基于FMEA的反應釜故障診斷研究*

袁 瑗 ，郭 歡 ，封春春 ，馬 迪

（1.河南省豫冠安全發(fā)展有限公司，河南 鄭州450000；2.中化石油 安徽有限公司，安徽 合肥 230031）

化工產業(yè)是我國重要經濟支柱之一，近年來伴隨著工業(yè)制造2025戰(zhàn)略的實施，化工產業(yè)也逐步走向聚集化發(fā)展道路，其規(guī)模和效率不斷提高[1]。與此同時，化工生產設備安全問題始終未能得到很好的控制，給國民經濟穩(wěn)定帶來了巨大的安全風險，加強反應釜故障診斷研究勢在必行。國內外工程技術研究人員對反應釜故障檢測問題進行了大量的嘗試。例如：王高生[2]通過對聚乙烯裝置反應釜的故障原因進行分析，通過調整反應釜定位軸承的止推間隙和改造潤滑油回油管線，實現了反應釜功能的恢復；劉忠曄[3]以化工用反應釜事故為例，構建了基于動態(tài)事故樹的分析模型，并分析了造成反應釜事故的原因，提出事故預防和改進措施；陳波[4]對反應釜工作原理和故障特點進行分析，提出將多種檢測手段相融合的綜合故障診斷系統，提高了反應釜故障診斷的準確性；楊瑞鵬[5]對反應釜現場檢修工作的經驗進行了總結，分析了常見的反應釜攪拌軸和軸封故障進行了歸納，提出了針對性的結構改造方案，有效解決了反應釜故障率高，使用壽命短的問題。

這些研究對促進反應釜故障診斷精度，延長設備生命周期有著巨大的參考價值，然而，現有的研究多集中于反應釜故障原因分析，而對故障等級差異并未考慮，制定的檢修方案也缺乏系統性。本文將以某型號攪拌反應釜為研究對象，系統分析反應釜工作系統的構成和子系統間協作關系，以期對化工機械的故障診斷和維修方案優(yōu)選提供理論依據。

1 反應釜結構及特點

1.1 反應釜結構

反應釜是一種廣泛用于化工生產的反應裝置，在不同生產領域，其結構存在著一定的差異，但主要結構組成具有很大的相似性，可分為罐體、傳動裝置、軸封裝置、攪拌裝置、支座、人孔、工藝管和附件等。

圖1 反應釜結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of reactor structure

1.2 反應釜的檢查流程

反應釜的工作流程主要由啟動運轉、加料、升溫和出料構成，因而其檢查過程大體上可分為3個階段，即設備啟用前的檢查、設備運轉過程的巡檢和設備停轉后的檢查。啟用前主要對設備狀態(tài)和控制系統可靠性進行檢查；當反應釜開啟后，檢查內容主要集中于工藝參數的巡檢和設備運行狀態(tài)的異常情況進行排查；設備停轉后還需要對設備控制系統進行檢查，確保電源和開關處于斷路狀態(tài)。

2 FMEA分析方法簡介

故障類型和影響分析（Failure Modes and Effects Analysis,簡稱FMEA）是通過對生產系統進行分解，并通過不同檢測方法對系統中存在的潛在故障模式以及對系統功能實現產生的影響進行分析，找出系統故障原因，并評判系統故障的嚴重度等級，最后針對不同等級的故障，制定相應的處理措施。

2.1 故障等級劃分

故障指元件、子系統或系統在規(guī)定期限內和運行條件下未按照設計要求完成規(guī)定功能或功能下降的狀態(tài)。在FMEA分析中，故障等級是按照故障可能導致的最嚴重的的潛在后果進行分類的，在實際操作時，通常以傷害程度、財產損失或系統永久破壞加以衡量，即：

