呂肖

（國家管網(wǎng)集團(tuán)海南天然氣有限公司，海南海口 578101）

0 引言

RCM 是Reliability Centered Maintenance 的簡稱，即以可靠性為中心的維修，它是目前國際上通用的、用以確定設(shè)（裝）備預(yù)防性維修需求、優(yōu)化維修制度的一種系統(tǒng)工程方法。

RCM 的基本思路是：對系統(tǒng)/設(shè)備進(jìn)行功能與故障分析，明確系統(tǒng)內(nèi)各部件故障后果；用規(guī)范化的邏輯決斷程序，確定各種故障后果的預(yù)防性維修對策；通過現(xiàn)場故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、專家評估、定量化建模等手段在保證安全性和完好性的前提下，以最小的維修停機(jī)損失和最小的維修資源消耗為目標(biāo)，優(yōu)化系統(tǒng)的維修策略[1-2]。

1 LNG 接收站設(shè)備維修現(xiàn)狀分析

LNG（Liquefied Natural Gas，液化天然氣）接收站是由眾多設(shè)備組成的一個(gè)有機(jī)整體，通過設(shè)備的相互協(xié)作，將海上運(yùn)輸來的LNG 通過一定的工藝流程存儲在LNG 儲罐并外輸至下游用戶。按照系統(tǒng)劃分原則可將LNG 接收站劃分為卸料系統(tǒng)、儲存系統(tǒng)、BOG（Boil Off Gas，LNG 蒸發(fā)氣）處理系統(tǒng)、外輸系統(tǒng)、氮?dú)庀到y(tǒng)、海水系統(tǒng)、生產(chǎn)水和生活水系統(tǒng)等12 個(gè)生產(chǎn)及輔助系統(tǒng)，主要包括快速脫纜鉤、登船梯、卸料臂、LNG 儲罐、低壓泵、高壓泵、海水泵等設(shè)備。

目前，LNG 接收站設(shè)備維修管理模式多數(shù)采用故障性（事后）維修與計(jì)劃性（預(yù)防）維修相結(jié)合的傳統(tǒng)設(shè)備維修管理模式。故障性維修多數(shù)采用設(shè)備故障閉環(huán)管理模式[3]，通過人員巡檢管理，并結(jié)合設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測設(shè)備（振動監(jiān)測系統(tǒng)）、油品檢測等手段，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行過程中的故障與隱患，對設(shè)備進(jìn)行故障性維修。計(jì)劃性維修主要參照設(shè)備技術(shù)文件，按照推薦周期對設(shè)備進(jìn)行維修、維護(hù)，主要存在以下問題：

（1）LNG 接收站設(shè)備需滿足天然氣供應(yīng)的連續(xù)性要求[4]，導(dǎo)致該維修的項(xiàng)目沒有及時(shí)處理、小故障轉(zhuǎn)變成大故障，最終不得不采用故障維修，導(dǎo)致維修成本升高、設(shè)備可靠性降低。

（2）對各類備件消耗規(guī)律掌握不準(zhǔn)，存在急需的備件不到位、不常用備件占庫存的問題。而且維修過程中有可能拆裝了一些可正常工作的部件，不僅增加了維修工作量，也延長了維修停機(jī)時(shí)間。

（3）因設(shè)備運(yùn)行狀況、使用環(huán)境與設(shè)備設(shè)計(jì)使用條件存在差異，設(shè)備故障特性與設(shè)計(jì)屬性不一致，盲目按照廠家技術(shù)文件進(jìn)行周期性維修，會產(chǎn)生維修不足與維修過剩的問題。

（4）由于備件供應(yīng)質(zhì)量、設(shè)備本身缺陷、維修條件限制等原因，形成設(shè)備越修越壞、越壞越修的惡性循環(huán)，嚴(yán)重降低設(shè)備的可靠性。

