化工機械設(shè)備失效數(shù)據(jù)研究

陶富云 趙寧 葉海春

摘?要：通過建立化工機械設(shè)備失效數(shù)據(jù)庫，合理選取失效數(shù)據(jù)進行安全儀表系統(tǒng)評估，使安全儀表系統(tǒng)得到合理配置；建立化工機械設(shè)備失效數(shù)據(jù)庫可以實現(xiàn)設(shè)備的預(yù)知性維修，降低設(shè)備突發(fā)故障的頻率，為安全生產(chǎn)保駕護航。

關(guān)鍵詞：化工機械設(shè)備；安全儀表系統(tǒng)（SIS）；安全完整性等級（SIL）；基本過程控制系統(tǒng)（BPCS）；安全儀表功能（SIF）

1?化工行業(yè)現(xiàn)狀及化工機械設(shè)備面臨的問題

化工行業(yè)是國民經(jīng)濟的產(chǎn)業(yè)支柱，它的發(fā)展?fàn)顩r與國民經(jīng)濟息息相關(guān)，近年來，化工行業(yè)生產(chǎn)保持著總體增長，但工業(yè)增加值增速整體居于低水平狀態(tài)?；ば袠I(yè)經(jīng)營效益持續(xù)變差，營業(yè)收入近三年來持續(xù)下降，化工行業(yè)安全事件頻發(fā)是造成此情況的主要原因之一。為避免安全事件的發(fā)生，獲取設(shè)備失效率信息是非常重要的一個環(huán)節(jié)。目前行業(yè)中相關(guān)人員主要是通過檢維修記錄、供貨商記錄和第三方數(shù)據(jù)庫獲取失效率信息［1］，但仍然無法解決根本問題，如許多企業(yè)雖有檢維修記錄，卻沒有按照有效的形式進行收集整理；供貨商記錄沒有考慮工藝條件或工藝環(huán)境；第三方數(shù)據(jù)庫只是按照設(shè)備類別進行了整理，但沒有考慮不同的應(yīng)用環(huán)境等。選用此類數(shù)據(jù)可能會造成安全完整性等級（SIL）的定級結(jié)果不準確，導(dǎo)致安全儀表系統(tǒng)（SIS）配置不合理，存在兩個極端情況。

第一種情況，化工機械設(shè)備處于過度保護狀態(tài)，導(dǎo)致安全儀表功能（SIF）回路投入費用偏高，維保費用高，影響企業(yè)盈利。

第二種情況，化工機械設(shè)備因保護措施不足而處于危險狀態(tài)，隨時可能發(fā)生安全事件。

同時，此類數(shù)據(jù)無法提前預(yù)知設(shè)備故障情況，導(dǎo)致預(yù)知性維修策略實施難度增大。

因此，建立能區(qū)分不同工藝條件、不同供貨商及其產(chǎn)品型號的化工機械設(shè)備失效數(shù)據(jù)庫，對于化工機械設(shè)備開展預(yù)知性維修工作和SIL評估工作是尤為重要的。

2?化工機械設(shè)備數(shù)據(jù)收集方法現(xiàn)狀分析

化工機械設(shè)備數(shù)據(jù)收集方法主要有通過檢維修記錄、供貨商記錄和第三方數(shù)據(jù)庫獲取失效率信息，下面就化工機械設(shè)備數(shù)據(jù)收集方法進行分析：

2.1?檢維修記錄

化工企業(yè)的檢維修記錄是最好的數(shù)據(jù)源。它能代表應(yīng)用環(huán)境、維護規(guī)程以及供貨商的關(guān)注點等一手信息。但是必須有大量的檢維修數(shù)據(jù)，才能進行統(tǒng)計分析。另外，許多化工企業(yè)都有設(shè)備維修記錄，里面體現(xiàn)了SIS系統(tǒng)相關(guān)失效率信息，但是可能沒有按照有用的形式進行收集。例如某些化工企業(yè)的設(shè)備維修記錄，統(tǒng)計信息不全、未對不同類型的設(shè)備進行分類等情況，設(shè)備維修完全取決于現(xiàn)場人員的管理經(jīng)驗來決定設(shè)備是否維修或更換，喪失了失效數(shù)據(jù)對于執(zhí)行預(yù)知性維修策略的指導(dǎo)意義，同時還會影響SIL評估對于設(shè)備失效概率的取值，導(dǎo)致SIS系統(tǒng)配置不合理。因此，在化工企業(yè)實際檢維修工作情況的基礎(chǔ)上建立化工機械設(shè)備失效數(shù)據(jù)庫非常必要。

