失效模式及后果分析在芳烴裝置產(chǎn)品質(zhì)量管理上的應(yīng)用

黃少鈞

(中國(guó)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(xué)工業(yè)的基礎(chǔ)原料，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及人民生活水平的改善起著重要作用，同時(shí)芳烴裝置的產(chǎn)品對(duì)二甲苯(PX)的產(chǎn)能水平也是我國(guó)石油化工發(fā)展水平的標(biāo)志之一，因此芳烴裝置的生產(chǎn)，對(duì)我國(guó)化學(xué)工業(yè)的健康發(fā)展具有重要意義[1]。芳烴裝置的產(chǎn)品在生產(chǎn)過(guò)程中使用的裝備和輔料都具有易燃易爆的風(fēng)險(xiǎn)，且裝置的規(guī)模越大，其設(shè)備復(fù)雜程度也就越高，大型化設(shè)備的調(diào)試工作更加復(fù)雜[2]。芳烴裝置產(chǎn)品PX的生產(chǎn)是十分復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)及化學(xué)分離過(guò)程，需要的工序較多，上游工序的非計(jì)劃停工對(duì)芳烴的生產(chǎn)工序產(chǎn)生影響，會(huì)造成芳烴裝置產(chǎn)品質(zhì)量的波動(dòng)。因此，做好芳烴裝置的質(zhì)量管理工作尤為關(guān)鍵。

1 FMEA概述

潛在失效模式及后果分析(FMEA)是一種預(yù)防設(shè)備運(yùn)行失效的技術(shù)，組織人員尋找設(shè)備故障的來(lái)源和可能的失效模式，并制定相應(yīng)的預(yù)防措施來(lái)提高設(shè)備的質(zhì)量與可靠性[3-4]。隨著FMEA在工程技術(shù)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，F(xiàn)MEA在專業(yè)上的分類也越來(lái)越多。

文章研究的產(chǎn)品PX側(cè)重于生產(chǎn)過(guò)程，故主要研究過(guò)程潛在失效模式及后果分析(Process FMEA，PFMEA)的相關(guān)內(nèi)容。采用的是定性與定量相結(jié)合的方法，識(shí)別在生產(chǎn)過(guò)程中每一個(gè)設(shè)備可能的失效模式，根據(jù)小組討論定義嚴(yán)重度(S)、發(fā)生度(O)和探測(cè)度(D)，評(píng)價(jià)各失效因子對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響[5-6]。S、O和D的連乘積成為風(fēng)險(xiǎn)順序數(shù)RPN(RPN=S×O×D)，RPN數(shù)值的大小，表示該失效模式的風(fēng)險(xiǎn)大小。通過(guò)小組討論制定的降低失效風(fēng)險(xiǎn)的措施在分析表中也會(huì)得到體現(xiàn)。

由于生產(chǎn)裝置的運(yùn)行可能隨著時(shí)間的推移對(duì)裝置的吸附劑和設(shè)備造成損耗，故產(chǎn)品PX的質(zhì)量可能隨著時(shí)間的推移存在下降的趨勢(shì)，而FMEA是一個(gè)持續(xù)改進(jìn)的工具，因此芳烴裝置產(chǎn)品PX質(zhì)量的FMEA分析時(shí)間跨度為每?jī)纱蜗敝g的運(yùn)行時(shí)間。

2 產(chǎn)品PX質(zhì)量FMEA分析表的構(gòu)建

文章主要論述產(chǎn)品PX質(zhì)量FMEA表的構(gòu)建，包含以下內(nèi)容。

(1)系統(tǒng)名稱：用于框定設(shè)備FMEA分析范圍。

(2)潛在失效：①描述，失效描述是對(duì)系統(tǒng)中可能影響產(chǎn)品質(zhì)量的設(shè)備出現(xiàn)的異?，F(xiàn)象的描述；②后果，一旦設(shè)備出現(xiàn)該異常情況對(duì)芳烴裝置生產(chǎn)運(yùn)行或產(chǎn)品質(zhì)量的影響；③失效原因，是指造成設(shè)備失效的根原因。

