石化設(shè)備基于風(fēng)險(xiǎn)和狀態(tài)的檢驗(yàn)與維修智能決策研究

肖井泉

（中海油惠州石化有限公司，廣東惠州 516086）

石化企業(yè)生產(chǎn)中，設(shè)備是不可或缺的基礎(chǔ)，為提高產(chǎn)能，要使設(shè)備始終保持良好的運(yùn)行狀態(tài)。這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行有效的檢驗(yàn)與維修，由此使得決策成為重中之重。隨著石化生產(chǎn)線上的設(shè)備種類和數(shù)量不斷增多，給檢驗(yàn)與維修工作的開展增添一定的難度。為此，確保決策的有效性顯得尤為重要?？苫陲L(fēng)險(xiǎn)與狀態(tài)，構(gòu)建石化設(shè)備檢驗(yàn)與維修智能決策系統(tǒng)，依托系統(tǒng)開展決策工作，提高決策水平，降低設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)隱患，為安全生產(chǎn)提供保障。

1 石化設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)與狀態(tài)分析

1.1 內(nèi)漏風(fēng)險(xiǎn)

石化生產(chǎn)中，發(fā)生內(nèi)漏的設(shè)備在外殼的保護(hù)下，并不會(huì)外泄，基本上不會(huì)引起事故，但內(nèi)漏風(fēng)險(xiǎn)卻常常被低估。盡管設(shè)備內(nèi)漏不會(huì)產(chǎn)生外泄的后果，可是內(nèi)漏仍然具有一定的影響，可能引起的后果是內(nèi)漏邊界層的兩側(cè)遭到介質(zhì)腐蝕。當(dāng)石化設(shè)備出現(xiàn)內(nèi)漏問(wèn)題后，利用監(jiān)測(cè)技術(shù)能夠發(fā)現(xiàn)內(nèi)漏。下面通過(guò)一則算例，分析石化設(shè)備內(nèi)漏風(fēng)險(xiǎn)的計(jì)算過(guò)程。某石化企業(yè)的一臺(tái)煉油裝置，該設(shè)備服役年限為13a，由失效后果可知，換熱器殼程的壓力和腐蝕速率均高于管程，管束存在的內(nèi)漏風(fēng)險(xiǎn)為管箱風(fēng)險(xiǎn)的變化量。經(jīng)修正計(jì)算后，內(nèi)漏風(fēng)險(xiǎn)比未修正前降低一個(gè)數(shù)量級(jí)，當(dāng)前的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)在中風(fēng)險(xiǎn)范圍。

1.2 外泄風(fēng)險(xiǎn)

石化設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)控制結(jié)果主要受檢驗(yàn)與維修活動(dòng)的影響，所以要對(duì)每種維修模式進(jìn)行有效的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，否則可能會(huì)導(dǎo)致風(fēng)險(xiǎn)管控缺失。從實(shí)際應(yīng)用情況看，缺乏一種較為有效的維修模式，該模式應(yīng)具備如下特點(diǎn)：①設(shè)備處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，通過(guò)檢驗(yàn)與適當(dāng)?shù)木S修，能夠使設(shè)備始終保持正常運(yùn)行，待達(dá)到維修期限后，再停車對(duì)設(shè)備進(jìn)行全面檢驗(yàn)和維修，這樣能夠減少不必要的停車時(shí)間，使停車造成的損失降至最低程度。②在該模式中，穿孔泄漏并不是設(shè)備的最終失效狀態(tài)，當(dāng)設(shè)備泄漏由不確定因素引起時(shí)，可通過(guò)與該模式相關(guān)的模型對(duì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估。當(dāng)設(shè)備發(fā)生少量的泄漏時(shí)，不會(huì)引起失效的后果，故此可在運(yùn)行中帶壓維修，并在達(dá)到維修周期后對(duì)設(shè)備進(jìn)行全面維修。

