失效模式及后果分析在芳烴裝置產品質量管理上的應用

黃少鈞

(中國石化上海石油化工股份有限公司芳烴部，上海 200540)

芳烴是化學工業的基礎原料，對國民經濟的發展以及人民生活水平的改善起著重要作用，同時芳烴裝置的產品對二甲苯(PX)的產能水平也是我國石油化工發展水平的標志之一，因此芳烴裝置的生產，對我國化學工業的健康發展具有重要意義[1]。芳烴裝置的產品在生產過程中使用的裝備和輔料都具有易燃易爆的風險，且裝置的規模越大，其設備復雜程度也就越高，大型化設備的調試工作更加復雜[2]。芳烴裝置產品PX的生產是十分復雜的化學反應及化學分離過程，需要的工序較多，上游工序的非計劃停工對芳烴的生產工序產生影響，會造成芳烴裝置產品質量的波動。因此，做好芳烴裝置的質量管理工作尤為關鍵。

1 FMEA概述

潛在失效模式及后果分析(FMEA)是一種預防設備運行失效的技術，組織人員尋找設備故障的來源和可能的失效模式，并制定相應的預防措施來提高設備的質量與可靠性[3-4]。隨著FMEA在工程技術中的應用越來越廣泛，FMEA在專業上的分類也越來越多。

文章研究的產品PX側重于生產過程，故主要研究過程潛在失效模式及后果分析(Process FMEA，PFMEA)的相關內容。采用的是定性與定量相結合的方法，識別在生產過程中每一個設備可能的失效模式，根據小組討論定義嚴重度(S)、發生度(O)和探測度(D)，評價各失效因子對產品質量的影響[5-6]。S、O和D的連乘積成為風險順序數RPN(RPN=S×O×D)，RPN數值的大小，表示該失效模式的風險大小。通過小組討論制定的降低失效風險的措施在分析表中也會得到體現。

由于生產裝置的運行可能隨著時間的推移對裝置的吸附劑和設備造成損耗，故產品PX的質量可能隨著時間的推移存在下降的趨勢，而FMEA是一個持續改進的工具，因此芳烴裝置產品PX質量的FMEA分析時間跨度為每兩次消缺之間的運行時間。

2 產品PX質量FMEA分析表的構建

文章主要論述產品PX質量FMEA表的構建，包含以下內容。

(1)系統名稱：用于框定設備FMEA分析范圍。

(2)潛在失效：①描述，失效描述是對系統中可能影響產品質量的設備出現的異常現象的描述；②后果，一旦設備出現該異常情況對芳烴裝置生產運行或產品質量的影響；③失效原因，是指造成設備失效的根原因。

(3)目前狀態：①控制措施，填入避免失效情況發生的控制措施；②發生度；③嚴重度；④探測度；⑤風險優先值。

(4)建議采取的解決措施：填入由芳烴裝置小組討論確定的相應措施，該措施可通過標準化清單形式組織落實。通過該措施可直接指導班組或相關人員進行實施，具有可執行、可檢測的優點。

(5)改進后狀態：①根據現場實際情況可采取的整改措施；②發生度、嚴重度和可探測度；③風險優先值。

(6)構建產品PX的FMEA分析表。

3 產品PX質量評估指標

FMEA小組分析評價得出的S、O、D以及計算出的RPN值是FMEA失效模式分析最重要的評估指標和依據。對于S、O、D這3個指標，文章采取的評分標準是1～10的評分準則。根據其嚴重后果對應相應的分值如表1所示。

發生頻率經過FMEA小組的研究探討，決定根據近十年的芳烴裝置中出現的次數進行計算，發生頻率以及對應的分值如表2所示。

表2 發生度O標準

探測度D表示評價可能發生的失效模式可探測發現的能力。經過FMEA小組討論，將探測度、探測手段和探測可能性結合對失效模式進行評級，結果如表3所示。

RPN是FMEA最重要的一個指標，RPN的數值越低，則失效概率較低。

RPN界值Y的計算公式為：

Y=1 000-1 000×b

式中：Y為RPN的界值；b為置信度。

根據企業的FMEA探索經驗可得，在置信度為0.95的情況下，計算出最大的失效模式評分1 000分，乘以置信因子后，相減得到50。故在FMEA中RPN的計算值不小于50的失效模式以及失效描述應重點監控，并采取措施進行改善。

表3 探測度D標準

4 產品PX質量FMEA表

產品的質量情況與產品所在系統密切相關，故分析產品PX的工藝流程是失效模式分析的基礎，在進行失效模式分析之前需要對產品PX的系統工藝流程進行功能結構劃分，明確各工藝流程的關鍵設備或流程是否在工作中存在失效的可能性。

