石油化工設(shè)備故障特征和主要維修模式分析

賈照慶

(中海殼牌石油化工有限公司， 廣東 惠州 516000)

石油化工設(shè)備故障特征和主要維修模式分析

賈照慶

(中海殼牌石油化工有限公司， 廣東 惠州 516000)

設(shè)備從研發(fā)、設(shè)計、制造、安裝調(diào)試到使用、維修、改造、報廢等各個環(huán)節(jié)都需要進(jìn)行管理，既要維持設(shè)備的運行狀態(tài)，又要優(yōu)化設(shè)備的效能，充分發(fā)揮設(shè)備的投資效益，現(xiàn)代設(shè)備維修管理已經(jīng)成為了一項科學(xué)的系統(tǒng)工程。設(shè)備維修管理經(jīng)過多年來不斷的探索和發(fā)展，形成了多種形式的設(shè)備維修模式。本文基于石油化工裝置的生產(chǎn)特點，對設(shè)備的主要故障特征和其中適用于石油化工設(shè)備維修管理的維修模式進(jìn)行簡要地論述和分析。

石油化工設(shè)備;功能;故障維修

1 設(shè)備功能和功能性故障

設(shè)備功能定義了其被設(shè)計的和所期望的性能要求，包含物理性能和運行性能，以及正常運行所需的條件要求(如連續(xù)運行或限制要求的可用性)等。設(shè)備故障，主要是指設(shè)備發(fā)生功能性故障，無法繼續(xù)提供或達(dá)到其所設(shè)計的功能[1]。

功能故障是指一個設(shè)備無法繼續(xù)滿足其被設(shè)計的功能要求，需要注意的是要確定在所需的操作環(huán)境下一個設(shè)備的所有功能。通過清楚地定義設(shè)備功能的性能表現(xiàn)，功能失效可以得到明確的定義；定義一個工業(yè)泵的作用僅僅是以輸送水或其它液體物料顯然是不夠的，泵的功能還必須在流量、吸入和出口壓力、揚程等方面進(jìn)行定義。故障模式所定義的通常是一個設(shè)備的組件故障而導(dǎo)致系統(tǒng)功能性的故障或子系統(tǒng)功能的故障。一個機(jī)械系統(tǒng)由電動機(jī)和泵構(gòu)成，可由于電機(jī)的繞組、軸承、軸、葉輪、控制器或密封件的失效而導(dǎo)致功能性故障。如果泵的性能降低，使得其出口壓力或流量不足以滿足設(shè)計和操作要求時，同樣也屬于功能性故障。

產(chǎn)生或引起設(shè)備發(fā)生故障的原因有多種因素[2]。設(shè)備在設(shè)計和制造過程中，可能存在設(shè)計不合理和制造缺陷等；設(shè)備在安裝和調(diào)試過程中，也可能存在諸如螺栓固定不牢靠，軸向?qū)χ胁缓?，沒有按照設(shè)計和規(guī)范要求進(jìn)行試驗等；設(shè)備在運行中受到物理、化學(xué)、力學(xué)和電學(xué)等過程的作用；設(shè)備工作運行條件的變化，如潤滑、載荷、溫度、壓力、介質(zhì)、電壓、電流及頻率等；設(shè)備工作運行環(huán)境的影響，如環(huán)境溫度、濕度、海拔等；設(shè)備是否按要求規(guī)范操作，是否得到必要的維修等等。設(shè)備故障的產(chǎn)生和發(fā)展是一個復(fù)雜的變化過程，可能是一種主要因素造成的，也可能是多種因素疊加或者相互作用產(chǎn)生的結(jié)果，如何確定維修策略進(jìn)行有效維修，需要進(jìn)一步研究設(shè)備的主要故障特征。

2 設(shè)備主要故障特征

2.1 失效(故障)概率與運行時間的相關(guān)性[3]

基于條件概率和磨損模型與運行時間的關(guān)系，可將設(shè)備故障特征分為六種基本類型。

A型：浴盆曲線，初始表現(xiàn)為較高的早期故障率，隨后為較為穩(wěn)定或逐漸增加的失效概率，最后為明顯的磨損區(qū)域。

B型：表現(xiàn)為持續(xù)或逐漸增加的失效概率，最后為明顯的磨損區(qū)域。

C型：表現(xiàn)為逐漸增加的失效概率，但沒有可識別的明顯的磨損期。

D型：初始表現(xiàn)為較低的失效概率，隨后又迅速上升到一個相對穩(wěn)定的水平。

E型：表現(xiàn)為在設(shè)備有效生命周期內(nèi)所有階段維持相對穩(wěn)定的失效概率水平。

F型：表現(xiàn)為較高的早期失效概率，隨后逐漸下降到一個穩(wěn)定的水平。

類型A和B的代表類型是單件或簡單部件，如輪胎，壓縮機(jī)葉片，制動襯片和結(jié)構(gòu)部件。大多數(shù)類似于C，D，E和F的復(fù)雜的項目都有條件概率曲線，復(fù)雜的故障類型和簡單項目之間的基本區(qū)別對選擇維修策略具有重要的影響。