2 基于風(fēng)險(xiǎn)和狀態(tài)的石化設(shè)備檢驗(yàn)與維修智能決策方法

2.1 決策系統(tǒng)架構(gòu)

按照石化生產(chǎn)的實(shí)際需求，依托石化設(shè)備損傷狀態(tài)監(jiān)測(cè)體系，結(jié)合風(fēng)險(xiǎn)分析技術(shù)，以安全為目標(biāo)，構(gòu)建基于風(fēng)險(xiǎn)和狀態(tài)的檢驗(yàn)與維修智能決策系統(tǒng)。系統(tǒng)的主要模塊如下。

2.1.1 數(shù)據(jù)輸入模塊

按決策要求，對(duì)工藝、設(shè)備、化驗(yàn)以及監(jiān)測(cè)等數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后，輸入數(shù)據(jù)庫(kù)中，人為因素會(huì)對(duì)上述過(guò)程產(chǎn)生一定的影響，包括數(shù)據(jù)量不足、失效數(shù)據(jù)等。對(duì)此要增設(shè)審核模塊，對(duì)輸入的數(shù)據(jù)加以控制，降低偏差，確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。與不同輸入數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)的管理結(jié)構(gòu)如下：設(shè)備數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)裝置和工藝環(huán)，工藝數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)裝置和工藝介質(zhì)，維修數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)維修工藝和過(guò)程，失效數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)失效機(jī)理與形式。工藝環(huán)是設(shè)備與管道組合而成的設(shè)備單元，二者聯(lián)合完成一項(xiàng)功能，設(shè)備或是管道失效，都會(huì)導(dǎo)致工藝環(huán)失效。

2.1.2 損傷分析模塊

損傷分析模塊以設(shè)備為單位展開全方位分析，按設(shè)備基本資料、維修記錄、檢驗(yàn)結(jié)果等，得出設(shè)備的損傷程度，據(jù)此排序，確定出重點(diǎn)的檢測(cè)部位。依托損傷變量數(shù)據(jù)庫(kù)，輸出設(shè)備的損傷機(jī)理與類型，預(yù)計(jì)損傷速率，隨后將上述內(nèi)容傳給風(fēng)險(xiǎn)分析模塊。

2.1.3 風(fēng)險(xiǎn)分析模塊

風(fēng)險(xiǎn)分析模塊能夠?qū)⒃O(shè)備的損傷情況轉(zhuǎn)換為潛在風(fēng)險(xiǎn)，使損傷變?yōu)榘踩珕?wèn)題，是對(duì)設(shè)備安全狀態(tài)的定量化分析，根據(jù)分析結(jié)果，優(yōu)化檢驗(yàn)與維修計(jì)劃。設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)是否達(dá)標(biāo)，主要受風(fēng)險(xiǎn)變化率和損傷狀態(tài)兩個(gè)因素的影響，所以在決策時(shí)，要使兩個(gè)因素相互配合，通過(guò)損傷機(jī)理、類型、速率等，決策檢驗(yàn)技術(shù)及頻率，利用風(fēng)險(xiǎn)值，確定優(yōu)先檢驗(yàn)范圍。

