軸流壓縮機(jī)基于風(fēng)險(xiǎn)和狀態(tài)的維修*

王慶鋒 龐 鑫 趙 雙/北京化工大學(xué)故障診斷與自愈工程研究中心

?

軸流壓縮機(jī)基于風(fēng)險(xiǎn)和狀態(tài)的維修*

王慶鋒 龐 鑫 趙 雙/北京化工大學(xué)故障診斷與自愈工程研究中心

Abstract

軸流式壓縮機(jī)在煉化行業(yè)應(yīng)用廣泛，其運(yùn)行屬高風(fēng)險(xiǎn)過程，研究集安全與經(jīng)濟(jì)為一體的維修方法十分必要。研究狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)和以可靠性為中心的維修相結(jié)合的維修決策方法，對(duì)軸流壓縮機(jī)進(jìn)行故障特征信號(hào)分析、故障預(yù)警、剩余壽命預(yù)測及風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)確定，實(shí)現(xiàn)了軸流壓縮機(jī)基于風(fēng)險(xiǎn)和狀態(tài)的維修。實(shí)踐證明：軸流壓縮機(jī)基于風(fēng)險(xiǎn)和狀態(tài)的維修決策能夠制定最佳的維修計(jì)劃和維修任務(wù)，預(yù)知隱患和故障；降低設(shè)備的故障頻率和故障后果影響；提高設(shè)備的可靠性和安全性。

以可靠性為中心的維修；狀態(tài)監(jiān)測；風(fēng)險(xiǎn)和狀態(tài)；故障特征

0 引言

在役的軸流壓縮機(jī)長期處于高危險(xiǎn)的生產(chǎn)環(huán)境中，設(shè)備一旦失效往往會(huì)造成嚴(yán)重的安全事故。維修不足或不能預(yù)測故障是設(shè)備運(yùn)行期間發(fā)生故障的主要原因［1］。定性、主觀或經(jīng)驗(yàn)的維修決策和維修任務(wù)的制定造成故障維修資源和預(yù)防性維修資源花費(fèi)過大，維修資源分配不合理，設(shè)備的可靠性、可用性和安全性難以保證。以可靠性為中心的維修（Reliability Centered Maintenance，RCM）是目前國際上流行的、用以確定設(shè)備預(yù)防性維修需求的一種系統(tǒng)工程方法［2］，它按照以最少的資源消耗保持裝備固有可靠性和安全性為原則，應(yīng)用邏輯決斷的方法確定設(shè)備預(yù)防性維修要求的過程或方法，廣泛應(yīng)用于航空、航天、軍工、核電等領(lǐng)域并發(fā)揮了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)應(yīng)用于某些大型重要旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障預(yù)測或診斷，為維修決策和維修任務(wù)制定提供了技術(shù)保證。綜合狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)和RCM風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，建立適用于軸流壓縮機(jī)維修管理和維修決策的方法，對(duì)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的完整性管理，提高設(shè)備的可靠性、可用性和安全性具有重要意義。

1 軸流壓縮機(jī)以可靠性為中心的維修

軸流壓縮機(jī)具有效率高、流量大、結(jié)構(gòu)簡單等特點(diǎn)，在煉化等國民經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用廣泛［3］。軸流壓縮機(jī)以可靠性為中心的維修分析主要包括軸流壓縮機(jī)組的系統(tǒng)劃分、設(shè)備功能和故障模式及影響分析、風(fēng)險(xiǎn)判別準(zhǔn)則的制定、風(fēng)險(xiǎn)矩陣模型的建立、故障模式風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、檢修維護(hù)策略制定等內(nèi)容［4］。

1.1 軸流壓縮機(jī)組的系統(tǒng)劃分

劃分軸流壓縮機(jī)組的系統(tǒng)是為了明確可靠性和維修數(shù)據(jù)的采集范圍、定義設(shè)備部件功能、進(jìn)行故障模式及影響分析，如圖1所示。

