航空及武器裝備領(lǐng)域基于可靠性的維修的發(fā)展經(jīng)驗(yàn) 對其在石化領(lǐng)域應(yīng)用的啟示

孫偉峰，張興芳，宣征南，劉雁，李志海

（1太原理工大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，山西 太原 030024；2廣東石油化工學(xué)院，廣東 茂名 525000）

以可靠性為中心的維修理論認(rèn)為，一切維修活動歸根結(jié)底都是為了保持和恢復(fù)設(shè)備的可靠性[1]。根據(jù)設(shè)備的可靠性狀況，基于可靠性的維修（RCM）是以最少的資源消耗，進(jìn)行裝置系統(tǒng)劃分，用邏輯決斷分析法來確定所需要的維修任務(wù)、維修類型、維修間隔期和維修級別，制定出預(yù)防性維修大綱，從而達(dá)到優(yōu)化維修并維持裝備可靠性的目的[2-3]。RCM的基本分析流程和外圍工作如圖1所示[4]。

20世紀(jì)60年代末在美國航空界，首次應(yīng)用RCM制定維修大綱的是波音747 公司[5]。1988年，John Moubray針對工業(yè)設(shè)備發(fā)展了“Failure Mode，Effect and Criticality Analysis”的概念[6]，并稱之為“以可靠性為中心的維修”。1991年，John Moubray提出了 RCMⅡ[7]，強(qiáng)調(diào)了可靠性的主要特點(diǎn)和故障性質(zhì)，也強(qiáng)調(diào)了環(huán)境保護(hù)問題。RCM很早就在國外大型石化公司如ExxonMobil、ConocoPhillips等應(yīng)用成功[8]。著名風(fēng)險評價專業(yè)公司挪威船級社（DNV）[9]，很早開始就一直為石油石化企業(yè)提供設(shè)備維護(hù)的RCM 咨詢服務(wù)。英國天然氣輸送公司UK Gas采用RCM理論制定維護(hù)計劃，既降低了故障率，又節(jié)省了大量維護(hù)開支[10]。加拿大NOVA 天然氣輸送公司也采用了RCM理論正在逐步滿足社會越來越高的安全和環(huán)境的要求[11]。相比國外，國內(nèi)將RCM引進(jìn)石化領(lǐng)域的時間就比較晚，為了更好地在石化領(lǐng)域開展RCM分析，因此借鑒其他領(lǐng)域RCM發(fā)展的經(jīng)驗(yàn)是十分有必要的。下面首先介紹了RCM在航空和武器裝備兩個領(lǐng)域發(fā)展中遇到的問題和解決方案，研究熱點(diǎn)等。并分別對比航空、武器領(lǐng)域，反觀石化領(lǐng)域應(yīng)用RCM的同類熱點(diǎn)、難點(diǎn)等，并總結(jié)了幾點(diǎn)可借鑒的RCM發(fā)展經(jīng)驗(yàn)。然后單獨(dú)介紹了幾個RCM在石化領(lǐng)域發(fā)展的焦點(diǎn)問題和最新研究成果。最后總結(jié)三個領(lǐng)域RCM總體發(fā)展?fàn)顩r，為RCM在石化領(lǐng)域今后的發(fā)展作參考。