2.2 決策過(guò)程

2.2.1 設(shè)備分類

決策以風(fēng)險(xiǎn)為基準(zhǔn)，以確保安全為前提，風(fēng)險(xiǎn)低的設(shè)備，失效后產(chǎn)生的損失相對(duì)較小，所需投入的檢驗(yàn)成本收益小，故此不宜投入過(guò)多的檢驗(yàn)。低風(fēng)險(xiǎn)化工設(shè)備的特點(diǎn)體現(xiàn)在如下方面：介質(zhì)無(wú)毒無(wú)害、不可燃；介質(zhì)具有可燃性，但卻不具備燃燒條件；溫度在60℃以下；失效維修不會(huì)影響正常生產(chǎn)。低風(fēng)險(xiǎn)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，采用事后維修的方法，并不會(huì)造成超出預(yù)期的損失，換言之，損失較小，在可接受范圍內(nèi)。而中風(fēng)險(xiǎn)設(shè)備在控制模型中允許存在，只要確認(rèn)損傷與風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)即可，判定狀態(tài)屬實(shí)后，不會(huì)對(duì)石化企業(yè)的生產(chǎn)安全帶來(lái)影響，便不需要監(jiān)測(cè)設(shè)備的損傷趨勢(shì)。高風(fēng)險(xiǎn)設(shè)備會(huì)對(duì)生產(chǎn)安全造成影響，所以要基于風(fēng)險(xiǎn)控制與損傷監(jiān)測(cè)，對(duì)此類石化設(shè)備進(jìn)行檢驗(yàn)和維修的決策分析。高風(fēng)險(xiǎn)設(shè)備并不是損壞到無(wú)法使用，必須立即更換，而是要進(jìn)行損傷檢驗(yàn)，在特定的條件下，檢驗(yàn)結(jié)果具有較高的可靠度時(shí)，可將設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)降至中風(fēng)險(xiǎn)。

2.2.2 損傷監(jiān)測(cè)與診斷

使用損傷監(jiān)測(cè)與診斷的情況有以下幾種：①對(duì)中或高風(fēng)險(xiǎn)的石化設(shè)備進(jìn)行損傷監(jiān)測(cè)與診斷，以獲取損傷的發(fā)展趨勢(shì)，用與該趨勢(shì)相符的損傷速率，估算設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)；②當(dāng)發(fā)現(xiàn)損傷狀態(tài)存在改變的可能性時(shí)，需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行損傷監(jiān)測(cè)與診斷，據(jù)此確認(rèn)損傷狀態(tài)；③在確認(rèn)設(shè)備維修的風(fēng)險(xiǎn)集中因素時(shí)，依托損傷監(jiān)測(cè)與診斷，能確認(rèn)具體的影響因素。從上述情況可以看出，損傷監(jiān)測(cè)與診斷，適用于有潛在危險(xiǎn)的情況，由于監(jiān)測(cè)與診斷過(guò)程需要使用大量的資源，導(dǎo)致成本增高。因此，要在隱患大的前提下使用，保證成本與效益成正比。

2.2.3 維修決策

在確認(rèn)最終的維修計(jì)劃時(shí)，要對(duì)高風(fēng)險(xiǎn)設(shè)備進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)因素分析，確定出具體的維修范圍，并評(píng)價(jià)維修產(chǎn)生的效益。以上環(huán)節(jié)要以損傷監(jiān)測(cè)為基礎(chǔ)，風(fēng)險(xiǎn)因素分析就是損傷診斷過(guò)程，確定維修范圍時(shí)要對(duì)劃定的范圍開展損傷監(jiān)測(cè)，評(píng)價(jià)維修效益是維修風(fēng)險(xiǎn)成本效益的確定。

2.3 設(shè)備檢驗(yàn)決策

2.3.1 檢驗(yàn)決策

腐蝕是引起石化設(shè)備損壞的重要原因之一，在石化生產(chǎn)過(guò)程中，腐蝕機(jī)理雖然較多，但設(shè)備損傷形式卻并不多，主要有減?。ň植炕蚓鶆颍?、裂紋、點(diǎn)蝕穿孔等。以上損傷形式中，點(diǎn)蝕多為瞬時(shí)發(fā)生，隨著時(shí)間的推移，發(fā)生率會(huì)大幅衰減，此類損傷具有較強(qiáng)的隨時(shí)性，基本上無(wú)任何規(guī)律可循。檢驗(yàn)時(shí)，可以采用超聲掃描，發(fā)現(xiàn)點(diǎn)蝕必須及時(shí)維修；裂紋主要與應(yīng)力有關(guān)，當(dāng)石化設(shè)備出現(xiàn)裂紋后，需要停機(jī)維修，而停機(jī)會(huì)影響正常生產(chǎn)，為降低停機(jī)造成的損失，可對(duì)應(yīng)力集中嚴(yán)重的部位進(jìn)行超聲掃描。而減薄需要估算采樣數(shù)量。