圖1　軸流壓縮機(jī)系統(tǒng)邊界圖

1.2 軸流壓縮機(jī)故障模式及影響分析

故障模式及影響分析（Failure Modes and Effects Analysis，F(xiàn)MEA）是基于案例討論分析設(shè)備的故障模式［5］，案例不僅包括已經(jīng)發(fā)生的故障模式，也包括國內(nèi)外其他同類設(shè)備已經(jīng)發(fā)生的故障模式，還包括理論分析潛在的故障模式。需充分了解、分析軸流壓縮機(jī)的現(xiàn)場工作狀況、設(shè)備操作工藝流程、設(shè)備結(jié)構(gòu)原理、設(shè)備歷史維修維護(hù)情況。主要經(jīng)歷如下步驟：

1）在分析設(shè)備結(jié)構(gòu)和查閱設(shè)備歷史維護(hù)檢修記錄的基礎(chǔ)上確定設(shè)備可能發(fā)生的故障模式；

2）結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用狀況分析設(shè)備故障發(fā)生的原因；

3）分別從安全、環(huán)境、生產(chǎn)損失和維修成本等方面討論故障可能造成的后果；

4）根據(jù)歷史維修記錄和有經(jīng)驗(yàn)的維修工程師的現(xiàn)場資料確定每種故障模式發(fā)生的頻率。1.3 軸流壓縮機(jī)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則與風(fēng)險(xiǎn)矩陣制定

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是針對(duì)設(shè)備或部件的故障模式進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析，計(jì)算出其風(fēng)險(xiǎn)的大小。風(fēng)險(xiǎn)是概率和后果的邏輯乘積［6-7］。評(píng)價(jià)故障模式的風(fēng)險(xiǎn)之前，首先需要制定相應(yīng)的RCM風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則。對(duì)于不同的裝置，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則可能是不同的。在制定準(zhǔn)則時(shí)，應(yīng)充分考慮用戶方的意愿，以他們可以接受的準(zhǔn)則和RCM評(píng)判分析準(zhǔn)則為依據(jù)來制定裝置的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則。

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則包括安全后果評(píng)價(jià)準(zhǔn)則、環(huán)境后果評(píng)價(jià)準(zhǔn)則、生產(chǎn)損失后果評(píng)價(jià)準(zhǔn)則、維修成本后果評(píng)價(jià)準(zhǔn)則和故障概率評(píng)價(jià)準(zhǔn)則［8］。

對(duì)軸流壓縮機(jī)，先以零部件為研究對(duì)象，分析零部件功能故障及影響，進(jìn)而分析設(shè)備故障模式及影響。部件的故障時(shí)間間隔統(tǒng)計(jì)完之后，若故障時(shí)間間隔數(shù)據(jù)大于等于5組，可利用威布爾、蒙特卡洛模型統(tǒng)計(jì)分析零部件的平均壽命及故障影響后果；若故障時(shí)間間隔數(shù)據(jù)小于5組，則可以直接用運(yùn)行時(shí)間內(nèi)的故障次數(shù)n除以運(yùn)行時(shí)間t再乘以統(tǒng)計(jì)周期T計(jì)算故障頻率。根據(jù)平均壽命和故障后果統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)確定風(fēng)險(xiǎn)判別準(zhǔn)則和風(fēng)險(xiǎn)矩陣，其中故障發(fā)生的可能性以故障頻率計(jì)算，它和零部件的平均壽命有關(guān)。

2 軸流壓縮機(jī)狀態(tài)監(jiān)測與預(yù)測分析

壓縮機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下，通過如振動(dòng)分析、溫度測量、性能檢測、電機(jī)電流分析、外觀檢查等狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)診斷分析設(shè)備故障，為設(shè)備狀態(tài)預(yù)測評(píng)價(jià)提供了大量的如速度、壓力、溫度等隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。通過提取、監(jiān)測故障特征信號(hào)來預(yù)測設(shè)備早期故障及其發(fā)展趨勢(shì)，從而制定出針對(duì)性的預(yù)測維修任務(wù)，避免了設(shè)備故障帶來的嚴(yán)重后果。軸流壓縮機(jī)組測點(diǎn)布置簡圖如圖2所示［9］：電渦流傳感器安裝在軸承上，加速度傳感器安裝在軸承座或殼體上，1、2為測點(diǎn)，每個(gè)測點(diǎn)都在水平、垂直、軸向三個(gè)方向上進(jìn)行位移、加速度監(jiān)測。

