基于風(fēng)險的靜設(shè)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(yè)設(shè)備檢驗和維修策略發(fā)展的歷程中，經(jīng)歷了由被動在發(fā)生事故、停工后的維修到主動按照計劃進(jìn)行維修等多個階段，已經(jīng)在保證設(shè)備安全運行和降低企業(yè)運行成本方面取得了很大進(jìn)步。

目前，我國石化企業(yè)在編制檢驗維修策略時主要參考?xì)v年的檢維修經(jīng)驗，從最低限度的安全程度出發(fā)，很少考慮檢維修經(jīng)濟(jì)性、設(shè)備的安全性分析以及相關(guān)設(shè)備之間存在的可能失效風(fēng)險等因素。在實踐中，檢驗和維修的次數(shù)和有效性與設(shè)備維修的風(fēng)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(jīng)驗性突出[1]。

國內(nèi)石化企業(yè)靜設(shè)備(壓力容器、管道和安全閥)的檢驗和維護(hù)策略通常以主觀經(jīng)驗制定，因此導(dǎo)致策略不客觀不科學(xué)。這樣的檢驗和維護(hù)策略的特點是計劃性強、預(yù)防風(fēng)險發(fā)生為主、針對性不明確和維護(hù)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(dǎo)致石化企業(yè)計劃外停機仍然頻繁發(fā)生，各種風(fēng)險無法有效控制。

近些年，基于風(fēng)險的資產(chǎn)管理研究方法引入到石油化工和煤化工企業(yè)的設(shè)備資源管理工作，石油化工和煤化工裝置開展動態(tài)定量風(fēng)險評估已成為裝置設(shè)備管理、工藝過程控制的前進(jìn)方向?；陲L(fēng)險的檢驗(以下簡稱RBI)技術(shù)迅速發(fā)展與完善，美國SPE、德國巴斯夫等著名的石化企業(yè)均采用RBI技術(shù)對靜設(shè)備進(jìn)行風(fēng)險控制。風(fēng)險控制技術(shù)的發(fā)展趨勢也從預(yù)防性檢維修進(jìn)入了動態(tài)定性及定量風(fēng)險評估階段，相應(yīng)的風(fēng)險控制措施也從以前的以標(biāo)準(zhǔn)合規(guī)性檢查過渡到基于風(fēng)險的資產(chǎn)管理方法。

傳統(tǒng)的RBI技術(shù)在石化裝置評估風(fēng)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(yīng)介質(zhì)之間的影響關(guān)系，幾乎沒有考慮轉(zhuǎn)動設(shè)備對靜設(shè)備的作用，更沒有將儀表聯(lián)鎖系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行評估。在傳統(tǒng)的RBI技術(shù)分析中存在著缺陷，主要體現(xiàn)在對于復(fù)雜服役條件下，設(shè)備可能發(fā)生的退化機理沒有考慮，同時沒有進(jìn)行壽命預(yù)測與風(fēng)險評估；也沒有考慮設(shè)備在生命周期里的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)狀況以及運行狀態(tài)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(shè)備風(fēng)險的影響。因此以傳統(tǒng)RBI技術(shù)分析出的風(fēng)險情況編制實施的維修策略針對性不強。

本文通過靜設(shè)備風(fēng)險評價工作的動態(tài)化管理，建立靜設(shè)備的分級技術(shù)方案，指導(dǎo)靜設(shè)備基于風(fēng)險的檢維修策略制定。降低靜設(shè)備運行和管理風(fēng)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(wù)之間的矛盾。

1 基于風(fēng)險的靜設(shè)備分級與檢維修管理方法

依據(jù)基于風(fēng)險的靜設(shè)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(shè)備的基礎(chǔ)資料數(shù)據(jù)，建立RBI分析數(shù)據(jù)庫，計算靜設(shè)備風(fēng)險值，通過計算機軟件接口，讀入靜設(shè)備的運行、工藝、腐蝕和故障/缺陷數(shù)據(jù)，修正靜設(shè)備的風(fēng)險值，以獲得設(shè)備的動態(tài)風(fēng)險；其次，依據(jù)靜設(shè)備的動態(tài)風(fēng)險結(jié)果，進(jìn)行風(fēng)險分級；最后，基于風(fēng)險等級制定檢維修策略(見圖1)[3]。