2.3.2 損傷監(jiān)測(cè)決策

當(dāng)風(fēng)險(xiǎn)控制無(wú)法以定量控制作為前提時(shí)，便需要開展損傷監(jiān)測(cè)決策，通過(guò)對(duì)損傷速率與發(fā)展趨勢(shì)的監(jiān)測(cè)，以損傷狀態(tài)為判據(jù)，實(shí)現(xiàn)損傷監(jiān)測(cè)決策。由于具體決策時(shí)，決策目標(biāo)為設(shè)備的計(jì)算壁厚，故此要保證決策的安全性?；谶@一前提，應(yīng)充分考慮各種影響因素，如工藝、生產(chǎn)計(jì)劃以及各種不確定和隨機(jī)因 素等。

2.4 維修決策

2.4.1 維修策略決策

石化設(shè)備的維修決策要以保障安全為基礎(chǔ)，以節(jié)約成本為目標(biāo)，通過(guò)對(duì)維修資源的優(yōu)化配置，完成維修任務(wù)。由基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)與維修相關(guān)理論可知，設(shè)備故障根除維修的占比為50%，預(yù)知與預(yù)防性維修的占比為42%，被動(dòng)維修的占比為8%。靜、動(dòng)設(shè)備的經(jīng)濟(jì)損失來(lái)源不同，前者與停車時(shí)長(zhǎng)有關(guān)，后者與維修費(fèi)用有關(guān)。在實(shí)際生產(chǎn)中，檢驗(yàn)與維修是減少靜設(shè)備停車最為有效的途徑之一，由此能夠使設(shè)備的安全性得到可靠保障?？梢?jiàn)，靜設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性與安全性具有統(tǒng)一性的特點(diǎn)?；诖耍瑯?gòu)建多目標(biāo)優(yōu)化模型的過(guò)程中，可將設(shè)備安全作為前提條件，對(duì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)全面優(yōu)化。具體做法如下：從所有設(shè)備中，找出風(fēng)險(xiǎn)集中的設(shè)備，用于診斷確定風(fēng)險(xiǎn)集中的原因，通過(guò)維修解決問(wèn)題，延長(zhǎng)設(shè)備運(yùn)行周期，優(yōu)化經(jīng)濟(jì)效益。

相關(guān)研究結(jié)果顯示，當(dāng)風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生變化時(shí)，會(huì)出現(xiàn)比較明顯的集中現(xiàn)象，具體體現(xiàn)在會(huì)向更高風(fēng)險(xiǎn)設(shè)備單元集中的趨勢(shì)，這種情況在某些工藝環(huán)節(jié)中較為常見(jiàn)。主要原因是損傷設(shè)備的失效概率增速明顯加快，風(fēng)險(xiǎn)的變化速度隨之加快。依托風(fēng)險(xiǎn)開展回歸分析時(shí)，可用回歸斜率表征設(shè)備缺陷，用回歸截距表征設(shè)備損傷的基本和變化特征，以此來(lái)區(qū)分不同環(huán)節(jié)存在的問(wèn)題。

