RCM 在LNG 接收站應用分析

呂肖

（國家管網集團海南天然氣有限公司，海南海口 578101）

0 引言

RCM 是Reliability Centered Maintenance 的簡稱，即以可靠性為中心的維修，它是目前國際上通用的、用以確定設（裝）備預防性維修需求、優化維修制度的一種系統工程方法。

RCM 的基本思路是：對系統/設備進行功能與故障分析，明確系統內各部件故障后果；用規范化的邏輯決斷程序，確定各種故障后果的預防性維修對策；通過現場故障數據統計分析、專家評估、定量化建模等手段在保證安全性和完好性的前提下，以最小的維修停機損失和最小的維修資源消耗為目標，優化系統的維修策略[1-2]。

1 LNG 接收站設備維修現狀分析

LNG（Liquefied Natural Gas，液化天然氣）接收站是由眾多設備組成的一個有機整體，通過設備的相互協作，將海上運輸來的LNG 通過一定的工藝流程存儲在LNG 儲罐并外輸至下游用戶。按照系統劃分原則可將LNG 接收站劃分為卸料系統、儲存系統、BOG（Boil Off Gas，LNG 蒸發氣）處理系統、外輸系統、氮氣系統、海水系統、生產水和生活水系統等12 個生產及輔助系統，主要包括快速脫纜鉤、登船梯、卸料臂、LNG 儲罐、低壓泵、高壓泵、海水泵等設備。

目前，LNG 接收站設備維修管理模式多數采用故障性（事后）維修與計劃性（預防）維修相結合的傳統設備維修管理模式。故障性維修多數采用設備故障閉環管理模式[3]，通過人員巡檢管理，并結合設備運行狀態監測設備（振動監測系統）、油品檢測等手段，及時發現設備運行過程中的故障與隱患，對設備進行故障性維修。計劃性維修主要參照設備技術文件，按照推薦周期對設備進行維修、維護，主要存在以下問題：

（1）LNG 接收站設備需滿足天然氣供應的連續性要求[4]，導致該維修的項目沒有及時處理、小故障轉變成大故障，最終不得不采用故障維修，導致維修成本升高、設備可靠性降低。

（2）對各類備件消耗規律掌握不準，存在急需的備件不到位、不常用備件占庫存的問題。而且維修過程中有可能拆裝了一些可正常工作的部件，不僅增加了維修工作量，也延長了維修停機時間。

（3）因設備運行狀況、使用環境與設備設計使用條件存在差異，設備故障特性與設計屬性不一致，盲目按照廠家技術文件進行周期性維修，會產生維修不足與維修過剩的問題。

（4）由于備件供應質量、設備本身缺陷、維修條件限制等原因，形成設備越修越壞、越壞越修的惡性循環，嚴重降低設備的可靠性。

2 RCM 原理及實施過程

RCM 以系統功能與故障分析為基礎，在明確系統故障、故障后果及故障嚴重程度的前提下，采用設備故障數據統計、專家評估、定量化建模等手段，應用邏輯決策方法做出有針對性的維修決策，保持和恢復設備的可靠性，使設備管理和維修更具科學性[5]。不同維修方法的特點見表1，其中，FTA 為Fault Tree Analysis的縮寫，即故障樹分析法；FMEA 為Failure Mode and Effect Analysis 的縮寫，即故障模式及影響分析。

表1 不同維修方法的特點

通過FMEA 對設備的故障進行分析，列出所有的功能及其故障模式和后果，并對故障影響進行分類評估，然后根據后果的嚴重程度，對故障模式做出維修決策（圖1）。

圖1 RCM 邏輯決斷流程

2.1 確定RCM 分析所需的信息

為滿足分析要求，進行RCM 分析時需提供下列信息：①設備數據，即設備分類、功能、運轉情況、環境因素、技術特征參數等；②設備的故障信息，如設備故障模式、原因、影響和后果、頻率、故障依據、檢測方法等；③設備維修信息，如人員配置、備品配件、維修時長、維修種類、工器具等；④費用成本信息，如維修費、備件成本、措施費等；⑤設備狀態監測數據，如設備運行數據、狀態監測數據等[6]。