圖1 基于風(fēng)險的靜設(shè)備分級與檢維修方法實施流程

2 靜設(shè)備動態(tài)風(fēng)險評價方法

動態(tài)屬性是在役承壓設(shè)備的重要特征，承壓設(shè)備從投用開始受裝置的運行情況和工藝執(zhí)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(tǒng)RBI技術(shù)開創(chuàng)性地量化了風(fēng)險，并以此為依據(jù)編制檢驗計劃，為風(fēng)險控制和管理奠定基礎(chǔ)，但在評估過程中，RBI計算中使用的設(shè)備介質(zhì)、運行壓力、運行溫度等參數(shù)在設(shè)計中給出，為固定值。在實踐中，上述因素都在發(fā)生變化，所以傳統(tǒng)的RBI技術(shù)不符合實際情況。

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

2.1 動態(tài)風(fēng)險評價方法影響因素分析

標(biāo)準(zhǔn)GB/T 26610.4《承壓設(shè)備系統(tǒng)基于風(fēng)險的檢驗實施導(dǎo)則 第4部分：失效可能性定量分析方法》中，設(shè)備失效概率F的定量計算式為：

F=FG×FE×FM×FL

(1)

式中，F(xiàn)G為同類設(shè)備平均失效概率；FE為設(shè)備修正系數(shù)；FM為管理系統(tǒng)評價系數(shù)；FL為超標(biāo)缺陷影響系數(shù)。

FG根據(jù)被評價設(shè)備的類型，為一固定值；FM對于一個企業(yè)而言，設(shè)備管理系統(tǒng)相對穩(wěn)定，也近似于一固定值。FL的影響因素主要有兩點，分別是設(shè)備制造質(zhì)量和設(shè)備材料在服役期間隨著時間的推移是否存在退化機理。設(shè)備修正系數(shù)FE由4個因子組成(技術(shù)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(guān)鍵參數(shù)中，超標(biāo)缺陷影響系數(shù)FL和設(shè)備修正系數(shù)FE同設(shè)備的實際運行工況關(guān)聯(lián)有關(guān)。因此，設(shè)備修正系數(shù)FE和超標(biāo)缺陷影響系數(shù)FL確定設(shè)備的動態(tài)風(fēng)險[4]。

2.1.1 設(shè)備修正系數(shù)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(shù)管理模塊因子是需要研究和分析確定的。技術(shù)管理模塊因子的作用在于評估特定的失效機理，進(jìn)而評價失效概率的變化。通過對技術(shù)管理模塊因子的確定，可以篩選出設(shè)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(shè)備技術(shù)管理模塊因子的確定過程也就是該設(shè)備損傷模式的識別過程，同時是設(shè)備RBI分析計算的基礎(chǔ)，也是整個RBI分析的核心。因此，動態(tài)風(fēng)險評價方法應(yīng)重點考慮設(shè)備修正系數(shù)FE中的技術(shù)管理模塊因子，并引入風(fēng)險計算中。

2.1.2 超標(biāo)缺陷影響系數(shù)FL

FL根據(jù)設(shè)備的原始制造質(zhì)量和使用過程中與時間相關(guān)的退化機理確定。這是因為根據(jù)缺陷的“活性”主要分為兩類：一類是“活”缺陷，此類缺陷隨著設(shè)備服役時間的延遲會隨著時間的演化而發(fā)生改變，發(fā)展導(dǎo)致設(shè)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(tǒng)靜態(tài)RBI評估中，是在某一評估時間點下進(jìn)行，因此并不考慮第一類“活”缺陷。在設(shè)備的動態(tài)風(fēng)險計算中，需要考慮缺陷情況的影響。通過分析，動態(tài)風(fēng)險評價方法影響因素見表1。