單件簡單的部件通常表現(xiàn)為可靠性和使用壽命或運行時間的直接關(guān)系，例如金屬疲勞或機(jī)械磨損存在或該部件被設(shè)計為消耗品(短期或可預(yù)見的壽命)。在這種情況下，根據(jù)工作時間或疲勞的使用壽命限制部件的使用周期，通過定期更換(基于時間的預(yù)防性維修)可以有效地改善復(fù)雜設(shè)備的整體可靠性。

在裝置投入生產(chǎn)之初，由于安裝調(diào)試或操作的原因，設(shè)備經(jīng)常表現(xiàn)出一些早期故障的特性。設(shè)備安裝或調(diào)試不當(dāng)，通常會在相當(dāng)短的運行時間內(nèi)，就會表現(xiàn)出異常的情況。設(shè)備停機(jī)進(jìn)行維修，同樣可能包含安裝或調(diào)試的過程，因此，在許多情況下，計劃檢修同樣可能將早期的高故障率引入到一個原本穩(wěn)定的系統(tǒng)，從而增加了系統(tǒng)整體的故障率。

2.2 潛在故障的可預(yù)知性

通常情況下，設(shè)備故障具有一定的時間發(fā)展特性，因此可以通過一定的觀察和檢測(監(jiān)測)，提前發(fā)現(xiàn)設(shè)備運行的劣化趨勢，并在發(fā)展成為功能性故障前進(jìn)行維修，從而消除故障隱患。RCM提出潛在故障的概念，設(shè)備可以在不發(fā)生功能故障的前提下充分利用[4]。潛在故障是在臨近功能故障的漸變狀態(tài)，可觀察、可檢測、可鑒別，如轉(zhuǎn)動設(shè)備中軸承的失效，具有典型的漸變特征，通?？梢酝ㄟ^在潛在故障發(fā)展為功能故障的間隔時間內(nèi)進(jìn)行預(yù)防性維修或狀態(tài)維修來消除故障隱患。

部分設(shè)備在發(fā)生功能性故障前期，經(jīng)常會呈現(xiàn)出一些異常的征兆，如異常發(fā)熱、振動、噪音等等外在表現(xiàn)，可以通過簡單的檢查或檢測即可獲得。因此在維修管理實踐中，需要制定周期性(基于時間的)的預(yù)防性維修計劃和日常操作巡檢計劃，就是為了通過檢查設(shè)備的外在表現(xiàn)，來分析判斷設(shè)備運行是否正常，是否需要進(jìn)行維修等。

3 設(shè)備主要維修模式

3.1 維修的基本概念

維修是指為了保持和恢復(fù)設(shè)備技術(shù)狀態(tài)和設(shè)計功能，延長設(shè)備使用壽命而進(jìn)行的工程活動，是維護(hù)、檢查和修理的總稱。維護(hù)是為了保持設(shè)備良好狀態(tài)所做的一切工作，包括清洗、潤滑、調(diào)整等等；檢查是為了確定和評估設(shè)備實際運行狀態(tài)所采取的技術(shù)措施，如測溫、測振、測厚、觀察泵的出入口壓力等等；修理是為了恢復(fù)設(shè)備設(shè)計功能所做的所有工作，包括故障診斷、零部件更換、解體檢修等等?，F(xiàn)代化的維修管理中，如何保障生產(chǎn)裝置的長周期連續(xù)進(jìn)行，確定設(shè)備運行狀態(tài)并合理計劃維修時間，降低維修成本是維護(hù)和檢查工作需要解決的問題；如何在較短時間內(nèi)排除故障，完成設(shè)備的修復(fù)工作并保持設(shè)備原有的可靠度，是修理工作需要解決的問題。這三者的目的是一致的，都是研究生產(chǎn)過程中如何維持設(shè)備性能的一切活動，滿足裝置連續(xù)性和穩(wěn)定性生產(chǎn)的需求，降低維護(hù)費用，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本，提高企業(yè)和產(chǎn)品在市場中的競爭力。

