石油化工静设备状态检测维修系统的构建*

吴同锋 蔡晓君 刘湘晨 王丽萍

(北京石油化工学院机械工程学院)

石油化工静设备状态检测维修系统的构建*

吴同锋**蔡晓君 刘湘晨 王丽萍

(北京石油化工学院机械工程学院)

石油化工企业静设备的失效问题一直是制约石化行业发展的棘手问题。通过分析石化企业静设备的失效现状和维修手段，并借鉴动设备常用检测维修技术，综合其他行业状态检测维修案例，构建出适合石化企业静设备的状态检测维修系统。用现代设备检测技术代替人工的点检，通过外部检测设备或嵌入式传感器获取静设备的状态信息，结合物联网技术用数学模型来反映静设备的损伤状态，达到实时反馈静设备损伤状态的目的。同时采用闭环的检测维修模式和静设备信息动态化管理，能够对石化企业静设备的长周期安全运行起到良好的效果。

静设备 可靠性维修 状态维修 维修不足 损伤状态 风险分析

以石油作为原料的生活产品遍布世界的每一个角落，是人类物质文明的一个重要标志和体现[1]。石化企业作为各种生活产品的源头企业，静设备的失效问题一直制约着它的发展和经济效益的提高，同时也给安全生产带来诸多隐患,容易发生安全事故，给企业造成巨大损失。随着我国经济的发展，最近几年进口原油逐渐增加，石化企业静设备的腐蚀问题日益突出，而由腐蚀问题所造成的各种损失也逐渐增大。同时静设备在高温高压、流量变化范围大和减温减压幅度大的情况下，存在安全可靠性差、噪音高及寿命短等问题[2]。在提高静设备维修管理水平的同时降低维修费用成为企业降本增效最有效的方法[3]。目前，国内大多数石化企业采用定期维修和事后维修的管理模式，实践证明，这两种维修方式不仅会出现维修不足和维修过剩的现象，而且维修费用也很高。有研究表明，约50%的事故是由维修不足引起的[4]。因此，如何及时发现静设备的腐蚀隐患，如何评定静设备的失效状态并做出合理的维修决策，已成为石化企业静设备管理的关键。传统的化工静设备管理不仅管理观念落后，而且在管理指标和管理方法方面同样存在着不足[5]。

RBI技术的应用改变了传统观念上的检验方法与手段[6]，随着RBI技术在机械制造、油气开采等行业的广泛应用，RBI技术在国内石化行业得到了相应的应用和发展，在石化动设备的成功应用，为静设备的状态维修管理提供了一种可能性。笔者基于RBI技术的理念，利用现代检测手段，构建了基于状态的静设备状态检测维修系统(CBM)。该系统可以实时的监测静设备损伤状态，并且以现代检测设备代替人工点检，依靠物联网技术[7]把静设备的损伤状态通过专家系统以数据的形式反映出来，依据损伤的实际分布状态和风险等级，实现科学、合理的动态决策从而避免“检测过剩”和“维修过剩”的现象，以科学的分析代替人为的感性判断和经验。同时本系统采用闭环的系统循环模式，对石化企业静设备的长周期安全运行能够起到良好的效果。

1 静设备失效的根源

石化静设备一般包括塔、罐、釜等各类压力容器以及附属阀、管道等[8]。图1为合肥通用机械研究院对45家大型石化企业，686台液化气球罐，1 166台高强钢压力容器，164 638台压力容器进行失效原因的调研结果。可以看出1990年前投用的设备存在的缺陷以设计和加工工艺为主；之后，由于科学技术的发展，制造水平的提高，设计选材不当、结构不合理及焊接缺陷等问题逐渐淡出人们的视线，而腐蚀和疲劳问题所占的比例加大，成为现代石化企业静设备失效的主要因素。造成这一现象的主要原因是，石化企业越来越多地进行大型和特大型企业改扩建，高强钢被普遍使用(韧性差，裂纹敏感性增大)，各种石油化工强化新工艺，使设备长期处于高温、高压和强腐蚀的环境中。2015年在对中石化燕山分公司的静设备维修作业调研中发现，由腐蚀引起的故障维修在所有故障中所占比率高达61%，这一结果进一步体现了现在国内静设备维修管理的现状和腐蚀维修问题。

