基于目標(biāo)導(dǎo)向的石化企業(yè)設(shè)備可靠性數(shù)據(jù)庫(kù)建立方法

楊雨龍,劉真真，金 良，劉慶龍，路 帥，王 強(qiáng)，甘元君

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東)機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266580；2.萬華化學(xué)集團(tuán)股份有限公司，山東 煙臺(tái) 264010；3．青島歐賽斯環(huán)境與安全技術(shù)有限責(zé)任公司，山東 青島 266520；4.中國(guó)石油大學(xué)(華東)化學(xué)工程學(xué)院，山東 青島 266580；5.中石油廣東石化分公司，廣東 揭陽 515200；6.中石油獨(dú)山子石化分公司，新疆 克拉瑪依 833699)

石化企業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模隨著石化產(chǎn)品需求量的增加變得越來越大，工藝也變得越來越復(fù)雜，使得化工生產(chǎn)中很容易發(fā)生危險(xiǎn)事故，而化工事故的影響和危害性給社會(huì)造成了不良的影響和巨大的經(jīng)濟(jì)損失[1]。失效數(shù)據(jù)的有效利用是做好石化企業(yè)安全生產(chǎn)平穩(wěn)運(yùn)行的關(guān)鍵之一，但我國(guó)石化行業(yè)的安全管理或安全評(píng)估等需要的失效數(shù)據(jù)大多是參考國(guó)外設(shè)備可靠性數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)。

我國(guó)學(xué)者對(duì)石化企業(yè)的安全評(píng)估、設(shè)備可靠性分析、預(yù)防性維護(hù)等方面做了大量的研究工作。如陳存銀[2]利用C#和SQL數(shù)據(jù)庫(kù)開發(fā)了安全儀表系統(tǒng)完整性等級(jí)設(shè)計(jì)軟件，提高了對(duì)安全儀表數(shù)據(jù)的使用率；付靖春等[3]對(duì)國(guó)內(nèi)外事故數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行了總結(jié)比較，并對(duì)國(guó)內(nèi)事故數(shù)據(jù)庫(kù)的建立及發(fā)展提出了建設(shè)性的建議。雖然我國(guó)頒布了化工企業(yè)定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，如《化工企業(yè)定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)導(dǎo)則》(AQT 3046—2013)[4]和《石化裝置定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指南》[5]等，但是大部分失效數(shù)據(jù)仍是以國(guó)外典型設(shè)備可靠性數(shù)據(jù)庫(kù)作為參考，目前我國(guó)未建立設(shè)備可靠性數(shù)據(jù)庫(kù)，企業(yè)對(duì)失效數(shù)據(jù)的收集也存在一些問題，如失效數(shù)據(jù)集龐大、記錄混亂、缺少標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)備失效模式和失效原因等。因此，有必要結(jié)合我國(guó)實(shí)際情況建立設(shè)備失效標(biāo)準(zhǔn)化語言和數(shù)據(jù)收集流程，并建立符合我國(guó)石化企業(yè)的設(shè)備可靠性數(shù)據(jù)庫(kù)，這對(duì)設(shè)備的可靠性、預(yù)防性維護(hù)、安全管理和企業(yè)的安全評(píng)估等具有重要意義。

1 基于目標(biāo)導(dǎo)向的失效數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)內(nèi)容和流程確定

1.1 目標(biāo)導(dǎo)向決策方法

目標(biāo)導(dǎo)向的決策方法是由Bordley等提出的，它是傳統(tǒng)上常用的效用評(píng)價(jià)方法，該方法用某個(gè)屬性值來體現(xiàn)是否實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的要求來確定它的效用[6]。目標(biāo)導(dǎo)向理論就是通過對(duì)用戶目標(biāo)的分析和研究，將設(shè)計(jì)、構(gòu)造等達(dá)到用戶的要求，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的合理性、可靠性和可接受性[7]。

