流程泵的預防性維修

文/楊鋒，程聶

流程泵的預防性維修

文/楊鋒，程聶

石油化工流程泵以動態可靠性為基礎的預防性維修——針對石油化工流程泵預防性維修的重大需求，本文提出以動態可靠性為基礎的預防性維修（DRBPM）概念，并對關鍵性指標進行詳細闡述，確定了有效的預防方向，在此基礎上提供了實際應用解決模式和實際應用效果評估。結果顯示：由于流程泵突發性故障而引起的生產裝置安全風險事故基本杜絕，DRBPM系統取得了良好的社會和經濟效益。

圍繞設備可靠性進行維修（RCM）用以確定資產預防性維修需求、優化維修管理模式是目前國際通用的一種系統工程方法。它是根據設備的可靠性狀況，以最少的維修資源消耗，運用邏輯決斷方法來確定所需的維修內容、維修類型、維修間隔周期以及維修級別，判定出預防性維修大綱，從而達到優化維修的目的。

隨著設備預防性維修策略的實施，改進性維修的應用以及設備長周期使用、工況環境的變化，設備可靠性狀況、維修間隔期均發生變化[3-5]。因此必須根據設備最新狀況實時調整設備預防性維修大綱，從而有效利用維修資源，實現設備長周期可靠運行，這是以動態可靠性為基礎的預防性維修策略的目標。

預防性維修策略（Dynamic Reliability Based Preventive Maintenance 簡稱DRBPM）是以動態可靠性為基礎，依托可靠性維修發展出來的新維修理念，它依賴互聯網絡技術和大數據運行，實現設備運行狀態的實時監控和趨勢分析，從而對設備可靠性及維修大綱進行動態管理。經實踐驗證自2009年開始推行轉動設備預防性維修工作，2011年開始探索RCM維修模式，2013年開始研究DRBPM維修模式并于2014年初推廣使用，經實際使用，取得明顯效果。

DRBPM的基本原理

1.可靠性的定義及具體指標

設備可靠性是指設備在一定時間內無故障完成規定功能的水平。通常用能定量表現的可靠性指標來權衡設備可靠性程度，包括可靠度、故障率、MTBF、維修性及有效度等。

（1）可靠度

可靠度指設備在給定條件下，預期時間內，實現預期功能的概率，用R（T）表示。它是設備在t時間內無故障，或是其壽命T大于t的概率，即P≥t）稱為可靠度函數。

與可靠度相對應的是不可靠度，它表示設備故障部分所占的比例，常記F（t）。它是故障分布函數，其值從0到1變化。

可靠壽命指設備可靠度下降到r時的工作時間，可根據可靠度函數和可靠度值r求出。其中r稱為可靠水平，轉動設備的可靠水平通常為可靠壽命的0.8～0.9。

（2）故障率

所謂故障率是指設備發生故障的比率。運用數理統計方法作出考察設備的“故障頻數-分布時間”曲線圖，由分布曲線擬合故障的概率密度函數f（t）。

（3）MTBF

平均無故障時間MTBF（Mean Time Between Failure），又稱無故障間隔時間，它指可修復設備相鄰兩次故障發生之間無故障工作時間的平均值。MTBF所指對象僅限于發生故障后可通過修理恢復其功能的設備。利用MTBF的歷史數據，能夠很容易地推斷出它的威布爾分布函數和不同時間的概率值，從而確定其不同歷史時期的可靠度，因此能預知該設備無故障地使用時長，以及在使用多長時間后應該進行修理。

（4）維修性與有效度

從廣義可靠性的觀點出發，對于可修復的設備，除了無故障地實現功能外，在產生故障后迅速排除故障對于設備維修和故障診斷也至關重要。維修是指使設備保持與恢復其功能狀態的一切技術活動與管理活動的總和，而維修性是指修復產品的難易程度。所謂有效度是指可修復設備，即在規定條件下，規定時間內，維持其功能的概率，一般記為A。