图1 不同时期压力容器失效原因的对比

2 基于状态的维修(CBM)系统

迄今为止，在石化企业检验和维修决策的目标上存在着两个极端：一个是以确保安全为目的，进行频繁的预防性维修；另一个是从经济性的角度，为满足生产需要而缩短检维修时间，以确保生产的连续性。看似矛盾的两个极端问题随着状态检测技术、计算机技术和维修分析决策技术的发展，在检测和维修决策的过程中完全可以综合考虑可靠性和可用性两方面的因素，进而平衡了安全生产与经济投入之间的矛盾。基于状态的维修(CBM)得到迅猛发展，并日益显示出巨大的优越性，目前已成为国外维修理论与应用研究领域的热点问题[9],并在国外大型的石化企业中得到初步应用[10,11]。然而，国内的研究还尚处在起步阶段。

CBM是在传统的设备检测和故障诊断基础上，利用现代检测技术对静设备的运行状况进行状态监测,获取静设备的失效状态信息，并通过维修决策模块对所测状态参数值进行评价,决定是否维修或更换[12]。从20世纪70年代发展至今，状态检测维修在信息技术的带动下，形成了以状态检测为依据的实时状态分析模块，并通过分析结果判定静设备的失效状态，从而做出实时的维修判断。它与可靠性维修有相似之处，同时也存在着本质的区别[13]。首先，二者的判断依据都采用可靠性数据，但是可靠性维修是利用本设备或同类设备的历史故障统计数据为基础的统计学概率计算，而CBM是以设备当前状态的检测数据为基础，运用概率学理论进行设备故障的概率运算，更能准确且实时地描述本设备的失效状态；其次，它们都以“0”(失效)、“1”(正常)来判断本设备是否进入维修状态，但是可靠性维修以设定可靠性阈值的方法将设备分为“0”、 “1” 两种状态，而CBM能够多等级细化设备的可靠程度，在[0，1]之间建立更多的设备状态，通过可用性等级最终判定设备当前状态是否需要维修、什么时候需要维修等。

对石化企业静设备而言，CBM是静设备数字化维修的发展趋势，同时设备的状态检测通过数学模型与维修之间形成一个统一的有机整体，也是对物联网技术的应用和发展。综上分析，石化静设备状态检测维修系统的构建可以分如下几部分进行：

a. 收集、整理相关设备的事故案例、生产工艺及风险评价等方面的资料。

b. 分析所搜集的资料，总结静设备损伤的原因(工艺、设计等)和损伤结果(损伤类型、损伤类型的危害程度和企业应采取的措施)。

c. 分析静设备损伤与失效风险之间的关系，以便选择合理的损伤分析手段和分析过程。

d. 建立基于静设备损伤状态的决策理论模型。

e. 确定合理的损伤状态分析方法。通过分析损伤形成过程、损伤状态的转变、损伤影响因子和静设备失效之间的关系，做出合理的损伤状态定位，选用正确的数学分析方法，同时对当前风险评价中存在的重大问题进行失效风险分析方法建模。

f. 利用现代检测技术，以装置为单位建立石化静设备损伤状态在线检测系统，使静设备的损伤状态通过数字的方式透明化。

3 研究方法

CBM与其说是一种技术不如说是一种管理手段[14]。石化静设备状态检测维修系统的构建涉及设备管理、可靠性理论、检测技术及物联网技术等多学科多领域，涵盖工程科学、管理科学等方面的内容[15,16]。根据设计流程中各模块涉及领域的不同，在构建石化静设备状态检测维修系统过程中采用的研究方法存在着巨大的差异：

