基于RCM理論離心式壓縮機(jī)安全評價(jià)及維修決策

馬虎強(qiáng) 梁 偉 張來斌

（中國石油大學(xué)（北京）機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院 北京）

一、引言

管道運(yùn)輸是天然氣最主要的運(yùn)輸方式，而維持天然氣管道運(yùn)行的動(dòng)力源正是壓縮機(jī)。作為關(guān)鍵動(dòng)力設(shè)備，在石油化工生產(chǎn)裝置中發(fā)揮著核心的作用，其運(yùn)行狀態(tài)直接影響著整個(gè)企業(yè)的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益。目前有很多的安全評價(jià)方法和故障檢測及診斷技術(shù)應(yīng)用于壓縮機(jī)組上，但多數(shù)往往只進(jìn)行單方面的評價(jià)和檢測，缺乏對系統(tǒng)工況的動(dòng)態(tài)認(rèn)識(shí)，缺乏系統(tǒng)的應(yīng)急措施和預(yù)案來減少事故損失，使得評價(jià)結(jié)果的實(shí)際指導(dǎo)意義越來越低。

RCM理論在綜合考慮裝置的設(shè)計(jì)特點(diǎn)、運(yùn)行功能、故障模式及后果分析的基礎(chǔ)上，為最大程度提高裝置的使用可靠性，利用所得到的安全性與可靠性數(shù)據(jù)，對設(shè)備的維修要求進(jìn)行評估，最終制定出合理、實(shí)用的維修計(jì)劃[1]。以天然氣壓縮機(jī)為主要研究對象，運(yùn)用RCM理論對其進(jìn)行綜合分析，制定天然氣壓縮機(jī)的維修決策。

二、RCM分析流程

運(yùn)用RCM理論進(jìn)行分析的基本步驟[2][3]。

（1）確定重要功能部件（FSI）。一套裝置是由大量的附屬系統(tǒng)及零部件組成，這些子系統(tǒng)和零部件都有特定的功能，且都有可能發(fā)生故障。預(yù)防性維修大綱只針對于重要功能子系統(tǒng)或零部件，按其復(fù)雜程度列出所有的部件，把對整個(gè)裝置影響較小的部分略去，留下來就是必須做維修研究的部件，但隱蔽功能部件都是重要部件。

（2）RCM分析的第二步就是對已經(jīng)選定的重要功能部件展開故障模式及影響分析（FMEA），通過FMEA分析，明確部件的功能、故障模式、故障原因及故障影響，以此為基于故障原因的RCM決策分析提供基本信息。

（3）應(yīng)用邏輯判斷圖選擇維修的工作類型。對重要功能部件的所有故障原因，嚴(yán)格按RCM邏輯判斷圖進(jìn)行分析決斷，給出針對相應(yīng)故障原因的預(yù)防性維修決策及工作間隔期。各類預(yù)防性維修工作間隔期的確定可參照下述數(shù)據(jù)與方法：產(chǎn)品生產(chǎn)商數(shù)據(jù)；類似產(chǎn)品的相似數(shù)據(jù)；現(xiàn)場故障統(tǒng)計(jì)歷史記錄；相關(guān)專家的建議；對重要功能部件維修工作間隔期的確定應(yīng)有相應(yīng)模型支持和定量分析。

（4）進(jìn)行系統(tǒng)整合，形成計(jì)劃。為提高維修效率，以預(yù)定的間隔期為基準(zhǔn)把維修時(shí)間間隔不同的維修工作組合在一起，盡量采用預(yù)定的間隔期，且與現(xiàn)有的維修制度保持一致。制定好裝置的預(yù)定維修間隔期后，把各預(yù)防性維修工作加入相鄰的工作間隔期，但對安全后果與任務(wù)后果的預(yù)防性維修工作加入的預(yù)定間隔期，應(yīng)不大于其分析得到的工作間隔期。

三、RCM理論應(yīng)用實(shí)例研究

1.壓氣站場基本情況調(diào)研

壓氣站地處陜北某市，分為2個(gè)部分，一線壓氣站設(shè)計(jì)輸量38×108 m3/a，供氣壓力4 MPa，設(shè)計(jì)出站壓力6.4 MPa；二線壓氣站（二線部分）設(shè)計(jì)輸量120×108m3/a，供氣壓力4～10 MPa，設(shè)計(jì)出站壓力10 MPa。

