石化設備基于風險和狀態的檢驗與維修智能決策研究

肖井泉

（中海油惠州石化有限公司，廣東惠州 516086）

石化企業生產中，設備是不可或缺的基礎，為提高產能，要使設備始終保持良好的運行狀態。這一目標的實現，需要對設備進行有效的檢驗與維修，由此使得決策成為重中之重。隨著石化生產線上的設備種類和數量不斷增多，給檢驗與維修工作的開展增添一定的難度。為此，確保決策的有效性顯得尤為重要。可基于風險與狀態，構建石化設備檢驗與維修智能決策系統，依托系統開展決策工作，提高決策水平，降低設備的風險隱患，為安全生產提供保障。

1 石化設備風險與狀態分析

1.1 內漏風險

石化生產中，發生內漏的設備在外殼的保護下，并不會外泄，基本上不會引起事故，但內漏風險卻常常被低估。盡管設備內漏不會產生外泄的后果，可是內漏仍然具有一定的影響，可能引起的后果是內漏邊界層的兩側遭到介質腐蝕。當石化設備出現內漏問題后，利用監測技術能夠發現內漏。下面通過一則算例，分析石化設備內漏風險的計算過程。某石化企業的一臺煉油裝置，該設備服役年限為13a，由失效后果可知，換熱器殼程的壓力和腐蝕速率均高于管程，管束存在的內漏風險為管箱風險的變化量。經修正計算后，內漏風險比未修正前降低一個數量級，當前的風險等級在中風險范圍。

1.2 外泄風險

石化設備的風險控制結果主要受檢驗與維修活動的影響，所以要對每種維修模式進行有效的風險評價，否則可能會導致風險管控缺失。從實際應用情況看，缺乏一種較為有效的維修模式，該模式應具備如下特點：①設備處于運行狀態時，通過檢驗與適當的維修，能夠使設備始終保持正常運行，待達到維修期限后，再停車對設備進行全面檢驗和維修，這樣能夠減少不必要的停車時間，使停車造成的損失降至最低程度。②在該模式中，穿孔泄漏并不是設備的最終失效狀態，當設備泄漏由不確定因素引起時，可通過與該模式相關的模型對風險進行評估。當設備發生少量的泄漏時，不會引起失效的后果，故此可在運行中帶壓維修，并在達到維修周期后對設備進行全面維修。

2 基于風險和狀態的石化設備檢驗與維修智能決策方法

2.1 決策系統架構

按照石化生產的實際需求，依托石化設備損傷狀態監測體系，結合風險分析技術，以安全為目標，構建基于風險和狀態的檢驗與維修智能決策系統。系統的主要模塊如下。

2.1.1 數據輸入模塊

按決策要求，對工藝、設備、化驗以及監測等數據進行預處理后，輸入數據庫中，人為因素會對上述過程產生一定的影響，包括數據量不足、失效數據等。對此要增設審核模塊，對輸入的數據加以控制，降低偏差，確保數據準確性。與不同輸入數據相對應的管理結構如下：設備數據對應裝置和工藝環，工藝數據對應裝置和工藝介質，維修數據對應維修工藝和過程，失效數據對應失效機理與形式。工藝環是設備與管道組合而成的設備單元，二者聯合完成一項功能，設備或是管道失效，都會導致工藝環失效。

2.1.2 損傷分析模塊

損傷分析模塊以設備為單位展開全方位分析，按設備基本資料、維修記錄、檢驗結果等，得出設備的損傷程度，據此排序，確定出重點的檢測部位。依托損傷變量數據庫，輸出設備的損傷機理與類型，預計損傷速率，隨后將上述內容傳給風險分析模塊。

2.1.3 風險分析模塊

風險分析模塊能夠將設備的損傷情況轉換為潛在風險，使損傷變為安全問題，是對設備安全狀態的定量化分析，根據分析結果，優化檢驗與維修計劃。設備風險是否達標，主要受風險變化率和損傷狀態兩個因素的影響，所以在決策時，要使兩個因素相互配合，通過損傷機理、類型、速率等，決策檢驗技術及頻率，利用風險值，確定優先檢驗范圍。

