流程泵的預(yù)防性維修

文/楊鋒，程聶

流程泵的預(yù)防性維修

文/楊鋒，程聶

石油化工流程泵以動態(tài)可靠性為基礎(chǔ)的預(yù)防性維修——針對石油化工流程泵預(yù)防性維修的重大需求，本文提出以動態(tài)可靠性為基礎(chǔ)的預(yù)防性維修（DRBPM）概念，并對關(guān)鍵性指標(biāo)進(jìn)行詳細(xì)闡述，確定了有效的預(yù)防方向，在此基礎(chǔ)上提供了實(shí)際應(yīng)用解決模式和實(shí)際應(yīng)用效果評估。結(jié)果顯示：由于流程泵突發(fā)性故障而引起的生產(chǎn)裝置安全風(fēng)險事故基本杜絕，DRBPM系統(tǒng)取得了良好的社會和經(jīng)濟(jì)效益。

圍繞設(shè)備可靠性進(jìn)行維修（RCM）用以確定資產(chǎn)預(yù)防性維修需求、優(yōu)化維修管理模式是目前國際通用的一種系統(tǒng)工程方法。它是根據(jù)設(shè)備的可靠性狀況，以最少的維修資源消耗，運(yùn)用邏輯決斷方法來確定所需的維修內(nèi)容、維修類型、維修間隔周期以及維修級別，判定出預(yù)防性維修大綱，從而達(dá)到優(yōu)化維修的目的。

隨著設(shè)備預(yù)防性維修策略的實(shí)施，改進(jìn)性維修的應(yīng)用以及設(shè)備長周期使用、工況環(huán)境的變化，設(shè)備可靠性狀況、維修間隔期均發(fā)生變化[3-5]。因此必須根據(jù)設(shè)備最新狀況實(shí)時調(diào)整設(shè)備預(yù)防性維修大綱，從而有效利用維修資源，實(shí)現(xiàn)設(shè)備長周期可靠運(yùn)行，這是以動態(tài)可靠性為基礎(chǔ)的預(yù)防性維修策略的目標(biāo)。

預(yù)防性維修策略（Dynamic Reliability Based Preventive Maintenance 簡稱DRBPM）是以動態(tài)可靠性為基礎(chǔ)，依托可靠性維修發(fā)展出來的新維修理念，它依賴互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和大數(shù)據(jù)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)控和趨勢分析，從而對設(shè)備可靠性及維修大綱進(jìn)行動態(tài)管理。經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證自2009年開始推行轉(zhuǎn)動設(shè)備預(yù)防性維修工作，2011年開始探索RCM維修模式，2013年開始研究DRBPM維修模式并于2014年初推廣使用，經(jīng)實(shí)際使用，取得明顯效果。

DRBPM的基本原理

1.可靠性的定義及具體指標(biāo)

設(shè)備可靠性是指設(shè)備在一定時間內(nèi)無故障完成規(guī)定功能的水平。通常用能定量表現(xiàn)的可靠性指標(biāo)來權(quán)衡設(shè)備可靠性程度，包括可靠度、故障率、MTBF、維修性及有效度等。

（1）可靠度

可靠度指設(shè)備在給定條件下，預(yù)期時間內(nèi)，實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能的概率，用R（T）表示。它是設(shè)備在t時間內(nèi)無故障，或是其壽命T大于t的概率，即P≥t）稱為可靠度函數(shù)。

與可靠度相對應(yīng)的是不可靠度，它表示設(shè)備故障部分所占的比例，常記F（t）。它是故障分布函數(shù)，其值從0到1變化。

可靠壽命指設(shè)備可靠度下降到r時的工作時間，可根據(jù)可靠度函數(shù)和可靠度值r求出。其中r稱為可靠水平，轉(zhuǎn)動設(shè)備的可靠水平通常為可靠壽命的0.8～0.9。

（2）故障率

所謂故障率是指設(shè)備發(fā)生故障的比率。運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法作出考察設(shè)備的“故障頻數(shù)-分布時間”曲線圖，由分布曲線擬合故障的概率密度函數(shù)f（t）。

