基于RAM分析的常減壓裝置設(shè)備管理策略優(yōu)化

許述劍，劉小輝,銀奇英，邱志剛，劉兵強(qiáng)，徐洪坦，屈定榮

(1.中國石化青島安全工程研究院，山東青島 266100

某常減壓蒸餾裝置設(shè)計(jì)加工能力為500×104t/a，年均操作時(shí)間為8 400 h；事故狀況最小進(jìn)料量時(shí)加工能力為320×104t/a，裝置負(fù)荷為64%。該裝置主要由電脫鹽系統(tǒng)、初餾系統(tǒng)、常壓系統(tǒng)、減壓系統(tǒng)、瓦斯回收系統(tǒng)等組成，主要產(chǎn)品有直餾汽油(重整料)、溶劑油、分子篩、柴油，另外還為催化裂化、焦化、重整、加氫、不同牌號的潤滑油原料、丙烷脫瀝青等裝置提供原料。裝置自1990年投產(chǎn)以來，進(jìn)行了多次大的技術(shù)改造，涉及擴(kuò)能、防腐、安全隱患治理、節(jié)能、標(biāo)準(zhǔn)化整改等方面。由于長期加工劣質(zhì)原油，同時(shí)運(yùn)行環(huán)境苛刻化及高負(fù)荷超期服役造成設(shè)備腐蝕、設(shè)備故障、設(shè)備事故及裝置非計(jì)劃停工頻繁發(fā)生，影響著裝置的長周期安全運(yùn)行[1,2]。為此，應(yīng)用先進(jìn)的基于可靠性模型的RAM(Reliability可靠性、Maintainability可維護(hù)性、Availability可用性，簡稱RAM)分析技術(shù)，開展該裝置系統(tǒng)可靠性分析與維護(hù)策略優(yōu)化，提出最佳的設(shè)備運(yùn)行維護(hù)方案，從而消除設(shè)備隱患，避免設(shè)備事故發(fā)生，降低裝置非計(jì)劃停工次數(shù)和設(shè)備運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，促進(jìn)裝置安全長周期運(yùn)行。

1 常減壓裝置系統(tǒng)RAM分析

1.1 故障數(shù)據(jù)庫建立與單體設(shè)備可靠性評價(jià)

1.1.1收集檢維修歷史數(shù)據(jù)，建立設(shè)備故障數(shù)據(jù)庫

根據(jù)該常減壓裝置操作歷史、故障模式和檢維修情況，確定了可能影響裝置可靠性的靜設(shè)備161個(gè)、動設(shè)備52個(gè)。收集相關(guān)設(shè)備操作及檢維修歷史數(shù)據(jù)(包括10年日常維護(hù)數(shù)據(jù)及大修數(shù)據(jù))，建立設(shè)備故障數(shù)據(jù)庫，主要包括：設(shè)備維修時(shí)間、故障模式、故障原因、維修類型、維修內(nèi)容等。

1.1.2回歸故障數(shù)據(jù)，評價(jià)單體設(shè)備可靠性

基于可靠性及可維護(hù)性模型，對設(shè)備故障數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，計(jì)算出各設(shè)備的平均失效時(shí)間、平均維修時(shí)間、3年末(運(yùn)行周期內(nèi))可靠性、3年內(nèi)(運(yùn)行周期內(nèi))故障概率等，如表1所示。

表1 設(shè)備故障間隔與可靠性(示例)

1.2 可靠性邏輯關(guān)系模型建立與系統(tǒng)可靠性模擬分析

1.2.1建立裝置系統(tǒng)可靠性邏輯關(guān)系模型

在確定了設(shè)備可靠性及可維護(hù)性模型的基礎(chǔ)上，依據(jù)可靠性理論的串聯(lián)連接、并聯(lián)連接、混合連接等邏輯關(guān)系，建立常減壓裝置主要單元及系統(tǒng)可靠性模型(RBD框圖)，如圖1所示。根據(jù)可靠性框圖得到各組成部分的可靠性與系統(tǒng)可靠性之間的關(guān)系[3,4]，即可靠性數(shù)學(xué)模型，計(jì)算出系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)，例如可靠度、平均無故障時(shí)間、故障率等。