2.2?供貨商記錄

購買設(shè)備后，可以由供貨商提供設(shè)備失效數(shù)據(jù)。供貨商提供的數(shù)據(jù)來源主要來自實驗室得出的數(shù)據(jù)和用戶反饋的數(shù)據(jù)。在實驗室得出的失效數(shù)據(jù)通常會基于一定的假設(shè)條件來得出失效數(shù)據(jù)，如有大約25%的設(shè)備交付后被存放在倉庫里（未投用），其余設(shè)備在線使用的設(shè)備工作狀態(tài)為每天兩個班次，每周操作5天。實際上，化工企業(yè)的機械設(shè)備不是這樣的使用狀態(tài)，有的機械設(shè)備是不間斷連續(xù)使用的。供貨商收到反饋的設(shè)備失效數(shù)據(jù)與用戶自己留存的檢維修記錄存在很大差異，供貨商的提供的數(shù)據(jù)一般不符合實際情況。造成這種狀況的主要原因是很少有用戶在機械設(shè)備超過質(zhì)保期后仍將故障信息提供給供貨商。如現(xiàn)場服役十年的變送器，用戶對實際檢維修中獲取的失效數(shù)據(jù)一般不會反饋給供貨商的。

另外，供貨商的失效數(shù)據(jù)，特別是現(xiàn)場的儀表設(shè)備，一般沒有考慮工藝條件或環(huán)境因素。儀表設(shè)備在惡劣、強腐蝕的環(huán)境中使用，遠比在潔凈的工藝條件下和工作環(huán)境中更容易出現(xiàn)故障或損壞。

因此，供貨商在以上這些情況下收集的設(shè)備失效數(shù)據(jù)通常不具備統(tǒng)計意義。

2.3?第三方數(shù)據(jù)庫

目前行業(yè)中已經(jīng)有了一些可用的商業(yè)數(shù)據(jù)庫，如PDS數(shù)據(jù)手冊即SINTEF?SIS的可靠性數(shù)據(jù)［2］，由多家國際石油公司、控制及安全設(shè)備供應(yīng)商、專業(yè)咨詢單位及一些政府機構(gòu)，參與該數(shù)據(jù)項目的收集工作；此外還有著名的OREDA（Offshore?Reliability?Data）海上平臺可靠性數(shù)據(jù)手冊［3］、美國化工協(xié)會過程設(shè)備可靠性數(shù)據(jù)庫PERD（Process?Equipment?Reliability?Data）［4］以及EXIDA安全設(shè)備可靠性手冊［5］等。這些數(shù)據(jù)基于不同專業(yè)公司的實際現(xiàn)場經(jīng)驗，按照設(shè)備類別整理，但這些數(shù)據(jù)沒有考慮不同的應(yīng)用環(huán)境且信息不全面，無法對某些設(shè)備的SIL評估和預(yù)知性維修工作提供數(shù)據(jù)支持。

3?優(yōu)化化工機械設(shè)備失效數(shù)據(jù)的統(tǒng)計方法

為了保證SIL定級過程中引用的數(shù)據(jù)更為準確，并提高預(yù)知性維修技術(shù)的水平，需要在化工行業(yè)中建立一套化工機械設(shè)備失效數(shù)據(jù)庫。故障數(shù)據(jù)庫應(yīng)具備以下幾個方面的要求。

