石化設(shè)備復(fù)雜運行環(huán)境可靠性數(shù)據(jù)評估*

劉金玲，張杰東，葛春濤，胡 川，姜 雪

(中國石化青島安全工程研究院化學(xué)品安全控制國家重點實驗室，山東青島 266104)

0 前言

可靠性數(shù)據(jù)應(yīng)用廣泛，數(shù)據(jù)分析結(jié)果可適用于定量風(fēng)險分析、基于風(fēng)險的檢查、設(shè)備安全完整性水平評估、設(shè)備壽命周期成本/最優(yōu)化/維護分析等領(lǐng)域。為滿足石油公司、設(shè)備制造商等對可靠性數(shù)據(jù)的需求，國外相關(guān)公司和機構(gòu)早已深入開展設(shè)備運行、故障、維護等數(shù)據(jù)的研究，形成了完整的可靠性數(shù)據(jù)分析體系，并依據(jù)應(yīng)用需求構(gòu)建了多個可靠性數(shù)據(jù)庫，如挪威OREDA(海上可靠性數(shù)據(jù))數(shù)據(jù)庫、CCPS指導(dǎo)手冊《工藝設(shè)備可靠性數(shù)據(jù)指南》、EXIDA《安全設(shè)備可靠性手冊》、英國HSE的HCRD數(shù)據(jù)庫等。

國內(nèi)針對石化設(shè)備的可靠性分析也開展了一些研究，但關(guān)于設(shè)備失效數(shù)據(jù)的收集分析仍缺乏系統(tǒng)性，無法構(gòu)建可供應(yīng)用的工業(yè)可靠性數(shù)據(jù)庫，致使國內(nèi)化工行業(yè)設(shè)備可靠性數(shù)據(jù)均采用國外數(shù)據(jù)庫/手冊數(shù)據(jù)。但國外的可靠性數(shù)據(jù)庫依托于國外相關(guān)產(chǎn)品設(shè)備的運行失效數(shù)據(jù)信息建成，所分析設(shè)備與國內(nèi)石化設(shè)備在運行環(huán)境、失效數(shù)據(jù)等方面存在較多差異，無法準(zhǔn)確反映國內(nèi)設(shè)備的安全可靠性。

本文結(jié)合國內(nèi)石化行業(yè)設(shè)備運行實際情況，構(gòu)建可靠性數(shù)據(jù)邏輯架構(gòu)，開展基于風(fēng)險評估應(yīng)用導(dǎo)向的設(shè)備可靠性數(shù)據(jù)分析技術(shù)研究，實現(xiàn)自主化設(shè)備可靠性信息挖掘、分析及應(yīng)用，為國內(nèi)石化行業(yè)設(shè)備系統(tǒng)化數(shù)據(jù)庫構(gòu)建探索了道路。

1 石化設(shè)備可靠性數(shù)據(jù)分析研究

目前，國內(nèi)石化企業(yè)普遍應(yīng)用設(shè)備設(shè)施現(xiàn)場運行信息收集系統(tǒng)，該系統(tǒng)已實現(xiàn)了設(shè)備基礎(chǔ)信息歸檔，對設(shè)備運行數(shù)據(jù)、故障信息及維護信息進行實時記錄。研究人員分析設(shè)備現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)源發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)記錄信息可以滿足國內(nèi)石化設(shè)備可靠性數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)信息需求，結(jié)合完善的數(shù)據(jù)庫邏輯架構(gòu)，采集風(fēng)險評估應(yīng)用導(dǎo)向所需的設(shè)備可靠性數(shù)據(jù)，并利用通用設(shè)備失效率算法分析設(shè)備可靠性指標(biāo)參數(shù)-失效率，能夠準(zhǔn)確體現(xiàn)國內(nèi)石化行業(yè)設(shè)備可靠性現(xiàn)狀。

1.1 設(shè)備安全可靠性數(shù)據(jù)庫邏輯架構(gòu)