表1 動態(tài)風(fēng)險評價方法影響因素

2.2 靜設(shè)備動態(tài)風(fēng)險計算方法

靜設(shè)備動態(tài)風(fēng)險的計算可以通過如下2種方式實現(xiàn)。

1)依據(jù)設(shè)備的基礎(chǔ)資料(設(shè)計資料、工藝資料和檢驗數(shù)據(jù))計算設(shè)備的風(fēng)險值，然后通過數(shù)據(jù)監(jiān)控獲取設(shè)備的運行數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)、腐蝕數(shù)據(jù)和缺陷數(shù)據(jù)，對設(shè)備風(fēng)險值進(jìn)行修正，該過程可以按照設(shè)定的頻率不斷更新設(shè)備的風(fēng)險值，實現(xiàn)風(fēng)險的動態(tài)計算。

2)以設(shè)計資料和檢驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，依據(jù)設(shè)備當(dāng)前的實時數(shù)據(jù)(包括設(shè)備的運行、工藝、腐蝕和缺陷數(shù)據(jù))不斷地計算設(shè)備的風(fēng)險值，并按照一定的頻率進(jìn)行更新，實現(xiàn)風(fēng)險的動態(tài)計算。

比較上述2種方法可以看出，當(dāng)設(shè)備數(shù)量較少時，上述2種方法并無明顯區(qū)別；當(dāng)設(shè)備數(shù)量較多時，第1種方法的計算時間和穩(wěn)定性明顯要優(yōu)于第2種方法。尤其是對于成套裝置而言，容器和管道數(shù)量數(shù)以千計，數(shù)據(jù)量巨大，采取第1種方法的優(yōu)勢明顯突出。因此，應(yīng)采取第1種方法計算設(shè)備的動態(tài)風(fēng)險(見圖2)。

圖2 靜設(shè)備動態(tài)風(fēng)險計算流程

利用計算機技術(shù)，通過信息網(wǎng)絡(luò)端口從裝置直接獲取設(shè)備數(shù)據(jù)，實現(xiàn)設(shè)備動態(tài)風(fēng)險的計算。動態(tài)風(fēng)險計算流程如圖2所示，基于WIN10系統(tǒng)下的ASP.NET環(huán)境下開發(fā)，使用游覽器/服務(wù)器架構(gòu)開發(fā)軟件[6]，運用C程序設(shè)計語言，以Miicrosoft SQL Server作為數(shù)據(jù)庫平臺，利用Microsoft.NET Framework4.0[7]為運行框架，依托開發(fā)計算機網(wǎng)絡(luò)端口，可以及時把相關(guān)波動的參數(shù)值引入設(shè)備風(fēng)險評價系統(tǒng)，計算設(shè)備的風(fēng)險值，以實現(xiàn)設(shè)備風(fēng)險值的實時動態(tài)跟蹤。

3 基于風(fēng)險的靜設(shè)備分級技術(shù)

基于風(fēng)險的靜設(shè)備分級方法是制定壓力容器和工業(yè)管道檢驗策略的基礎(chǔ)[8]。該方法需要獲取設(shè)備評價單元的數(shù)據(jù)、檢驗數(shù)據(jù)等4個關(guān)鍵參數(shù)，從風(fēng)險發(fā)生的可能性和后果等2個方面分析，綜合計算出各設(shè)備的風(fēng)險等級。最后，根據(jù)靜設(shè)備風(fēng)險水平的高低，參照一定規(guī)則，進(jìn)行分級管理，根據(jù)不同風(fēng)險等級的設(shè)備制定出具有針對性的檢驗策略。

基于靜設(shè)備分級的檢維修策略可以實現(xiàn)如下目標(biāo)。

1)科學(xué)配置檢驗資源，使其與設(shè)備檢驗周期相協(xié)調(diào)。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(fā)生。

2)目前，國內(nèi)的石化企業(yè)不斷延長停工檢修的周期，普遍已經(jīng)達(dá)到4～5年一停工大檢修的水平?；陟o設(shè)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(nèi)高效率地完成檢驗工作。