3.1?數(shù)據(jù)實時更新

在設(shè)備正常生產(chǎn)過程中，當(dāng)現(xiàn)場人員發(fā)現(xiàn)問題對其進行檢修后，需要將檢修信息錄入化工機械設(shè)備失效數(shù)據(jù)庫中，錄入內(nèi)容主要包括設(shè)備名稱、設(shè)備介質(zhì)、設(shè)備所屬工藝系統(tǒng)、設(shè)備投用日期、設(shè)備故障日期等內(nèi)容，如表1所示。如查詢液位調(diào)節(jié)閥的故障，可以通過相關(guān)要素內(nèi)容查詢，可以了解到在哪個工藝系統(tǒng)、哪種設(shè)備、哪種介質(zhì)的工況下，調(diào)節(jié)閥容易出現(xiàn)故障。還可以通過設(shè)備投用日期、設(shè)備故障日期了解到設(shè)備在此工況下的故障周期。

3.2?數(shù)據(jù)進行分類管理

由于受介質(zhì)、工況等因素影響，設(shè)備故障的失效概率是有差異的。因此，將維修設(shè)備的介質(zhì)、工況等因素填入系統(tǒng)中，進行分類統(tǒng)計。例如將介質(zhì)分為原油、汽油、柴油、天然氣、液化石油氣、正己烷、海水等，將化工機械設(shè)備的材質(zhì)進行分類。這樣我們就能得出準確的設(shè)備故障的失效概率，如輸送海水的碳鋼材質(zhì)管道腐蝕概率較高，輸送柴油的碳鋼材質(zhì)管道腐蝕概率較低。

3.3?數(shù)據(jù)取值范圍廣

通過大量化工企業(yè)進行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)共享，便于統(tǒng)計，在大數(shù)據(jù)統(tǒng)計的情況下，化工企業(yè)通過數(shù)據(jù)查詢就可以了解到設(shè)備的故障情況，取同類設(shè)備、同類介質(zhì)的故障數(shù)據(jù)的平均值作為SIL定級中使用的數(shù)據(jù)及制定設(shè)備預(yù)知性維修策略的依據(jù)，如表2所示。

4?化工機械設(shè)備失效數(shù)據(jù)庫的作用

4.1?提高SIL評估的工作質(zhì)量

在SIL評估中，可通過化工機械設(shè)備失效數(shù)據(jù)庫直接調(diào)用相關(guān)設(shè)備的失效數(shù)據(jù)，用LOPA方法進行SIL定級，使SIL定級結(jié)果更為準確，從而實現(xiàn)對SIS系統(tǒng)的合理配置。

例如：凝液罐（圖1）。來自上游工藝設(shè)施的凝液進入凝液罐（V3109），凝液供料管道、凝液罐（V3109）及伴生氣出口管路均為帶壓狀態(tài)。凝液罐受液位控制回路（LIC3109）控制，LIC3109檢測凝液罐（V3109）液位，通過液位調(diào)節(jié)液位閥（LV3109）控制液位。經(jīng)凝液罐（V3109）脫氣處理后的凝液輸往下游工藝單元進行處理。LIC3109控制回路具備提醒中控操作人員的高液位報警（LAH3109）和低液位報警（LAL3109）的功能。目前需要確定凝液罐（V3109）液位低聯(lián)鎖的SIL等級。

圖1?凝液罐

進行SIL定級的步驟如下：

（1）場景識別與篩選。場景由初始事件和后果構(gòu)成。選定的初始事件為LIC3109液位控制回路故障，導(dǎo)致LV3109關(guān)閉，造成凝液泵抽空損壞，凝液介質(zhì)泄漏，遇點火源發(fā)生爆炸。該公司的風(fēng)險容許度頻率為1×105/y。

（2）初始事件頻率的確認。本次選定初始事件為LIC3109液位控制回路故障，其失效頻率為1×101/y。

（3）使能條件確認。由于凝液罐（V3109）處于普通工藝區(qū)，因此，點火概率選取為50%?，F(xiàn)場人員2小時巡檢1次，每次在此區(qū)域停留12分鐘，所以人員暴露概率選取為10%。