芳烴聯合裝置共有近600臺大型設備，因吸附分離裝置是直接產出產品PX的一套裝置，且吸附塔系統又是吸附分離單元中的核心系統，運行情況直接影響產品PX的質量，故此次FMEA分析主要就吸附分離裝置的吸附塔系統進行詳細分析，其生產工藝流程如圖1所示。泵送循環將物料由吸附塔B底部送至吸附塔A頂部，由系統計算流量進行控制，而壓送循環將物料由吸附塔A底部送至吸附塔B頂部，根據吸附塔A塔底壓力值進行控制，通過泵送和壓送循環將吸附塔構建成一個整體。吸附塔A、B兩塔壓力均通過調節閥進行控制，同時吸附分離過程需要在一定的溫度和壓力范圍下純液相進行。吸附塔是吸附分離系統的核心設備，其中裝填著昂貴的吸附劑，可以選擇性地吸附產品PX，之后通過解吸劑將其置換出來，然后送入后續的精餾系統進行分離得到產品PX。

圖1 吸附塔系統工藝流程

4.1 安全閥的失效風險控制

吸附塔安全閥是吸附塔的安全設備之一，當吸附塔內壓力高于其設定值1.6 MPa時，會自動開啟，通過管道將吸附塔內物料排放至抽余液塔，向系統外排放物料來降低吸附塔內壓力，防止吸附塔內壓力過高而導致吸附塔內件的損壞。

安全閥內漏將導致產品質量下降，但不一定會影響產品質量，故其嚴重度S被定為7。如果安全閥起跳，將導致吸附塔壓力的劇烈波動，且對抽余液塔也將產生重大影響，會導致產品不合格，嚴重時甚至可能影響吸附塔內昂貴的吸附劑質量，故其嚴重度S被定為9。

對于吸附塔安全閥失效，應選取由于操作不當，未建立進口壓力所致，得到的風險順序數為：

RPN=S×O×D=7×9×3=189

經過分析得知，發生吸附塔安全閥失效的主要原因為長時間不投用安全閥導致的人工操作失誤。如果制訂該安全閥操作的標準化操作表單，則可以有效避免人工操作失誤帶來的產品質量波動，所以在研究了裝置目前的崗位操作法與技術規程以后，建議采用標準化操作表單的形式進行改進，要求現場操作時進行雙人確認，防止現場操作人員誤操作。

改進后，現場操作更具有計劃性與規范性，明顯降低了現場人為誤操作的風險，發生頻度從7降低到了2，改進后的風險順序數：

RPN=S×O×D=2×9×2=36

4.2 泵送壓送調節閥的失效風險控制

在分析吸附塔相關流程后，得到失效模式分析結果。對于吸附塔泵送壓送調節閥失效，應選取因長時間使用造成閥門沖刷所致，得到的風險順序數為：

RPN=S×O×D=4×7×2=56

經過分析，判斷發生吸附塔泵送壓送調節閥失效的主要為長時間備用調節閥不投用導致的閥門沖刷所致。所以在研究了裝置目前的運行情況以及調節閥使用壽命情況以后，建議采用關閉備用調節閥一二次閘閥閥門來降低流量對備用調節閥沖刷的情況，并定期對運行的調節閥進行更換的形式進行改進。

改進后，現場設備具有更高的可靠性與穩定性。關閉備用調節閥一二次閘閥閥門不僅提高了產品PX的純度和收率，同時保護了備用調節閥不再單邊受壓而承受物料沖刷，明顯降低了設備出現故障的風險，發生頻度從3降低到了2，改進后的風險順序數為：

RPN=S×O×D=2×7×2=28

4.3 流量計的失效風險控制

對于吸附塔流量計失效應選取轉速探頭故障所致，得到的風險順序數為：

RPN=S×O×D=8×8×2=128

經過分析，得出發生吸附塔流量計失效的主要原因為該透平流量計使用條件較為苛刻，輸送物料溫度為180 ℃，同時由于管道保溫影響，造成其運行環境溫度較高，散熱效果不佳，故該轉速探頭故障率較高。在研究了裝置目前的運行情況以及透平流量使用壽命情況以后，建議定期更換轉速探頭來降低該故障對透平流量計測量不準的情況發生。

改進后，透平流量計具有更高的可靠性與穩定性，明顯降低了透平流量計出現故障的風險，發生頻度從8降低到了3，改進后的風險順序數為：

RPN=S×O×D=3×8×2=48

5 實施效果

通過FMEA在芳烴裝置產品PX質量管理中的實際應用，對其失效模式進行詳細分析之后，采取了一系列的措施進行改進，取得了良好的效果。

(1)提高了員工的質量意識。在芳烴裝置產品PX質量管理中運行FMEA分析方法，組織了包括質量管理人員，設備、工藝工程師以及現場操作人員參與其中，群策群力、獻計獻策，用科學的方法尋找并解決生產中的薄弱環節，質量意識大幅提高。

(2)提高了產品PX的質量和收率。選擇在芳烴裝置吸附塔系統中運用FMEA分析方法，結合歷年產品質量發生波動的頻度、嚴重程度以及可探測程度進行科學的思考分析，提出了設備運行中可能存在的缺陷和發生的故障失效模式，采取相應的措施降低故障的發生，從而提高設備運行的穩定性以確保產品PX的質量可靠性。

(3)提高了產品PX的質量管理水平。通過FMEA在芳烴裝置產品PX質量管理中的探討和研究，提出了影響產品PX質量的關鍵設備失效模式分析表格和方法，并采取措施進行改進，達到了預期效果，為芳烴裝置產品PX的質量管理的完善提供了更加合理和準確的依據。