軸流壓縮機(jī)除了極少數(shù)突發(fā)故障以外，絕大多數(shù)故障的產(chǎn)生是有一個(gè)過程的，設(shè)備在使用過程中會(huì)發(fā)生零部件的磨損、疲勞、腐蝕、失調(diào)等漸發(fā)性故障，此類故障的特征參數(shù)各量間有一定的關(guān)聯(lián)性，是設(shè)備狀態(tài)預(yù)測的前提和基礎(chǔ)。突發(fā)性故障是指設(shè)備整體突然發(fā)生某一部分的功能喪失，這類故障發(fā)生時(shí)間很短，很難直接進(jìn)行預(yù)測，一般采用機(jī)組保護(hù)系統(tǒng)來減輕故障后果。

軸流壓縮機(jī)表征其狀態(tài)和性能的特征參數(shù)主要有如流量、溫度、壓力、電流等的生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Executive System，MES）狀態(tài)參數(shù)；如振動(dòng)時(shí)域信號(hào)、振動(dòng)頻譜等狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)（condition monitoring system，CMS）特征參數(shù)；如平均故障間隔時(shí)間、可靠性、可用性、可維修性等統(tǒng)計(jì)類特征參數(shù)［10］。

在對(duì)軸流壓縮機(jī)開展實(shí)時(shí)監(jiān)測時(shí)，選擇合理的故障預(yù)警模型，依據(jù)監(jiān)測參數(shù)和設(shè)備正常運(yùn)行參數(shù)的偏差情況來判斷將要發(fā)生的故障，發(fā)出故障預(yù)警信息，以提前采取措施，避免故障發(fā)生，并設(shè)置停機(jī)閾值來確保設(shè)備運(yùn)行安全；選擇合理的剩余壽命預(yù)測模型，根據(jù)設(shè)備真實(shí)故障率隨時(shí)間的變化趨勢(shì)，加以可靠性分析和功能指標(biāo)統(tǒng)計(jì)，考慮機(jī)組的動(dòng)態(tài)和多維特征，估算設(shè)備的剩余壽命，為設(shè)備的預(yù)測性維修提供支持。

圖2　軸流壓縮機(jī)組測點(diǎn)布置簡圖

3 軸流壓縮機(jī)基于風(fēng)險(xiǎn)和狀態(tài)的維修

軸流壓縮機(jī)基于風(fēng)險(xiǎn)和狀態(tài)的維修方法的建立旨在合理分配維修資源并提高維修決策水平。采用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和面向服務(wù)的架構(gòu)技術(shù)（Service-Oriented Architecture，SOA），綜合集成RCM和MES、CMS等動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)［11］，在RCM風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)基礎(chǔ)上通過分析故障特征信號(hào)、確定風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)來進(jìn)行對(duì)軸流壓縮機(jī)的維修。軸流壓縮機(jī)基于風(fēng)險(xiǎn)和狀態(tài)的維修決策原理如圖3所示。

預(yù)測性維修是設(shè)備在運(yùn)行狀態(tài)下由RCM所確定的預(yù)防性維修策略。圖3中先對(duì)巡點(diǎn)檢系統(tǒng)、在線監(jiān)測系統(tǒng)、MES、集散控制系統(tǒng)（Distributed Control System，DCS）等動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理、智能挖掘、知識(shí)發(fā)現(xiàn)，再提取所需的重要特征參數(shù)，根據(jù)設(shè)備當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)及其下一時(shí)刻的變化趨勢(shì)進(jìn)行故障診斷或預(yù)測。根據(jù)設(shè)備重要度來確定狀態(tài)監(jiān)測方法，根據(jù)設(shè)備故障模式的風(fēng)險(xiǎn)高低來確定狀態(tài)監(jiān)測的部位和監(jiān)測頻率，根據(jù)故障特征信號(hào)診斷或預(yù)測設(shè)備故障。在狀態(tài)監(jiān)測的同時(shí)，利用故障預(yù)警模型，依據(jù)監(jiān)測參數(shù)和設(shè)備正常運(yùn)行參數(shù)的偏差情況來判斷將要發(fā)生的故障，發(fā)出故障預(yù)警信息，以提前采取措施，避免故障發(fā)生；利用剩余壽命預(yù)測模型，根據(jù)設(shè)備真實(shí)故障率隨時(shí)間的變化趨勢(shì)，加以可靠性分析和功能指標(biāo)統(tǒng)計(jì)，考慮機(jī)組的動(dòng)態(tài)和多維特征，估算設(shè)備的剩余壽命，從而確定具體的預(yù)測性維修任務(wù)。將制定好的預(yù)測性維修任務(wù)融入到RCM的過程中，從而實(shí)現(xiàn)軸流壓縮機(jī)基于風(fēng)險(xiǎn)和狀態(tài)的維修方法。