2.系統(tǒng)劃分

為便于RCM決策分析，依據(jù)3條系統(tǒng)劃分原則進(jìn)行系統(tǒng)劃分[6]:①保證分系統(tǒng)功能完整的條件下，將所屬元素歸類到分系統(tǒng)中。②對系統(tǒng)運(yùn)行影響大、功能明確的設(shè)備劃分為一個(gè)獨(dú)立的分系統(tǒng)。③分系統(tǒng)劃分邊界的條件明確，一臺(tái)設(shè)備不能分屬于兩個(gè)分系統(tǒng)。

表1 壓縮機(jī)組詳細(xì)系統(tǒng)劃分

根據(jù)上述原則和系統(tǒng)功能特點(diǎn)，將離心式壓縮機(jī)及其輔助系統(tǒng)劃分為7個(gè)系統(tǒng)，如表1所示。

3.故障模式與影響分析（FMEA）

FMEA是以可靠性為中心維修分析中的極為關(guān)鍵的一步[7][8]。表2是離心式壓縮機(jī)組的FMEA分析表。

表2 離心式壓縮機(jī)工作系統(tǒng)FMEA分析表

4.風(fēng)險(xiǎn)矩陣

風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)采用通用的風(fēng)險(xiǎn)矩陣法，分析故障模式的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。在分析過程中主要考慮5方面因素：①故障模式的失效概率；②對生產(chǎn)的影響；③安全影響后果；④環(huán)境影響后果；⑤維修費(fèi)用影響后果[9]。

考慮以上5種因素，風(fēng)險(xiǎn)矩陣的縱坐標(biāo)表示故障可能性等級(jí)，按照故障模式發(fā)生率分為5個(gè)等級(jí)；橫坐標(biāo)表示故障影響后果等級(jí)，按照嚴(yán)重程度將每種后果分為5個(gè)等級(jí)。矩陣風(fēng)險(xiǎn)分布分為高（H）、中（M）、低（L）3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，風(fēng)險(xiǎn)矩陣如表3～表5。

表3 安全性、環(huán)境性后果風(fēng)險(xiǎn)矩陣

表4 經(jīng)濟(jì)性后果風(fēng)險(xiǎn)矩陣

表5 生產(chǎn)損失后果風(fēng)險(xiǎn)矩陣

根據(jù)表3～表5，對離心式壓縮機(jī)及其附屬系統(tǒng)的故障模式進(jìn)行評定，其中，C（Criticality,危險(xiǎn)度）為故障發(fā)生的可能性，在本實(shí)例中，C的主要數(shù)據(jù)來源于部分歷史記錄及專家老師的經(jīng)驗(yàn)結(jié)果；故障后果等級(jí)主要依靠專家的經(jīng)驗(yàn)，以及參考設(shè)備歷史記錄。整個(gè)風(fēng)險(xiǎn)矩陣的最終分析結(jié)果才是理論意義上的風(fēng)險(xiǎn)度Criticality，它是用來評價(jià)每種故障類型的危險(xiǎn)程度，美國杜邦公司將其劃分為3個(gè)等級(jí)，高H（High），中M（Middle），低L（Low）。

針對表2運(yùn)用風(fēng)險(xiǎn)矩陣圖判斷后，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)結(jié)果如表6所示。

表6 故障模式和影響結(jié)果分析

表6的分析結(jié)果顯示，高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的故障模式有壓縮系統(tǒng)的振動(dòng)或異常聲音，壓縮系統(tǒng)的軸承高溫，密封系統(tǒng)的密封失效；而中風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的故障模式只有潤滑系統(tǒng)的軸承高溫。高風(fēng)險(xiǎn)功能部件是軸、軸承與葉片。針對于上述分析結(jié)果，下面進(jìn)行相應(yīng)功能部件維修策略的制定。

