基于風險的靜設備分級與檢維修管理方法

王 波，張文澤，解志剛

(中國石油獨山子石化分公司研究院，新疆 獨山子 833699)

在我國的石化企業設備檢驗和維修策略發展的歷程中，經歷了由被動在發生事故、停工后的維修到主動按照計劃進行維修等多個階段，已經在保證設備安全運行和降低企業運行成本方面取得了很大進步。

目前，我國石化企業在編制檢驗維修策略時主要參考歷年的檢維修經驗，從最低限度的安全程度出發，很少考慮檢維修經濟性、設備的安全性分析以及相關設備之間存在的可能失效風險等因素。在實踐中，檢驗和維修的次數和有效性與設備維修的風險不符合，濫用檢驗和維修資源，大部分檢驗維修過度，另一部分檢驗維修又不足的問題突出，盲目性和經驗性突出[1]。

國內石化企業靜設備(壓力容器、管道和安全閥)的檢驗和維護策略通常以主觀經驗制定，因此導致策略不客觀不科學。這樣的檢驗和維護策略的特點是計劃性強、預防風險發生為主、針對性不明確和維護過度或不足。在這樣的策略中重要性劃分和檢修方式通常只考慮失效后果的影響，而不考慮或很少考慮失效概率的影響。最終導致石化企業計劃外停機仍然頻繁發生，各種風險無法有效控制。

近些年，基于風險的資產管理研究方法引入到石油化工和煤化工企業的設備資源管理工作，石油化工和煤化工裝置開展動態定量風險評估已成為裝置設備管理、工藝過程控制的前進方向。基于風險的檢驗(以下簡稱RBI)技術迅速發展與完善，美國SPE、德國巴斯夫等著名的石化企業均采用RBI技術對靜設備進行風險控制。風險控制技術的發展趨勢也從預防性檢維修進入了動態定性及定量風險評估階段，相應的風險控制措施也從以前的以標準合規性檢查過渡到基于風險的資產管理方法。

傳統的RBI技術在石化裝置評估風險時是有較大局限性的[2]。這是因為它僅僅考慮了壓力容器與存儲、反應介質之間的影響關系，幾乎沒有考慮轉動設備對靜設備的作用，更沒有將儀表聯鎖系統的可靠性進行評估。在傳統的RBI技術分析中存在著缺陷，主要體現在對于復雜服役條件下，設備可能發生的退化機理沒有考慮，同時沒有進行壽命預測與風險評估；也沒有考慮設備在生命周期里的經濟、技術狀況以及運行狀態的變化，更是忽略了加工處理原料是否存在變化、操作工藝條件的波動等因素對設備風險的影響。因此以傳統RBI技術分析出的風險情況編制實施的維修策略針對性不強。

本文通過靜設備風險評價工作的動態化管理，建立靜設備的分級技術方案，指導靜設備基于風險的檢維修策略制定。降低靜設備運行和管理風險，減少不安全隱患，合理利用檢驗資源，緩解裝置大修期間停工時間與檢驗工作任務之間的矛盾。

1 基于風險的靜設備分級與檢維修管理方法

依據基于風險的靜設備分級與檢維修方法的實施流程，主要分為3個步驟：首先，通過收集靜設備的基礎資料數據，建立RBI分析數據庫，計算靜設備風險值，通過計算機軟件接口，讀入靜設備的運行、工藝、腐蝕和故障/缺陷數據，修正靜設備的風險值，以獲得設備的動態風險；其次，依據靜設備的動態風險結果，進行風險分級；最后，基于風險等級制定檢維修策略(見圖1)[3]。

圖1 基于風險的靜設備分級與檢維修方法實施流程

2 靜設備動態風險評價方法

動態屬性是在役承壓設備的重要特征，承壓設備從投用開始受裝置的運行情況和工藝執行情況的影響，同時還受加工處理原料和工藝條件變化的影響。傳統RBI技術開創性地量化了風險，并以此為依據編制檢驗計劃，為風險控制和管理奠定基礎，但在評估過程中，RBI計算中使用的設備介質、運行壓力、運行溫度等參數在設計中給出，為固定值。在實踐中，上述因素都在發生變化，所以傳統的RBI技術不符合實際情況。

失效可能性和后果決定了設備的風險。失效后果在設備的設計階段確定，主要的影響因素有介質、工作溫度和壓力等，這些影響因素基本不會發生變化。失效可能性存在不確定和隨機性。這是因為設備材料會受到操作條件和設備管理水平影響導致壽命和有效性的改變。這就是設備風險難以確定的一個重要原因。因此，設備應該進行動態風險管理，其突破口就是研究設計出設備失效可能性的動態數據計算方法。

2.1 動態風險評價方法影響因素分析

標準GB/T 26610.4《承壓設備系統基于風險的檢驗實施導則 第4部分：失效可能性定量分析方法》中，設備失效概率F的定量計算式為：

F=FG×FE×FM×FL

(1)