1 RCM在航空領(lǐng)域的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)對其在石化領(lǐng)域發(fā)展的指導(dǎo)

RCM首先在航空界有較大發(fā)展，美國波音747公司在20世紀(jì)90年代應(yīng)用大量可靠性維修性數(shù)據(jù)和成果使維修費(fèi)用降低15%[12]。從圖1看RCM分析都要依賴于可靠性數(shù)據(jù)，然而我國民用飛機(jī)可靠性維修性工作卻缺乏基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[13]。小子樣系統(tǒng)評估是解決數(shù)據(jù)不足的一個手段，余國林[14]研究了飛機(jī)在小子樣系統(tǒng)評估方法。張恒喜教授、郭基聯(lián)博士等[15]建立了飛機(jī)小樣本壽命周期費(fèi)用預(yù)測模型。由于數(shù)據(jù)缺乏，所以數(shù)據(jù)信息的充分利用尤為重要，何江[16]就基于信息融合技術(shù)研究了民航飛機(jī)可靠性數(shù)據(jù)分析，Niu等[17]提出了基于數(shù)據(jù)融合和以可靠性為中心的狀態(tài)檢測維修系統(tǒng)，為數(shù)據(jù)融合技術(shù)與RCM的結(jié)合提供了很好的理論借鑒。然而小子樣評估、數(shù)據(jù)融合技術(shù)等方法不能根本解決這一問題，建立可靠性數(shù)據(jù)庫才是解決問題的關(guān)鍵。其中耿端陽等[18]應(yīng)用Access工具開發(fā)了裝備系統(tǒng)級維修經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫。在飛機(jī)維修中開發(fā)基于可靠性維修模型是研究的熱點(diǎn)，尤其是維修優(yōu)化模型。民用飛機(jī)的維修成本約為飛機(jī)購買價格的 50%～120%，是飛機(jī)全壽命周期成本中最具影響力的組成部分[19]，因此以維修成本最小為目標(biāo)的維修優(yōu)化模型成為了研究熱點(diǎn)，這為航空領(lǐng)域RCM分析提供了科學(xué)的優(yōu)化策略。梁劍[20]以維修成本最小為目標(biāo)建立了優(yōu)化的航空發(fā)動機(jī)視情決策模型。Dieter Scholz 教授和他的學(xué)生[21]提出了DOCsys 系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析模型方法直接用于評估飛機(jī)系統(tǒng)直接運(yùn)營成本。

圖1 RCM分析流程圖[4]

總的來說，RCM在航空領(lǐng)域的發(fā)展難點(diǎn)之一在于缺乏廣泛的可靠性數(shù)據(jù)支持，熱點(diǎn)之一在于以維修的經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)進(jìn)行維修決策的優(yōu)化。RCM在化工領(lǐng)域的發(fā)展難點(diǎn)和熱點(diǎn)也囊括了這些。國內(nèi)化工裝置、設(shè)備以及零部件廣泛缺乏失效數(shù)據(jù)[22]。從航空領(lǐng)域RCM發(fā)展可以看出，要解決這一問題，需要建立各種化工設(shè)備的數(shù)據(jù)庫。國外已建成了Offshore Reliability Data（OREDA）數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫不但包括了靜設(shè)備，如反應(yīng)器、容器的失效數(shù)據(jù)，還包括動設(shè)備壓縮機(jī)，泵等的失效數(shù)據(jù)[23]。其他可以借鑒的數(shù)據(jù)庫還有WASH21400 數(shù)據(jù)庫、Bib-electronic Parts Reliability Data Book （NPRD） 以及US Source of Power Generation Data （Industry Specific） 數(shù)據(jù)庫等。除此之外，上文中提到的小子樣系統(tǒng)評估和數(shù)據(jù)融合技術(shù)也能在一定程度上解決可靠性數(shù)據(jù)缺乏這一問題。石化領(lǐng)域的設(shè)備的維修優(yōu)化模型與航空領(lǐng)域一樣，主要是以經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)，如郭麗潔等[24]以單位時間內(nèi)維修費(fèi)用最小為目標(biāo)建立了定量石化旋轉(zhuǎn)機(jī)械化視情維修周期優(yōu)化模型。