3)可以進(jìn)行目的性很強的物資采購計劃和庫存準(zhǔn)備，達(dá)到快速高效地對存在問題的設(shè)備進(jìn)行檢維修或更換。

3.1 基于風(fēng)險的靜設(shè)備分級原則的確定

基于風(fēng)險對設(shè)備進(jìn)行分級時，應(yīng)首先確定風(fēng)險可接受水平。風(fēng)險可接受水平考慮3個方面：1)應(yīng)滿足標(biāo)準(zhǔn)GB/T 26610.1《承壓設(shè)備系統(tǒng)基于風(fēng)險的檢驗實施導(dǎo)則 第1部分：基本要求和實施程序》的規(guī)定要求；2)根據(jù)使用單位的自身實際情況確定；3)從社會層面考慮人員環(huán)境安全的基本要求以及使用單位的社會責(zé)任。

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

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

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

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

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

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

表2 基于風(fēng)險的靜設(shè)備等級劃分

3.2 基于設(shè)備風(fēng)險分級的檢維修等級確定方法

按照靜設(shè)備的風(fēng)險等級，確定相應(yīng)的檢維修等級。由于本文主要討論的對象為靜設(shè)備，因此，設(shè)備檢維修偏重于檢驗。對不同風(fēng)險等級的設(shè)備，參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 26610.2《承壓設(shè)備系統(tǒng)基于風(fēng)險的檢驗實施導(dǎo)則 第2部分：基于風(fēng)險的檢驗策略》的要求，依據(jù)其損傷模式以及與該損傷模式相對應(yīng)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(shè)備風(fēng)險等級是相互對應(yīng)的，本文以壓力容器、管道為例，檢驗等級和設(shè)備風(fēng)險對照關(guān)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(yīng)考慮下列因素的影響：檢驗檢測方法及頻次、設(shè)備整體及零部件的結(jié)構(gòu)類型、損傷模式及失效模式、破壞速率、材料與介質(zhì)的敏感性、受檢區(qū)域的可檢程度等。各種檢測方法對應(yīng)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(tài)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(fēng)險的靜設(shè)備維修方法

根據(jù)設(shè)備的風(fēng)險等級，可以制定設(shè)備的檢驗檢測方案，但僅以風(fēng)險等級作為確定設(shè)備檢修等級的因素是不全面的。

確定設(shè)備的風(fēng)險等級時，A級設(shè)備包含2種情況：一是高失效后果等級、低失效可能性的設(shè)備；二是低失效后果等級、高失效可能性的設(shè)備。對于這2種設(shè)備，在分析確定檢修等級及檢驗方法時，不能僅僅依據(jù)風(fēng)險值，應(yīng)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(shè)備，可以選擇更高有效性的檢驗方法，以降低設(shè)備的風(fēng)險值，減少潛在的安全隱患。RBI中設(shè)備失效可能性的計算主要是根據(jù)設(shè)備失效機理(如減薄、應(yīng)力腐蝕開裂、高溫侵蝕、脆性斷裂等)，針對這些設(shè)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(yīng)的失效模式發(fā)生的可能性，從而達(dá)到降低設(shè)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(shè)備，在企業(yè)進(jìn)行日常管理、維護(hù)和檢驗中，可以通過調(diào)整檢驗方法的途徑，降低設(shè)備的風(fēng)險值。

圖3 設(shè)備降險措施，減緩后果

對于失效后果高的設(shè)備，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)行企業(yè)管理制度，通過加強巡檢、制定應(yīng)急預(yù)案、設(shè)置減緩措施等方式來降低設(shè)備的風(fēng)險值和安全隱患。目前，國內(nèi)大多數(shù)石化企業(yè)壓力容器、工業(yè)管道和安全閥等靜設(shè)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(biāo)準(zhǔn)符合性檢查為主。因此，對于設(shè)備維護(hù)水平和策略，應(yīng)以企業(yè)管理體系為基礎(chǔ)，減少設(shè)備故障的后果，制定相應(yīng)的風(fēng)險措施。

4 結(jié)語

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

設(shè)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(yīng)用，可以形成適合與裝置長周期運行管理相適應(yīng)的靜設(shè)備檢驗周期和管理策略，降低靜設(shè)備的管理風(fēng)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(wù)之間的矛盾，產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益。