. 風(fēng)險分析方法的研究。此方法通常被多個行業(yè)的狀態(tài)檢測系統(tǒng)的構(gòu)建過程中所應(yīng)用。從靜設(shè)備風(fēng)險分析入手，通過研究和總結(jié)現(xiàn)有的風(fēng)險分析方法找到一種適合石化企業(yè)靜設(shè)備風(fēng)險評定的通用方法。失效風(fēng)險由概率和后果兩個因素共同確定(風(fēng)險=后果×概率)[10]。

d. 定性研究法。結(jié)合風(fēng)險分析法采用定性的數(shù)學(xué)方法建立損傷狀態(tài)分析模塊。

e. 現(xiàn)場驗(yàn)證。通過實(shí)際數(shù)據(jù)對以上研究方法進(jìn)行驗(yàn)證，并對構(gòu)建的損傷狀態(tài)檢測手段進(jìn)行現(xiàn)場測驗(yàn)。

4 靜設(shè)備狀態(tài)檢測維修系統(tǒng)理論構(gòu)架

靜設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測部位不同于動設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測，它沒有明確和連續(xù)的檢測部位，一般情況下，監(jiān)測的部位越多，監(jiān)測周期越短，系統(tǒng)估算失誤的概率就越低[17]。這種監(jiān)測方法不僅給企業(yè)造成了巨大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，由于工作量和設(shè)備所在位置的限制，“檢測不到”或“無法檢測”的現(xiàn)象時有發(fā)生，同時也不能規(guī)避“檢驗(yàn)不足”和“檢驗(yàn)過剩”的問題。針對這種現(xiàn)象，為了準(zhǔn)確了解設(shè)備的損傷分布，只能通過重點(diǎn)部位檢測和已有的檢測數(shù)據(jù)來估算其損傷速率，利用數(shù)理統(tǒng)計和概率論理論建立一種損傷分析系統(tǒng)，通過一些變量的檢測并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論分析進(jìn)行損傷機(jī)理、損傷類型、損傷重點(diǎn)部位定位和損傷變量估計，以滿足靜設(shè)備損傷檢測的需要。此外，到目前為止尚沒有一種檢測技術(shù)能夠檢測所有缺陷類型，最有效的方法依然是不同的缺陷類型采用不同的檢測技術(shù)。

完美的靜設(shè)備狀態(tài)檢測維修系統(tǒng)，不僅依賴歷史統(tǒng)計結(jié)論，而且能夠運(yùn)用檢測出的損傷狀態(tài)來判斷和預(yù)測設(shè)備損傷變化趨勢、檢驗(yàn)該變化趨勢對風(fēng)險變化的影響，并實(shí)時調(diào)整未來的檢驗(yàn)與維修策略[18]。圖2為石油化工靜設(shè)備狀態(tài)檢測維修系統(tǒng)。系統(tǒng)中靜設(shè)備的工藝數(shù)據(jù)和維修數(shù)據(jù)是專家系統(tǒng)的構(gòu)建單元，專家系統(tǒng)通過分析設(shè)備數(shù)據(jù)庫中的信息，來確定靜設(shè)備的損傷類型和影響因子，并對設(shè)備損傷風(fēng)險等級做出評價。低風(fēng)險的設(shè)備自動循環(huán)于下一次的檢測過程中；中高風(fēng)險的設(shè)備專家系統(tǒng)會做出狀態(tài)檢測建議傳遞給檢測系統(tǒng)，同時做出設(shè)備風(fēng)險的分析報告，給出相應(yīng)的維修建議，通過維修規(guī)劃管理部門做出維修或更換部件的決定，并將維修數(shù)據(jù)通過維修報告輸入到專家系統(tǒng)中，以便于系統(tǒng)以后的調(diào)用。

該系統(tǒng)可以實(shí)時監(jiān)測靜設(shè)備的損傷狀態(tài)，并以現(xiàn)代檢測設(shè)備代替人工點(diǎn)檢，整個過程完全由IT技術(shù)完成。把靜設(shè)備的損傷狀態(tài)通過專家系統(tǒng)以數(shù)據(jù)的形式反映出來，依據(jù)損傷的實(shí)際分布狀態(tài)和風(fēng)險等級，科學(xué)合理的動態(tài)決策從而減少“檢測過剩”和“維修過?！钡默F(xiàn)象，以科學(xué)的分析代替人為的感性判斷和經(jīng)驗(yàn)。同時本系統(tǒng)采用閉環(huán)的系統(tǒng)循環(huán)模式，對石化企業(yè)靜設(shè)備的長周期安全運(yùn)行起到良好的作用。

圖2 石化靜設(shè)備狀態(tài)檢測維修系統(tǒng)理論構(gòu)架

5 結(jié)束語

合理的維修方式不僅能降低企業(yè)設(shè)備的運(yùn)行成本，而且決定著企業(yè)在激烈的行業(yè)競爭中的生存。針對目前石化行業(yè)靜設(shè)備檢測技術(shù)相對落后的現(xiàn)狀，通過借鑒其他行業(yè)狀態(tài)檢測系統(tǒng)的構(gòu)建模式，區(qū)別動設(shè)備與靜設(shè)備在構(gòu)建設(shè)備狀態(tài)檢測系統(tǒng)中的不同，以燕山石化企業(yè)為背景，采用現(xiàn)代先進(jìn)且常用的監(jiān)測技術(shù)，構(gòu)建了石油化工靜設(shè)備狀態(tài)檢測維修系統(tǒng)。同時分析了靜設(shè)備構(gòu)建狀態(tài)檢測維修系統(tǒng)時相對于動設(shè)備可能遇到的難點(diǎn)和目前國內(nèi)的不足，并給出相應(yīng)的解決方案。目前，靜設(shè)備狀態(tài)檢測維修系統(tǒng)的決策分析模塊是建立在本公司或本地區(qū)數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上的數(shù)學(xué)模塊，不具有普適性。尋找適合石化行業(yè)靜設(shè)備狀態(tài)檢測維修系統(tǒng)的維修決策分析模塊是未來石化靜設(shè)備維修管理的發(fā)展方向和目標(biāo)。

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EstablishmentofConditionMonitoringandMaintenanceSystemforPetrochemicalStaticEquipment

WU Tong-feng, CAI Xiao-jun, LIU Xiang-chen, WANG Li-ping

(SchoolofMechanicalEngineering,BeijingInstituteofPetrochemicalTechnology,Beijing102617,China)

The failure of static equipment in petrochemical enterprises restricts the development of petrochemical industry. Through analyzing the failure situation of static equipment in petrochemical enterprises and their maintenance methods and having commonly-used detection and maintenance technologies of the rotating equipment referred, the state inspection and maintenance system for static equipment in petrochemical enterprises was built, in which, the modern detecting technology replaces the manual inspection; and through external testing equipment or embedded sensors, the static equipment’s state information can be obtained; and through having Internet of Things combined with mathematical model, the equipment damage can be reflected to achieve real-time feedback of the static equipment’s damage; meanwhile, the application of closed-loop detection and maintenance mode and the dynamic management of the static equipment can ensure both safe and long-term operation of the petrochemical equipment.

static equipment, reliability maintenance, condition-based maintenance, maintenance shortage, damage state, risk analysis

*北京市自然科學(xué)基金項(xiàng)目(3132010)。

**吳同鋒,男,1988年6月生，碩士研究生。北京市，102617。

TQ050.7

A

0254-6094(2016)06-0717-05

2016-02-02，

2016-02-25)