化工机械设备失效数据研究

陶富云 赵宁 叶海春

摘 要：通过建立化工机械设备失效数据库，合理选取失效数据进行安全仪表系统评估，使安全仪表系统得到合理配置；建立化工机械设备失效数据库可以实现设备的预知性维修，降低设备突发故障的頻率，为安全生产保驾护航。

关键词：化工机械设备；安全仪表系统（SIS）；安全完整性等级（SIL）；基本过程控制系统（BPCS）；安全仪表功能（SIF）

1 化工行业现状及化工机械设备面临的问题

化工行业是国民经济的产业支柱，它的发展状况与国民经济息息相关，近年来，化工行业生产保持着总体增长，但工业增加值增速整体居于低水平状态。化工行业经营效益持续变差，营业收入近三年来持续下降，化工行业安全事件频发是造成此情况的主要原因之一。为避免安全事件的发生，获取设备失效率信息是非常重要的一个环节。目前行业中相关人员主要是通过检维修记录、供货商记录和第三方数据库获取失效率信息［1］，但仍然无法解决根本问题，如许多企业虽有检维修记录，却没有按照有效的形式进行收集整理；供货商记录没有考虑工艺条件或工艺环境；第三方数据库只是按照设备类别进行了整理，但没有考虑不同的应用环境等。选用此类数据可能会造成安全完整性等级（SIL）的定级结果不准确，导致安全仪表系统（SIS）配置不合理，存在两个极端情况。

第一种情况，化工机械设备处于过度保护状态，导致安全仪表功能（SIF）回路投入费用偏高，维保费用高，影响企业盈利。

第二种情况，化工机械设备因保护措施不足而处于危险状态，随时可能发生安全事件。

同时，此类数据无法提前预知设备故障情况，导致预知性维修策略实施难度增大。

因此，建立能区分不同工艺条件、不同供货商及其产品型号的化工机械设备失效数据库，对于化工机械设备开展预知性维修工作和SIL评估工作是尤为重要的。

2 化工机械设备数据收集方法现状分析

化工机械设备数据收集方法主要有通过检维修记录、供货商记录和第三方数据库获取失效率信息，下面就化工机械设备数据收集方法进行分析：

2.1 检维修记录

化工企业的检维修记录是最好的数据源。它能代表应用环境、维护规程以及供货商的关注点等一手信息。但是必须有大量的检维修数据，才能进行统计分析。另外，许多化工企业都有设备维修记录，里面体现了SIS系统相关失效率信息，但是可能没有按照有用的形式进行收集。例如某些化工企业的设备维修记录，统计信息不全、未对不同类型的设备进行分类等情况，设备维修完全取决于现场人员的管理经验来决定设备是否维修或更换，丧失了失效数据对于执行预知性维修策略的指导意义，同时还会影响SIL评估对于设备失效概率的取值，导致SIS系统配置不合理。因此，在化工企业实际检维修工作情况的基础上建立化工机械设备失效数据库非常必要。

2.2 供货商记录

购买设备后，可以由供货商提供设备失效数据。供货商提供的数据来源主要来自实验室得出的数据和用户反馈的数据。在实验室得出的失效数据通常会基于一定的假设条件来得出失效数据，如有大约25%的设备交付后被存放在仓库里（未投用），其余设备在线使用的设备工作状态为每天两个班次，每周操作5天。实际上，化工企业的机械设备不是这样的使用状态，有的机械设备是不间断连续使用的。供货商收到反馈的设备失效数据与用户自己留存的检维修记录存在很大差异，供货商的提供的数据一般不符合实际情况。造成这种状况的主要原因是很少有用户在机械设备超过质保期后仍将故障信息提供给供货商。如现场服役十年的变送器，用户对实际检维修中获取的失效数据一般不会反馈给供货商的。

另外，供货商的失效数据，特别是现场的仪表设备，一般没有考虑工艺条件或环境因素。仪表设备在恶劣、强腐蚀的环境中使用，远比在洁净的工艺条件下和工作环境中更容易出现故障或损坏。