Ⅰ級（輕微的） 不足以造成造成人身傷害、職業(yè)病、財產損失或系統破壞，但需要額外的維護或修理；

Ⅱ級（臨界的） 可能造成輕傷、職業(yè)病、少量財產損失、輕微的系統破壞（造成生產延誤、系統可靠性或功能下降）；

Ⅲ級（嚴重的） 可能導致重傷、嚴重職業(yè)病、重大財產損失、嚴重的系統破壞（造成長時間停產或生產損失）；

Ⅳ級（致命的） 可能導致死亡或系統損失。

2.2 FMEA分析程序

FMEA分析是采用系統工程的思想對生產系統中的設備和工藝進行故障分析的方法[8]。故FMEA分析需要充分考慮系統的整體性特征，將分析對象分解為相互依賴、相互作用的子系統，并逐步開展分析。具體而言，其分析程序為[9]：（1）系統分解；（2）分析層次的確定；（3）系統功能框圖的繪制；（4）列出系統故障類型并分析可能造成的影響；（5）分析故障產生的原因和采用的檢測手段；（6）確定故障等級。

3 工程案例分析

3.1 工程概況

中化石油安徽六安有限公司六安油庫位于安徽省六安市霍邱縣周集鎮(zhèn)閘口村，油庫的總庫容為30000m3，主要儲存品種有柴油和汽油，現有汽油儲油罐4個共8000m3，均為內浮頂式儲罐。公司現有一套烷基化裝置，涉及20余臺反應設備，其中反應釜為該裝置的主要設備，它主要為烷基化生產過程提供混合反應動力。為了排查烷基化裝置的危險源，保證生產安全，2019年公司對1#反應釜進行了故障診斷，確定了設備的故障危險等級，為制定維修方案提供理論依據。

3.2 反應釜FMEA分析

3.2.1 反應釜系統分解 反應釜系統是一種間歇性運行系統，根據其結構和功能特點，綜合考慮反應釜各單元的功能關系和結構層次，可將反應釜運行系統分解為：罐體子系統、攪拌子系統、傳動子系統、軸封子系統和附件子系統。

（1）罐體子系統 罐體子系統是反應釜系統的主體構件，是物料的混合和反應場所。

（2）攪拌子系統 攪拌子系統是反應釜系統主要的工作裝置，包含了攪拌器和攪拌軸。

（3）傳動子系統 傳動子系統是主要為攪拌子系統提供扭轉力矩，帶動攪拌裝置工作，包含電動機和傳動軸設備。

（4）軸封子系統 軸封子系統是罐體密封的主要結構構件，常用的軸封有機械軸封和密封材料軸封。

（5）附件子系統 附件子系統主要是為了保證反應釜工作和檢修而設置的裝置，主要包括支座、人孔和工藝管等。

3.2.2 確定分析層次 本次分析的目的是確定反應釜運行系統單元的故障類型和影響，綜合考慮系統的結構特點和復雜程度，避免次要因素的干擾，分析層次設置為單元級別。其中附件子系統中的支座、人孔和工藝管等裝置，以及軸封子系統和傳動子系統屬于功能件，故在分析時可按元件進行考慮，即不再做進一步分解。