石化企業(yè)失效數(shù)據(jù)是石化企業(yè)系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析、設(shè)計(jì)、管理維護(hù)等的重要依據(jù)[8-9]。石化企業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估對(duì)石化企業(yè)安全生產(chǎn)、日常維護(hù)和管理具有很大的指導(dǎo)作用，本文主要討論可用于風(fēng)險(xiǎn)定量評(píng)價(jià)(QRA)、保護(hù)層分析(LOPA)和安全完整性等級(jí)(SIL)等分析的失效數(shù)據(jù)。失效數(shù)據(jù)在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中的應(yīng)用主要通過統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)提供設(shè)備泄漏概率，主要為相應(yīng)設(shè)備數(shù)據(jù)和設(shè)備外部泄漏事故記錄的次數(shù)。除此之外，可靠性、可靠度、保護(hù)層分析、預(yù)防性維修、設(shè)備生命周期分析、篩選可靠性廠家等目標(biāo)導(dǎo)向也需要用到失效數(shù)據(jù)。

1.2 確定失效數(shù)據(jù)采集內(nèi)容

綜合考慮以上目標(biāo)導(dǎo)向分析，為了使失效數(shù)據(jù)采集內(nèi)容完整、可靠，在原有數(shù)據(jù)收集內(nèi)容的基礎(chǔ)上增加了失效原因、設(shè)備基礎(chǔ)信息、區(qū)分安全失效和危險(xiǎn)失效、上次失效時(shí)間等信息,以及失效前運(yùn)行總時(shí)長(zhǎng)、平均故障修復(fù)時(shí)間、設(shè)備和零部件廠家及失效情況，最終確定數(shù)據(jù)收集總表，包括設(shè)備數(shù)據(jù)、失效數(shù)據(jù)和維修數(shù)據(jù)。

1.3 失效數(shù)據(jù)收集流程

本文參考國(guó)外設(shè)備可靠性數(shù)據(jù)庫(kù)[10-13]和相關(guān)文獻(xiàn)[14-16]，并結(jié)合石化企業(yè)實(shí)際情況，對(duì)方來華等[17]確定的失效數(shù)據(jù)收集流程進(jìn)行了改進(jìn)，增加了失效數(shù)據(jù)的具體內(nèi)容、數(shù)據(jù)審核和關(guān)鍵數(shù)據(jù)分析步驟?；谀繕?biāo)導(dǎo)向分析制定的失效數(shù)據(jù)收集流程，見圖1。

圖1 數(shù)據(jù)收集流程圖

2 設(shè)備可靠性數(shù)據(jù)庫(kù)標(biāo)準(zhǔn)化體系的建立

收集目標(biāo)導(dǎo)向分析的失效數(shù)據(jù)內(nèi)容需要采用標(biāo)準(zhǔn)化語言描述才能保證失效數(shù)據(jù)的可傳遞性和高質(zhì)量。我國(guó)一些石化企業(yè)雖然開展了失效數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)工作，但由于對(duì)設(shè)備失效模式、失效原因和失效部位等關(guān)鍵參數(shù)的選取欠考慮，因此需要系統(tǒng)的、規(guī)劃性強(qiáng)的收集方法和嚴(yán)格的術(shù)語來規(guī)范失效數(shù)據(jù)的收集流程。本文通過參考國(guó)外設(shè)備可靠性數(shù)據(jù)庫(kù)和我國(guó)相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)建立了設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化失效模式和失效原因，并對(duì)失效模式設(shè)置了代碼。

2.1 標(biāo)準(zhǔn)化語言制定

失效數(shù)據(jù)收集的標(biāo)準(zhǔn)化流程制定需從標(biāo)準(zhǔn)化失效模式和失效原因、設(shè)備分類體系和零部件分類、關(guān)鍵名詞的定義等方面進(jìn)行。通過對(duì)石化企業(yè)失效數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，設(shè)備可靠性數(shù)據(jù)庫(kù)記錄的失效模式對(duì)于我國(guó)石化企業(yè)來說并不全面，經(jīng)過參考、分析和比較國(guó)外設(shè)備可靠性數(shù)據(jù)庫(kù)，補(bǔ)充了達(dá)到使用年限、功能異常、結(jié)焦積垢等失效模式，見表1。