2 RCM 原理及實(shí)施過程

RCM 以系統(tǒng)功能與故障分析為基礎(chǔ)，在明確系統(tǒng)故障、故障后果及故障嚴(yán)重程度的前提下，采用設(shè)備故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、專家評估、定量化建模等手段，應(yīng)用邏輯決策方法做出有針對性的維修決策，保持和恢復(fù)設(shè)備的可靠性，使設(shè)備管理和維修更具科學(xué)性[5]。不同維修方法的特點(diǎn)見表1，其中，F(xiàn)TA 為Fault Tree Analysis的縮寫，即故障樹分析法；FMEA 為Failure Mode and Effect Analysis 的縮寫，即故障模式及影響分析。

表1 不同維修方法的特點(diǎn)

通過FMEA 對設(shè)備的故障進(jìn)行分析，列出所有的功能及其故障模式和后果，并對故障影響進(jìn)行分類評估，然后根據(jù)后果的嚴(yán)重程度，對故障模式做出維修決策（圖1）。

圖1 RCM 邏輯決斷流程

2.1 確定RCM 分析所需的信息

為滿足分析要求，進(jìn)行RCM 分析時(shí)需提供下列信息：①設(shè)備數(shù)據(jù)，即設(shè)備分類、功能、運(yùn)轉(zhuǎn)情況、環(huán)境因素、技術(shù)特征參數(shù)等；②設(shè)備的故障信息，如設(shè)備故障模式、原因、影響和后果、頻率、故障依據(jù)、檢測方法等；③設(shè)備維修信息，如人員配置、備品配件、維修時(shí)長、維修種類、工器具等；④費(fèi)用成本信息，如維修費(fèi)、備件成本、措施費(fèi)等；⑤設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，如設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)、狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)等[6]。

2.2 RCM 分析實(shí)施過程

2.2.1 確定重要功能產(chǎn)品

FSI（重要功能產(chǎn)品）是指發(fā)生故障后會影響設(shè)備使用性、安全性或造成重大經(jīng)濟(jì)損失的產(chǎn)品。這些部件可以是系統(tǒng)、子系統(tǒng)、部件或零件等，一般情況下指分系統(tǒng)、零件。將設(shè)備按照復(fù)雜程度依次列出所有部件，重點(diǎn)分析發(fā)生故障后會嚴(yán)重影響設(shè)備功能的部件，形成“結(jié)構(gòu)樹”。

2.2.2 故障模式及影響分析

FMEA（故障模式及影響分析）主要用于分析重要產(chǎn)品的功能、故障模式以及導(dǎo)致功能故障的原因和影響。

（1）主要要求：①只對最底層次重要功能產(chǎn)品進(jìn)行分析；②針對每一項(xiàng)重要功能產(chǎn)品進(jìn)行分析，對其功能、故障原因、故障過程、故障模式及其影響進(jìn)行描述；③根據(jù)各重要功能產(chǎn)品的功能對每個(gè)故障模式進(jìn)行評價(jià)，分析故障原因；④長時(shí)間未采取防護(hù)措施且從未發(fā)生過故障的功能產(chǎn)品不進(jìn)行分析。

（2）可以達(dá)到以下目的：①找出設(shè)備運(yùn)行中潛在的故障及影響后果；②確定故障發(fā)生的頻率及降低故障發(fā)生頻率的方法；③分析得出影響設(shè)備安全、穩(wěn)定、長期運(yùn)行的關(guān)鍵故障模式；④分析出潛在故障發(fā)生的機(jī)理及預(yù)防、解決方法。

2.2.3 RCM 邏輯決斷

針對功能產(chǎn)品的故障原因，按照RCM 邏輯決斷圖[5，7]進(jìn)行分析，制定針對該故障原因的維修策略。各功能產(chǎn)品的維修策略可參考以下數(shù)據(jù)：①設(shè)備技術(shù)資料；②同行業(yè)類似設(shè)備的相似數(shù)據(jù)；③設(shè)備故障統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)；④技術(shù)專家的分析判斷；⑤重要功能產(chǎn)品維修策略建模和定量分析結(jié)果。