（3）MTBF

平均無故障時間MTBF（Mean Time Between Failure），又稱無故障間隔時間，它指可修復(fù)設(shè)備相鄰兩次故障發(fā)生之間無故障工作時間的平均值。MTBF所指對象僅限于發(fā)生故障后可通過修理恢復(fù)其功能的設(shè)備。利用MTBF的歷史數(shù)據(jù)，能夠很容易地推斷出它的威布爾分布函數(shù)和不同時間的概率值，從而確定其不同歷史時期的可靠度，因此能預(yù)知該設(shè)備無故障地使用時長，以及在使用多長時間后應(yīng)該進(jìn)行修理。

（4）維修性與有效度

從廣義可靠性的觀點(diǎn)出發(fā)，對于可修復(fù)的設(shè)備，除了無故障地實(shí)現(xiàn)功能外，在產(chǎn)生故障后迅速排除故障對于設(shè)備維修和故障診斷也至關(guān)重要。維修是指使設(shè)備保持與恢復(fù)其功能狀態(tài)的一切技術(shù)活動與管理活動的總和，而維修性是指修復(fù)產(chǎn)品的難易程度。所謂有效度是指可修復(fù)設(shè)備，即在規(guī)定條件下，規(guī)定時間內(nèi)，維持其功能的概率，一般記為A。

通過有效地監(jiān)測設(shè)備工作狀態(tài)進(jìn)而提高其平均無故障時間和通過有效的監(jiān)測與診斷減少平均故障修理時間是提高有效度的唯一方法。

2.設(shè)備故障后果

（1）設(shè)備故障強(qiáng)度

設(shè)備是指可供人們生產(chǎn)中長期使用，并在反復(fù)使用中基本保持原有實(shí)物形態(tài)和功能的生產(chǎn)資料和物資資料的總稱，作為石油化工連續(xù)生產(chǎn)企業(yè)，保持設(shè)備功能滿足連續(xù)生產(chǎn)需求是首要任務(wù)，對于設(shè)備故障后果，應(yīng)當(dāng)首先考慮對連續(xù)生產(chǎn)的影響和沖擊，其次是安全和經(jīng)濟(jì)后果，對此進(jìn)行定性分析。設(shè)備故障強(qiáng)度是依據(jù)設(shè)備在生產(chǎn)中的重要性并結(jié)合設(shè)備故障發(fā)生對生產(chǎn)活動的沖擊、影響，從而對設(shè)備故障進(jìn)行分類管理的方法。目前，對設(shè)備故障強(qiáng)度分類如表1所示。

（2）設(shè)備故障安全性和經(jīng)濟(jì)性后果

圖1 設(shè)備可靠度和故障強(qiáng)度等級的關(guān)聯(lián)矩陣

由于石油化工行業(yè)易燃易爆、有毒有害的生產(chǎn)特點(diǎn)，部分設(shè)備發(fā)生故障后可能產(chǎn)生嚴(yán)重安全后果（如火災(zāi)、環(huán)境嚴(yán)重污染等），因此，對于此類設(shè)備故障強(qiáng)度分析時應(yīng)給予充分考慮，同理，對于故障發(fā)生后導(dǎo)致設(shè)備損失較大、修復(fù)困難的也應(yīng)給予考慮。設(shè)備故障模式的安全性風(fēng)險和故障頻率、安全性后果有關(guān)。

3.邏輯關(guān)聯(lián)與判斷

每一臺設(shè)備在無故障間隔期內(nèi)不同時間點(diǎn)、不同運(yùn)行狀態(tài)具有不同的可靠度，標(biāo)識為R(t)i；同理，每臺設(shè)備發(fā)生功能性故障的后果，即故障強(qiáng)度等級也不盡相同，將每臺設(shè)備故障強(qiáng)度等級標(biāo)識為Sj，即可建立每臺設(shè)備可靠度和故障強(qiáng)度等級的關(guān)聯(lián)矩陣如圖1所示。

4.維修策略與維修資源

維修策略的制定應(yīng)綜合考慮預(yù)防性維修、預(yù)知性維修和主動維修之間的相互組合。由于被動維修可能導(dǎo)致非計(jì)劃停機(jī)，在可靠性維修中要求盡量避免。預(yù)防性維修雖然可以減少非計(jì)劃停機(jī)，卻可能造成維修過剩，需適當(dāng)控制；預(yù)知性維修依據(jù)設(shè)備監(jiān)測狀態(tài)，既避免維修過剩，又避免維修不足，但沒有根除故障且受制于認(rèn)知水平，多有缺漏；主動維修則致力于從根本上削除故障隱患，因此，三者必須有機(jī)組合，充分發(fā)揮各自作用。根據(jù)不同的設(shè)備維修策略，結(jié)合設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及趨勢分析，可以制定出相對合理的維修大綱，包括維修內(nèi)容、維修級別以及類型等，從而有效優(yōu)化維修資源。

