以可靠性為中心的往復(fù)式壓縮機(jī)維修方法研究

裴峻峰 ，許 軍 ，鄭慶元 ，姜海一 ，鄧守層，劉威成

1.常州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 （江蘇 常州 213016）

2.中海油氣開(kāi)發(fā)利用泰州石化有限公司 （江蘇 泰州 225300）

3.中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院 （北京 100013）

往復(fù)式壓縮機(jī)是石化企業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備，它的安全可靠運(yùn)行，直接關(guān)系到裝置的安全和效益。所以尋找最佳的維修時(shí)間和方法，保證設(shè)備和系統(tǒng)的長(zhǎng)期安穩(wěn)運(yùn)行，發(fā)揮其最佳性能，具有十分重要的意義[1]。

以可靠性為中心的維修方法，可以為企業(yè)減少停機(jī)次數(shù)和停機(jī)時(shí)間，延長(zhǎng)生產(chǎn)時(shí)間；降低事故發(fā)生率，保證人身安全；減少設(shè)備維修費(fèi)用，降低企業(yè)成本。同時(shí)，以可靠性為中心的維修（RCM）對(duì)促進(jìn)現(xiàn)代設(shè)備維修管理行業(yè)的發(fā)展具有重要指導(dǎo)意義[2]。

1 往復(fù)壓縮機(jī)可靠性與失效機(jī)理分析

1.1 往復(fù)式壓縮機(jī)子系統(tǒng)分析

失效模式與影響分析方法（FMEA）是分析零部件所發(fā)生故障與系統(tǒng)故障之間因果關(guān)系的一種方法，分析了系統(tǒng)零部件的潛在失效危險(xiǎn)后，找出可能引起失效或故障的原因，確定故障對(duì)于系統(tǒng)工作功能的影響[3]。對(duì)該往復(fù)式壓縮機(jī)進(jìn)行FMEA分析，分析結(jié)果見(jiàn)表1。

1.2 往復(fù)式壓縮機(jī)關(guān)鍵零部件失效風(fēng)險(xiǎn)與失效機(jī)理

1.2.1 基于故障樹(shù)的可靠性分析

對(duì)于往復(fù)式壓縮機(jī)，其主要的失效事件包括氣閥故障、氣缸故障、密封故障、活塞故障、十字頭故障和軸瓦/軸承故障等。各事件的代號(hào)解釋見(jiàn)表2。

根據(jù)以上故障單元的分類，可建立故障樹(shù)[4]，如圖1所示。

1.2.2 關(guān)鍵零部件風(fēng)險(xiǎn)分析

根據(jù)某大型石化企業(yè)1990～2013年往復(fù)式壓縮機(jī)維修管理數(shù)據(jù)資料，結(jié)合故障樹(shù)上的每個(gè)最小割集在該系統(tǒng)中的重要性，故障后果 （包括安全后果、環(huán)境后果、經(jīng)濟(jì)后果等）的嚴(yán)重性，可得出往復(fù)式壓縮機(jī)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估表（表3）。

1.2.3 失效零部件機(jī)理分析

在對(duì)往復(fù)式壓縮機(jī)運(yùn)行記錄和維修記錄資料整理的基礎(chǔ)上，統(tǒng)計(jì)了3 322條維修記錄，對(duì)各類壓縮機(jī)故障進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得出失效等級(jí)分布數(shù)據(jù)餅狀圖（圖2）和往復(fù)式壓縮機(jī)維修項(xiàng)目餅狀圖（圖3）。

表1 FMEA定性分析結(jié)果

表2 往復(fù)式壓縮機(jī)基本失效事件對(duì)應(yīng)表

從圖3可以看出，閥、活塞、填料的維修次數(shù)最多，占據(jù)了維修次數(shù)的一半以上，所以在日常維護(hù)中需要對(duì)這幾個(gè)部件的運(yùn)行情況多做觀察，對(duì)故障部位勤監(jiān)測(cè)，早發(fā)現(xiàn)、早解決，減少故障發(fā)生給企業(yè)帶來(lái)的損失。

圖1 往復(fù)式壓縮機(jī)故障樹(shù)分析

表3 往復(fù)式壓縮機(jī)關(guān)鍵零部件風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估表

通過(guò)對(duì)往復(fù)式壓縮機(jī)各故障失效機(jī)理的分布餅狀圖分析，還可得知磨損、儀器故障、泄漏這3個(gè)失效機(jī)理出現(xiàn)次數(shù)最多，占總失效機(jī)理的一半以上。而磨損失效機(jī)理約為總失效機(jī)理的一半，所以在設(shè)備維護(hù)管理過(guò)程中，要把潤(rùn)滑作為重點(diǎn)，這樣可以減少設(shè)備各部件故障發(fā)生的概率。

2 預(yù)防性維修周期的優(yōu)化

預(yù)防性維修周期對(duì)保證系統(tǒng)運(yùn)行的安全性、工作效率與經(jīng)濟(jì)性具有非常重要的意義，直接影響著設(shè)備故障率和維修效果[5]。

在確定預(yù)防性維修周期時(shí)，通常要進(jìn)行的工作有3步：①確定設(shè)備運(yùn)行時(shí)間數(shù)據(jù)所服從的概率分布模型；②分布函數(shù)的確定；③利用分布函數(shù)計(jì)算設(shè)備的相關(guān)可靠度參數(shù)，如可靠度曲線、平均無(wú)故障時(shí)間、可用度等。