2.2 RCM 分析實施過程

2.2.1 確定重要功能產品

FSI（重要功能產品）是指發生故障后會影響設備使用性、安全性或造成重大經濟損失的產品。這些部件可以是系統、子系統、部件或零件等，一般情況下指分系統、零件。將設備按照復雜程度依次列出所有部件，重點分析發生故障后會嚴重影響設備功能的部件，形成“結構樹”。

2.2.2 故障模式及影響分析

FMEA（故障模式及影響分析）主要用于分析重要產品的功能、故障模式以及導致功能故障的原因和影響。

（1）主要要求：①只對最底層次重要功能產品進行分析；②針對每一項重要功能產品進行分析，對其功能、故障原因、故障過程、故障模式及其影響進行描述；③根據各重要功能產品的功能對每個故障模式進行評價，分析故障原因；④長時間未采取防護措施且從未發生過故障的功能產品不進行分析。

（2）可以達到以下目的：①找出設備運行中潛在的故障及影響后果；②確定故障發生的頻率及降低故障發生頻率的方法；③分析得出影響設備安全、穩定、長期運行的關鍵故障模式；④分析出潛在故障發生的機理及預防、解決方法。

2.2.3 RCM 邏輯決斷

針對功能產品的故障原因，按照RCM 邏輯決斷圖[5，7]進行分析，制定針對該故障原因的維修策略。各功能產品的維修策略可參考以下數據：①設備技術資料；②同行業類似設備的相似數據；③設備故障統計數據；④技術專家的分析判斷；⑤重要功能產品維修策略建模和定量分析結果。

2.2.4 制定維修策略

為提高維修工作的作業效率，通常把維修周期不同的維修項目組合在一起，組合項目時應以預定的周期為基準，盡量采用預定的周期。為方便管理，一般采用日、周、月、季、年的維修周期，把各項預防性維修工作列入相鄰的維修周期，同時結合設備維修成本模型分析結果，綜合制定設備維修策略[8]。

3 基于RCM 的維修評價指標及維修成本模型[9-10]

制定設備維修策略的基本原則是：在滿足運行可用度的要求下，使綜合維修成本最低，實現設備維修的最優化，使用設備可用度、綜合維修成本等指標來評價維修策略的優劣。

3.1 設備RCM 故障分析模型

可用度（A）是指設備長期運行后，設備處于正常狀態所占的時間比例，即：

其中，MTTF（Mean Time To Failure，平均正常運行時間）為設備平均故障時間間隔，指設備無故障運行的平均時間；MTTR（Mean Time To Repair，平均恢復時間）指設備從發生故障到維修結束恢復其功能的平均時間。因此，MTTF=

一般情況下，設備的故障率符合指數分布規律，即：

則設備可靠度為：

式中 F（t）——設備故障率分布函數

t——設備運行時間

因此，可確定設備的維修周期T=-lnR（t）×MTTF。

3.2 設備維修成本分析

設備維修成本主要包含設備故障維修成本、設備停機損失等部分，可表示為：

設Td為設備運行期間累計故障時間，Tmax為設備累計運行時間。當已知設備的可用度及部件的故障率時，有：

維修周期T 的確定是制定維修計劃的關鍵：T 過短，表示維修過于頻繁，造成維修成本增加；T 過長，表示維修不足，設備故障率上升，將導致維修成本增加、設備可用度降低。

實施RCM 的最終目的在于在滿足設備可用度的前提下優化設備維修周期，使得綜合維修成本最低。

4 基于RCM 的應用實例

卸料臂是接收站核心設備之一，LNG 接收站一般配置4 條卸料臂，即3 條液相臂、1 條氣體返回臂，實現LNG 的輸送與BOG 的反輸功能。表2 為卸料臂的主要技術參數，其中1 bar=0.1 MPa、1 in=25.4 mm。