(3)目前狀態(tài)：①控制措施，填入避免失效情況發(fā)生的控制措施；②發(fā)生度；③嚴(yán)重度；④探測(cè)度；⑤風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)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(yīng)措施，該措施可通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化清單形式組織落實(shí)。通過(guò)該措施可直接指導(dǎo)班組或相關(guān)人員進(jìn)行實(shí)施，具有可執(zhí)行、可檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)。

(5)改進(jìn)后狀態(tài)：①根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況可采取的整改措施；②發(fā)生度、嚴(yán)重度和可探測(cè)度；③風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先值。

(6)構(gòu)建產(chǎn)品PX的FMEA分析表。

3 產(chǎn)品PX質(zhì)量評(píng)估指標(biāo)

FMEA小組分析評(píng)價(jià)得出的S、O、D以及計(jì)算出的RPN值是FMEA失效模式分析最重要的評(píng)估指標(biāo)和依據(jù)。對(duì)于S、O、D這3個(gè)指標(biāo)，文章采取的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)是1～10的評(píng)分準(zhǔn)則。根據(jù)其嚴(yán)重后果對(duì)應(yīng)相應(yīng)的分值如表1所示。

發(fā)生頻率經(jīng)過(guò)FMEA小組的研究探討，決定根據(jù)近十年的芳烴裝置中出現(xiàn)的次數(shù)進(jìn)行計(jì)算，發(fā)生頻率以及對(duì)應(yīng)的分值如表2所示。

表2 發(fā)生度O標(biāo)準(zhǔn)

探測(cè)度D表示評(píng)價(jià)可能發(fā)生的失效模式可探測(cè)發(fā)現(xiàn)的能力。經(jīng)過(guò)FMEA小組討論，將探測(cè)度、探測(cè)手段和探測(cè)可能性結(jié)合對(duì)失效模式進(jìn)行評(píng)級(jí)，結(jié)果如表3所示。

RPN是FMEA最重要的一個(gè)指標(biāo)，RPN的數(shù)值越低，則失效概率較低。

RPN界值Y的計(jì)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(jù)企業(yè)的FMEA探索經(jīng)驗(yàn)可得，在置信度為0.95的情況下，計(jì)算出最大的失效模式評(píng)分1 000分，乘以置信因子后，相減得到50。故在FMEA中RPN的計(jì)算值不小于50的失效模式以及失效描述應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)控，并采取措施進(jìn)行改善。

表3 探測(cè)度D標(biāo)準(zhǔn)

4 產(chǎn)品PX質(zhì)量FMEA表

產(chǎn)品的質(zhì)量情況與產(chǎn)品所在系統(tǒng)密切相關(guān)，故分析產(chǎn)品PX的工藝流程是失效模式分析的基礎(chǔ)，在進(jìn)行失效模式分析之前需要對(duì)產(chǎn)品PX的系統(tǒng)工藝流程進(jìn)行功能結(jié)構(gòu)劃分，明確各工藝流程的關(guān)鍵設(shè)備或流程是否在工作中存在失效的可能性。

芳烴聯(lián)合裝置共有近600臺(tái)大型設(shè)備，因吸附分離裝置是直接產(chǎn)出產(chǎn)品PX的一套裝置，且吸附塔系統(tǒng)又是吸附分離單元中的核心系統(tǒng)，運(yùn)行情況直接影響產(chǎn)品PX的質(zhì)量，故此次FMEA分析主要就吸附分離裝置的吸附塔系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)分析，其生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。泵送循環(huán)將物料由吸附塔B底部送至吸附塔A頂部，由系統(tǒng)計(jì)算流量進(jìn)行控制，而壓送循環(huán)將物料由吸附塔A底部送至吸附塔B頂部，根據(jù)吸附塔A塔底壓力值進(jìn)行控制，通過(guò)泵送和壓送循環(huán)將吸附塔構(gòu)建成一個(gè)整體。吸附塔A、B兩塔壓力均通過(guò)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行控制，同時(shí)吸附分離過(guò)程需要在一定的溫度和壓力范圍下純液相進(jìn)行。吸附塔是吸附分離系統(tǒng)的核心設(shè)備，其中裝填著昂貴的吸附劑，可以選擇性地吸附產(chǎn)品PX，之后通過(guò)解吸劑將其置換出來(lái)，然后送入后續(xù)的精餾系統(tǒng)進(jìn)行分離得到產(chǎn)品PX。