（4）獨立保護層評估。雖然LIC3109控制回路具備提醒中控操作人員的低液位報警（LAL3109）的功能，但是它沒有獨立于初始事件，因此不能作為獨立保護層。

（5）場景頻率計算。場景頻率按式（1）計算：

fCa=fIa×fEa×∏Xx=1PFDax×∏Jj=1PFDaj（1）

式中：fca為初始事件a的后果C的發(fā)生頻率，/y；fIa為初始事件a的發(fā)生頻率，/y；fEa為使能條件發(fā)生概率，/y；PDFax為初始事件a中第x個使能條件數(shù)據(jù)，%；PDFaj為初始事件a中第j個阻止后果C發(fā)生的獨立保護層的失效概率，/y。

通過場景頻率計算，問題發(fā)生頻率為5×103/y。

（6）風(fēng)險評估與決策。LIC3109液位控制回路故障，導(dǎo)致LV3109關(guān)閉，造成凝液泵抽空損壞，凝液介質(zhì)泄漏，遇點火源發(fā)生爆炸，后果等級為5級，風(fēng)險容許度頻率為1×105/y，后果發(fā)生頻率為5×103/y。為保證后果發(fā)生頻率小于1×105/y，需要對凝液罐（V3109）配置液位低低聯(lián)鎖，相關(guān)SIL等級按照IEC?61511的要求確定，如表3所示：

表3?要求操作模式

根據(jù)式（2）進行計算，定級結(jié)果為SIL2。

要求時失效概率（PFD）=風(fēng)險容許度頻率場景頻率（2）

由于行業(yè)通用數(shù)據(jù)對初始事件失效頻率的推薦值的取值范圍較大，如果選取時出現(xiàn)偏差，增大10倍或減小10倍都會對定級結(jié)果產(chǎn)生影響，因此，建立企業(yè)自己的化工機械設(shè)備失效數(shù)據(jù)庫對提高SIL評估質(zhì)量是非常重要的。

4.2?優(yōu)化預(yù)知性維修策略

在化工機械設(shè)備正常運行過程中，通過化工機械設(shè)備失效數(shù)據(jù)庫的相關(guān)數(shù)據(jù)開展分析，明確該提前更換或維護的部件，從而避免因設(shè)備失效造成工藝流程的偏離，杜絕因設(shè)備失效而造成的安全生產(chǎn)問題。例如，維修人員根據(jù)化工機械設(shè)備失效數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)知道到某個壓力變送器要達到出現(xiàn)故障周期的年限了，維修人員可在壓力變送器出現(xiàn)故障前對此壓力變送器進行維護檢修或更換，避免因壓力變送器故障而出現(xiàn)工藝偏差，從而保障了工藝系統(tǒng)的安全運行。

5?化工機械設(shè)備失效數(shù)據(jù)發(fā)展趨勢展望

建立化工機械設(shè)備失效數(shù)據(jù)庫是未來的發(fā)展趨勢，目前很多企業(yè)已經(jīng)根據(jù)設(shè)備失效、聯(lián)鎖誤動作等情況開始逐步建立相關(guān)設(shè)備失效數(shù)據(jù)庫。通過化工設(shè)備失效數(shù)據(jù)庫的建立可以使設(shè)備在SIL評估中選用準確的數(shù)據(jù)，避免SIS系統(tǒng)過度保護節(jié)省大量費用，還可以避免因SIS系統(tǒng)保護不足，而出現(xiàn)安全問題。同時，還可以將化工機械設(shè)備失效數(shù)據(jù)庫的相關(guān)數(shù)據(jù)用于設(shè)備的預(yù)知性維修策略中，降低安全生產(chǎn)事件的發(fā)生概率，提高設(shè)備的經(jīng)濟性和可靠性。

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項目基金：中海油安全技術(shù)服務(wù)有限公司科研項目：HAZOP分析、SIL定級與驗證工具研發(fā)

作者簡介：陶富云（1983—?），男，漢族，山東無棣人，本科，中級職稱（工程師），研究方向：石油化工行業(yè)HAZOP/SIL評估以及安全咨詢技術(shù)研究。