基于目標導向的石化企業設備可靠性數據庫建立方法

楊雨龍,劉真真，金 良，劉慶龍，路 帥，王 強，甘元君

(1.中國石油大學(華東)機電工程學院，山東 青島 266580；2.萬華化學集團股份有限公司，山東 煙臺 264010；3．青島歐賽斯環境與安全技術有限責任公司，山東 青島 266520；4.中國石油大學(華東)化學工程學院，山東 青島 266580；5.中石油廣東石化分公司，廣東 揭陽 515200；6.中石油獨山子石化分公司，新疆 克拉瑪依 833699)

石化企業的生產規模隨著石化產品需求量的增加變得越來越大，工藝也變得越來越復雜，使得化工生產中很容易發生危險事故，而化工事故的影響和危害性給社會造成了不良的影響和巨大的經濟損失[1]。失效數據的有效利用是做好石化企業安全生產平穩運行的關鍵之一，但我國石化行業的安全管理或安全評估等需要的失效數據大多是參考國外設備可靠性數據庫中的數據。

我國學者對石化企業的安全評估、設備可靠性分析、預防性維護等方面做了大量的研究工作。如陳存銀[2]利用C#和SQL數據庫開發了安全儀表系統完整性等級設計軟件，提高了對安全儀表數據的使用率；付靖春等[3]對國內外事故數據庫進行了總結比較，并對國內事故數據庫的建立及發展提出了建設性的建議。雖然我國頒布了化工企業定量風險評估的相關標準，如《化工企業定量風險評價導則》(AQT 3046—2013)[4]和《石化裝置定量風險評估指南》[5]等，但是大部分失效數據仍是以國外典型設備可靠性數據庫作為參考，目前我國未建立設備可靠性數據庫，企業對失效數據的收集也存在一些問題，如失效數據集龐大、記錄混亂、缺少標準化的設備失效模式和失效原因等。因此，有必要結合我國實際情況建立設備失效標準化語言和數據收集流程，并建立符合我國石化企業的設備可靠性數據庫，這對設備的可靠性、預防性維護、安全管理和企業的安全評估等具有重要意義。

1 基于目標導向的失效數據統計內容和流程確定

1.1 目標導向決策方法

目標導向的決策方法是由Bordley等提出的，它是傳統上常用的效用評價方法，該方法用某個屬性值來體現是否實現目標的要求來確定它的效用[6]。目標導向理論就是通過對用戶目標的分析和研究，將設計、構造等達到用戶的要求，實現設計的合理性、可靠性和可接受性[7]。

石化企業失效數據是石化企業系統進行風險分析、設計、管理維護等的重要依據[8-9]。石化企業的風險評估對石化企業安全生產、日常維護和管理具有很大的指導作用，本文主要討論可用于風險定量評價(QRA)、保護層分析(LOPA)和安全完整性等級(SIL)等分析的失效數據。失效數據在風險評估中的應用主要通過統計數據提供設備泄漏概率，主要為相應設備數據和設備外部泄漏事故記錄的次數。除此之外，可靠性、可靠度、保護層分析、預防性維修、設備生命周期分析、篩選可靠性廠家等目標導向也需要用到失效數據。

1.2 確定失效數據采集內容

綜合考慮以上目標導向分析，為了使失效數據采集內容完整、可靠，在原有數據收集內容的基礎上增加了失效原因、設備基礎信息、區分安全失效和危險失效、上次失效時間等信息,以及失效前運行總時長、平均故障修復時間、設備和零部件廠家及失效情況，最終確定數據收集總表，包括設備數據、失效數據和維修數據。

1.3 失效數據收集流程

本文參考國外設備可靠性數據庫[10-13]和相關文獻[14-16]，并結合石化企業實際情況，對方來華等[17]確定的失效數據收集流程進行了改進，增加了失效數據的具體內容、數據審核和關鍵數據分析步驟。基于目標導向分析制定的失效數據收集流程，見圖1。

圖1 數據收集流程圖

2 設備可靠性數據庫標準化體系的建立

收集目標導向分析的失效數據內容需要采用標準化語言描述才能保證失效數據的可傳遞性和高質量。我國一些石化企業雖然開展了失效數據的統計工作，但由于對設備失效模式、失效原因和失效部位等關鍵參數的選取欠考慮，因此需要系統的、規劃性強的收集方法和嚴格的術語來規范失效數據的收集流程。本文通過參考國外設備可靠性數據庫和我國相關的行業標準建立了設備標準化失效模式和失效原因，并對失效模式設置了代碼。