式中，FG為同類設備平均失效概率；FE為設備修正系數；FM為管理系統評價系數；FL為超標缺陷影響系數。

FG根據被評價設備的類型，為一固定值；FM對于一個企業而言，設備管理系統相對穩定，也近似于一固定值。FL的影響因素主要有兩點，分別是設備制造質量和設備材料在服役期間隨著時間的推移是否存在退化機理。設備修正系數FE由4個因子組成(技術管理模塊因子、通用條件影響因子、機械因子和工藝因子)。

綜上所述，在上述4個失效概率的關鍵參數中，超標缺陷影響系數FL和設備修正系數FE同設備的實際運行工況關聯有關。因此，設備修正系數FE和超標缺陷影響系數FL確定設備的動態風險[4]。

2.1.1 設備修正系數FE

FE的4個因子中，通用條件影響因子、機械因子和工藝因子基本確定，而技術管理模塊因子是需要研究和分析確定的。技術管理模塊因子的作用在于評估特定的失效機理，進而評價失效概率的變化。通過對技術管理模塊因子的確定，可以篩選出設備運行過程中的故障機理，建立故障速率，并可以定量地確定檢驗程序的有效性[5]。一個設備技術管理模塊因子的確定過程也就是該設備損傷模式的識別過程，同時是設備RBI分析計算的基礎，也是整個RBI分析的核心。因此，動態風險評價方法應重點考慮設備修正系數FE中的技術管理模塊因子，并引入風險計算中。

2.1.2 超標缺陷影響系數FL

FL根據設備的原始制造質量和使用過程中與時間相關的退化機理確定。這是因為根據缺陷的“活性”主要分為兩類：一類是“活”缺陷，此類缺陷隨著設備服役時間的延遲會隨著時間的演化而發生改變，發展導致設備材料的使用性能退化；另一類是“死”缺陷，不會隨時間而變。傳統靜態RBI評估中，是在某一評估時間點下進行，因此并不考慮第一類“活”缺陷。在設備的動態風險計算中，需要考慮缺陷情況的影響。通過分析，動態風險評價方法影響因素見表1。

表1 動態風險評價方法影響因素

2.2 靜設備動態風險計算方法

靜設備動態風險的計算可以通過如下2種方式實現。

1)依據設備的基礎資料(設計資料、工藝資料和檢驗數據)計算設備的風險值，然后通過數據監控獲取設備的運行數據、工藝數據、腐蝕數據和缺陷數據，對設備風險值進行修正，該過程可以按照設定的頻率不斷更新設備的風險值，實現風險的動態計算。

2)以設計資料和檢驗數據為基礎，依據設備當前的實時數據(包括設備的運行、工藝、腐蝕和缺陷數據)不斷地計算設備的風險值，并按照一定的頻率進行更新，實現風險的動態計算。

比較上述2種方法可以看出，當設備數量較少時，上述2種方法并無明顯區別；當設備數量較多時，第1種方法的計算時間和穩定性明顯要優于第2種方法。尤其是對于成套裝置而言，容器和管道數量數以千計，數據量巨大，采取第1種方法的優勢明顯突出。因此，應采取第1種方法計算設備的動態風險(見圖2)。

圖2 靜設備動態風險計算流程

利用計算機技術，通過信息網絡端口從裝置直接獲取設備數據，實現設備動態風險的計算。動態風險計算流程如圖2所示，基于WIN10系統下的ASP.NET環境下開發，使用游覽器/服務器架構開發軟件[6]，運用C程序設計語言，以Miicrosoft SQL Server作為數據庫平臺，利用Microsoft.NET Framework4.0[7]為運行框架，依托開發計算機網絡端口，可以及時把相關波動的參數值引入設備風險評價系統，計算設備的風險值，以實現設備風險值的實時動態跟蹤。

3 基于風險的靜設備分級技術

基于風險的靜設備分級方法是制定壓力容器和工業管道檢驗策略的基礎[8]。該方法需要獲取設備評價單元的數據、檢驗數據等4個關鍵參數，從風險發生的可能性和后果等2個方面分析，綜合計算出各設備的風險等級。最后，根據靜設備風險水平的高低，參照一定規則，進行分級管理，根據不同風險等級的設備制定出具有針對性的檢驗策略。

基于靜設備分級的檢維修策略可以實現如下目標。

1)科學配置檢驗資源，使其與設備檢驗周期相協調。這樣就可以降低形成不安全隱患的幾率；避免非計劃的停工、提前檢驗或延期管理的情況發生。

2)目前，國內的石化企業不斷延長停工檢修的周期，普遍已經達到4～5年一停工大檢修的水平。基于靜設備分級的檢維修策略可以在短暫的大檢修停工時間里，提前估計檢維修資源的需求量，合理配置檢維修資源，在有限的時間內高效率地完成檢驗工作。

3)可以進行目的性很強的物資采購計劃和庫存準備，達到快速高效地對存在問題的設備進行檢維修或更換。

3.1 基于風險的靜設備分級原則的確定

基于風險對設備進行分級時，應首先確定風險可接受水平。風險可接受水平考慮3個方面：1)應滿足標準GB/T 26610.1《承壓設備系統基于風險的檢驗實施導則 第1部分：基本要求和實施程序》的規定要求；2)根據使用單位的自身實際情況確定；3)從社會層面考慮人員環境安全的基本要求以及使用單位的社會責任。

