石油化工靜設備狀態檢測維修系統的構建*

吳同鋒 蔡曉君 劉湘晨 王麗萍

(北京石油化工學院機械工程學院)

石油化工靜設備狀態檢測維修系統的構建*

吳同鋒**蔡曉君 劉湘晨 王麗萍

(北京石油化工學院機械工程學院)

石油化工企業靜設備的失效問題一直是制約石化行業發展的棘手問題。通過分析石化企業靜設備的失效現狀和維修手段，并借鑒動設備常用檢測維修技術，綜合其他行業狀態檢測維修案例，構建出適合石化企業靜設備的狀態檢測維修系統。用現代設備檢測技術代替人工的點檢，通過外部檢測設備或嵌入式傳感器獲取靜設備的狀態信息，結合物聯網技術用數學模型來反映靜設備的損傷狀態，達到實時反饋靜設備損傷狀態的目的。同時采用閉環的檢測維修模式和靜設備信息動態化管理，能夠對石化企業靜設備的長周期安全運行起到良好的效果。

靜設備 可靠性維修 狀態維修 維修不足 損傷狀態 風險分析

以石油作為原料的生活產品遍布世界的每一個角落，是人類物質文明的一個重要標志和體現[1]。石化企業作為各種生活產品的源頭企業，靜設備的失效問題一直制約著它的發展和經濟效益的提高，同時也給安全生產帶來諸多隱患,容易發生安全事故，給企業造成巨大損失。隨著我國經濟的發展，最近幾年進口原油逐漸增加，石化企業靜設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]。在提高靜設備維修管理水平的同時降低維修費用成為企業降本增效最有效的方法[3]。目前，國內大多數石化企業采用定期維修和事后維修的管理模式，實踐證明，這兩種維修方式不僅會出現維修不足和維修過剩的現象，而且維修費用也很高。有研究表明，約50%的事故是由維修不足引起的[4]。因此，如何及時發現靜設備的腐蝕隱患，如何評定靜設備的失效狀態并做出合理的維修決策，已成為石化企業靜設備管理的關鍵。傳統的化工靜設備管理不僅管理觀念落后，而且在管理指標和管理方法方面同樣存在著不足[5]。

RBI技術的應用改變了傳統觀念上的檢驗方法與手段[6]，隨著RBI技術在機械制造、油氣開采等行業的廣泛應用，RBI技術在國內石化行業得到了相應的應用和發展，在石化動設備的成功應用，為靜設備的狀態維修管理提供了一種可能性。筆者基于RBI技術的理念，利用現代檢測手段，構建了基于狀態的靜設備狀態檢測維修系統(CBM)。該系統可以實時的監測靜設備損傷狀態，并且以現代檢測設備代替人工點檢，依靠物聯網技術[7]把靜設備的損傷狀態通過專家系統以數據的形式反映出來，依據損傷的實際分布狀態和風險等級，實現科學、合理的動態決策從而避免“檢測過剩”和“維修過剩”的現象，以科學的分析代替人為的感性判斷和經驗。同時本系統采用閉環的系統循環模式，對石化企業靜設備的長周期安全運行能夠起到良好的效果。

1 靜設備失效的根源

石化靜設備一般包括塔、罐、釜等各類壓力容器以及附屬閥、管道等[8]。圖1為合肥通用機械研究院對45家大型石化企業，686臺液化氣球罐，1 166臺高強鋼壓力容器，164 638臺壓力容器進行失效原因的調研結果。可以看出1990年前投用的設備存在的缺陷以設計和加工工藝為主；之后，由于科學技術的發展，制造水平的提高，設計選材不當、結構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，成為現代石化企業靜設備失效的主要因素。造成這一現象的主要原因是，石化企業越來越多地進行大型和特大型企業改擴建，高強鋼被普遍使用(韌性差，裂紋敏感性增大)，各種石油化工強化新工藝，使設備長期處于高溫、高壓和強腐蝕的環境中。2015年在對中石化燕山分公司的靜設備維修作業調研中發現，由腐蝕引起的故障維修在所有故障中所占比率高達61%，這一結果進一步體現了現在國內靜設備維修管理的現狀和腐蝕維修問題。