表1 設(shè)備故障強(qiáng)度等級

5.其他約束條件

作為石油化工連續(xù)生產(chǎn)企業(yè)，設(shè)備應(yīng)該保持其功能并滿足連續(xù)生產(chǎn)需求。一旦設(shè)備運(yùn)行環(huán)境發(fā)生改變，偏離其設(shè)計(jì)工況，如設(shè)備介質(zhì)性狀變化、工藝流量溫度變化、設(shè)備偏離優(yōu)選工作區(qū)等，設(shè)備往往出現(xiàn)以下情況：①設(shè)備可靠性下降，故障率上升，MTBF時間縮短；②設(shè)備效率低下；③設(shè)備運(yùn)行、維護(hù)成本上升。通過機(jī)泵設(shè)備綜合監(jiān)測平臺發(fā)現(xiàn)，70%嚴(yán)重偏離優(yōu)選工作區(qū)的泵均有振動較大、密封易泄漏、故障率高等現(xiàn)象，因此，僅依靠預(yù)防性維修無法使得設(shè)備功能發(fā)生改變并滿足生產(chǎn)需求，反而過多維修，降低了設(shè)備可靠性。

因此，在制定維修策略時，應(yīng)充分考慮由于設(shè)備運(yùn)行環(huán)境改變而產(chǎn)生的設(shè)備功能需求，并以此作為約束條件對設(shè)備維修策略進(jìn)行即時調(diào)整。只有采用主動性維修，不斷完善設(shè)備功能，從根本上消除隱患，才能確保設(shè)備可靠性，從而提高設(shè)備運(yùn)行效率，降低維修成本，我們在實(shí)踐中也可以清晰看到這一點(diǎn)。

6.動態(tài)可靠性研究

設(shè)備可靠性狀況隨著設(shè)備預(yù)防性維修策略的實(shí)施，改進(jìn)性維修的應(yīng)用以及設(shè)備長周期使用、工況環(huán)境的變化而變化。因此必須根據(jù)設(shè)備最新狀況實(shí)時調(diào)整設(shè)備預(yù)防性維修大綱，從而有效利用維修資源，實(shí)現(xiàn)設(shè)備長周期可靠運(yùn)行。實(shí)現(xiàn)動態(tài)可靠性管理要滿足以下需求：①根據(jù)設(shè)備不同時間點(diǎn)和不同運(yùn)行狀態(tài)及發(fā)展趨勢，可即時計(jì)算分析其可靠度，從而對應(yīng)合適的維修策略；②設(shè)備維修完成或工藝狀況發(fā)生改變后，能及時更新其MTBF和運(yùn)行狀態(tài)分析，確定設(shè)備新的可靠度供分析研判，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備維修大綱的動態(tài)管理。因此，以動態(tài)可靠性為基礎(chǔ)的預(yù)防性維修策略在傳統(tǒng)RCM基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，主要體現(xiàn)在以下方面：

（1）維修決策的制定基礎(chǔ)改進(jìn)

所有傳統(tǒng)的RCM決策過程，均是以設(shè)備故障模式影響與分析（FMEA）為基礎(chǔ)，進(jìn)行風(fēng)險等級確定和維修大綱制定?！邦A(yù)測性維修是RCM的主動性維修策略”，換而言之，在傳統(tǒng)的RCM維修任務(wù)決策過程中，預(yù)測性維修是實(shí)現(xiàn)其維修策略的方式之一，而非決策基礎(chǔ)。DRBPM系統(tǒng)與傳統(tǒng)RCM的維修策略制定基礎(chǔ)是不同的，在DRBPM系統(tǒng)中，設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及趨勢判斷、設(shè)備整體可靠性狀況以及設(shè)備風(fēng)險狀態(tài)研究，三者是綜合一體考慮，并作為預(yù)防性維修策略的制定基礎(chǔ)。

圖2 以可靠性為基礎(chǔ)的動態(tài)預(yù)防性維修系統(tǒng)圖

（2）設(shè)備可靠性的分析方式改進(jìn)