可靠性數(shù)據(jù)庫邏輯架構(gòu)是用以確定數(shù)據(jù)庫內(nèi)設(shè)備主要數(shù)據(jù)類型的邏輯鏈接關(guān)系，利用層級模型、網(wǎng)狀模型、關(guān)聯(lián)模型和對象模型定義設(shè)備數(shù)據(jù)邏輯結(jié)構(gòu)，可以鏈接設(shè)備編目信息、故障信息及維護信息等。設(shè)備的數(shù)據(jù)邏輯結(jié)構(gòu)與不同類型數(shù)據(jù)之間的關(guān)系如圖1所示。數(shù)據(jù)庫邏輯架構(gòu)涵蓋3種類型的數(shù)據(jù)：設(shè)備編目數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)和維修數(shù)據(jù)。每種類別的數(shù)據(jù)用以描述設(shè)備不同信息，設(shè)備編目數(shù)據(jù)包含設(shè)備技術(shù)數(shù)據(jù)、運行及環(huán)境數(shù)據(jù)等，表明設(shè)備的類型不同、運行裝置差異及規(guī)格區(qū)別。設(shè)備故障數(shù)據(jù)描述設(shè)備在監(jiān)視期間內(nèi)的故障信息，且每一個故障信息都對應(yīng)一個與設(shè)備相關(guān)聯(lián)的故障事件。設(shè)備維護數(shù)據(jù)既包括與設(shè)備單元故障相關(guān)聯(lián)的糾正性維護信息，也包括對設(shè)備進行的日常周期性維護信息，通常包括維護行為、維護間隔、人工時等。

圖1 數(shù)據(jù)邏輯結(jié)構(gòu)

1.2 基于風(fēng)險評估應(yīng)用的失效數(shù)據(jù)類型

基于風(fēng)險評估導(dǎo)向，分析現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)源記錄的固有內(nèi)容、數(shù)據(jù)形式，對比通用數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)邏輯架構(gòu)，分析人員制定了標(biāo)準(zhǔn)化的信息采集方法與待采集數(shù)據(jù)類型，提取現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)系統(tǒng)“未加工的”數(shù)據(jù)進入到中間存儲，轉(zhuǎn)化成目標(biāo)信息存儲模塊要求的類型和數(shù)據(jù)格式，搭建設(shè)備編目數(shù)據(jù)存儲庫與設(shè)備故障數(shù)據(jù)存儲庫，如表1所示的編目數(shù)據(jù)存儲庫離心泵的部分內(nèi)容，表2為故障數(shù)據(jù)存儲庫離心泵的部分數(shù)據(jù)。

表1 離心泵編目數(shù)據(jù)(部分)

表2 離心泵失效數(shù)據(jù)(部分)

設(shè)備安全可靠性數(shù)據(jù)庫的設(shè)備編目數(shù)據(jù)記錄了設(shè)備的所屬工廠、運行裝置、設(shè)備制造商及技術(shù)型號、設(shè)備ID編碼等，關(guān)聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)備分類，標(biāo)注設(shè)備的工作狀態(tài)。設(shè)備故障數(shù)據(jù)庫記錄發(fā)生故障設(shè)備的設(shè)備ID編碼、設(shè)備類型、關(guān)聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備失效模式、規(guī)范的設(shè)備故障原因與故障措施、存儲數(shù)據(jù)監(jiān)視期內(nèi)同一設(shè)備故障發(fā)生總次數(shù)等。

將數(shù)據(jù)存儲庫內(nèi)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到可靠性數(shù)據(jù)分析庫中，利用通用設(shè)備失效率分析技術(shù)可以實現(xiàn)基于風(fēng)險評估應(yīng)用導(dǎo)向的設(shè)備可靠性評估。

1.3 通用設(shè)備失效率分析技術(shù)

評判石化設(shè)備可靠性水平的關(guān)鍵指標(biāo)參數(shù)之一是失效率，失效率是指單位時間內(nèi)設(shè)備發(fā)生失效的概率，設(shè)備的失效率函數(shù)是時間

t

的函數(shù)，是指設(shè)備工作至

t

時刻時還未發(fā)生故障，在下一單位時間Δ

t

內(nèi)發(fā)生故障的概率，其數(shù)學(xué)定義表達式為：

(1)

式中：

Z

(

t

)——設(shè)備的失效率，次/h；

P

——單位時間內(nèi)設(shè)備的平均故障次數(shù)，次；

T

——設(shè)備發(fā)生失效前時間，h。

設(shè)備的全壽命周期通常會分為3個階段，分別為早期失效階段、有效壽命階段和磨損階段，3個階段的失效率趨勢存在明顯差異，設(shè)備全壽命周期失效率曲線如圖2所示的浴盆曲線。