2.1 標準化語言制定

失效數據收集的標準化流程制定需從標準化失效模式和失效原因、設備分類體系和零部件分類、關鍵名詞的定義等方面進行。通過對石化企業失效數據的統計分析發現，設備可靠性數據庫記錄的失效模式對于我國石化企業來說并不全面，經過參考、分析和比較國外設備可靠性數據庫，補充了達到使用年限、功能異常、結焦積垢等失效模式，見表1。

表1 設備標準化失效模式表

2.2 設備分類體系建立

化工設備分類方法多種多樣，如按照承受壓力可將化工設備分為高壓設備、中壓設備和真空設備等。但國外設備可靠性數據庫如OREDA數據庫中沒有石化企業的部分裝備和儀表設備，因此本文在國外設備可靠性數據庫和我國行業標準中設備分類的基礎上，結合我國石化企業的設備情況，對設備分類體系進行了完善，將石化設備分為動設備、靜設備、電氣設備和儀表設備，并增加了分離設備、反應容器、輸入接口和輸出接口，見表2。

表2 設備分類體系表

2.3 失效模式和失效原因標準化體系的建立

通過對我國石化企業的現場調研、文獻研究以及與國外設備可靠性數據庫的對比發現，我國石化企業失效數據存在記錄不規范、缺少設備標準化的失效模式和失效原因等。因此，本文參考國外OREDA數據庫、我國行業標準和石化企業現場數據，針對4大設備分類、17種典型設備類型，構建了設備失效模式和失效原因的標準化體系。

3 設備可靠性數據庫的建立

數據庫平臺的建立有助于石化企業對失效數據的收集。本文從失效數據動態平臺整體結構、平臺需求和結構功能出發，研發設計了設備可靠性數據庫。設備可靠性數據庫動態維護平臺的搭建流程分為平臺需求分析、平臺總體結構設計、平臺詳細設計、平臺實現和測試、平臺運營和維護5個階段。

3.1 平臺需求分析

平臺需求分析是對平臺所要實現的功能和形式的定義、描述和實現，對所實現的平臺提出詳細、具體的要求。設備可靠性數據庫動態維護平臺是一個獨立的系統，其要滿足簡潔、方便、穩定的特點，便于操作和進行數據處理。因此，本文設定的平臺功能主要有遠程訪問、計算、查詢、管理、導出、界面要求等功能。

3.2 平臺總體結構設計

本文基于展示層、功能層、支撐層、數據層分析并結合數據收集目標和客戶目標，設計了設備可靠性數據庫動態維護平臺的總體結構，見圖2。

圖2 設備可靠性數據庫動態維護平臺的總體結構圖

結合設備可靠性數據庫動態維護平臺的總體結構，設計了平臺實體關系E-R(Entity-Relationship Model)圖，將平臺各個模塊的關系和詳細內容以E-R圖的形式展示出來[18]。本文建立了平臺用戶、設備分類、系統分類、備件管理、失效原因、失效模式、故障位置、故障措施、設備屬性、設備失效概率、設備維修、易損設備和零部件統計共12個實體對象，平臺實體關系E-R圖，見圖3。其中，矩形表示實體；橢圓表示屬性；菱形表示聯系；n代表多個；1代表1對1。本文建立的平臺概念結構E-R圖在原有平臺結構的基礎上對失效原因、失效模式、故障措施、設備失效概率、設備維修、易損設備和零部件統計等部分進行了豐富和調整。

圖3 設備可靠性數據庫平臺概念結構E-R圖

3.3 平臺的實現

在對平臺進行需求分析和功能結構設計之后，應用最新的編程技術完成平臺的開發。本文選用Windows 2000為系統軟件開發平臺，HTML作為網絡前端界面的開發工具，MySQL作為后臺數據庫，JAVA作為后端編程語言，采用模塊化編程方法研發了設備可靠性數據庫，該數據庫平臺登錄界面見圖4。