3.2.3 繪制系統框圖 通過對現有資料分析，確定反應釜運行系統各單元的功能和可靠性分別為：

（1）筒體 主要為物料提供混合和反應的場所，通常為中、低壓力容器，查閱相關文獻可知其故障概率較低，因此，本次分析可忽略。

（2）攪拌器 主要功能是對筒體內的物料進行攪拌混合，在反應釜工作過程中，攪拌器需與物料進行碰撞，須承受較大扭轉力，其故障不可忽略。

（3）攪拌軸 主要功能是將電動機的扭轉力矩傳送至攪拌器，攪拌軸工作過程中承受較大扭轉力，故障不可忽略。

（4）電動機 為攪拌裝置提供扭轉力矩，帶動轉動裝置工作，電動機為主要動力設備，故障不可忽略。

（5）傳動軸 主要功能是連接電動機與攪拌軸，實現扭轉力矩的轉移，傳動軸屬于主要傳動設備，故障不可忽略。

（6）軸封 主要功能是為罐體進行密封，軸封多采用填料密封方式，故障可以忽略。

（7）支座 主要功能是對反應釜進行固定，其與系統主要故障的關聯較小，故障可以忽略。

（8）人孔 主要功能是為反應釜檢修時提供人員進入的入口，其故障可以忽略。

（9）工藝管 主要功能為方便在反應過程取樣分析，其故障可以忽略。

根據以上分析可繪制反應釜運行系統功能框圖，見圖2。

圖2 反應釜運行系統功能框圖Fig.2 Functional block diagram of reactor operation system

3.2.4 列出所有故障類型并分析影響 故障類型的查找通常依賴分析者的經驗和知識水平，主觀性較強，為了弱化主觀因素的影響，本次分析采用頭腦風暴法進行分析。具體步驟如下：

準備階段 通報頭腦風暴主題為：查找反應釜運行系統各單元故障類型。參與討論的專家背景分別為設計、安全和操作背景，人數為3人。

明確問題 簡要介紹系統具體情況，明確頭腦風暴的原則為：僅分析單元直接故障類型，不考慮單元中各構件故障。

概念提出 向專家提出單元故障的判定以單元功能無法實現為標準，每個單元故障的討論時間定為1min。

概念評審 按照系統運行流程，分別對攪拌器、攪拌軸、電動機和傳動軸進行故障類型分析。

希望點羅列 對專家討論確定的個單元故障類型進行羅列，并向會議組匯報總結。

經過討論，確定反應釜運行系統故障類型，見表1。

表1 反應釜運行系統故障類型及其影響Tab.1 Fault types of reactor operation system and their influence

3.2.5 分析故障原因機故障檢測方法 通過調閱系統檢修記錄和對檢修人員進行調查，分析確定反應釜運行系統故障原因和檢測方法見表2。

表2 反應釜運行系統故障原因及檢測方法表Tab.2 Table of causes and detection methods of reactor operation system failure

3.2.6 確定故障等級 將表1中各單元故障影響與故障嚴重度分級規(guī)則進行對比，可確定各單元故障等級見表3。

表3 反應釜運行系統故障類型和影響分析表Tab.3 Table of reactor operation system failure type and impact analysis

3.3 整改措施

根據反應釜故障診斷的結果，確定電動機線圈短路故障嚴重度等級最高為Ⅳ級，屬于致命的故障；電動機不轉、傳動軸不轉和傳動軸打滑的故障嚴重度等級為Ⅲ級，屬于嚴重的故障；攪拌器不轉、攪拌軸不轉和攪拌軸轉速過慢的故障嚴重度等級為Ⅱ，屬于臨界的故障。針對不同等級故障制定相應的整改措施，具體為：

（1）Ⅳ級故障 及時對電動機線圈進行維修或更換電動機，并重新進行系統可靠性評估；

（2）Ⅲ級故障 加強電動機檢修、對轉動軸齒輪進行維修或更換；

（3）Ⅱ級故障 加強攪拌器和攪拌軸的檢修。

4 結論

根據反應釜故障診斷的實際需求，文章對FMEA分析方法進行了論述，并采用系統工程思想分析了反應釜設備的結構特點和運行系統工作原理進行了分解，并結合中化石油安徽六安有限公司六安油庫烷基化裝置中的1#反應釜進行了故障診斷，主要結論如下：

（1）反應釜FMEA分析的程序可歸納為：系統分解、確定分析層次、繪制系統功能框圖、列出所有故障類型并分析其原因、分析故障原因及故障檢測方法和確定故障等級；

（2）反應釜故障診斷結果表明電動機短路故障的嚴重度等級為Ⅳ級，是致命的，需要加強維修或及時更換；

（3）FMEA分析方法在反應釜故障診斷應用中的效果良好，具有較好的可推廣性。