表1 設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化失效模式表

2.2 設(shè)備分類體系建立

化工設(shè)備分類方法多種多樣，如按照承受壓力可將化工設(shè)備分為高壓設(shè)備、中壓設(shè)備和真空設(shè)備等。但國(guó)外設(shè)備可靠性數(shù)據(jù)庫(kù)如OREDA數(shù)據(jù)庫(kù)中沒有石化企業(yè)的部分裝備和儀表設(shè)備，因此本文在國(guó)外設(shè)備可靠性數(shù)據(jù)庫(kù)和我國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中設(shè)備分類的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國(guó)石化企業(yè)的設(shè)備情況，對(duì)設(shè)備分類體系進(jìn)行了完善，將石化設(shè)備分為動(dòng)設(shè)備、靜設(shè)備、電氣設(shè)備和儀表設(shè)備，并增加了分離設(shè)備、反應(yīng)容器、輸入接口和輸出接口，見表2。

表2 設(shè)備分類體系表

2.3 失效模式和失效原因標(biāo)準(zhǔn)化體系的建立

通過對(duì)我國(guó)石化企業(yè)的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、文獻(xiàn)研究以及與國(guó)外設(shè)備可靠性數(shù)據(jù)庫(kù)的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，我國(guó)石化企業(yè)失效數(shù)據(jù)存在記錄不規(guī)范、缺少設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化的失效模式和失效原因等。因此，本文參考國(guó)外OREDA數(shù)據(jù)庫(kù)、我國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和石化企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，針對(duì)4大設(shè)備分類、17種典型設(shè)備類型，構(gòu)建了設(shè)備失效模式和失效原因的標(biāo)準(zhǔn)化體系。

3 設(shè)備可靠性數(shù)據(jù)庫(kù)的建立

數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)的建立有助于石化企業(yè)對(duì)失效數(shù)據(jù)的收集。本文從失效數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)、平臺(tái)需求和結(jié)構(gòu)功能出發(fā)，研發(fā)設(shè)計(jì)了設(shè)備可靠性數(shù)據(jù)庫(kù)。設(shè)備可靠性數(shù)據(jù)庫(kù)動(dòng)態(tài)維護(hù)平臺(tái)的搭建流程分為平臺(tái)需求分析、平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、平臺(tái)詳細(xì)設(shè)計(jì)、平臺(tái)實(shí)現(xiàn)和測(cè)試、平臺(tái)運(yùn)營(yíng)和維護(hù)5個(gè)階段。

3.1 平臺(tái)需求分析

平臺(tái)需求分析是對(duì)平臺(tái)所要實(shí)現(xiàn)的功能和形式的定義、描述和實(shí)現(xiàn)，對(duì)所實(shí)現(xiàn)的平臺(tái)提出詳細(xì)、具體的要求。設(shè)備可靠性數(shù)據(jù)庫(kù)動(dòng)態(tài)維護(hù)平臺(tái)是一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，其要滿足簡(jiǎn)潔、方便、穩(wěn)定的特點(diǎn)，便于操作和進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。因此，本文設(shè)定的平臺(tái)功能主要有遠(yuǎn)程訪問、計(jì)算、查詢、管理、導(dǎo)出、界面要求等功能。

3.2 平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文基于展示層、功能層、支撐層、數(shù)據(jù)層分析并結(jié)合數(shù)據(jù)收集目標(biāo)和客戶目標(biāo)，設(shè)計(jì)了設(shè)備可靠性數(shù)據(jù)庫(kù)動(dòng)態(tài)維護(hù)平臺(tái)的總體結(jié)構(gòu)，見圖2。