2 RCM在武器裝備領(lǐng)域的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)對其在石化領(lǐng)域發(fā)展的指導(dǎo)

RCM在軍事裝備領(lǐng)域推廣過程中主要遇到的問題有：缺乏可靠性數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)太繁雜造成的數(shù)據(jù)管理不科學(xué)；RCM邏輯決斷圖不完善；缺少定量的數(shù)學(xué)決策模型支持；缺乏高效科學(xué)的RCM決策支持系統(tǒng)等[25]。武器裝備缺乏可靠性數(shù)據(jù)的主要原因是：新式武器研發(fā)速度快，而且歷史維修數(shù)據(jù)少，建立可靠性數(shù)據(jù)庫是比較困難的。在這種情況下小樣本評估方法和數(shù)據(jù)融合等技術(shù)就發(fā)揮了作用。武器裝備種類多，每種武器有自身的特點(diǎn)，因此要根據(jù)武器裝備自身特點(diǎn)來修改圖1中RCM基本分析流程，建立更貼近實(shí)際應(yīng)用的邏輯決斷流程。趙建忠等[26]根據(jù)導(dǎo)彈裝備自身特點(diǎn)，對國軍標(biāo)GJB1378A[27]中規(guī)定的RCM項目進(jìn)行了裁剪；黃建軍等[28]針對雷達(dá)的特點(diǎn)提出了改進(jìn)的RCM分析過程。另外大型武器裝備所含設(shè)備數(shù)量及類型日益增大，而傳統(tǒng)逐件遞推的邏輯決斷分析過程繁雜，戴蓉等[29]根據(jù)傳統(tǒng)決斷過程的這一缺點(diǎn)，將風(fēng)險評估引入決斷過程，過濾掉了風(fēng)險低的項目故障，這種精簡RCM分析工作量的方法值得借鑒。對于決策過程缺乏模型支持，在航空領(lǐng)域主要提到了以維修經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)的優(yōu)化決策模型，武器裝備中很多也是以維修經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)制定維修周期模型的研究：龐明泰等[30]針對裝甲裝備定時維修過剩問題研究了以費(fèi)用最小為目標(biāo)的定時維修間隔期模型的建立；俞金松等[31]對導(dǎo)彈建立了以總費(fèi)用最小、有效度最大的雙目標(biāo)的維修周期模型。許多武器裝備系統(tǒng)或者民用工業(yè)設(shè)備，常常為了保證系統(tǒng)的可用度，需要對其進(jìn)行定期檢查。因此，在武器裝備領(lǐng)域中，研究以最大有效度為目標(biāo)制定的維修周期是很有意義的。除了文獻(xiàn)[31]，谷玉波等[32]研究了基于可用度分析的故障檢查間隔期的確定；劉福勝等[33]建立了裝甲裝備的穩(wěn)態(tài)可用度模型。

與武器裝備領(lǐng)域相同，石化領(lǐng)域的裝置和設(shè)備種類也是數(shù)不勝數(shù)，因此改進(jìn)與裝置或設(shè)備相適應(yīng)的分析決斷流程是十分必要的。文獻(xiàn)[24]依據(jù)旋轉(zhuǎn)機(jī)械的特性，提出了一種基于RCM的邏輯決斷過程，該文獻(xiàn)中的方法與文獻(xiàn)[29]都精簡了RCM分析流程的工作量，然而文獻(xiàn)[29]通過風(fēng)險評估過濾了風(fēng)險低的故障項目，王世達(dá)等[34]在對離心壓縮機(jī)進(jìn)行RCM分析時也用到了文獻(xiàn)[31]中的方法，將風(fēng)險矩陣引入到邏輯決斷中。文獻(xiàn)[4]開發(fā)了一種應(yīng)用于往復(fù)式壓縮機(jī)的以可靠性為中心的智能維修決策模型，這種模型為企業(yè)開發(fā)制度化的設(shè)備管理模式奠定了基礎(chǔ)。前文主要介紹了石化領(lǐng)域以經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)的維修周期優(yōu)化模型，但以穩(wěn)態(tài)可用度為目標(biāo)的維修周期優(yōu)化模型則比較少。以穩(wěn)態(tài)可用度為目標(biāo)的維修周期優(yōu)化模型主要用于長期放置不用的冗余設(shè)備，而化工裝置中有很多冗余設(shè)備，因此可以將武器裝備領(lǐng)域這一方面的應(yīng)用逐步引進(jìn)到石化裝置中。其中蘭建義等[35]依據(jù)最大有效度原則對煤化工中的綜采設(shè)備檢修周期進(jìn)行了優(yōu)化，王娟等[36]依據(jù)最大有效度原則對加熱爐的預(yù)防性維修任務(wù)間隔期進(jìn)行了優(yōu)化。