圖1 不同時期壓力容器失效原因的對比

2 基于狀態的維修(CBM)系統

迄今為止，在石化企業檢驗和維修決策的目標上存在著兩個極端：一個是以確保安全為目的，進行頻繁的預防性維修；另一個是從經濟性的角度，為滿足生產需要而縮短檢維修時間，以確保生產的連續性。看似矛盾的兩個極端問題隨著狀態檢測技術、計算機技術和維修分析決策技術的發展，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，進而平衡了安全生產與經濟投入之間的矛盾。基于狀態的維修(CBM)得到迅猛發展，并日益顯示出巨大的優越性，目前已成為國外維修理論與應用研究領域的熱點問題[9],并在國外大型的石化企業中得到初步應用[10,11]。然而，國內的研究還尚處在起步階段。

CBM是在傳統的設備檢測和故障診斷基礎上，利用現代檢測技術對靜設備的運行狀況進行狀態監測,獲取靜設備的失效狀態信息，并通過維修決策模塊對所測狀態參數值進行評價,決定是否維修或更換[12]。從20世紀70年代發展至今，狀態檢測維修在信息技術的帶動下，形成了以狀態檢測為依據的實時狀態分析模塊，并通過分析結果判定靜設備的失效狀態，從而做出實時的維修判斷。它與可靠性維修有相似之處，同時也存在著本質的區別[13]。首先，二者的判斷依據都采用可靠性數據，但是可靠性維修是利用本設備或同類設備的歷史故障統計數據為基礎的統計學概率計算，而CBM是以設備當前狀態的檢測數據為基礎，運用概率學理論進行設備故障的概率運算，更能準確且實時地描述本設備的失效狀態；其次，它們都以“0”(失效)、“1”(正常)來判斷本設備是否進入維修狀態，但是可靠性維修以設定可靠性閾值的方法將設備分為“0”、 “1” 兩種狀態，而CBM能夠多等級細化設備的可靠程度，在[0，1]之間建立更多的設備狀態，通過可用性等級最終判定設備當前狀態是否需要維修、什么時候需要維修等。

對石化企業靜設備而言，CBM是靜設備數字化維修的發展趨勢，同時設備的狀態檢測通過數學模型與維修之間形成一個統一的有機整體，也是對物聯網技術的應用和發展。綜上分析，石化靜設備狀態檢測維修系統的構建可以分如下幾部分進行：

a. 收集、整理相關設備的事故案例、生產工藝及風險評價等方面的資料。

b. 分析所搜集的資料，總結靜設備損傷的原因(工藝、設計等)和損傷結果(損傷類型、損傷類型的危害程度和企業應采取的措施)。

c. 分析靜設備損傷與失效風險之間的關系，以便選擇合理的損傷分析手段和分析過程。

d. 建立基于靜設備損傷狀態的決策理論模型。

e. 確定合理的損傷狀態分析方法。通過分析損傷形成過程、損傷狀態的轉變、損傷影響因子和靜設備失效之間的關系，做出合理的損傷狀態定位，選用正確的數學分析方法，同時對當前風險評價中存在的重大問題進行失效風險分析方法建模。

f. 利用現代檢測技術，以裝置為單位建立石化靜設備損傷狀態在線檢測系統，使靜設備的損傷狀態通過數字的方式透明化。

3 研究方法

CBM與其說是一種技術不如說是一種管理手段[14]。石化靜設備狀態檢測維修系統的構建涉及設備管理、可靠性理論、檢測技術及物聯網技術等多學科多領域，涵蓋工程科學、管理科學等方面的內容[15,16]。根據設計流程中各模塊涉及領域的不同，在構建石化靜設備狀態檢測維修系統過程中采用的研究方法存在著巨大的差異：

a. 統計分析法。此方法主要應用于靜設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。靜設備事故案例的收集與分析過程中會涉及到管理學方面的知識，采用管理學中常用的案例研究法，通過對大量靜設備損傷和失效案例的分析，找到石化企業靜設備損傷的共同特點和事故緣由，從而建立決策模型。