因此，供货商在以上这些情况下收集的设备失效数据通常不具备统计意义。

2.3 第三方数据库

目前行业中已经有了一些可用的商业数据库，如PDS数据手册即SINTEF SIS的可靠性数据［2］，由多家国际石油公司、控制及安全设备供应商、专业咨询单位及一些政府机构，参与该数据项目的收集工作；此外还有著名的OREDA（Offshore Reliability Data）海上平台可靠性数据手册［3］、美国化工协会过程设备可靠性数据库PERD（Process Equipment Reliability Data）［4］以及EXIDA安全设备可靠性手册［5］等。这些数据基于不同专业公司的实际现场经验，按照设备类别整理，但这些数据没有考虑不同的应用环境且信息不全面，无法对某些设备的SIL评估和预知性维修工作提供数据支持。

3 优化化工机械设备失效数据的统计方法

为了保证SIL定级过程中引用的数据更为准确，并提高预知性维修技术的水平，需要在化工行业中建立一套化工机械设备失效数据库。故障数据库应具备以下几个方面的要求。

3.1 数据实时更新

在设备正常生产过程中，当现场人员发现问题对其进行检修后，需要将检修信息录入化工机械设备失效数据库中，录入内容主要包括设备名称、设备介质、设备所属工艺系统、设备投用日期、设备故障日期等内容，如表1所示。如查询液位调节阀的故障，可以通过相关要素内容查询，可以了解到在哪个工艺系统、哪种设备、哪种介质的工况下，调节阀容易出现故障。还可以通过设备投用日期、设备故障日期了解到设备在此工况下的故障周期。

3.2 数据进行分类管理

由于受介质、工况等因素影响，设备故障的失效概率是有差异的。因此，将维修设备的介质、工况等因素填入系统中，进行分类统计。例如将介质分为原油、汽油、柴油、天然气、液化石油气、正己烷、海水等，将化工机械设备的材质进行分类。这样我们就能得出准确的设备故障的失效概率，如输送海水的碳钢材质管道腐蚀概率较高，输送柴油的碳钢材质管道腐蚀概率较低。

3.3 数据取值范围广

通过大量化工企业进行网络数据共享，便于统计，在大数据统计的情况下，化工企业通过数据查询就可以了解到设备的故障情况，取同类设备、同类介质的故障数据的平均值作为SIL定级中使用的数据及制定设备预知性维修策略的依据，如表2所示。

4 化工机械设备失效数据库的作用

4.1 提高SIL评估的工作质量

在SIL评估中，可通过化工机械设备失效数据库直接调用相关设备的失效数据，用LOPA方法进行SIL定级，使SIL定级结果更为准确，从而实现对SIS系统的合理配置。

例如：凝液罐（图1）。来自上游工艺设施的凝液进入凝液罐（V3109），凝液供料管道、凝液罐（V3109）及伴生气出口管路均为带压状态。凝液罐受液位控制回路（LIC3109）控制，LIC3109检测凝液罐（V3109）液位，通过液位调节液位阀（LV3109）控制液位。经凝液罐（V3109）脱气处理后的凝液输往下游工艺单元进行处理。LIC3109控制回路具备提醒中控操作人员的高液位报警（LAH3109）和低液位报警（LAL3109）的功能。目前需要确定凝液罐（V3109）液位低联锁的SIL等级。

图1 凝液罐

进行SIL定级的步骤如下：

（1）场景识别与筛选。场景由初始事件和后果构成。选定的初始事件为LIC3109液位控制回路故障，导致LV3109关闭，造成凝液泵抽空损坏，凝液介质泄漏，遇点火源发生爆炸。该公司的风险容许度频率为1×105/y。