a. 统计分析法。此方法主要应用于静设备失效案例收集过程中，对所收集资料做初步的分析。

b. 案例研究法。静设备事故案例的收集与分析过程中会涉及到管理学方面的知识，采用管理学中常用的案例研究法，通过对大量静设备损伤和失效案例的分析，找到石化企业静设备损伤的共同特点和事故缘由，从而建立决策模型。

c. 风险分析方法的研究。此方法通常被多个行业的状态检测系统的构建过程中所应用。从静设备风险分析入手，通过研究和总结现有的风险分析方法找到一种适合石化企业静设备风险评定的通用方法。失效风险由概率和后果两个因素共同确定(风险=后果×概率)[10]。

d. 定性研究法。结合风险分析法采用定性的数学方法建立损伤状态分析模块。

e. 现场验证。通过实际数据对以上研究方法进行验证，并对构建的损伤状态检测手段进行现场测验。

4 静设备状态检测维修系统理论构架

静设备的状态监测部位不同于动设备的状态监测，它没有明确和连续的检测部位，一般情况下，监测的部位越多，监测周期越短，系统估算失误的概率就越低[17]。这种监测方法不仅给企业造成了巨大的经济负担，由于工作量和设备所在位置的限制，“检测不到”或“无法检测”的现象时有发生，同时也不能规避“检验不足”和“检验过剩”的问题。针对这种现象，为了准确了解设备的损伤分布，只能通过重点部位检测和已有的检测数据来估算其损伤速率，利用数理统计和概率论理论建立一种损伤分析系统，通过一些变量的检测并结合经验数据和理论分析进行损伤机理、损伤类型、损伤重点部位定位和损伤变量估计，以满足静设备损伤检测的需要。此外，到目前为止尚没有一种检测技术能够检测所有缺陷类型，最有效的方法依然是不同的缺陷类型采用不同的检测技术。

完美的静设备状态检测维修系统，不仅依赖历史统计结论，而且能够运用检测出的损伤状态来判断和预测设备损伤变化趋势、检验该变化趋势对风险变化的影响，并实时调整未来的检验与维修策略[18]。图2为石油化工静设备状态检测维修系统。系统中静设备的工艺数据和维修数据是专家系统的构建单元，专家系统通过分析设备数据库中的信息，来确定静设备的损伤类型和影响因子，并对设备损伤风险等级做出评价。低风险的设备自动循环于下一次的检测过程中；中高风险的设备专家系统会做出状态检测建议传递给检测系统，同时做出设备风险的分析报告，给出相应的维修建议，通过维修规划管理部门做出维修或更换部件的决定，并将维修数据通过维修报告输入到专家系统中，以便于系统以后的调用。

该系统可以实时监测静设备的损伤状态，并以现代检测设备代替人工点检，整个过程完全由IT技术完成。把静设备的损伤状态通过专家系统以数据的形式反映出来，依据损伤的实际分布状态和风险等级，科学合理的动态决策从而减少“检测过剩”和“维修过剩”的现象，以科学的分析代替人为的感性判断和经验。同时本系统采用闭环的系统循环模式，对石化企业静设备的长周期安全运行起到良好的作用。

图2 石化静设备状态检测维修系统理论构架

5 结束语

合理的维修方式不仅能降低企业设备的运行成本，而且决定着企业在激烈的行业竞争中的生存。针对目前石化行业静设备检测技术相对落后的现状，通过借鉴其他行业状态检测系统的构建模式，区别动设备与静设备在构建设备状态检测系统中的不同，以燕山石化企业为背景，采用现代先进且常用的监测技术，构建了石油化工静设备状态检测维修系统。同时分析了静设备构建状态检测维修系统时相对于动设备可能遇到的难点和目前国内的不足，并给出相应的解决方案。目前，静设备状态检测维修系统的决策分析模块是建立在本公司或本地区数据库基础上的数学模块，不具有普适性。寻找适合石化行业静设备状态检测维修系统的维修决策分析模块是未来石化静设备维修管理的发展方向和目标。

[1] 李庆华. 基于设备运行可靠性的石油化工企业设备管理研究[D].天津：天津大学,2003.