3 RCM在石化領(lǐng)域發(fā)展中的其他主要問題

在石化領(lǐng)域，除了前文提到的可靠性數(shù)據(jù)的獲取，RCM分析模型的建立以及優(yōu)化模型的建立是難點(diǎn)之外，RCM目前在石化領(lǐng)域的發(fā)展還有很多其他問題。目前很多學(xué)者在研究石化裝備的FMEA 分析，希望建立定量化的風(fēng)險等級，而不單單只是摻雜很多主觀因素的邏輯決斷。項漢銀[37]研究了通過矩陣的方式代替FMEA邏輯決斷圖，從而量化風(fēng)險等級。胡少波[38]對螺栓-法蘭系統(tǒng)在定性分析FMECA的基礎(chǔ)上，利用模糊數(shù)學(xué)法[39]提出基于RCM的定量分析方法，對該系統(tǒng)故障進(jìn)行了風(fēng)險評估，模糊數(shù)學(xué)法主要解決了風(fēng)險分析中故障危害度的計算存在較大模糊性這一難題。FMEA或FMECA都是有局限性的，尤其是對于多功能，多零部件組成的復(fù)雜系統(tǒng)，進(jìn)行分析很繁瑣，而且不能考慮人為因素、環(huán)境影響和軟件誤差造成的影響，一般將FMECA和故障樹分析法（FTA）結(jié)合使用效果更好[40]。

前文提到了以維修費(fèi)用最少、有效度最大為目標(biāo)的維修周期優(yōu)化模型，除了這兩種優(yōu)化模型，基于故障風(fēng)險的維修間隔期優(yōu)化模型在機(jī)械領(lǐng)域也很盛行。Wang等[41]依據(jù)風(fēng)險最優(yōu)化為目標(biāo)優(yōu)化了預(yù)防性維修內(nèi)容和維修間隔期，張耀輝等[42]提出基于等故障風(fēng)險理論，建立了新產(chǎn)品狀態(tài)維修變間隔期檢測模型；楊春節(jié)等[43]提出了帶可靠度約束的優(yōu)化模型，該可靠度應(yīng)該控制在允許的最低可靠度以上，以保證設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)；韓邦軍等[44]針對大多數(shù)機(jī)械維修只考慮維修成本約束沒考慮可靠性約束提出了基于可靠度約束的預(yù)防性維修優(yōu)化策略。這類基于風(fēng)險性或可靠性的優(yōu)化模型可適用于具有安全或環(huán)境影響的故障后果的機(jī)械產(chǎn)品狀態(tài)維修檢測間隔期的確定。石化方面應(yīng)用這一成果比較少，然而石化行業(yè)有很多危及安全或環(huán)境的故障，所以在石化行業(yè)研究這類優(yōu)化模型很有意義。

4 RCM主要發(fā)展問題和經(jīng)驗(yàn)借鑒

為了更好的觀察RCM發(fā)展問題、解決方案和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，通過以上內(nèi)容，總結(jié)三個領(lǐng)域RCM總體發(fā)展?fàn)顩r，并繪制成RCM主要發(fā)展問題和經(jīng)驗(yàn)借鑒表，見表1。通過表1，更好的為RCM在石化領(lǐng)域今后的發(fā)展作參考。

5 結(jié) 論

（1）RCM在石化領(lǐng)域、航空領(lǐng)域、武器裝備領(lǐng)域等眾多領(lǐng)域中主要存在的問題是可靠性數(shù)據(jù)缺乏，RCM分析模型和優(yōu)化維修模型建立，開發(fā)符合特定裝備的RCM分析決斷模型。

（2）通過對比航空領(lǐng)域、武器裝備領(lǐng)域RCM的發(fā)展，并結(jié)合石化領(lǐng)域的RCM發(fā)展，總結(jié)了RCM在發(fā)展過程中的問題和主要經(jīng)驗(yàn)借鑒方案表，見表1。

（3）了解了RCM 未來的發(fā)展方向，其中包括建立重要化工裝置、設(shè)備、零件的可靠性數(shù)據(jù)庫，建立依靠計算機(jī)輔助開發(fā)智能的維修管理系統(tǒng)，更多的建立支持RCM理論的分析模型和優(yōu)化模 型等。

表1 RCM主要發(fā)展問題和經(jīng)驗(yàn)借鑒

[1] Rausand M. Reliability centered maintenance[J].Reliability Engineering and System Safety，1998（60）：121-132.