現(xiàn)代石油化工生產(chǎn)對維修的依賴性不斷增大，同時隨著生產(chǎn)力的提高和生產(chǎn)范圍的不斷擴(kuò)大和延伸，維修觀念也發(fā)生了重大的變化。許多組織已經(jīng)認(rèn)識到維修的重要性，并積極尋求通過系統(tǒng)性的維修管理獲得關(guān)于成本、質(zhì)量、服務(wù)和準(zhǔn)時交貨的競爭優(yōu)勢。現(xiàn)代設(shè)備維修管理已經(jīng)從最初單純的排除設(shè)備故障，恢復(fù)設(shè)備初始設(shè)計功能，逐漸發(fā)展并使其具有更深刻的意義[5]，即：

(1)維修可以提高生產(chǎn)設(shè)備的完好率，延長設(shè)備的使用壽命，是企業(yè)生產(chǎn)力的重要組成部分。

(2)維修可以提高生產(chǎn)設(shè)備的利用率，從而增加產(chǎn)品數(shù)量，提高產(chǎn)品質(zhì)量，進(jìn)而成為企業(yè)生存和發(fā)展的重要手段。

(3)維修可以改善生產(chǎn)設(shè)備的可靠性和可用性，是企業(yè)工藝安全和穩(wěn)定生產(chǎn)的基礎(chǔ)。

3.2 主要設(shè)備維修模式

維修是隨著工業(yè)機(jī)械化發(fā)展而隨之產(chǎn)生的，經(jīng)過多年的研究和發(fā)展，設(shè)備維修模式也得到不斷的完善和系統(tǒng)化。從十八世紀(jì)的手工作坊的簡單維修到現(xiàn)代的高技術(shù)含量的綜合性維修，體現(xiàn)了人類對促進(jìn)和提高生產(chǎn)力所做的努力。根據(jù)國內(nèi)外設(shè)備維修領(lǐng)域的相關(guān)研究和應(yīng)用實踐，通用的設(shè)備維修模式主要有以下幾種：

(1)故障維修，也做被動維修，修復(fù)性維修或事后維修。是指設(shè)備發(fā)生故障停機(jī)后的維修活動，屬于非計劃性維修的范疇。故障性維修管理強(qiáng)調(diào)的是如何盡快的找到設(shè)備發(fā)生故障的直接原因，修復(fù)或替換故障零部件，恢復(fù)設(shè)備的原有設(shè)計功能，盡快的恢復(fù)設(shè)備的運行，維持生產(chǎn)。由于這是完全被動的維修模式，小故障可能會演變成大故障和大事故，可能造成高額的維修費用和設(shè)備損失，因而需要盡可能的減少被動的故障維修活動。

(2)預(yù)防性維修。其基本含義是對影響設(shè)備正常運行的潛在故障采取“預(yù)防為主”的措施，即在設(shè)備的使用過程中加強(qiáng)維護(hù)保養(yǎng)，預(yù)防故障的發(fā)生，盡可能在設(shè)備開始出現(xiàn)功能性故障之前進(jìn)行預(yù)防維修。設(shè)備功能定義了設(shè)備提供設(shè)計功能所必需的正常運行條件要求，預(yù)防性維修的最基本的目的就是保持設(shè)備自身(除環(huán)境和工藝條件外)的正常運行條件要求。通常概念的預(yù)防性維修主要是指基于時間的維修，這是一種基于日歷時間或設(shè)備運行時間為依據(jù)而進(jìn)行的周期性維修。

典型的預(yù)防性維護(hù)活動包括定期檢查、狀態(tài)檢測、易損部件的更換、緊固和校準(zhǔn)，以及基本的清潔，從而維持設(shè)備正常運行和防止設(shè)備發(fā)生故障。有效的預(yù)防性維護(hù)策略可以讓設(shè)備保持在最佳的運行狀態(tài)，減少故障并實現(xiàn)設(shè)備最大化的有效生命周期。另外，通過預(yù)防性維修也可以發(fā)現(xiàn)設(shè)備潛在故障，從而有充分的時間安排維修計劃和準(zhǔn)備所需的備件，有計劃地進(jìn)行維修工作。裝置定期停車進(jìn)行大檢修也可看做是預(yù)防性維修的一種特殊形式。