傳統(tǒng)RCM的分析方式的基礎(chǔ)是：通過對設(shè)備進(jìn)行故障模式及影響分析（FMEA），利用概率統(tǒng)計(jì)分析計(jì)算故障模式的量化結(jié)果和故障頻率。這決定了傳統(tǒng)RCM研究方式對于設(shè)備的分析是以零部件為基礎(chǔ)的，即不同類型的零部件有不同的失效模式及統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，再針對不同失效模式制定維修大綱予以解決。而DRBPM系統(tǒng)所針對的石油化工流程設(shè)備，特別是石油化工流程機(jī)械，其不同零部件之間的失效往往是相互關(guān)聯(lián)的，例如：石油化工高溫重質(zhì)油泵，其軸承失效往往引起機(jī)械密封泄漏，從而導(dǎo)致重大安全風(fēng)險，這表明軸承與機(jī)械密封兩個零部件之間的失效是相關(guān)聯(lián)的，而不能用單一失效模式進(jìn)行分析。

建立以可靠性為基礎(chǔ)的動態(tài)預(yù)防性維修系統(tǒng)

根據(jù)設(shè)備不同無故障間隔期和運(yùn)行狀態(tài)分析，可確定其可靠度；結(jié)合設(shè)備故障強(qiáng)度后果分析，從而確定其維修策略。按此原理可對全廠所有設(shè)備進(jìn)行數(shù)值分析和邏輯運(yùn)算，篩選出需要進(jìn)行預(yù)防性維修或臨時緊急維修的設(shè)備，形成報表供設(shè)備管理人員分析、決策，這些都需要復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理和邏輯運(yùn)算。得益于計(jì)算機(jī)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，使得靠人工無法完成的龐大數(shù)據(jù)處理工作成為現(xiàn)實(shí)。建立以可靠性為基礎(chǔ)的動態(tài)預(yù)防性維修系統(tǒng)需要完備的基礎(chǔ)工作：①長期設(shè)備故障統(tǒng)計(jì)與分析數(shù)據(jù)；設(shè)備歷史檢維修數(shù)據(jù)作為可靠度計(jì)算依據(jù)；②完善的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與分析數(shù)據(jù)；③合理的設(shè)備故障強(qiáng)度與安全、經(jīng)濟(jì)性后果分析數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上，建立系統(tǒng)如圖2所示。

實(shí)際應(yīng)用及效果

自開始投用DRBPM系統(tǒng)，經(jīng)過2年使用已經(jīng)取得明顯社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。以主要生產(chǎn)裝置流程泵為例，選擇主要煉油生產(chǎn)裝置近1 100臺機(jī)泵設(shè)備，同時由于2012年與2016年為全廠停工檢修年，故選取檢修周期內(nèi)同期年份2011年、2015年以及DRBPM系統(tǒng)投用第一年及2014年數(shù)據(jù)進(jìn)行比較：2014年DRBPM系統(tǒng)開始實(shí)施，當(dāng)年在預(yù)防性總量沒有增加的前提下，由于預(yù)防性檢修的科學(xué)性、合理性加強(qiáng)，設(shè)備預(yù)知性維修及設(shè)備故障檢修數(shù)量明顯降低；2015年隨著DRBPM工作深入開展，設(shè)備預(yù)防性檢修、預(yù)知性檢修針對性更強(qiáng)，檢修總量明顯下降，且設(shè)備故障性檢修數(shù)量仍較上年降低約33%。

至2015年底，流程泵檢修總量較2011年減少近50%，故障性檢修數(shù)量降低近85%，僅此一項(xiàng)，節(jié)約機(jī)泵維修成本約350萬元/年，同時，由于流程泵突發(fā)性故障而引起的生產(chǎn)裝置安全風(fēng)險事故基本杜絕，DRBPM系統(tǒng)取得了良好的社會和經(jīng)濟(jì)效益。

事實(shí)證明，以動態(tài)可靠性為基礎(chǔ)的預(yù)防性維修策略，是對傳統(tǒng)RCM技術(shù)的有益探索和發(fā)展，能對設(shè)備預(yù)防性維修提供更加科學(xué)、合理的指導(dǎo)，在石油化工流程設(shè)備的可靠性管理中發(fā)揮了顯著作用。

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作者任職于中國石油化工股份有限公司武漢分公司。