c. 風險分析方法的研究。此方法通常被多個行業的狀態檢測系統的構建過程中所應用。從靜設備風險分析入手，通過研究和總結現有的風險分析方法找到一種適合石化企業靜設備風險評定的通用方法。失效風險由概率和后果兩個因素共同確定(風險=后果×概率)[10]。

d. 定性研究法。結合風險分析法采用定性的數學方法建立損傷狀態分析模塊。

e. 現場驗證。通過實際數據對以上研究方法進行驗證，并對構建的損傷狀態檢測手段進行現場測驗。

4 靜設備狀態檢測維修系統理論構架

靜設備的狀態監測部位不同于動設備的狀態監測，它沒有明確和連續的檢測部位，一般情況下，監測的部位越多，監測周期越短，系統估算失誤的概率就越低[17]。這種監測方法不僅給企業造成了巨大的經濟負擔，由于工作量和設備所在位置的限制，“檢測不到”或“無法檢測”的現象時有發生，同時也不能規避“檢驗不足”和“檢驗過剩”的問題。針對這種現象，為了準確了解設備的損傷分布，只能通過重點部位檢測和已有的檢測數據來估算其損傷速率，利用數理統計和概率論理論建立一種損傷分析系統，通過一些變量的檢測并結合經驗數據和理論分析進行損傷機理、損傷類型、損傷重點部位定位和損傷變量估計，以滿足靜設備損傷檢測的需要。此外，到目前為止尚沒有一種檢測技術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。

完美的靜設備狀態檢測維修系統，不僅依賴歷史統計結論，而且能夠運用檢測出的損傷狀態來判斷和預測設備損傷變化趨勢、檢驗該變化趨勢對風險變化的影響，并實時調整未來的檢驗與維修策略[18]。圖2為石油化工靜設備狀態檢測維修系統。系統中靜設備的工藝數據和維修數據是專家系統的構建單元，專家系統通過分析設備數據庫中的信息，來確定靜設備的損傷類型和影響因子，并對設備損傷風險等級做出評價。低風險的設備自動循環于下一次的檢測過程中；中高風險的設備專家系統會做出狀態檢測建議傳遞給檢測系統，同時做出設備風險的分析報告，給出相應的維修建議，通過維修規劃管理部門做出維修或更換部件的決定，并將維修數據通過維修報告輸入到專家系統中，以便于系統以后的調用。

該系統可以實時監測靜設備的損傷狀態，并以現代檢測設備代替人工點檢，整個過程完全由IT技術完成。把靜設備的損傷狀態通過專家系統以數據的形式反映出來，依據損傷的實際分布狀態和風險等級，科學合理的動態決策從而減少“檢測過剩”和“維修過剩”的現象，以科學的分析代替人為的感性判斷和經驗。同時本系統采用閉環的系統循環模式，對石化企業靜設備的長周期安全運行起到良好的作用。

圖2 石化靜設備狀態檢測維修系統理論構架

5 結束語

合理的維修方式不僅能降低企業設備的運行成本，而且決定著企業在激烈的行業競爭中的生存。針對目前石化行業靜設備檢測技術相對落后的現狀，通過借鑒其他行業狀態檢測系統的構建模式，區別動設備與靜設備在構建設備狀態檢測系統中的不同，以燕山石化企業為背景，采用現代先進且常用的監測技術，構建了石油化工靜設備狀態檢測維修系統。同時分析了靜設備構建狀態檢測維修系統時相對于動設備可能遇到的難點和目前國內的不足，并給出相應的解決方案。目前，靜設備狀態檢測維修系統的決策分析模塊是建立在本公司或本地區數據庫基礎上的數學模塊，不具有普適性。尋找適合石化行業靜設備狀態檢測維修系統的維修決策分析模塊是未來石化靜設備維修管理的發展方向和目標。

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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

*北京市自然科學基金項目(3132010)。

**吳同鋒,男,1988年6月生，碩士研究生。北京市，102617。

TQ050.7

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0254-6094(2016)06-0717-05

2016-02-02，

2016-02-25)