圖2 設(shè)備可靠性數(shù)據(jù)庫(kù)動(dòng)態(tài)維護(hù)平臺(tái)的總體結(jié)構(gòu)圖

結(jié)合設(shè)備可靠性數(shù)據(jù)庫(kù)動(dòng)態(tài)維護(hù)平臺(tái)的總體結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了平臺(tái)實(shí)體關(guān)系E-R(Entity-Relationship Model)圖，將平臺(tái)各個(gè)模塊的關(guān)系和詳細(xì)內(nèi)容以E-R圖的形式展示出來[18]。本文建立了平臺(tái)用戶、設(shè)備分類、系統(tǒng)分類、備件管理、失效原因、失效模式、故障位置、故障措施、設(shè)備屬性、設(shè)備失效概率、設(shè)備維修、易損設(shè)備和零部件統(tǒng)計(jì)共12個(gè)實(shí)體對(duì)象，平臺(tái)實(shí)體關(guān)系E-R圖，見圖3。其中，矩形表示實(shí)體；橢圓表示屬性；菱形表示聯(lián)系；n代表多個(gè)；1代表1對(duì)1。本文建立的平臺(tái)概念結(jié)構(gòu)E-R圖在原有平臺(tái)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上對(duì)失效原因、失效模式、故障措施、設(shè)備失效概率、設(shè)備維修、易損設(shè)備和零部件統(tǒng)計(jì)等部分進(jìn)行了豐富和調(diào)整。

圖3 設(shè)備可靠性數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)概念結(jié)構(gòu)E-R圖

3.3 平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)

在對(duì)平臺(tái)進(jìn)行需求分析和功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之后，應(yīng)用最新的編程技術(shù)完成平臺(tái)的開發(fā)。本文選用Windows 2000為系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺(tái)，HTML作為網(wǎng)絡(luò)前端界面的開發(fā)工具，MySQL作為后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，JAVA作為后端編程語言，采用模塊化編程方法研發(fā)了設(shè)備可靠性數(shù)據(jù)庫(kù)，該數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)登錄界面見圖4。

圖4 設(shè)備可靠性數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)登錄界面圖

登錄平臺(tái)后，進(jìn)入主界面，平臺(tái)主界面由導(dǎo)航菜單、導(dǎo)航欄、退出登錄、我的桌面和刷新功能組成，見圖5。其中，導(dǎo)航菜單和導(dǎo)航欄顯示的是當(dāng)前用戶所能使用的功能模塊；我的桌面上部分顯示設(shè)備故障信息和備件故障信息，此外還顯示設(shè)備故障原因比例圖和備件消耗數(shù)量圖，點(diǎn)擊備件故障信息區(qū)域某一種備件，備件消耗數(shù)量圖自動(dòng)切換為當(dāng)前備件的各廠家壽命周期統(tǒng)計(jì)柱狀圖(見圖5)。各廠家按照使用周期壽命長(zhǎng)短自行排序，便于選擇可靠性設(shè)備廠家。

圖5 設(shè)備可靠性數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)主界面圖

4 實(shí)例應(yīng)用

將本文基于目標(biāo)導(dǎo)向的設(shè)備可靠性數(shù)據(jù)庫(kù)建立方法歸納為流程圖的形式，從確定數(shù)據(jù)收集目的，直到平臺(tái)的建立和數(shù)據(jù)的應(yīng)用過程建立了詳細(xì)、完整的流程，見圖6。以某石化企業(yè)為例，對(duì)基于目標(biāo)導(dǎo)向的設(shè)備可靠性數(shù)據(jù)庫(kù)建立過程進(jìn)行實(shí)例分析。

圖6 基于目標(biāo)導(dǎo)向的設(shè)備可靠性數(shù)據(jù)庫(kù)建立流程圖

4.1 設(shè)備失效概率分析

基于目標(biāo)導(dǎo)向分析，本文確定了數(shù)據(jù)收集內(nèi)容和收集流程，通過平臺(tái)搜索共收集和調(diào)整該企業(yè)4年的失效數(shù)據(jù)，涉及19 030臺(tái)設(shè)備信息和2 971條失效數(shù)據(jù)。

首先將失效數(shù)據(jù)應(yīng)用到QRA中，對(duì)QRA關(guān)鍵參數(shù)——設(shè)備泄漏概率進(jìn)行計(jì)算和修正；然后在本文建立的基于目標(biāo)導(dǎo)向的設(shè)備可靠性數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)的設(shè)備故障查詢界面，選取需要的時(shí)間段、設(shè)備類型等條件對(duì)典型設(shè)備的失效概率進(jìn)行查詢，匯總后的設(shè)備失效概率見表3。