2.2 決策過程

2.2.1 設備分類

決策以風險為基準，以確保安全為前提，風險低的設備，失效后產生的損失相對較小，所需投入的檢驗成本收益小，故此不宜投入過多的檢驗。低風險化工設備的特點體現在如下方面：介質無毒無害、不可燃；介質具有可燃性，但卻不具備燃燒條件；溫度在60℃以下；失效維修不會影響正常生產。低風險設備出現故障時，采用事后維修的方法，并不會造成超出預期的損失，換言之，損失較小，在可接受范圍內。而中風險設備在控制模型中允許存在，只要確認損傷與風險等級即可，判定狀態屬實后，不會對石化企業的生產安全帶來影響，便不需要監測設備的損傷趨勢。高風險設備會對生產安全造成影響，所以要基于風險控制與損傷監測，對此類石化設備進行檢驗和維修的決策分析。高風險設備并不是損壞到無法使用，必須立即更換，而是要進行損傷檢驗，在特定的條件下，檢驗結果具有較高的可靠度時，可將設備的風險等級降至中風險。

2.2.2 損傷監測與診斷

使用損傷監測與診斷的情況有以下幾種：①對中或高風險的石化設備進行損傷監測與診斷，以獲取損傷的發展趨勢，用與該趨勢相符的損傷速率，估算設備的風險等級；②當發現損傷狀態存在改變的可能性時，需要對設備進行損傷監測與診斷，據此確認損傷狀態；③在確認設備維修的風險集中因素時，依托損傷監測與診斷，能確認具體的影響因素。從上述情況可以看出，損傷監測與診斷，適用于有潛在危險的情況，由于監測與診斷過程需要使用大量的資源，導致成本增高。因此，要在隱患大的前提下使用，保證成本與效益成正比。

2.2.3 維修決策

在確認最終的維修計劃時，要對高風險設備進行風險因素分析，確定出具體的維修范圍，并評價維修產生的效益。以上環節要以損傷監測為基礎，風險因素分析就是損傷診斷過程，確定維修范圍時要對劃定的范圍開展損傷監測，評價維修效益是維修風險成本效益的確定。

2.3 設備檢驗決策

2.3.1 檢驗決策

腐蝕是引起石化設備損壞的重要原因之一，在石化生產過程中，腐蝕機理雖然較多，但設備損傷形式卻并不多，主要有減?。ň植炕蚓鶆颍?、裂紋、點蝕穿孔等。以上損傷形式中，點蝕多為瞬時發生，隨著時間的推移，發生率會大幅衰減，此類損傷具有較強的隨時性，基本上無任何規律可循。檢驗時，可以采用超聲掃描，發現點蝕必須及時維修；裂紋主要與應力有關，當石化設備出現裂紋后，需要停機維修，而停機會影響正常生產，為降低停機造成的損失，可對應力集中嚴重的部位進行超聲掃描。而減薄需要估算采樣數量。

2.3.2 損傷監測決策

當風險控制無法以定量控制作為前提時，便需要開展損傷監測決策，通過對損傷速率與發展趨勢的監測，以損傷狀態為判據，實現損傷監測決策。由于具體決策時，決策目標為設備的計算壁厚，故此要保證決策的安全性?；谶@一前提，應充分考慮各種影響因素，如工藝、生產計劃以及各種不確定和隨機因 素等。

2.4 維修決策

2.4.1 維修策略決策

石化設備的維修決策要以保障安全為基礎，以節約成本為目標，通過對維修資源的優化配置，完成維修任務。由基于風險的檢驗與維修相關理論可知，設備故障根除維修的占比為50%，預知與預防性維修的占比為42%，被動維修的占比為8%。靜、動設備的經濟損失來源不同，前者與停車時長有關，后者與維修費用有關。在實際生產中，檢驗與維修是減少靜設備停車最為有效的途徑之一，由此能夠使設備的安全性得到可靠保障?？梢?，靜設備的經濟性與安全性具有統一性的特點?；诖?，構建多目標優化模型的過程中，可將設備安全作為前提條件，對經濟指標全面優化。具體做法如下：從所有設備中，找出風險集中的設備，用于診斷確定風險集中的原因，通過維修解決問題，延長設備運行周期，優化經濟效益。

相關研究結果顯示，當風險發生變化時，會出現比較明顯的集中現象，具體體現在會向更高風險設備單元集中的趨勢，這種情況在某些工藝環節中較為常見。主要原因是損傷設備的失效概率增速明顯加快，風險的變化速度隨之加快。依托風險開展回歸分析時，可用回歸斜率表征設備缺陷，用回歸截距表征設備損傷的基本和變化特征，以此來區分不同環節存在的問題。