[2] Anthony M. (MAC) SMITH. RCM in a nutshell：The Learnings of Mac Smith[J].Webinar Review，2013，8（3）：12-16.

[3] Xie Chao，Sun Ming-fang，DU Jun-min .Research on the reliability centered maintenance plan of a launching system[J].International Journal of Plant Engineering and Management，2011，16（4）：243-248.

[4] 劉文彬，王慶峰，高金吉，等. 以可靠性為中心的智能維修決策模型[J]. 北京化工大學(xué)學(xué)報，2012，38（5）：672-677.

[5] 賈希勝，程中華. 以可靠性為中心的維修（RCM）發(fā)展動態(tài)[J]. 軍械工程學(xué)院學(xué)報，2002，14（3）：29-32.

[6] 羅冠軍. 基于RCM的電站設(shè)備維修管理系統(tǒng)的研究[D]. 北京：華北電力大學(xué)（北京），2009.

[7] John Moubray. Reliability Centered Maintenance[M]. Second Edition. Industrial Press，2001.

[8] 劉岑，黃汪平，杜洪奎. 以可靠性為中心的維護(hù)（RCM）技術(shù)在石化企業(yè)中的應(yīng)用[J]. 通用機(jī)械，2005（12）：8-9.

[9] 張華兵，馮慶善，稅碧垣. RCM在石油化工設(shè)備維護(hù)中的應(yīng)用[J]. 設(shè)備管理，2007（12）：28-30.

[10] Charlton G .Improving reliability whilst reducing OPEX – A case study(RCM)[C]//Amer Gas Ass Oper Sect Conf，Orlando，F(xiàn)L，4/27-29/2003，Preprint Proc.，2003：85-92.

[11] Risdon D J，Van Hardevel D T. Reengineering maintenance for dependability[C]//ASME International Pipeline Conference，1998：205-213.

[12] Bill Cogswell. New Boeing 737s on Target to Reduce Fleet Maintenance Cost by 15 Percent[R]. Boeing News Release，2001.

[13] 陳鵬飛，左洪福，王燁. 民機(jī)襟縫翼可靠性數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的建立及應(yīng)用[J]. 質(zhì)量與可靠性，2008（6）：48-50.

[14] 余國林. 小子樣飛機(jī)系統(tǒng)使用可靠性評估方法研究與應(yīng)用可靠性理論[D]. 南京：南京航空航天大學(xué). 2005.

[15] 張恒喜，郭基聯(lián)，朱家元，等. 小樣本多元數(shù)據(jù)分析方法及應(yīng)用[M]. 西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2002.

[16] 何江. 基于信息融合的民用飛機(jī)可靠性數(shù)據(jù)分析方法研究[D]. 南京：南京航空航天大學(xué)，2011.

[17] Niu Gang，Yang Bo-Suk，Son Jong-Duk. Development of an optimized condition-based maintenance system by data fusion and reliability-centered maintenance[J].Reliability Engineering and System Safety，2010（95）：786-796.

[18] 耿端陽，郭濤. 基于RCM系統(tǒng)級維修任務(wù)分析軟件設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J]. 航空維修與工程，2008（4）：37-39.

[19] Frank R. Assessment of the different costs linked to maintenance. Workshop maintenance on flugzeugen and triebwerken[J].TU München，2001：1-5.

[20] 梁劍. 基于成本優(yōu)化的民用航空發(fā)動機(jī)視情維修決策研究[D]. 南京：南京航空航天大學(xué)，2004.

[21] Scholz D. Leture aircraft design[D]. Hamburg：University of Applied Sciencies，2004.

[22] 朱建新，陳學(xué)東，艾志斌，等. 我國石化裝置風(fēng)險管理體系建設(shè)設(shè)想[J]. 石油化工設(shè)備，2009，38（6）：45-49.