通過有效地監測設備工作狀態進而提高其平均無故障時間和通過有效的監測與診斷減少平均故障修理時間是提高有效度的唯一方法。

2.設備故障后果

（1）設備故障強度

設備是指可供人們生產中長期使用，并在反復使用中基本保持原有實物形態和功能的生產資料和物資資料的總稱，作為石油化工連續生產企業，保持設備功能滿足連續生產需求是首要任務，對于設備故障后果，應當首先考慮對連續生產的影響和沖擊，其次是安全和經濟后果，對此進行定性分析。設備故障強度是依據設備在生產中的重要性并結合設備故障發生對生產活動的沖擊、影響，從而對設備故障進行分類管理的方法。目前，對設備故障強度分類如表1所示。

（2）設備故障安全性和經濟性后果

圖1 設備可靠度和故障強度等級的關聯矩陣

由于石油化工行業易燃易爆、有毒有害的生產特點，部分設備發生故障后可能產生嚴重安全后果（如火災、環境嚴重污染等），因此，對于此類設備故障強度分析時應給予充分考慮，同理，對于故障發生后導致設備損失較大、修復困難的也應給予考慮。設備故障模式的安全性風險和故障頻率、安全性后果有關。

3.邏輯關聯與判斷

每一臺設備在無故障間隔期內不同時間點、不同運行狀態具有不同的可靠度，標識為R(t)i；同理，每臺設備發生功能性故障的后果，即故障強度等級也不盡相同，將每臺設備故障強度等級標識為Sj，即可建立每臺設備可靠度和故障強度等級的關聯矩陣如圖1所示。

4.維修策略與維修資源

維修策略的制定應綜合考慮預防性維修、預知性維修和主動維修之間的相互組合。由于被動維修可能導致非計劃停機，在可靠性維修中要求盡量避免。預防性維修雖然可以減少非計劃停機，卻可能造成維修過剩，需適當控制；預知性維修依據設備監測狀態，既避免維修過剩，又避免維修不足，但沒有根除故障且受制于認知水平，多有缺漏；主動維修則致力于從根本上削除故障隱患，因此，三者必須有機組合，充分發揮各自作用。根據不同的設備維修策略，結合設備運行狀態及趨勢分析，可以制定出相對合理的維修大綱，包括維修內容、維修級別以及類型等，從而有效優化維修資源。

表1 設備故障強度等級

5.其他約束條件

作為石油化工連續生產企業，設備應該保持其功能并滿足連續生產需求。一旦設備運行環境發生改變，偏離其設計工況，如設備介質性狀變化、工藝流量溫度變化、設備偏離優選工作區等，設備往往出現以下情況：①設備可靠性下降，故障率上升，MTBF時間縮短；②設備效率低下；③設備運行、維護成本上升。通過機泵設備綜合監測平臺發現，70%嚴重偏離優選工作區的泵均有振動較大、密封易泄漏、故障率高等現象，因此，僅依靠預防性維修無法使得設備功能發生改變并滿足生產需求，反而過多維修，降低了設備可靠性。

因此，在制定維修策略時，應充分考慮由于設備運行環境改變而產生的設備功能需求，并以此作為約束條件對設備維修策略進行即時調整。只有采用主動性維修，不斷完善設備功能，從根本上消除隱患，才能確保設備可靠性，從而提高設備運行效率，降低維修成本，我們在實踐中也可以清晰看到這一點。

6.動態可靠性研究

設備可靠性狀況隨著設備預防性維修策略的實施，改進性維修的應用以及設備長周期使用、工況環境的變化而變化。因此必須根據設備最新狀況實時調整設備預防性維修大綱，從而有效利用維修資源，實現設備長周期可靠運行。實現動態可靠性管理要滿足以下需求：①根據設備不同時間點和不同運行狀態及發展趨勢，可即時計算分析其可靠度，從而對應合適的維修策略；②設備維修完成或工藝狀況發生改變后，能及時更新其MTBF和運行狀態分析，確定設備新的可靠度供分析研判，從而實現設備維修大綱的動態管理。因此，以動態可靠性為基礎的預防性維修策略在傳統RCM基礎上進行了改進，主要體現在以下方面：