（2）初始事件频率的确认。本次选定初始事件为LIC3109液位控制回路故障，其失效频率为1×101/y。

（3）使能条件确认。由于凝液罐（V3109）处于普通工艺区，因此，点火概率选取为50%。现场人员2小时巡检1次，每次在此区域停留12分钟，所以人员暴露概率选取为10%。

（4）独立保护层评估。虽然LIC3109控制回路具备提醒中控操作人员的低液位报警（LAL3109）的功能，但是它没有独立于初始事件，因此不能作为独立保护层。

（5）场景频率计算。场景频率按式（1）计算：

fCa=fIa×fEa×∏Xx=1PFDax×∏Jj=1PFDaj（1）

式中：fca为初始事件a的后果C的发生频率，/y；fIa为初始事件a的发生频率，/y；fEa为使能条件发生概率，/y；PDFax为初始事件a中第x个使能条件数据，%；PDFaj为初始事件a中第j个阻止后果C发生的独立保护层的失效概率，/y。

通过场景频率计算，问题发生频率为5×103/y。

（6）风险评估与决策。LIC3109液位控制回路故障，导致LV3109关闭，造成凝液泵抽空损坏，凝液介质泄漏，遇点火源发生爆炸，后果等级为5级，风险容许度频率为1×105/y，后果发生频率为5×103/y。为保证后果发生频率小于1×105/y，需要对凝液罐（V3109）配置液位低低联锁，相关SIL等级按照IEC 61511的要求确定，如表3所示：

表3 要求操作模式

根据式（2）进行计算，定级结果为SIL2。

要求时失效概率（PFD）=风险容许度频率场景频率（2）

由于行业通用数据对初始事件失效频率的推荐值的取值范围较大，如果选取时出现偏差，增大10倍或减小10倍都会对定级结果产生影响，因此，建立企业自己的化工机械设备失效数据库对提高SIL评估质量是非常重要的。

4.2 优化预知性维修策略

在化工机械设备正常运行过程中，通过化工机械设备失效数据库的相关数据开展分析，明确该提前更换或维护的部件，从而避免因設备失效造成工艺流程的偏离，杜绝因设备失效而造成的安全生产问题。例如，维修人员根据化工机械设备失效数据库的数据知道到某个压力变送器要达到出现故障周期的年限了，维修人员可在压力变送器出现故障前对此压力变送器进行维护检修或更换，避免因压力变送器故障而出现工艺偏差，从而保障了工艺系统的安全运行。

5 化工机械设备失效数据发展趋势展望

建立化工机械设备失效数据库是未来的发展趋势，目前很多企业已经根据设备失效、联锁误动作等情况开始逐步建立相关设备失效数据库。通过化工设备失效数据库的建立可以使设备在SIL评估中选用准确的数据，避免SIS系统过度保护节省大量费用，还可以避免因SIS系统保护不足，而出现安全问题。同时，还可以将化工机械设备失效数据库的相关数据用于设备的预知性维修策略中，降低安全生产事件的发生概率，提高设备的经济性和可靠性。

参考文献：

［1］［美］保罗格润，［美］哈瑞L.谢迪.安全仪表系统工程设计与应用［M］.第二版.张建国，李玉明，译.北京：中国石化出版社，2018.

［2］朱明飘，席亚宾.DCS系统常见故障分析及处理措施探讨［J］.自动化与仪器仪表，2008（05）：6568.

［3］朱江.DCS系统常见故障排除经验［J］.自动化应用，2010（08）：6769.

［4］程永红，秦东亮，李勇.DCS系统故障分析处理及维护防范措施［J］.中国仪器仪表，2011（02）：5861.

［5］刘一福，吕锋，刘晓军.DCS网络和控制器故障的分析及防范［J］.电力安全技术，2006（05）：811.

项目基金：中海油安全技术服务有限公司科研项目：HAZOP分析、SIL定级与验证工具研发

作者简介：陶富云（1983— ），男，汉族，山东无棣人，本科，中级职称（工程师），研究方向：石油化工行业HAZOP/SIL评估以及安全咨询技术研究。