石化設(shè)備維修決策中，安全性是前提，在這一基礎(chǔ)上，增加可用度，即設(shè)備運(yùn)行周期，將其作為維修決策的考量指標(biāo)。石化設(shè)備的可用度與設(shè)備的可靠性及其增量密切相關(guān)。制定維修方案時(shí)，要充分考慮維修后設(shè)備所能達(dá)到的狀態(tài)，還要考慮可靠性的增量狀態(tài)。維修優(yōu)化時(shí)，以工藝環(huán)作為決策單位，采用調(diào)整可靠度的方法，提高可用度，并在允許的范圍內(nèi)，適當(dāng)延長(zhǎng)維修周期。在考慮維修成本的前提下，將設(shè)備當(dāng)年運(yùn)行產(chǎn)生的凈收益與承擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)的差值作為優(yōu)化指標(biāo)。通過(guò)分析該指標(biāo)發(fā)現(xiàn)，設(shè)備的構(gòu)成要素為工藝環(huán)，設(shè)備的最佳運(yùn)行周期與工藝環(huán)有關(guān)，所以在確定設(shè)備連續(xù)運(yùn)行周期后，其中最短的時(shí)間跨度，就是最佳的維修方案。

例如，石化生產(chǎn)中的減壓轉(zhuǎn)油線，設(shè)備的基本參數(shù)如下：內(nèi)徑為1 800mm、操作壓力與溫度分別為0.1MPa和382℃，入料支管的數(shù)量為4根，腐蝕入口出現(xiàn)局部減薄的現(xiàn)象，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量得到如下厚度數(shù)值：7.48mm、4.04mm、5.73mm和6.60mm，最大的損傷速率為0.86mm/a。由生產(chǎn)實(shí)際情況可知，該設(shè)備24h不間斷運(yùn)行所能創(chuàng)造出來(lái)的產(chǎn)值約為1 000萬(wàn)元，產(chǎn)品的凈利潤(rùn)為5%，設(shè)備運(yùn)行時(shí)間為8 000h/a，每次非計(jì)劃停車的損失約為4 000萬(wàn)元，維修費(fèi)用在40萬(wàn)元左右，定檢周期為3a/次?；趽p傷監(jiān)測(cè)狀況，采用包覆的方法，對(duì)該設(shè)備進(jìn)行維修，需要停車7d，以最大損傷速率為依據(jù)，利用優(yōu)化模型，可以計(jì)算出設(shè)備中最薄點(diǎn)位的情況。由計(jì)算結(jié)果可知，在備件充足的前提下，選擇正確的維修方法，能夠顯著縮短設(shè)備停車時(shí)間，收益大于安全風(fēng)險(xiǎn)，維修策略合理可行，能達(dá)到延長(zhǎng)石化設(shè)備維修周期的效果。備件不足的情況下，停車時(shí)間會(huì)增加至20d，按照優(yōu)化模型，次減薄點(diǎn)的最佳維修時(shí)間為5d。從中可以看出，維修方案會(huì)影響維修計(jì)劃。

2.4.2 定量評(píng)估

在制定石化設(shè)備維修策略時(shí)，可以工藝環(huán)作為基本單位，實(shí)踐表明，工藝環(huán)能發(fā)現(xiàn)短板問(wèn)題，基于這一前提，設(shè)備維修前后的風(fēng)險(xiǎn)，可以通過(guò)最短板來(lái)衡量。當(dāng)靜設(shè)備維修后，其風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)會(huì)發(fā)生改變。因此，評(píng)價(jià)維修效益時(shí)，可將風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)作為重點(diǎn)內(nèi)容加以考慮。

2.4.3 維修設(shè)計(jì)優(yōu)化

早期的石化設(shè)備在設(shè)計(jì)時(shí)，基本上都是以滿足生產(chǎn)使用條件為目標(biāo)。隨著技術(shù)水平的不斷提升，使得設(shè)計(jì)目標(biāo)發(fā)生改變?，F(xiàn)階段，設(shè)計(jì)石化設(shè)備要消除損傷引起的風(fēng)險(xiǎn)短板，這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，應(yīng)確保設(shè)備與損傷機(jī)理之間具有高度的匹配性。由于石化設(shè)備受腐蝕影響較為嚴(yán)重，所以將控制腐蝕及優(yōu)化可靠度作為設(shè)計(jì)優(yōu)化的主要依據(jù)，并基于風(fēng)險(xiǎn)構(gòu)建設(shè)計(jì)模型。