石化設備維修決策中，安全性是前提，在這一基礎上，增加可用度，即設備運行周期，將其作為維修決策的考量指標。石化設備的可用度與設備的可靠性及其增量密切相關。制定維修方案時，要充分考慮維修后設備所能達到的狀態，還要考慮可靠性的增量狀態。維修優化時，以工藝環作為決策單位，采用調整可靠度的方法，提高可用度，并在允許的范圍內，適當延長維修周期。在考慮維修成本的前提下，將設備當年運行產生的凈收益與承擔風險的差值作為優化指標。通過分析該指標發現，設備的構成要素為工藝環，設備的最佳運行周期與工藝環有關，所以在確定設備連續運行周期后，其中最短的時間跨度，就是最佳的維修方案。

例如，石化生產中的減壓轉油線，設備的基本參數如下：內徑為1 800mm、操作壓力與溫度分別為0.1MPa和382℃，入料支管的數量為4根，腐蝕入口出現局部減薄的現象，經現場測量得到如下厚度數值：7.48mm、4.04mm、5.73mm和6.60mm，最大的損傷速率為0.86mm/a。由生產實際情況可知，該設備24h不間斷運行所能創造出來的產值約為1 000萬元，產品的凈利潤為5%，設備運行時間為8 000h/a，每次非計劃停車的損失約為4 000萬元，維修費用在40萬元左右，定檢周期為3a/次。基于損傷監測狀況，采用包覆的方法，對該設備進行維修，需要停車7d，以最大損傷速率為依據，利用優化模型，可以計算出設備中最薄點位的情況。由計算結果可知，在備件充足的前提下，選擇正確的維修方法，能夠顯著縮短設備停車時間，收益大于安全風險，維修策略合理可行，能達到延長石化設備維修周期的效果。備件不足的情況下，停車時間會增加至20d，按照優化模型，次減薄點的最佳維修時間為5d。從中可以看出，維修方案會影響維修計劃。

2.4.2 定量評估

在制定石化設備維修策略時，可以工藝環作為基本單位，實踐表明，工藝環能發現短板問題，基于這一前提，設備維修前后的風險，可以通過最短板來衡量。當靜設備維修后，其風險狀態會發生改變。因此，評價維修效益時，可將風險狀態作為重點內容加以考慮。

2.4.3 維修設計優化

早期的石化設備在設計時，基本上都是以滿足生產使用條件為目標。隨著技術水平的不斷提升，使得設計目標發生改變?，F階段，設計石化設備要消除損傷引起的風險短板，這一目標的實現，應確保設備與損傷機理之間具有高度的匹配性。由于石化設備受腐蝕影響較為嚴重，所以將控制腐蝕及優化可靠度作為設計優化的主要依據，并基于風險構建設計模型。

石化設備設計中，選擇與腐蝕機理相匹配的材料，是較為簡單且有效的防腐措施。在防腐過程中，要對相關的影響因素全面分析，尤其是材料與腐蝕機理的匹配問題，從設計方面采取優化方法，避免匹配狀態遭到破壞，這個過程實質上是以風險控制為目標，對設備腐蝕進行控制設計。通過選擇最為合理的工藝，并設定工藝參數，使石化設備的腐蝕問題能夠得到主動控制，采取有效的防腐措施處理腐蝕，由此能夠降低設備的防腐成本，并在運行期間能夠主動應對腐蝕問題?；陲L險的腐蝕控制設計過程如下：先全面分析工藝風險，明確風險增量，隨后選擇適宜的工藝流程，制定設計方案，構建防腐工藝控制系統，引入損傷監測和風險報警。

石化生產過程中，設備管道緊密相連，一旦某個設備出現問題，便會影響生產，進而造成一定的損失。換言之，引起停產損失的關鍵因素是風險集中的設備。當關聯設備能夠平攤風險時，或是在設備達到維修周期時，風險均達到決策閾值，會使設備的維修頻率獲得有效控制，并且還能簡化維修決策。大型石化設備的運行環境較為特殊，除了設備本身要有足夠高的安全系數外，還應當有較長的使用壽命，實際設計時，是按整套設備設計使用年限。同時，設備工藝環具有不同的特點，各類設備的腐蝕機理存在一定的差異，在這一前提下，很難實現整個設備單元的風險設計。大量實踐表明，管道和小型設備發生事故的概率要高于大型設備?；诖耍稍陲L險設計中，以工藝環作為主要目標，針對風險和損傷狀態，在滿足工藝要求前提下，使設備達到風險均衡，以此來提高可用度和可維修性。

3 結束語

石化生產中，保證設備安全、穩定、高效、可靠運行尤為重要，這是提高產能，獲取更多效益的關鍵之所在。為實現這一目標，可基于風險與狀態，構建檢驗與維修智能決策系統，依托該系統開展檢驗與維修工作，在提高維修有效性的基礎上，降低維修成本，減少設備的故障率，延長使用壽命。