圖3　軸流壓縮機(jī)基于風(fēng)險(xiǎn)和狀態(tài)的維修決策原理圖

4 應(yīng)用

中國石油某石化公司化工廠為提高設(shè)備運(yùn)行可靠性，對(duì)重要機(jī)組采用了基于風(fēng)險(xiǎn)和狀態(tài)的維修方法，按照?qǐng)D3建立的基于風(fēng)險(xiǎn)和狀態(tài)的維修決策原理圖，以該公司某生產(chǎn)裝置主風(fēng)機(jī)為例，說明基于風(fēng)險(xiǎn)和狀態(tài)的維修方法的應(yīng)用過程。

主風(fēng)機(jī)為軸流式壓縮機(jī)，輸入過程無泄漏。其主要參數(shù)如表1所示。

表1　軸流壓縮機(jī)主要參數(shù)表

設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)由該設(shè)備故障模式的最高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)確定，故障模式風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)和該故障模式的故障率、故障模式影響后果以及根據(jù)管理目標(biāo)制定的風(fēng)險(xiǎn)判別準(zhǔn)則、風(fēng)險(xiǎn)矩陣有關(guān)。設(shè)備故障模式的風(fēng)險(xiǎn)和設(shè)備故障模式的故障頻率、后果有關(guān)，風(fēng)險(xiǎn)可用下式表示：式中，R為故障模式發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)；P為設(shè)備故障模式的故障頻率；C為故障模式的后果。其中后果為安全、環(huán)境、生產(chǎn)損失、維修成本四方面的集合，其判別準(zhǔn)則都是根據(jù)實(shí)際管理目標(biāo)制定的；相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)也為這四方面的集合。

據(jù)檔案資料統(tǒng)計(jì)分析，該主風(fēng)機(jī)2008年3月～2011年3月期間主要發(fā)生的故障頻率及其風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)如表2所示。

振動(dòng)或異響或噪聲、軸承溫度高、密封泄漏為高風(fēng)險(xiǎn)故障模式，其中高故障頻率是影響設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)的主要因素，降低設(shè)備的故障頻率是降低設(shè)備運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的主要措施。

對(duì)軸流壓縮機(jī)采用基于風(fēng)險(xiǎn)和狀態(tài)的維修方法，首先對(duì)高風(fēng)險(xiǎn)的故障模式進(jìn)行故障根源分析，其結(jié)果表明：

1）振動(dòng)或異響或噪聲的根本原因是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，轉(zhuǎn)子軸向推力大，使軸承損壞；

2）軸承溫度高的根本原因是潤滑油溫度、壓力、流量、油質(zhì)超標(biāo)；冷卻器供水量不足。

表2　軸流壓縮機(jī)故障模式風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)表

3）密封泄漏的根本原因是壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子兩端軸承座上的回油孔和缸體上的回油孔不同心，回油孔徑太小，導(dǎo)致回油不暢通；加壓調(diào)試階段迷宮式密封會(huì)產(chǎn)生不可避免的氣體泄漏，進(jìn)而使軸承座內(nèi)憋壓，則會(huì)造成進(jìn)、回油困難。

依據(jù)根本原因分析結(jié)果制定軸流壓縮機(jī)基于風(fēng)險(xiǎn)和狀態(tài)的維修策略。對(duì)高風(fēng)險(xiǎn)的故障模式、故障部位采用在線監(jiān)測。由故障診斷或預(yù)測來確定具體的預(yù)測性維修內(nèi)容，軸流壓縮機(jī)基于風(fēng)險(xiǎn)和狀態(tài)的維修方法的主要思路是關(guān)鍵部件典型故障特征信號(hào)識(shí)別與頻譜分析、故障特征信號(hào)識(shí)別、故障診斷或預(yù)測、確定視情況維修任務(wù)。軸流壓縮機(jī)組采用基于風(fēng)險(xiǎn)和狀態(tài)的維修方法后故障頻率及故障造成的影響和危害都大大降低了。