石化設(shè)備設(shè)計(jì)中，選擇與腐蝕機(jī)理相匹配的材料，是較為簡(jiǎn)單且有效的防腐措施。在防腐過(guò)程中，要對(duì)相關(guān)的影響因素全面分析，尤其是材料與腐蝕機(jī)理的匹配問(wèn)題，從設(shè)計(jì)方面采取優(yōu)化方法，避免匹配狀態(tài)遭到破壞，這個(gè)過(guò)程實(shí)質(zhì)上是以風(fēng)險(xiǎn)控制為目標(biāo)，對(duì)設(shè)備腐蝕進(jìn)行控制設(shè)計(jì)。通過(guò)選擇最為合理的工藝，并設(shè)定工藝參數(shù)，使石化設(shè)備的腐蝕問(wèn)題能夠得到主動(dòng)控制，采取有效的防腐措施處理腐蝕，由此能夠降低設(shè)備的防腐成本，并在運(yùn)行期間能夠主動(dòng)應(yīng)對(duì)腐蝕問(wèn)題。基于風(fēng)險(xiǎn)的腐蝕控制設(shè)計(jì)過(guò)程如下：先全面分析工藝風(fēng)險(xiǎn)，明確風(fēng)險(xiǎn)增量，隨后選擇適宜的工藝流程，制定設(shè)計(jì)方案，構(gòu)建防腐工藝控制系統(tǒng)，引入損傷監(jiān)測(cè)和風(fēng)險(xiǎn)報(bào)警。

石化生產(chǎn)過(guò)程中，設(shè)備管道緊密相連，一旦某個(gè)設(shè)備出現(xiàn)問(wèn)題，便會(huì)影響生產(chǎn)，進(jìn)而造成一定的損失。換言之，引起停產(chǎn)損失的關(guān)鍵因素是風(fēng)險(xiǎn)集中的設(shè)備。當(dāng)關(guān)聯(lián)設(shè)備能夠平攤風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，或是在設(shè)備達(dá)到維修周期時(shí)，風(fēng)險(xiǎn)均達(dá)到?jīng)Q策閾值，會(huì)使設(shè)備的維修頻率獲得有效控制，并且還能簡(jiǎn)化維修決策。大型石化設(shè)備的運(yùn)行環(huán)境較為特殊，除了設(shè)備本身要有足夠高的安全系數(shù)外，還應(yīng)當(dāng)有較長(zhǎng)的使用壽命，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，是按整套設(shè)備設(shè)計(jì)使用年限。同時(shí)，設(shè)備工藝環(huán)具有不同的特點(diǎn)，各類設(shè)備的腐蝕機(jī)理存在一定的差異，在這一前提下，很難實(shí)現(xiàn)整個(gè)設(shè)備單元的風(fēng)險(xiǎn)設(shè)計(jì)。大量實(shí)踐表明，管道和小型設(shè)備發(fā)生事故的概率要高于大型設(shè)備?；诖耍稍陲L(fēng)險(xiǎn)設(shè)計(jì)中，以工藝環(huán)作為主要目標(biāo)，針對(duì)風(fēng)險(xiǎn)和損傷狀態(tài)，在滿足工藝要求前提下，使設(shè)備達(dá)到風(fēng)險(xiǎn)均衡，以此來(lái)提高可用度和可維修性。

3 結(jié)束語(yǔ)

石化生產(chǎn)中，保證設(shè)備安全、穩(wěn)定、高效、可靠運(yùn)行尤為重要，這是提高產(chǎn)能，獲取更多效益的關(guān)鍵之所在。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，可基于風(fēng)險(xiǎn)與狀態(tài)，構(gòu)建檢驗(yàn)與維修智能決策系統(tǒng)，依托該系統(tǒng)開展檢驗(yàn)與維修工作，在提高維修有效性的基礎(chǔ)上，降低維修成本，減少設(shè)備的故障率，延長(zhǎng)使用壽命。