1.2.2進(jìn)行裝置系統(tǒng)可靠性模擬分析

收集裝置計(jì)劃內(nèi)停工天數(shù)、計(jì)劃內(nèi)停工造成的經(jīng)濟(jì)損失、降負(fù)荷生產(chǎn)利潤減少、減壓單元停工損失、裝置大檢修成本等相關(guān)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)。根據(jù)裝置實(shí)際情況，制定系統(tǒng)可用性、系統(tǒng)加工能力、100%負(fù)荷、70%負(fù)荷、64%負(fù)荷、0%負(fù)荷的時(shí)間比例、計(jì)劃外停工時(shí)長、計(jì)劃內(nèi)停工時(shí)長、計(jì)劃內(nèi)停工經(jīng)濟(jì)損失、總停工時(shí)長、總經(jīng)濟(jì)損失等關(guān)鍵績效指標(biāo)KPI，作為衡量不同檢修、改造方案的重要指標(biāo)。在確定了單體設(shè)備可靠性、系統(tǒng)可靠性模型(RBD框圖)和相關(guān)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用RAM-int分析軟件，開展裝置系統(tǒng)可靠性模擬分析，評價(jià)系統(tǒng)整體可靠性、可用性、經(jīng)濟(jì)損失、影響系統(tǒng)壽命及經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)鍵設(shè)備。得到以下結(jié)論：

a)表2為某常減壓裝置設(shè)備KPI指標(biāo)分析。如表2所示，以計(jì)劃外停工和計(jì)劃內(nèi)停工所造成的產(chǎn)品效益損失作為主要評價(jià)指標(biāo)，結(jié)果顯示計(jì)劃內(nèi)停工的經(jīng)濟(jì)損失占總損失的主體部分。提高系統(tǒng)效益的關(guān)鍵為降低計(jì)劃內(nèi)停工損失。而且，日常巡檢和在線監(jiān)控等措施可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)可用性，避免計(jì)劃外停工。年總經(jīng)濟(jì)損失可降至2 103.8萬元，均為計(jì)劃內(nèi)停工損失。

圖1 某常減壓裝置系統(tǒng)可靠性模型

表2 某常減壓裝置設(shè)備管理KPI指標(biāo)分析

b)表3為設(shè)備故障導(dǎo)致的停機(jī)時(shí)長排序。如表3所示，結(jié)合實(shí)際情況，常壓裝置的塔器(C-1,2,3)和加熱爐(F-1/1)是影響裝置系統(tǒng)整體可用性的關(guān)鍵設(shè)備，合計(jì)影響達(dá)64.34%以上。減壓塔及減壓爐合計(jì)占29.54%。通過本安設(shè)計(jì)、一用一備等措施，動設(shè)備整體的可用性比較高。

c)表4列出設(shè)備故障導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失排序及占裝置總經(jīng)濟(jì)損失的比例，以常壓塔為例，若嚴(yán)重故障將導(dǎo)致維修時(shí)間過長，從而每年造成損失31.5萬元。大檢修期間對此類關(guān)鍵設(shè)備要進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注或檢測，進(jìn)行預(yù)防性修復(fù)及更換等，可使年平均損失降低31.5萬元。

表3 設(shè)備故障導(dǎo)致的停機(jī)時(shí)長排序

表4 設(shè)備故障導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失排序

d)常壓塔C-2、初餾塔C-1、大常壓爐F-1/1、常壓汽提塔C-3是可能導(dǎo)致裝置0%負(fù)荷運(yùn)行(即裝置停工)的主要設(shè)備，合計(jì)影響高達(dá)97%；可能導(dǎo)致裝置70%負(fù)荷運(yùn)行的主要設(shè)備室小常壓爐F-1/2。此外，常壓測線(常一、二、四線)系統(tǒng)與污水排放系統(tǒng)發(fā)生故障同樣引起降低負(fù)荷。但二者發(fā)生故障可能性幾乎為0。

2 常減壓裝置設(shè)備管理策略優(yōu)化

綜合上述分析結(jié)果，進(jìn)行設(shè)備維護(hù)管理策略和備件庫存方案優(yōu)化，提出最佳的方案。

2.1 維修管理策略分析與優(yōu)化

2.1.1維護(hù)策略分析

目前裝置維修策略包括緊急維修(修復(fù)性維修)、日常定期檢測維護(hù)(視情況維修)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(視情況維修)、大檢修(預(yù)防性維修)，其中日常人工巡檢的頻次、裝置大檢修周期按相關(guān)規(guī)定執(zhí)行。修復(fù)性維修用于解決和排除已經(jīng)發(fā)生的故障、恢復(fù)設(shè)備運(yùn)行，其效率直接決定了故障停車的時(shí)間長短和設(shè)備可靠性的恢復(fù)程度。通過設(shè)計(jì)、大檢修時(shí)的材質(zhì)升級、防腐改造、安全隱患治理、標(biāo)準(zhǔn)化整改等措施，可以提高設(shè)備的(固有)可靠性和使用壽命，從而降低設(shè)備運(yùn)行期間發(fā)生故障的可能性，減少由于故障導(dǎo)致的計(jì)劃外維修時(shí)間和維修次數(shù)，以及相應(yīng)的計(jì)劃外停車損失。大檢修的質(zhì)量對設(shè)備可靠性有重要影響。日常檢查維護(hù)和在線狀態(tài)監(jiān)測可提前發(fā)現(xiàn)或及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，對修復(fù)設(shè)備可靠性、減少維修時(shí)間、避免嚴(yán)重故障導(dǎo)致的停車有幫助。因此維修策略分析將從提高可靠性和維修效率兩方面著手。