圖1 吸附塔系統(tǒng)工藝流程

4.1 安全閥的失效風(fēng)險(xiǎn)控制

吸附塔安全閥是吸附塔的安全設(shè)備之一，當(dāng)吸附塔內(nèi)壓力高于其設(shè)定值1.6 MPa時(shí)，會(huì)自動(dòng)開(kāi)啟，通過(guò)管道將吸附塔內(nèi)物料排放至抽余液塔，向系統(tǒng)外排放物料來(lái)降低吸附塔內(nèi)壓力，防止吸附塔內(nèi)壓力過(guò)高而導(dǎo)致吸附塔內(nèi)件的損壞。

安全閥內(nèi)漏將導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量下降，但不一定會(huì)影響產(chǎn)品質(zhì)量，故其嚴(yán)重度S被定為7。如果安全閥起跳，將導(dǎo)致吸附塔壓力的劇烈波動(dòng)，且對(duì)抽余液塔也將產(chǎn)生重大影響，會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品不合格，嚴(yán)重時(shí)甚至可能影響吸附塔內(nèi)昂貴的吸附劑質(zhì)量，故其嚴(yán)重度S被定為9。

對(duì)于吸附塔安全閥失效，應(yīng)選取由于操作不當(dāng)，未建立進(jìn)口壓力所致，得到的風(fēng)險(xiǎn)順序數(shù)為：

RPN=S×O×D=7×9×3=189

經(jīng)過(guò)分析得知，發(fā)生吸附塔安全閥失效的主要原因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間不投用安全閥導(dǎo)致的人工操作失誤。如果制訂該安全閥操作的標(biāo)準(zhǔn)化操作表單，則可以有效避免人工操作失誤帶來(lái)的產(chǎn)品質(zhì)量波動(dòng)，所以在研究了裝置目前的崗位操作法與技術(shù)規(guī)程以后，建議采用標(biāo)準(zhǔn)化操作表單的形式進(jìn)行改進(jìn)，要求現(xiàn)場(chǎng)操作時(shí)進(jìn)行雙人確認(rèn)，防止現(xiàn)場(chǎng)操作人員誤操作。

改進(jìn)后，現(xiàn)場(chǎng)操作更具有計(jì)劃性與規(guī)范性，明顯降低了現(xiàn)場(chǎng)人為誤操作的風(fēng)險(xiǎn)，發(fā)生頻度從7降低到了2，改進(jìn)后的風(fēng)險(xiǎn)順序數(shù)：

RPN=S×O×D=2×9×2=36

4.2 泵送壓送調(diào)節(jié)閥的失效風(fēng)險(xiǎn)控制

在分析吸附塔相關(guān)流程后，得到失效模式分析結(jié)果。對(duì)于吸附塔泵送壓送調(diào)節(jié)閥失效，應(yīng)選取因長(zhǎng)時(shí)間使用造成閥門沖刷所致，得到的風(fēng)險(xiǎn)順序數(shù)為：

RPN=S×O×D=4×7×2=56

經(jīng)過(guò)分析，判斷發(fā)生吸附塔泵送壓送調(diào)節(jié)閥失效的主要為長(zhǎng)時(shí)間備用調(diào)節(jié)閥不投用導(dǎo)致的閥門沖刷所致。所以在研究了裝置目前的運(yùn)行情況以及調(diào)節(jié)閥使用壽命情況以后，建議采用關(guān)閉備用調(diào)節(jié)閥一二次閘閥閥門來(lái)降低流量對(duì)備用調(diào)節(jié)閥沖刷的情況，并定期對(duì)運(yùn)行的調(diào)節(jié)閥進(jìn)行更換的形式進(jìn)行改進(jìn)。