通過RBI中基于設備風險結果確定檢驗周期的一般原則，可以看出不同風險等級的設備分布情況[9]，具體如下。

1)將風險等級為“高”和“中高”，同時失效可能性等級大于3的設備檢驗周期規定為2～3年，此類設備占4%。

2)風險等級為“中”且失效可能性等級大于3，或風險為“高”且失效可能性等級為3的設備檢驗周期一般定為6年，這兩類設備約占總數的17%。值得注意的是，這些設備應在檢驗周期內再增加一次在線檢驗。

3)失效可能性等級為3且風險等級為“低”，或失效可能性等級不大于3，風險為“中”和“中高”，或失效可能性等級不大于2的“高”風險設備檢驗周期一般定為6年，這類設備約占總數的68%。

4)風險等級為“低”或“中”且失效可能性等級小于3的設備檢驗周期一般定為適當延長為7～9年，并在檢驗周期內增加一次在線檢驗，這類設備約占總數的11%。

綜上所述，按照設備風險分布情況，從風險結果和失效可能性考慮檢維修策略的制定，初步將設備等級劃分為3個級別。依據風險計算結果，將設備劃分為“A級”“B級”和“C級”共3個等級，具體對照關系見表2。

表2 基于風險的靜設備等級劃分

3.2 基于設備風險分級的檢維修等級確定方法

按照靜設備的風險等級，確定相應的檢維修等級。由于本文主要討論的對象為靜設備，因此，設備檢維修偏重于檢驗。對不同風險等級的設備，參照標準GB/T 26610.2《承壓設備系統基于風險的檢驗實施導則 第2部分：基于風險的檢驗策略》的要求，依據其損傷模式以及與該損傷模式相對應的檢驗方法及檢驗有效性級別，確定檢驗等級，將檢驗等級劃分為3級。檢驗等級與設備風險等級是相互對應的，本文以壓力容器、管道為例，檢驗等級和設備風險對照關系參見表3。

表3 壓力容器和管道檢驗等級對照

檢驗有效性分為5個級別[10]，高度有效、中高度有效、中度有效、低度有效和無效，確定檢驗有效性時應考慮下列因素的影響：檢驗檢測方法及頻次、設備整體及零部件的結構類型、損傷模式及失效模式、破壞速率、材料與介質的敏感性、受檢區域的可檢程度等。各種檢測方法對應的檢驗有效性級別分別見表4和表5。表4和表5中，1為高度有效；2為中高度有效；3為中度有效；X為低度有效或無效。

表4 停工狀態下檢測方法及有效性

表5 在線檢測方法及有效性

3.3 基于風險的靜設備維修方法

根據設備的風險等級，可以制定設備的檢驗檢測方案，但僅以風險等級作為確定設備檢修等級的因素是不全面的。

確定設備的風險等級時，A級設備包含2種情況：一是高失效后果等級、低失效可能性的設備；二是低失效后果等級、高失效可能性的設備。對于這2種設備，在分析確定檢修等級及檢驗方法時，不能僅僅依據風險值，應將失效可能性和失效后果等級分開考慮(見圖3)。

對于失效可能性高的設備，可以選擇更高有效性的檢驗方法，以降低設備的風險值，減少潛在的安全隱患。RBI中設備失效可能性的計算主要是根據設備失效機理(如減薄、應力腐蝕開裂、高溫侵蝕、脆性斷裂等)，針對這些設備的失效機理，選用高等級有效性的檢測方法實施檢驗，可以通過降低相應的失效模式發生的可能性，從而達到降低設備的失效可能性。因此，針對失效可能性較高、失效后果較低的設備，在企業進行日常管理、維護和檢驗中，可以通過調整檢驗方法的途徑，降低設備的風險值。

圖3 設備降險措施，減緩后果

對于失效后果高的設備，應結合現行企業管理制度，通過加強巡檢、制定應急預案、設置減緩措施等方式來降低設備的風險值和安全隱患。目前，國內大多數石化企業壓力容器、工業管道和安全閥等靜設備的檢維修，其重要性劃分和檢維修策略一般只考慮失效后果的影響，檢維修策略以標準符合性檢查為主。因此，對于設備維護水平和策略，應以企業管理體系為基礎，減少設備故障的后果，制定相應的風險措施。

4 結語

本文通過分析影響靜設備風險變化的因素，確定主因并給出了設備動態風險計算及更新的方法。以成套裝置為例，根據設備風險等級的分布比例，建立了基于風險的靜態設備3級分類方法，為制定設備檢維修策略提供基礎。

設備檢維修策略包含檢驗和維修兩個部分，通過本文方法的長期化應用，可以形成適合與裝置長周期運行管理相適應的靜設備檢驗周期和管理策略，降低靜設備的管理風險，減少安全隱患，解決裝置大修期間停工時間與檢驗工作任務之間的矛盾，產生良好的經濟效益。