（1）維修決策的制定基礎改進

所有傳統的RCM決策過程，均是以設備故障模式影響與分析（FMEA）為基礎，進行風險等級確定和維修大綱制定。“預測性維修是RCM的主動性維修策略”，換而言之，在傳統的RCM維修任務決策過程中，預測性維修是實現其維修策略的方式之一，而非決策基礎。DRBPM系統與傳統RCM的維修策略制定基礎是不同的，在DRBPM系統中，設備運行狀態及趨勢判斷、設備整體可靠性狀況以及設備風險狀態研究，三者是綜合一體考慮，并作為預防性維修策略的制定基礎。

圖2 以可靠性為基礎的動態預防性維修系統圖

（2）設備可靠性的分析方式改進

傳統RCM的分析方式的基礎是：通過對設備進行故障模式及影響分析（FMEA），利用概率統計分析計算故障模式的量化結果和故障頻率。這決定了傳統RCM研究方式對于設備的分析是以零部件為基礎的，即不同類型的零部件有不同的失效模式及統計數據，再針對不同失效模式制定維修大綱予以解決。而DRBPM系統所針對的石油化工流程設備，特別是石油化工流程機械，其不同零部件之間的失效往往是相互關聯的，例如：石油化工高溫重質油泵，其軸承失效往往引起機械密封泄漏，從而導致重大安全風險，這表明軸承與機械密封兩個零部件之間的失效是相關聯的，而不能用單一失效模式進行分析。

建立以可靠性為基礎的動態預防性維修系統

根據設備不同無故障間隔期和運行狀態分析，可確定其可靠度；結合設備故障強度后果分析，從而確定其維修策略。按此原理可對全廠所有設備進行數值分析和邏輯運算，篩選出需要進行預防性維修或臨時緊急維修的設備，形成報表供設備管理人員分析、決策，這些都需要復雜的數據處理和邏輯運算。得益于計算機技術、互聯網絡技術及大數據技術的發展，使得靠人工無法完成的龐大數據處理工作成為現實。建立以可靠性為基礎的動態預防性維修系統需要完備的基礎工作：①長期設備故障統計與分析數據；設備歷史檢維修數據作為可靠度計算依據；②完善的設備狀態監測與分析數據；③合理的設備故障強度與安全、經濟性后果分析數據。在此基礎上，建立系統如圖2所示。

實際應用及效果

自開始投用DRBPM系統，經過2年使用已經取得明顯社會效益和經濟效益。以主要生產裝置流程泵為例，選擇主要煉油生產裝置近1 100臺機泵設備，同時由于2012年與2016年為全廠停工檢修年，故選取檢修周期內同期年份2011年、2015年以及DRBPM系統投用第一年及2014年數據進行比較：2014年DRBPM系統開始實施，當年在預防性總量沒有增加的前提下，由于預防性檢修的科學性、合理性加強，設備預知性維修及設備故障檢修數量明顯降低；2015年隨著DRBPM工作深入開展，設備預防性檢修、預知性檢修針對性更強，檢修總量明顯下降，且設備故障性檢修數量仍較上年降低約33%。

至2015年底，流程泵檢修總量較2011年減少近50%，故障性檢修數量降低近85%，僅此一項，節約機泵維修成本約350萬元/年，同時，由于流程泵突發性故障而引起的生產裝置安全風險事故基本杜絕，DRBPM系統取得了良好的社會和經濟效益。

事實證明，以動態可靠性為基礎的預防性維修策略，是對傳統RCM技術的有益探索和發展，能對設備預防性維修提供更加科學、合理的指導，在石油化工流程設備的可靠性管理中發揮了顯著作用。

[1]李葆文. 簡明現代設備管理手冊[M]. 北京，機械工業出版社，2004.

[2] 盛驟, 謝式千. 概率論與數理統計及其應用[M]. 高等教育出版社, 2010.

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作者任職于中國石油化工股份有限公司武漢分公司。