(3)狀態(tài)維修或預(yù)測性維修[6]。狀態(tài)維修以設(shè)備狀態(tài)檢查、檢測和診斷等科學(xué)技術(shù)手段為基礎(chǔ)，適時掌握設(shè)備的運行狀態(tài)，收集可用于指示潛在故障或即將發(fā)生故障(振動，溫度，聲音，顏色等等)的變量數(shù)據(jù)，再根據(jù)設(shè)備的實際運行狀態(tài)情況對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和預(yù)測，進(jìn)而制定相應(yīng)的維修計劃，在設(shè)備出現(xiàn)了性能劣化后以接近會發(fā)生功能性故障之前進(jìn)行維修，而不是僅僅以設(shè)備使用時間為依據(jù)制定維修計劃。通過尋求所需的合理有效的維護(hù)水平，達(dá)到非計劃停機(jī)時間最小化的目標(biāo)。狀態(tài)維修要求定期對設(shè)備進(jìn)行各種參數(shù)測量，及時反映設(shè)備實際狀態(tài)。測量的參數(shù)可以在一定的提前期間給出警報，以便采取適當(dāng)?shù)木S修措施。狀態(tài)維修是在設(shè)備出現(xiàn)了性能劣化后實施的維修，只不過狀態(tài)的逐漸劣化是由被檢測的設(shè)備狀態(tài)參數(shù)變化反映出來的，因而可以被提前分析和預(yù)測。預(yù)防性維修和狀態(tài)維修都屬于主動性維修的范疇。

石油化工設(shè)備維修常用的狀態(tài)檢測方法有：

①振動檢測分析：適用于機(jī)械轉(zhuǎn)動設(shè)備，通過對設(shè)備運行所產(chǎn)生的機(jī)械振動進(jìn)行信號采集、數(shù)據(jù)處理后，再根據(jù)振幅、頻率、相位及相關(guān)圖形趨勢進(jìn)行分析，從而掌握設(shè)備的實際運行狀態(tài)，為設(shè)備的維修決策提供必要的依據(jù)。

②潤滑油分析：適用于機(jī)械轉(zhuǎn)動設(shè)備。通過對機(jī)組在用潤滑油的油液本身及油中微小顆粒所進(jìn)行的理化分析。通過對潤滑油的粘度、閃點、酸值、乳化度、水分、機(jī)械雜質(zhì)、液相銹蝕試驗、抗氧化安全性等各種主要性能指標(biāo)的檢驗分析，掌握潤滑油本身的性能信息的同時了解到機(jī)組軸承、密封的性能及工作狀態(tài)。

③紅外成像分析：適用于不均勻發(fā)熱的設(shè)備和組件。通過紅外成像檢測，可以有效地發(fā)現(xiàn)異常發(fā)熱的部位(部件)，從而預(yù)知并進(jìn)而安排維修消除設(shè)備潛在故障。

④其它檢測方法：無損探傷、超聲波等等，主要用于設(shè)備結(jié)構(gòu)和管道檢測。

(4)改善性維修，也做改進(jìn)性維修.改善性維修強(qiáng)調(diào)改善，既改善設(shè)備運行狀況和固有可靠性水平，是在對設(shè)備故障進(jìn)行根本原因分析的基礎(chǔ)上，針對設(shè)備或零部件的設(shè)計或制造缺陷，包括零部件更換、改進(jìn)設(shè)計、材料升級或重新制造等手段，使設(shè)備的性能得到恢復(fù)和改善，消除可能重復(fù)發(fā)生的故障，從而提高設(shè)備的運行可靠性。

(5)機(jī)會維修，顧名思義是利用停車機(jī)會進(jìn)行維修。引入機(jī)會維修的概念，是為了消除或減少設(shè)備因為檢查或維修不全面或不徹底，設(shè)備在維修結(jié)束后運行較短時間內(nèi)再次發(fā)生功能性故障的概率。

4 結(jié)語

科學(xué)的維修管理方法和系統(tǒng)的設(shè)備維修策略是確保設(shè)備得到有效維修，并為生產(chǎn)裝置的安全可靠運行提供重要的前提條件；同時，還可以有效的降低各種消耗，進(jìn)而降低生產(chǎn)成本，為企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益提供充實的物質(zhì)基礎(chǔ)。

[1]梁建宏.故障模式及影響分析(FMEA)在設(shè)備維修管理中的應(yīng)用[J].石油化工安全技術(shù)，2006，22(6)：42-44.

[2]蔣瑜,楊雪,阮啟明.機(jī)械設(shè)備故障規(guī)律及運行趨勢預(yù)測方法綜述[J].機(jī)電一體化,2001,(3):14-17.

[3]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,2006.

[4]呂一農(nóng).以可靠性為中心的維修(RCM)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[D].浙江大學(xué),2005.

[5]陸朝榮,施毅.設(shè)備故障率和設(shè)備維修策略[J].石油化工技術(shù)經(jīng)濟(jì)，2004，(3)20.

[6]Marseguerra M,Zio E,Podofilini L,conditionbased maintenance optimization by means of genetic algorithms and Monte Carlo simulation[J].Reliability Engineering and System Safety,2002,77:151-165.