表2 卸料臂主要技術參數

4.1 確定卸料臂主要功能產品

卸料臂主要有內臂、外臂、液壓系統、緊急脫離系統、控制系統等部分組成，卸料臂通過液壓系統操作，使內、外臂旋轉，將船上LNG 輸出管線與碼頭卸料管線連接起來，卸料臂安裝有緊急脫離（ERC）系統和控制系統，在緊急情況下LNG船舶能快速安全地與卸料臂脫離（表3）。

表3 卸料臂主要功能產品

4.2 卸料臂故障統計分析

海南LNG 卸料臂于2014 年8 月投入使用，按照技術文件推薦的維護方式與維護周期，該設備投入運行后5 年內的故障模式影響分析統計見表4。

表4 卸料臂FMEC 分析表

4.3 卸料臂RCM 決斷

經統計，該設備在運行的43 800 h 內共發生11 次停產故障，累計維修時間809 h，設備平均故障時間為3982 h，由式（1）可知該設備可用度為98.2%。若將設備的可靠度設置為80%，則由式（5）可確定維修周期為889 h。

4.4 卸料臂維修策略

根據表2 數據，統計卸料臂不同功能產品故障頻次及平均周期（表5）。

表5 卸料臂功能產品故障次數與平均故障周期

結合設備廠家資料與實際維修經驗，可認為遙控器、旋轉接頭、密封墊圈為偶然故障，在制定維修策略時不予考慮，可制定以下維修方案：

（1）方案1：按照廠家技術資料推薦維修方式，對卸料臂進行維修。

（2）方案2：按照卸料臂RCM 決斷，每889 h（37 d）對該設備進行全面維修。

（3）方案3：在廠家技術資料推薦維修方式的基礎上，按照卸料臂RCM 決斷，結合故障頻次與平均周期分析結果，對功能產品進行RCM 決斷，采用月、季、年的維修周期對卸料臂進行維修，在廠家技術資料推薦維修方式的基礎上增加表6的維修內容。

表6 方案3 卸料臂維修周期及維修成本

結合式（6），以3 年為周期，各維修策略對應的維修成本分析見表7。

表7 不同維修策略的綜合維修成本 萬元

由上述分析可知，方案1 綜合維修成本為227.03 萬元，設備故障產生的維修成本過高，存在維修不足的問題；方案3 綜合維修成本為276.12 萬元，均為預防性維修產生的成本，存在維修過剩的問題；方案2 最為合理，且綜合維修成本最低。

4.5 應用實例分析

2017—2020 年海南LNG 接收站采用方案2 對卸料臂進行維修，期間發生偶發性設備故障1 次，維修時長74 h，由式（1）可知該設備可用度為99.7%，較使用RCM 前提高1.5%，綜合維修成本降低了70.4%。

5 結論與建議

（1）RCM 是一種現代化設備管理模式，通過系統性、多層次分析設備故障規律，綜合制定設備維修策略，克服了“多維修、多保養”和“故障后再維修”的傳統維修弊端，使維修工作更具有科學性。

（2）應用RCM 可供維修部門制定、執行維修作業計劃，完備的RCM 分析記錄可為設備維修提供詳實的歷史數據，為優化人員配置、建立備品配件安全庫存、統籌生產與檢修之間的時間安排提供數據支持。

（3）本文建立的RCM 故障分析、設備維修成本分析模型，經實際驗證，可有效用于綜合分析、制定維修策略，降低維修成本，為RCM實施提供了可行途徑。

（4）隨著LNG 接收站自動化程度的不斷提高，設備維修所占的地位也日益重要，故障控制與預防性維修已成為LNG 接收站設備管理過程中的關鍵，應用RCM 對保證LNG 接收站設備安全運行、防止重大事故發生具有重大意義。