5 結(jié)論

軸流壓縮機(jī)基于風(fēng)險(xiǎn)和狀態(tài)的維修方法不同于傳統(tǒng)的預(yù)防性維修，它能夠預(yù)知設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，為維修決策和預(yù)防性維修任務(wù)的制定、完善和提高提供了依據(jù)；能夠做到合理分配維修資源，避免資源浪費(fèi)。實(shí)踐證明，軸流壓縮機(jī)基于風(fēng)險(xiǎn)和狀態(tài)的維修方法可行，它做到了有效結(jié)合狀態(tài)監(jiān)測和基于可靠性的維修，制定最佳的維修計(jì)劃和維修任務(wù)，預(yù)知隱患和故障；降低了設(shè)備的故障頻率和故障后果影響；提高了設(shè)備的可靠性和安全性。對(duì)今后大型旋轉(zhuǎn)設(shè)備的安全可靠運(yùn)行意義重大。

［1］賈希勝，程中華.以可靠性為中心的維修（RCM）發(fā)展動(dòng)態(tài)［J］.軍械工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2002，64（3）：29-32.

［2］EtiMC，OgajiSOT，ProbertSD.Integrating reliability，availability，maintainability and supportabilitywith risk analysis for improved operation of the Afam thermal power-station［J］. APPLIED ENERGY，2007，84：202-221.

［3］郭麗杰，高金吉，楊劍鋒，等.石化旋轉(zhuǎn)機(jī)械基于風(fēng)險(xiǎn)的維修決策研究［J］.北京化工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009，36（2）：87-91.

［4］EtiMC，Ogaji SOT，Probert SD.Reducing the costof preventive maintenance（PM）through adoptingaproactive reliability focused culture［J］.APPLIEDENERGY，2006，83：1235-1248.

［5］高金吉.機(jī)泵群實(shí)時(shí)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)和故障診斷專家系統(tǒng)［J］.中國工程科學(xué)，2001，3（9）：41-47.

［6］Deshpande VS，Modak JP.Application of RCM to a medium scale industry.Reliability Engineering and System Safety，2002，77（1）：31-43.

［7］MASTERS M.Reliability，key to competitive advantage［J］. Paper Age，1999，（9）：15-16.

［8］王慶鋒，楊劍鋒，劉文彬，等.過程工業(yè)設(shè)備維修智能決策系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2010，46（24）：168-177.

［9］HERDER P M，van LUIJK J A，BRUIJNOOGE J.Industrial application of RAM modeling［J］.Reliability Engineering and System Safety，2008（93）：501-508.

［10］付偉.催化裂化軸流壓縮機(jī)葉片疲勞斷裂原因分析［J］.風(fēng)機(jī)技術(shù)，2009（1）：63-65.

［11］Cheng ZH，Jia X S，Wu S，etal.A framework for in 2 telligent reliability centered maintenance analysis［J］.Reliability Engineeringand System Safety，2008，93（6）：806-814.

Maintenance Axial of Com pressor Based on Risk and Condition

Wang Qing-feng，Pang Xin，Zhao Shuang/ Diagnosis and Self-repair Engineering Research Center of Beijing University of Chemical Technology

Though widely used in the refining industry， operating axial compressors is a high-risk process so a comprehensive researchmethod focusing on security and expense is necessary. Researchingmaintenance decisionmethods by combining condition monitoring technology and reliability-centered maintenance partner with fault characteristic signalanalysis，faultwarning，residual life prediction and risk level determination for axial compressor.The practice has proven that axial compressor maintenance decisions based on risk and condition can develop the bestmaintenance program and maintenance tasks，predict hazards and faults，reduce device fault frequency and consequences from faults， and improveboth reliabilityand security.

reliability-centered maintenance；condition monitoring；risk and condition；fault feature

TH453；TK05

A

1006-8155（2016）01-0080-05

10.16492/j.fjjs.2016.01.0137

國家重大基礎(chǔ)研究計(jì)劃（973）項(xiàng)目（2012CB026000）；高端壓縮機(jī)組高效可靠及智能化基礎(chǔ)研究

2015-07-02 北京 100029