2.2.4 制定維修策略

為提高維修工作的作業(yè)效率，通常把維修周期不同的維修項(xiàng)目組合在一起，組合項(xiàng)目時(shí)應(yīng)以預(yù)定的周期為基準(zhǔn)，盡量采用預(yù)定的周期。為方便管理，一般采用日、周、月、季、年的維修周期，把各項(xiàng)預(yù)防性維修工作列入相鄰的維修周期，同時(shí)結(jié)合設(shè)備維修成本模型分析結(jié)果，綜合制定設(shè)備維修策略[8]。

3 基于RCM 的維修評價(jià)指標(biāo)及維修成本模型[9-10]

制定設(shè)備維修策略的基本原則是：在滿足運(yùn)行可用度的要求下，使綜合維修成本最低，實(shí)現(xiàn)設(shè)備維修的最優(yōu)化，使用設(shè)備可用度、綜合維修成本等指標(biāo)來評價(jià)維修策略的優(yōu)劣。

3.1 設(shè)備RCM 故障分析模型

可用度（A）是指設(shè)備長期運(yùn)行后，設(shè)備處于正常狀態(tài)所占的時(shí)間比例，即：

其中，MTTF（Mean Time To Failure，平均正常運(yùn)行時(shí)間）為設(shè)備平均故障時(shí)間間隔，指設(shè)備無故障運(yùn)行的平均時(shí)間；MTTR（Mean Time To Repair，平均恢復(fù)時(shí)間）指設(shè)備從發(fā)生故障到維修結(jié)束恢復(fù)其功能的平均時(shí)間。因此，MTTF=

一般情況下，設(shè)備的故障率符合指數(shù)分布規(guī)律，即：

則設(shè)備可靠度為：

式中 F（t）——設(shè)備故障率分布函數(shù)

t——設(shè)備運(yùn)行時(shí)間

因此，可確定設(shè)備的維修周期T=-lnR（t）×MTTF。

3.2 設(shè)備維修成本分析

設(shè)備維修成本主要包含設(shè)備故障維修成本、設(shè)備停機(jī)損失等部分，可表示為：

設(shè)Td為設(shè)備運(yùn)行期間累計(jì)故障時(shí)間，Tmax為設(shè)備累計(jì)運(yùn)行時(shí)間。當(dāng)已知設(shè)備的可用度及部件的故障率時(shí)，有：

維修周期T 的確定是制定維修計(jì)劃的關(guān)鍵：T 過短，表示維修過于頻繁，造成維修成本增加；T 過長，表示維修不足，設(shè)備故障率上升，將導(dǎo)致維修成本增加、設(shè)備可用度降低。

實(shí)施RCM 的最終目的在于在滿足設(shè)備可用度的前提下優(yōu)化設(shè)備維修周期，使得綜合維修成本最低。

4 基于RCM 的應(yīng)用實(shí)例

卸料臂是接收站核心設(shè)備之一，LNG 接收站一般配置4 條卸料臂，即3 條液相臂、1 條氣體返回臂，實(shí)現(xiàn)LNG 的輸送與BOG 的反輸功能。表2 為卸料臂的主要技術(shù)參數(shù)，其中1 bar=0.1 MPa、1 in=25.4 mm。

表2 卸料臂主要技術(shù)參數(shù)

4.1 確定卸料臂主要功能產(chǎn)品

卸料臂主要有內(nèi)臂、外臂、液壓系統(tǒng)、緊急脫離系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等部分組成，卸料臂通過液壓系統(tǒng)操作，使內(nèi)、外臂旋轉(zhuǎn)，將船上LNG 輸出管線與碼頭卸料管線連接起來，卸料臂安裝有緊急脫離（ERC）系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，在緊急情況下LNG船舶能快速安全地與卸料臂脫離（表3）。

表3 卸料臂主要功能產(chǎn)品

4.2 卸料臂故障統(tǒng)計(jì)分析

海南LNG 卸料臂于2014 年8 月投入使用，按照技術(shù)文件推薦的維護(hù)方式與維護(hù)周期，該設(shè)備投入運(yùn)行后5 年內(nèi)的故障模式影響分析統(tǒng)計(jì)見表4。