圖2 浴盆曲線

設(shè)備的早期失效主要是由設(shè)備的質(zhì)量或安裝等造成的，通過嚴格的質(zhì)量篩選和規(guī)范的安裝程序，設(shè)備的失效率會迅速下降；設(shè)備在有效壽命階段，通過日常的基本維護，失效率會維持在一定的穩(wěn)定范圍，可視為常數(shù)；當(dāng)設(shè)備進入磨損階段，設(shè)備耗損嚴重，失效率會迅速提高。設(shè)備安全可靠性數(shù)據(jù)庫主要收集設(shè)備在有效壽命階段的失效數(shù)據(jù)，這也是設(shè)備的失效率分析的前提。

在實際工業(yè)應(yīng)用中，石化設(shè)備具有類型多樣、設(shè)計規(guī)格不同、運行環(huán)境復(fù)雜及維護活動差異等特性，分析人員采用多樣本區(qū)間估計方法，解決了石化設(shè)備復(fù)雜化問題。

統(tǒng)計同類設(shè)備失效的

k

個不同樣本，樣本

i

在整個服務(wù)時間

τ

中觀察到

n

個故障，

i

=1,2,…,

k

。通用設(shè)備的多樣本失效率分析如下:

(2)

b) 計算多樣本關(guān)鍵參數(shù)

S

、

S

、

V

：

(3)

c) 由不同條件的樣本組成的多樣本數(shù)據(jù)之間存在差異性，引入方差表示樣本之間的變化，方差的估計值為：

(4)

d) 設(shè)備失效率的樣本均值

θ

為：

(5)

設(shè)備平均失效率置信水平為90%的置信區(qū)間下值和上值滿足：

(6)

假設(shè)

π

(

λ

)是一個伽馬分布的概率密度函數(shù)，帶有參數(shù)

α

和

β

，參數(shù)

α

和

β

估算值為：

(7)

(8)

由卡方分布確定設(shè)備失效率的置信區(qū)間：

(9)

2 基于離心泵的通用失效率分析技術(shù)應(yīng)用

基于現(xiàn)場運行信息收集系統(tǒng)的設(shè)備數(shù)據(jù)來自具有不同操作和環(huán)境條件的不同裝置，或者由不同生產(chǎn)制造商提供的同類型設(shè)備應(yīng)用于煉化裝置，研究發(fā)現(xiàn)，不同條件的設(shè)備運行、故障、維護等可靠性數(shù)據(jù)，可以組成不同的設(shè)備單樣本數(shù)據(jù)，規(guī)整合并能形成需求的多樣本，并在不同制造商不同運行裝置、目標(biāo)裝置、目標(biāo)制造商、目標(biāo)失效模式等4個維度下，分析設(shè)備的多樣本失效率參數(shù)。

以國內(nèi)某煉化企業(yè)5年間離心泵的故障記錄數(shù)據(jù)為例，在目標(biāo)失效模式維度下，多選離心泵的失效模式，計算離心泵的總體多樣本失效率參數(shù)，該條件下共計387個樣本數(shù)據(jù)，樣本數(shù)據(jù)節(jié)選5條如表3所示，其中涉及到離心泵總數(shù)1 262臺，裝置數(shù)54套，制造商112家，失效模式25種。

表3 目標(biāo)失效模式維度下離心泵多樣本數(shù)據(jù)(部分)

利用通用設(shè)備失效率分析技術(shù)計算離心泵總體失效率多樣本均值與標(biāo)準(zhǔn)差：

(10)

(11)

多樣本均值失效率置信水平為90%的置信區(qū)間下、上限值為：

(12)

(13)

即為多樣本均值失效率真值為區(qū)間(1.67×10，9.35×10)覆蓋的概率為90%。

離心泵失效率的最終估計值為3.14×10/h，即為離心泵每年的失效率為0.28次。對比風(fēng)險評估現(xiàn)場調(diào)研的離心泵失效情況，與實際運行結(jié)果基本相符，說明計算結(jié)果具有較高可信度。

3 結(jié)論

a) 結(jié)合國內(nèi)石化設(shè)備的實際情況，分析設(shè)備現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)源，完成數(shù)據(jù)邏輯架構(gòu)搭建，確定了基于風(fēng)險評估應(yīng)用需求的設(shè)備失效數(shù)據(jù)類型，為數(shù)據(jù)庫的建設(shè)提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

b) 根據(jù)通用設(shè)備失效率分析技術(shù)，結(jié)合國內(nèi)某煉化企業(yè)離心泵實際運行情況，記錄失效事件，分析目標(biāo)失效模式維度條件下的離心泵失效率樣本均值，其計算結(jié)果與設(shè)備實際應(yīng)用失效情況相符，具有較高可信度，對企業(yè)風(fēng)險準(zhǔn)確化評估具有重要意義。