常減壓裝置中，主要通過大檢修、日常巡檢和在線狀態(tài)監(jiān)測等檢維修措施來影響設(shè)備的可靠性，因此這些維修活動的質(zhì)量高低會改變設(shè)備的使用壽命和平均故障時(shí)間。檢維修活動中的故障診斷水平、故障排除能力、維修資源等方面都將影響維修效率，而維修效率的變化會改變設(shè)備的平均維修時(shí)間和對應(yīng)的設(shè)備停工時(shí)間。對比分析可知，確保大檢修及日常檢維護(hù)質(zhì)量和維修效率是提高裝置可靠性和可用性的關(guān)鍵，對減少計(jì)劃外停工時(shí)間和相應(yīng)的計(jì)劃外停工損失、提高裝置的經(jīng)濟(jì)效益有重要影響。

2.1.2設(shè)備維護(hù)建議

a)以塔器為代表的靜設(shè)備。主要考慮腐蝕影響，腐蝕失效的故障模式與原料油成分、負(fù)荷大小、工藝操作條件、設(shè)備結(jié)構(gòu)完整有密切關(guān)系，建議結(jié)合RBI分析，針對裝置靜設(shè)備潛在的失效機(jī)理和失效風(fēng)險(xiǎn)指導(dǎo)設(shè)備的檢修、維修工作，合理分配檢維修資源，對高風(fēng)險(xiǎn)部位進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注。目前采取的在線測厚措施，在線腐蝕監(jiān)測點(diǎn)的布置可結(jié)合不同設(shè)備可靠性狀況、通過檢維修發(fā)現(xiàn)的問題、以及RBI分析，進(jìn)行合理和有效設(shè)置，以及時(shí)發(fā)現(xiàn)腐蝕減薄現(xiàn)象，高效利用檢測投入。

此外，日常操作、檢測、維護(hù)、及大檢修期間均應(yīng)保質(zhì)保量安排檢維修工作。由于靜設(shè)備無備用設(shè)備及對系統(tǒng)影響重大，必須保證每次的大檢修質(zhì)量，才可避免日常運(yùn)行期間停工維修并造成經(jīng)濟(jì)損失的不良影響。對安全風(fēng)險(xiǎn)高的設(shè)備應(yīng)予以特別關(guān)注。在運(yùn)行過程中，關(guān)注原油劣化對設(shè)備壽命和可靠性的影響，采取相關(guān)應(yīng)對措施，例如加注緩蝕劑等。

b)加熱爐。加熱爐是影響系統(tǒng)可用性的主要原因之一。若大常壓加熱爐(F-1/1)無法正常工作，會造成裝置停工；若小常壓加熱爐(F-1/2)出現(xiàn)故障，會造成裝置加工量減少30%；若減壓爐F-2故障停爐，會造成減壓裝置停工。現(xiàn)有維修記錄顯示，加熱爐未發(fā)生過重大故障。加熱爐主要的故障模式為腐蝕泄漏。建議：①日常操作期間：加強(qiáng)對加熱爐的監(jiān)測及維護(hù)，日常人工巡檢包括：外壁溫度、爐管溫度、火焰情況觀察等；②大檢修期間：保證加熱爐檢修質(zhì)量，大檢修時(shí)，對爐管進(jìn)行測厚檢查，并進(jìn)行常規(guī)的檢查和維護(hù)項(xiàng)目，例如：燃燒器更新、空氣預(yù)熱器清理及檢修更換、吹灰器檢查、爐內(nèi)耐火襯里檢查更新、火嘴及火煊檢查更換，以及煙道、通引風(fēng)機(jī)檢修、儀表控制系統(tǒng)檢查等；③改造(如可行)：從提高系統(tǒng)產(chǎn)能和可用性的角度，最好的措施是提高小常壓加熱爐F-1/2的負(fù)載能力(目前為30%負(fù)荷)，例如提高到可承擔(dān)64%負(fù)荷(對應(yīng)于裝置最小加工量)，以減少裝置整體對大常壓加熱爐F-1/1的依賴性。投資回收期約為2.04年。

c)泵類。由于泵組一用一備，且定期進(jìn)行預(yù)防性檢修、主泵和備用泵6個(gè)月切換一次，除日常人工巡檢以外，還利用在線監(jiān)測系統(tǒng)對泵類設(shè)備的泵體振動、軸溫度、密封泄漏進(jìn)行監(jiān)測，使得泵類子系統(tǒng)較為可靠，基本不存在主泵、備泵同時(shí)故障并對生產(chǎn)造成損失的情形。說明目前對泵的維修方式、操作方式等頗有成效。建議繼續(xù)保持。