圖2 往復(fù)式壓縮機(jī)失效等級(jí)分布餅狀圖

圖3 往復(fù)式壓縮機(jī)維修項(xiàng)目分布餅狀圖

三參數(shù)威布爾分布被廣泛地應(yīng)用于機(jī)械產(chǎn)品，工程材料、系統(tǒng)化設(shè)備的失效數(shù)據(jù)分析中，其參數(shù)估計(jì)的質(zhì)量很大程度上影響著評(píng)估產(chǎn)品的可靠度精度。三參數(shù)威布爾分布的概率密度函數(shù)為[6]：

其分布函數(shù)為：

式中：t為隨機(jī)變量；t0為位置參數(shù)；β為形狀參數(shù)；η為尺度參數(shù)。

2.1 分布模型的確定

統(tǒng)計(jì)所研究的往復(fù)式壓縮機(jī)組的維修管理數(shù)據(jù)，取各機(jī)組的運(yùn)行時(shí)間（即大修間隔時(shí)間）作為隨機(jī)變量，采集樣本觀測(cè)值。T={37 111，25 077.5,11 676.25,20 366.5,12 638.17，11 151,11 379,20 628,3 687.5,929.666 7,23 814.63, 11 042,19 368.5,19 292,23 631,42 594,35 525.5,9 659.167,10 956.13,13 865.25,11 624.57,11 533.29,8 705,42 788,11 060,56 074,33 000.25,49 602,27 696,17 496,8 100,29 656,44 395,96 691.75,1 402.286,77 717.5,58 406.5,17 414.5,18 053,88 082.75,51 726.5,90 280.5,22 292,140 472,27 393,34 030.5,25 689.5,34 229.75,26 160.5,4 676,25 183,5 377,18 747.63,1 450,39 528,60 100,48 625.25,14 068.38,85 766,62 253}，單位為 h。

采用可靠性分析程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行屬于何種概率分布的K-S檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 往復(fù)式壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)間K-S檢驗(yàn)

由表4可以看出該組數(shù)據(jù)服從威布爾分布，該結(jié)果也可通過(guò)圖像來(lái)體現(xiàn)，如圖4所示。

圖4 往復(fù)式壓縮機(jī)威布爾模型擬合

2.2 威布爾分布參數(shù)的確定

將往復(fù)式壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)間數(shù)據(jù)代入相關(guān)程序確定威布爾分布的3個(gè)參數(shù)，結(jié)果見(jiàn)表5。

將參數(shù)代入公式（1）、（2），求得往復(fù)式壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)間的概率密度函數(shù)為：

表5 威布爾分布的參數(shù)值

2.3 可靠性結(jié)果分析

根據(jù)運(yùn)行時(shí)間概率密度函數(shù)可作出概率密度曲線，如圖5所示。

圖5中運(yùn)行時(shí)間概率密度曲線的最高點(diǎn)處表示該廠往復(fù)式壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)間的眾數(shù)，對(duì)應(yīng)的無(wú)故障運(yùn)行時(shí)間為9 090小時(shí)，約378天，即1.06年。

圖5 運(yùn)行時(shí)間概率密度函數(shù)

已知運(yùn)行時(shí)間的概率密度函數(shù)f(t)和不可靠度故障概率累積函數(shù)F(t)后，則故障率函數(shù)[7]為：

而往復(fù)式壓縮機(jī)的運(yùn)行可靠度函數(shù)為：

往復(fù)式壓縮機(jī)隨運(yùn)行時(shí)間的可靠度變化趨勢(shì)理論計(jì)算值和由實(shí)際數(shù)據(jù)求得的可靠度趨勢(shì)，見(jiàn)圖6。

圖6 往復(fù)式壓縮機(jī)組的可靠度變化趨勢(shì)圖

由圖6可以看出，該企業(yè)往復(fù)壓縮機(jī)組可靠度變化的實(shí)際趨勢(shì)和理論計(jì)算值是相當(dāng)吻合的。

同時(shí)，可求得此壓縮機(jī)的平均無(wú)故障時(shí)間為[8]：

即1.92年，約2年。

并求得往復(fù)式壓縮機(jī)組的穩(wěn)態(tài)可用度As[8]為：

欲得到較高的設(shè)備可靠度就需要盡量增大平均無(wú)故障時(shí)間tMTBF，縮短設(shè)備平均修復(fù)時(shí)間tMTTR。增大tMTBF在 tMTTF(平均失效時(shí)間 tMTTF=tMTBF+tMTTR)中的比例[9]。

從大修時(shí)間概率密度圖像中得到的正常運(yùn)行時(shí)間（預(yù)防性維修周期）眾數(shù)為1.06年，雖然1.06年小于1.92年可以采用，但相差太大，會(huì)造成過(guò)剩維修，設(shè)備維修資金浪費(fèi)。所以預(yù)防性維修周期可以適當(dāng)延后，建議該企業(yè)的往復(fù)式壓縮機(jī)組可采用1.5年一次大修的維修策略。

3 結(jié)論

將以可靠性為中心的維修方法應(yīng)用到石油化工行業(yè)的往復(fù)式壓縮機(jī)中，求得了某大型石化企業(yè)往復(fù)式壓縮機(jī)組的各系統(tǒng)重要度，并作出往復(fù)式壓縮機(jī)各零件的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估表。根據(jù)對(duì)往復(fù)式壓縮機(jī)組維修管理數(shù)據(jù)中的平均大修前運(yùn)行時(shí)間和平均大修所需時(shí)間的分析研究，優(yōu)化了預(yù)防性維修周期，求得了企業(yè)的所有往復(fù)式壓縮機(jī)穩(wěn)態(tài)可用度。研究工作和結(jié)果對(duì)石化大型設(shè)備的可靠性與維修性管理具有積極的意義和科學(xué)的參考價(jià)值。

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