[2] 魏琳,张明,颜孙挺，等. 减压阀流动特性研究进展[J]. 化工机械,2015,42(6):742～749，851.

[3] 殷苏东,陈旭华. 基于状态的维修研究现状与发展趋势[J]. 科学技术与工程,2008,8(6):1530～1535.

[4] 陈庆娟,王三明. RBI技术在我国企业的应用研究与改进思考[J]. 中国安全生产科学技术,2012, 8(6):191～196.

[5] 张松. 化工机械设备管理优化方案[J]. 化工机械,2015, 42(4):468～471.

[6] 陆秀群,陈炜,乔光谱，等. RBI技术在国内的发展状况及在石化装置中的应用[J]. 化工机械,2014,41(2):147～149.

[7] 张锋,曾俊林,李凯亮，等.基于物联网技术的石化厂区环境在线监测系统[J]. 化工自动化及仪表,2015,42(3):267～271，349.

[8] 王刚强,陈江. 石油化工企业静设备完整性管理技术研究[J]. 现代化工,2014,34(6):10～12.

[9] 韩健,底兰兰,杨建虎. 基于状态的装甲装备维修系统建设[J]. 四川兵工学报,2014,(9):65～68.

[10] 陆东,牟善军. 欧洲设备风险检查技术发展及应用概况[J]. 安全、健康和环境,2004,4(1):36～39.

[11] Wolfe D，Mclean C. Intelligent Wireless Condition-Based Maintenance [M]. Sensors，2002，19(6)：14～26.

[12] 丛广佩. 石化设备基于风险和状态的检验与维修智能决策研究[D].大连：大连理工大学,2013.

[13] 张大波. 基于状态监测与系统风险评估的电力设备维修及更新策略研究[D].重庆：重庆大学,2012.

[14] 宋同卫. 浅谈石化企业设备管理信息化建设[J]. 中小企业管理与科技,2014,(8):300～301.

[15] 黄勇理.能源动力设备的控制与管理[M].武汉:华中科技大学出版社,2006.

[16] 林筱华.石化装置风险管理技术与应用[M].北京:中国石化出版社,2009.

[17] API 581，Risk-Based Inspection Base Resource Document[S]. USA：The American Petroleum Institute，2000.

[18] API 579-1/ASME FFS-1，Fitness-For-Service [S] . USA：The American Petroleum Institute，2007.

EstablishmentofConditionMonitoringandMaintenanceSystemforPetrochemicalStaticEquipment

WU Tong-feng, CAI Xiao-jun, LIU Xiang-chen, WANG Li-ping

(SchoolofMechanicalEngineering,BeijingInstituteofPetrochemicalTechnology,Beijing102617,China)

The failure of static equipment in petrochemical enterprises restricts the development of petrochemical industry. Through analyzing the failure situation of static equipment in petrochemical enterprises and their maintenance methods and having commonly-used detection and maintenance technologies of the rotating equipment referred, the state inspection and maintenance system for static equipment in petrochemical enterprises was built, in which, the modern detecting technology replaces the manual inspection; and through external testing equipment or embedded sensors, the static equipment’s state information can be obtained; and through having Internet of Things combined with mathematical model, the equipment damage can be reflected to achieve real-time feedback of the static equipment’s damage; meanwhile, the application of closed-loop detection and maintenance mode and the dynamic management of the static equipment can ensure both safe and long-term operation of the petrochemical equipment.

static equipment, reliability maintenance, condition-based maintenance, maintenance shortage, damage state, risk analysis

*北京市自然科学基金项目(3132010)。

**吴同锋,男,1988年6月生，硕士研究生。北京市，102617。

TQ050.7

A

0254-6094(2016)06-0717-05

2016-02-02，

2016-02-25)