5.維修決策制定

在RCM理論工作類型主要分為狀態(tài)維修、預(yù)防性維修與事后維修3類[10]。對以上3種維修方式做出系統(tǒng)地比較，如表7所

依據(jù)RCM邏輯判斷分析原則，選擇維修工作類型的依據(jù)是設(shè)備的故障后果類型、可靠性特征和故障風(fēng)險(xiǎn)值。除了具有安全性后果的故障必須進(jìn)行預(yù)防維修外，其他的故障模式可按經(jīng)濟(jì)性原則選擇狀態(tài)監(jiān)控。針對各類故障模式選擇維修工作類型的邏輯判斷圖如圖1所示。

表7 維修策略的系統(tǒng)比較

圖1 邏輯判斷圖

通過以上RCM邏輯判斷分析，確定離心式壓縮機(jī)及其附屬系統(tǒng)的維修策略，具體如表8所示。

綜上，針對軸承這一高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)功能部件，根據(jù)實(shí)際條件，采取狀態(tài)維修，如不具備狀態(tài)監(jiān)測條件，則應(yīng)采取定期維修，此時(shí)應(yīng)該結(jié)合實(shí)際生成周期，合理設(shè)定維修間隔期，以確保維修帶來的生產(chǎn)損失最低。所有的功能部件也用相同的方法，根據(jù)維修策略并結(jié)合實(shí)際情況，制定出合理的維修計(jì)劃。

四、結(jié)論

通過對離心式天然氣壓縮機(jī)進(jìn)行的研究與分析，總結(jié)了導(dǎo)致離心式天然氣壓縮機(jī)失效的原因，為日后離心式壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)、制造、生產(chǎn)使用及維護(hù)給予了指導(dǎo)性的建議。

表8 離心式壓縮機(jī)及其附屬系統(tǒng)的維修策略

通過對離心式壓縮機(jī)的RCM分析，發(fā)現(xiàn)了其中的高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的故障模式，它們是壓縮系統(tǒng)的振動(dòng)或異常聲音，壓縮系統(tǒng)的軸承高溫，密封系統(tǒng)的密封失效；而中風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的故障模式只有潤滑系統(tǒng)的軸承高溫。針對軸承這一高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)功能部件，根據(jù)實(shí)際條件，采取狀態(tài)維修，如不具備狀態(tài)監(jiān)測條件，則應(yīng)采取定期維修，此時(shí)應(yīng)該結(jié)合實(shí)際生成周期，合理設(shè)定維修間隔期，以確保維修帶來的生產(chǎn)損失最低。對軸與葉片也用相同的方法，根據(jù)維修策略并結(jié)合實(shí)際情況，制定出合理的維修計(jì)劃。

1 任世科，陳德昌.以可靠性為中心的維修技術(shù)（RCM）在石化企業(yè)中的應(yīng)用[J].設(shè)備管理與維修，2009,1（1）:12-14

2 賈發(fā)奮，蔣碩.基于可靠性預(yù)計(jì)的維修 [J].設(shè)備管理與維修，2009（8）：9-11

3 V.S.Deshpande,J.P.Modak.Application of RCM for safety Considerations in a steel plant[J].Reliability Engineering and System Safety，2002，335-334

4 李俊山，張鵬，劉武，陳小峰.離心式壓縮機(jī)失效故障樹分析[J].石油和化工裝備，2005（02），36-40

5 李俊山.天然氣壓縮機(jī)可靠性分析[D].成都：西南石油學(xué)院，2005

6 王世達(dá)，楊劍鋒.以可靠性為中心的維修發(fā)放在離心壓縮機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用[J].中國設(shè)備工程.2009,11-0032-04

7 張景林，崔國璋.安全系統(tǒng)工程[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2002

8 Gang Niu,Bo-Suk Yang,Michael Pecht.Development of an optimized condition-based maintenance system by data fusion and reliability-centered maintenance[J].Reliability Engineeringand System Safety,2010,786-796

9 Dacheng Li,JinjiGao.Study and application of Reliability-centered Maintenance considering Radical Maintenance[J].Journal of Loss Prevention in the Process Industries,2010,622-629

10 Tan Zhaoyang,Li Jianfeng,Wu Zongzhi,ZhengJianhu,He Weifeng.An evaluation of maintenance strategy using rick based inspection[J].Safety Science,2011,(49),852-860