改進(jìn)后，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備具有更高的可靠性與穩(wěn)定性。關(guān)閉備用調(diào)節(jié)閥一二次閘閥閥門不僅提高了產(chǎn)品PX的純度和收率，同時(shí)保護(hù)了備用調(diào)節(jié)閥不再單邊受壓而承受物料沖刷，明顯降低了設(shè)備出現(xiàn)故障的風(fēng)險(xiǎn)，發(fā)生頻度從3降低到了2，改進(jìn)后的風(fēng)險(xiǎn)順序數(shù)為：

RPN=S×O×D=2×7×2=28

4.3 流量計(jì)的失效風(fēng)險(xiǎn)控制

對(duì)于吸附塔流量計(jì)失效應(yīng)選取轉(zhuǎn)速探頭故障所致，得到的風(fēng)險(xiǎn)順序數(shù)為：

RPN=S×O×D=8×8×2=128

經(jīng)過(guò)分析，得出發(fā)生吸附塔流量計(jì)失效的主要原因?yàn)樵撏钙搅髁坑?jì)使用條件較為苛刻，輸送物料溫度為180 ℃，同時(shí)由于管道保溫影響，造成其運(yùn)行環(huán)境溫度較高，散熱效果不佳，故該轉(zhuǎn)速探頭故障率較高。在研究了裝置目前的運(yùn)行情況以及透平流量使用壽命情況以后，建議定期更換轉(zhuǎn)速探頭來(lái)降低該故障對(duì)透平流量計(jì)測(cè)量不準(zhǔn)的情況發(fā)生。

改進(jìn)后，透平流量計(jì)具有更高的可靠性與穩(wěn)定性，明顯降低了透平流量計(jì)出現(xiàn)故障的風(fēng)險(xiǎn)，發(fā)生頻度從8降低到了3，改進(jìn)后的風(fēng)險(xiǎn)順序數(shù)為：

RPN=S×O×D=3×8×2=48

5 實(shí)施效果

通過(guò)FMEA在芳烴裝置產(chǎn)品PX質(zhì)量管理中的實(shí)際應(yīng)用，對(duì)其失效模式進(jìn)行詳細(xì)分析之后，采取了一系列的措施進(jìn)行改進(jìn)，取得了良好的效果。

(1)提高了員工的質(zhì)量意識(shí)。在芳烴裝置產(chǎn)品PX質(zhì)量管理中運(yùn)行FMEA分析方法，組織了包括質(zhì)量管理人員，設(shè)備、工藝工程師以及現(xiàn)場(chǎng)操作人員參與其中，群策群力、獻(xiàn)計(jì)獻(xiàn)策，用科學(xué)的方法尋找并解決生產(chǎn)中的薄弱環(huán)節(jié)，質(zhì)量意識(shí)大幅提高。

(2)提高了產(chǎn)品PX的質(zhì)量和收率。選擇在芳烴裝置吸附塔系統(tǒng)中運(yùn)用FMEA分析方法，結(jié)合歷年產(chǎn)品質(zhì)量發(fā)生波動(dòng)的頻度、嚴(yán)重程度以及可探測(cè)程度進(jìn)行科學(xué)的思考分析，提出了設(shè)備運(yùn)行中可能存在的缺陷和發(fā)生的故障失效模式，采取相應(yīng)的措施降低故障的發(fā)生，從而提高設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性以確保產(chǎn)品PX的質(zhì)量可靠性。

(3)提高了產(chǎn)品PX的質(zhì)量管理水平。通過(guò)FMEA在芳烴裝置產(chǎn)品PX質(zhì)量管理中的探討和研究，提出了影響產(chǎn)品PX質(zhì)量的關(guān)鍵設(shè)備失效模式分析表格和方法，并采取措施進(jìn)行改進(jìn)，達(dá)到了預(yù)期效果，為芳烴裝置產(chǎn)品PX的質(zhì)量管理的完善提供了更加合理和準(zhǔn)確的依據(jù)。