表3 某石化企業(yè)設(shè)備失效概率結(jié)果對(duì)比

由表3可知：經(jīng)本文建立的數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)計(jì)算得到的設(shè)備失效概率與OREDA數(shù)據(jù)庫(kù)的計(jì)算結(jié)果相比，其中壓力容器、反應(yīng)容器等設(shè)備的失效概率與OREDA數(shù)據(jù)庫(kù)計(jì)算結(jié)果較為接近，說明靜設(shè)備失效數(shù)據(jù)計(jì)算的精確度較高；泵、冷卻器等動(dòng)設(shè)備的失效概率與OREDA數(shù)據(jù)庫(kù)的計(jì)算結(jié)果差距較大，其原因主要為樣本統(tǒng)計(jì)年限僅為4年、國(guó)內(nèi)外設(shè)備使用環(huán)境不同、國(guó)內(nèi)外技術(shù)水平差距大等。

雖然基于本文建立的數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)計(jì)算得到的該石化企業(yè)設(shè)備失效概率與國(guó)外OREDA數(shù)據(jù)庫(kù)中個(gè)別設(shè)備種類失效概率的計(jì)算結(jié)果有所差距，但整體差距并不明顯，說明本文建立的基于目標(biāo)導(dǎo)向的設(shè)備可靠性數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)的數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)和計(jì)算方法是科學(xué)、有效的，可以將該數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)的計(jì)算結(jié)果應(yīng)用到石化企業(yè)設(shè)備的日常維護(hù)中。

4.2 設(shè)備可靠性分析

將失效數(shù)據(jù)應(yīng)用到設(shè)備可靠性分析中對(duì)可靠性指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算。本文選取離心泵計(jì)算其可靠度R(t)、平均故障時(shí)間間隔(MTBF，用θ表示)和失效率λ(t)。

經(jīng)查詢平臺(tái)內(nèi)收集4年的失效數(shù)據(jù)，共檢測(cè)離心泵330臺(tái)，其中失效130臺(tái)；將查詢結(jié)果匯總后得到離心泵的可靠性指標(biāo)分別為：θ=8.895×104h；λ(t)=1/θ=1.124×10-5h-1;R(t)=0.606。當(dāng)離心泵運(yùn)轉(zhuǎn)達(dá)到4年時(shí)，λ(t)為1.124×10-5h-1，代表了每100 000 h大約有1～2個(gè)離心泵出現(xiàn)失效，結(jié)合可靠度和平均故障間隔時(shí)間，可見該離心泵的可靠性較高。根據(jù)設(shè)備可靠性指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果可對(duì)設(shè)備的日常管理提供指導(dǎo)，經(jīng)過失效數(shù)據(jù)的積累，計(jì)算結(jié)果將更加準(zhǔn)確，更能有效指導(dǎo)設(shè)備的可靠性分析、設(shè)備的安全管理和預(yù)防性維護(hù)等。

5 結(jié) 論

本文采用基于目標(biāo)導(dǎo)向的方法確定了失效數(shù)據(jù)收集內(nèi)容和流程，并結(jié)合我國(guó)石化企業(yè)現(xiàn)狀和國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)等將失效模式標(biāo)準(zhǔn)化，建立了石化企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備失效模式和失效原因,并確定了石化企業(yè)動(dòng)、靜、電氣、儀表4大設(shè)備種類為設(shè)備可靠性數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)收集范圍，通過對(duì)失效數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，搭建了符合我國(guó)石化企業(yè)應(yīng)用的失效數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)，最后以某石化企業(yè)為例，通過平臺(tái)導(dǎo)出的設(shè)備失效概率結(jié)果與國(guó)外數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，證明了平臺(tái)的數(shù)據(jù)收集與分析功能是可實(shí)現(xiàn)且有效的。該研究結(jié)果可為國(guó)內(nèi)石化企業(yè)失效數(shù)據(jù)的有效利用和設(shè)備可靠性數(shù)據(jù)庫(kù)的建立與改進(jìn)提供研究方向和參考。

雖然本文搭建的設(shè)備可靠性數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析功能，但是為了更完善地指導(dǎo)石化企業(yè)的安全管理工作，后續(xù)可將數(shù)據(jù)庫(kù)連接企業(yè)DCS系統(tǒng)(Distributied Control System)，采集與分析實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，以便更好地指導(dǎo)石化企業(yè)設(shè)備的安全管理。