圖4 設備可靠性數據庫平臺登錄界面圖

登錄平臺后，進入主界面，平臺主界面由導航菜單、導航欄、退出登錄、我的桌面和刷新功能組成，見圖5。其中，導航菜單和導航欄顯示的是當前用戶所能使用的功能模塊；我的桌面上部分顯示設備故障信息和備件故障信息，此外還顯示設備故障原因比例圖和備件消耗數量圖，點擊備件故障信息區域某一種備件，備件消耗數量圖自動切換為當前備件的各廠家壽命周期統計柱狀圖(見圖5)。各廠家按照使用周期壽命長短自行排序，便于選擇可靠性設備廠家。

圖5 設備可靠性數據庫平臺主界面圖

4 實例應用

將本文基于目標導向的設備可靠性數據庫建立方法歸納為流程圖的形式，從確定數據收集目的，直到平臺的建立和數據的應用過程建立了詳細、完整的流程，見圖6。以某石化企業為例，對基于目標導向的設備可靠性數據庫建立過程進行實例分析。

圖6 基于目標導向的設備可靠性數據庫建立流程圖

4.1 設備失效概率分析

基于目標導向分析，本文確定了數據收集內容和收集流程，通過平臺搜索共收集和調整該企業4年的失效數據，涉及19 030臺設備信息和2 971條失效數據。

首先將失效數據應用到QRA中，對QRA關鍵參數——設備泄漏概率進行計算和修正；然后在本文建立的基于目標導向的設備可靠性數據庫平臺的設備故障查詢界面，選取需要的時間段、設備類型等條件對典型設備的失效概率進行查詢，匯總后的設備失效概率見表3。

表3 某石化企業設備失效概率結果對比

由表3可知：經本文建立的數據庫平臺計算得到的設備失效概率與OREDA數據庫的計算結果相比，其中壓力容器、反應容器等設備的失效概率與OREDA數據庫計算結果較為接近，說明靜設備失效數據計算的精確度較高；泵、冷卻器等動設備的失效概率與OREDA數據庫的計算結果差距較大，其原因主要為樣本統計年限僅為4年、國內外設備使用環境不同、國內外技術水平差距大等。

雖然基于本文建立的數據庫平臺計算得到的該石化企業設備失效概率與國外OREDA數據庫中個別設備種類失效概率的計算結果有所差距，但整體差距并不明顯，說明本文建立的基于目標導向的設備可靠性數據庫平臺的數據收集系統和計算方法是科學、有效的，可以將該數據庫平臺的計算結果應用到石化企業設備的日常維護中。

4.2 設備可靠性分析

將失效數據應用到設備可靠性分析中對可靠性指標進行計算。本文選取離心泵計算其可靠度R(t)、平均故障時間間隔(MTBF，用θ表示)和失效率λ(t)。

經查詢平臺內收集4年的失效數據，共檢測離心泵330臺，其中失效130臺；將查詢結果匯總后得到離心泵的可靠性指標分別為：θ=8.895×104h；λ(t)=1/θ=1.124×10-5h-1;R(t)=0.606。當離心泵運轉達到4年時，λ(t)為1.124×10-5h-1，代表了每100 000 h大約有1～2個離心泵出現失效，結合可靠度和平均故障間隔時間，可見該離心泵的可靠性較高。根據設備可靠性指標的計算結果可對設備的日常管理提供指導，經過失效數據的積累，計算結果將更加準確，更能有效指導設備的可靠性分析、設備的安全管理和預防性維護等。

5 結 論

本文采用基于目標導向的方法確定了失效數據收集內容和流程，并結合我國石化企業現狀和國外標準等將失效模式標準化，建立了石化企業標準化設備失效模式和失效原因,并確定了石化企業動、靜、電氣、儀表4大設備種類為設備可靠性數據庫數據收集范圍，通過對失效數據進行分析，搭建了符合我國石化企業應用的失效數據庫平臺，最后以某石化企業為例，通過平臺導出的設備失效概率結果與國外數據庫結果進行對比，證明了平臺的數據收集與分析功能是可實現且有效的。該研究結果可為國內石化企業失效數據的有效利用和設備可靠性數據庫的建立與改進提供研究方向和參考。

雖然本文搭建的設備可靠性數據庫平臺實現了數據統計分析功能，但是為了更完善地指導石化企業的安全管理工作，后續可將數據庫連接企業DCS系統(Distributied Control System)，采集與分析實時數據，以便更好地指導石化企業設備的安全管理。