需要注意的是：雖然不同泵的故障模式和壽命分布相似，但發(fā)生故障所導(dǎo)致的后果可能不同。一旦發(fā)送安全事故，即使有備用泵，也無濟(jì)于事，會造成整個(gè)裝置停工。例如高溫油泵一旦發(fā)送泄漏失效，存在引發(fā)安全事故的可能性、影響裝置運(yùn)行。所以要考慮安全風(fēng)險(xiǎn)對可用性的影響，關(guān)注這類設(shè)備的災(zāi)害防護(hù)等級。建議：在線監(jiān)測的參數(shù)設(shè)定應(yīng)考慮不同設(shè)備的差異(結(jié)構(gòu)、類型、大小等)，以免出現(xiàn)不必要的維修報(bào)警，占用維修資源。

d)三頂瓦斯壓縮機(jī)PK-1。如果PK-1出現(xiàn)故障，則瓦斯作為常壓爐燃料燒掉或外排低瓦管網(wǎng)中，不會造成裝置停工，但會影響裝置能量回收。PK-1的故障率較高，氣閥、軸瓦、活塞環(huán)、脫瓦、主氣封等過流部位的易損件都是故障來源，難以提出有效預(yù)防性措施。建議：①日常操作期間：繼續(xù)加強(qiáng)對工藝參數(shù)、振動、溫度等故障的監(jiān)測，密切注意其潛在的故障跡象等；②大檢修期間：高質(zhì)量完成檢修工作，保證配件、維修、安裝質(zhì)量。對易發(fā)故障部位進(jìn)行預(yù)防性更換。

2.2 備件庫存方案優(yōu)化

選取最佳庫存方案時(shí)需對停工損失、折舊成本等綜合考慮。此次以降低總成本(折舊成本與生產(chǎn)損失成本之和)為最佳目標(biāo)，同時(shí)綜合考慮折舊成本、停工時(shí)間、停工損失、備件購置頻率及方案的合理性等因素來確定最佳方案。其中，生產(chǎn)損失成本取決于備件所安裝的設(shè)備對于裝置正常生產(chǎn)的重要性。同類型備件分析考慮安裝在不同設(shè)備的綜合表現(xiàn)進(jìn)行整體評價(jià)與優(yōu)化。對于安裝兩個(gè)配件(密封或軸承)的泵類設(shè)備，分別考慮了：一個(gè)配件發(fā)生失效，安裝在泵上的兩個(gè)配件需同時(shí)更換(情況1)；一個(gè)配件發(fā)生失效，只更換失效的那個(gè)配件(情況2)。該裝置備件優(yōu)化舉例如表5所示。

3 結(jié)論

系統(tǒng)可靠性分析結(jié)果顯示，靜設(shè)備和動設(shè)備有不同種類的失效風(fēng)險(xiǎn)。靜設(shè)備主要是常減壓塔器和加熱爐，對靜設(shè)備的腐蝕機(jī)理引起的風(fēng)險(xiǎn)要在大檢修中全面防范，常壓加熱爐1/2的負(fù)荷偏小，可以擴(kuò)容到64%，投資回收期在2-3年，每年節(jié)省近50萬的成本；動設(shè)備主要是泵，其風(fēng)險(xiǎn)可以通過在線監(jiān)測來降低，對于泵的27個(gè)關(guān)鍵配件備件的購買和存儲進(jìn)行了優(yōu)化，推薦了最經(jīng)濟(jì)的方案和最安全的方案。由于計(jì)劃內(nèi)停工所造成的損失占主導(dǎo)地位，在維修管理方面，需切實(shí)保證維修及大檢修的質(zhì)量，進(jìn)行合理、規(guī)范的日常檢維修操作。

在目前企業(yè)操作維護(hù)人員減少、設(shè)備大型化、加工原油劣化的情況下，開展基于經(jīng)濟(jì)成本分析的系統(tǒng)可靠性分析和維護(hù)管理策略優(yōu)化，降低風(fēng)險(xiǎn)、節(jié)省成本，管控設(shè)備故障，提高設(shè)備管理水平，實(shí)現(xiàn)全廠設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)降低、設(shè)備利用最優(yōu)，避免設(shè)備事故發(fā)生，促進(jìn)煉油裝置安全長周期運(yùn)行，具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

表5 備件優(yōu)化結(jié)果匯總

注：以上備件優(yōu)化結(jié)果為最終庫存數(shù)目(已經(jīng)減掉安裝在備用泵上的配件數(shù)目)。