表4 卸料臂FMEC 分析表

4.3 卸料臂RCM 決斷

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，該設(shè)備在運(yùn)行的43 800 h 內(nèi)共發(fā)生11 次停產(chǎn)故障，累計(jì)維修時(shí)間809 h，設(shè)備平均故障時(shí)間為3982 h，由式（1）可知該設(shè)備可用度為98.2%。若將設(shè)備的可靠度設(shè)置為80%，則由式（5）可確定維修周期為889 h。

4.4 卸料臂維修策略

根據(jù)表2 數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)卸料臂不同功能產(chǎn)品故障頻次及平均周期（表5）。

表5 卸料臂功能產(chǎn)品故障次數(shù)與平均故障周期

結(jié)合設(shè)備廠家資料與實(shí)際維修經(jīng)驗(yàn)，可認(rèn)為遙控器、旋轉(zhuǎn)接頭、密封墊圈為偶然故障，在制定維修策略時(shí)不予考慮，可制定以下維修方案：

（1）方案1：按照廠家技術(shù)資料推薦維修方式，對卸料臂進(jìn)行維修。

（2）方案2：按照卸料臂RCM 決斷，每889 h（37 d）對該設(shè)備進(jìn)行全面維修。

（3）方案3：在廠家技術(shù)資料推薦維修方式的基礎(chǔ)上，按照卸料臂RCM 決斷，結(jié)合故障頻次與平均周期分析結(jié)果，對功能產(chǎn)品進(jìn)行RCM 決斷，采用月、季、年的維修周期對卸料臂進(jìn)行維修，在廠家技術(shù)資料推薦維修方式的基礎(chǔ)上增加表6的維修內(nèi)容。

表6 方案3 卸料臂維修周期及維修成本

結(jié)合式（6），以3 年為周期，各維修策略對應(yīng)的維修成本分析見表7。

表7 不同維修策略的綜合維修成本 萬元

由上述分析可知，方案1 綜合維修成本為227.03 萬元，設(shè)備故障產(chǎn)生的維修成本過高，存在維修不足的問題；方案3 綜合維修成本為276.12 萬元，均為預(yù)防性維修產(chǎn)生的成本，存在維修過剩的問題；方案2 最為合理，且綜合維修成本最低。

4.5 應(yīng)用實(shí)例分析

2017—2020 年海南LNG 接收站采用方案2 對卸料臂進(jìn)行維修，期間發(fā)生偶發(fā)性設(shè)備故障1 次，維修時(shí)長74 h，由式（1）可知該設(shè)備可用度為99.7%，較使用RCM 前提高1.5%，綜合維修成本降低了70.4%。

5 結(jié)論與建議

（1）RCM 是一種現(xiàn)代化設(shè)備管理模式，通過系統(tǒng)性、多層次分析設(shè)備故障規(guī)律，綜合制定設(shè)備維修策略，克服了“多維修、多保養(yǎng)”和“故障后再維修”的傳統(tǒng)維修弊端，使維修工作更具有科學(xué)性。

（2）應(yīng)用RCM 可供維修部門制定、執(zhí)行維修作業(yè)計(jì)劃，完備的RCM 分析記錄可為設(shè)備維修提供詳實(shí)的歷史數(shù)據(jù)，為優(yōu)化人員配置、建立備品配件安全庫存、統(tǒng)籌生產(chǎn)與檢修之間的時(shí)間安排提供數(shù)據(jù)支持。

（3）本文建立的RCM 故障分析、設(shè)備維修成本分析模型，經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證，可有效用于綜合分析、制定維修策略，降低維修成本，為RCM實(shí)施提供了可行途徑。

（4）隨著LNG 接收站自動化程度的不斷提高，設(shè)備維修所占的地位也日益重要，故障控制與預(yù)防性維修已成為LNG 接收站設(shè)備管理過程中的關(guān)鍵，應(yīng)用RCM 對保證LNG 接收站設(shè)備安全運(yùn)行、防止重大事故發(fā)生具有重大意義。