[23] Langseth H，Haugen K，Sandtorv H. Analysis of OREDA data for maintenance optimizations[EB/OL]. http：//www. idi. ntnu.no/～helgel/ papers/Langseth Haugen SandtorvRESS98.

[24] 郭麗杰，高金吉，楊劍鋒，等. 石化旋轉(zhuǎn)機(jī)械維修方式優(yōu)化[J]. 機(jī)械設(shè)計，2009，26（11）：61-64.

[25] 姚戰(zhàn)軍，羅明洋. 以可靠性為中心的維修推廣應(yīng)用研究[J]. 裝備學(xué)院學(xué)報，2013，24（3）：122-124.

[26] 趙建忠，丁廣兵，郭宏超. 以可靠性為中心的維修分析在導(dǎo)彈武器裝備維修工作中的應(yīng)用研究[J]. 質(zhì)量與可靠性，2012（1）：10-13.

[27] 中國人民解放軍總裝備部. GJB 1378A—2007，裝備以可靠性為中心的維修分析[S].

[28] 黃建軍，楊江平，張新生. 基于RCM的雷達(dá)裝備維修決策支持系統(tǒng)研究[J]. 計算機(jī)工程與設(shè)計，2011，32（8）：2909-2912.

[29] 戴蓉，康銳. RCM決斷流程和風(fēng)險評估[J]. 航空維修，2001（6）：10-11.

[30] 龐明泰，郭金茂，張耀輝. 定時維修間隔期的優(yōu)化計算方法[J]. 四川兵工學(xué)報，2013（9）：39-40.

[31] 俞金松，程繼紅，張國. 導(dǎo)彈定時更換周期決策建模及仿真[J]. 艦船電子工程，2013（8）：94-97.

[32] 谷玉波，賈云獻(xiàn)，張英波. 基于可用度分析的故障檢查間隔期的確定[J]. 計算機(jī)與數(shù)字工程，2012（1）：42-45.

[33] 劉福勝，吳緯，單志偉，等. 基于馬爾可夫更新過程的裝甲裝備使用可用度模型[J]. 裝甲兵工程學(xué)院學(xué)報，2010（5）：15-17.

[34] 王世達(dá)，楊劍鋒. 以可靠性為中心的維修方法在離心壓縮機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 中國設(shè)備工程，2009（11）：32-35.

[35] 蘭建義，喬美英. 基于有效度最大原則的綜采設(shè)備檢修周期的優(yōu)化[J]. 煤礦機(jī)械，2006（12）：22-24.

[36] 王娟，周炳海. 基于RCM 的設(shè)備維護(hù)方法[J]. 機(jī)械設(shè)計與研究，2011（2）：8-11.

[37] 項漢銀. 重要石油化工裝置基于風(fēng)險的檢驗(yàn)與保障[J]. 壓力容器，2009（5）：51-59.

[38] 胡少波. 螺栓-法蘭連接系統(tǒng)RCM分析及故障風(fēng)險評價[J]. 石油化工設(shè)備，2013，42（2）：66-70.

[39] Bowles J B，Pelaez E C. Fuzzy logic prioritization of failurs in a system failure mode. Effects and criticality analysis[J].Reliability Engineering and System Safety，1995，50：203-210.

[40] 吳波，丁毓峰，黎明發(fā). 機(jī)械系統(tǒng)可靠性維修及決策模型[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

[41] Wang Qingfeng，Gao Jinji. Research and application of risk and condition based maintenance task optimization technology in an oil transfer station[J].Journal of Loss Prevention in the Process Industries，2012（25）：1018-1027.

[42] 張耀輝，郭金茂，徐宗昌，等. 基于故障風(fēng)險的狀態(tài)維修檢測間隔期的確定[J]. 中國機(jī)械工程，19（5）：555-558.

[43] 楊春節(jié)，童晟，孫長生，等. 基于可靠度約束的混合預(yù)防性維修模型[J]. 浙江大學(xué)學(xué)報，42（8）：1376-1379.

[44] 韓邦軍，范秀敏，馬登哲. 基于可靠度約束的預(yù)防性維修策略優(yōu)化研究[J]. 機(jī)械工程學(xué)報，2003，39（6）：102-105.