石油化工设备故障特征和主要维修模式分析

贾照庆

(中海壳牌石油化工有限公司， 广东 惠州 516000)

石油化工设备故障特征和主要维修模式分析

贾照庆

(中海壳牌石油化工有限公司， 广东 惠州 516000)

设备从研发、设计、制造、安装调试到使用、维修、改造、报废等各个环节都需要进行管理，既要维持设备的运行状态，又要优化设备的效能，充分发挥设备的投资效益，现代设备维修管理已经成为了一项科学的系统工程。设备维修管理经过多年来不断的探索和发展，形成了多种形式的设备维修模式。本文基于石油化工装置的生产特点，对设备的主要故障特征和其中适用于石油化工设备维修管理的维修模式进行简要地论述和分析。

石油化工设备;功能;故障维修

1 设备功能和功能性故障

设备功能定义了其被设计的和所期望的性能要求，包含物理性能和运行性能，以及正常运行所需的条件要求(如连续运行或限制要求的可用性)等。设备故障，主要是指设备发生功能性故障，无法继续提供或达到其所设计的功能[1]。

功能故障是指一个设备无法继续满足其被设计的功能要求，需要注意的是要确定在所需的操作环境下一个设备的所有功能。通过清楚地定义设备功能的性能表现，功能失效可以得到明确的定义；定义一个工业泵的作用仅仅是以输送水或其它液体物料显然是不够的，泵的功能还必须在流量、吸入和出口压力、扬程等方面进行定义。故障模式所定义的通常是一个设备的组件故障而导致系统功能性的故障或子系统功能的故障。一个机械系统由电动机和泵构成，可由于电机的绕组、轴承、轴、叶轮、控制器或密封件的失效而导致功能性故障。如果泵的性能降低，使得其出口压力或流量不足以满足设计和操作要求时，同样也属于功能性故障。

产生或引起设备发生故障的原因有多种因素[2]。设备在设计和制造过程中，可能存在设计不合理和制造缺陷等；设备在安装和调试过程中，也可能存在诸如螺栓固定不牢靠，轴向对中不好，没有按照设计和规范要求进行试验等；设备在运行中受到物理、化学、力学和电学等过程的作用；设备工作运行条件的变化，如润滑、载荷、温度、压力、介质、电压、电流及频率等；设备工作运行环境的影响，如环境温度、湿度、海拔等；设备是否按要求规范操作，是否得到必要的维修等等。设备故障的产生和发展是一个复杂的变化过程，可能是一种主要因素造成的，也可能是多种因素叠加或者相互作用产生的结果，如何确定维修策略进行有效维修，需要进一步研究设备的主要故障特征。

2 设备主要故障特征

2.1 失效(故障)概率与运行时间的相关性[3]

基于条件概率和磨损模型与运行时间的关系，可将设备故障特征分为六种基本类型。

A型：浴盆曲线，初始表现为较高的早期故障率，随后为较为稳定或逐渐增加的失效概率，最后为明显的磨损区域。

B型：表现为持续或逐渐增加的失效概率，最后为明显的磨损区域。

C型：表现为逐渐增加的失效概率，但没有可识别的明显的磨损期。

D型：初始表现为较低的失效概率，随后又迅速上升到一个相对稳定的水平。

E型：表现为在设备有效生命周期内所有阶段维持相对稳定的失效概率水平。

F型：表现为较高的早期失效概率，随后逐渐下降到一个稳定的水平。

类型A和B的代表类型是单件或简单部件，如轮胎，压缩机叶片，制动衬片和结构部件。大多数类似于C，D，E和F的复杂的项目都有条件概率曲线，复杂的故障类型和简单项目之间的基本区别对选择维修策略具有重要的影响。

单件简单的部件通常表现为可靠性和使用寿命或运行时间的直接关系，例如金属疲劳或机械磨损存在或该部件被设计为消耗品(短期或可预见的寿命)。在这种情况下，根据工作时间或疲劳的使用寿命限制部件的使用周期，通过定期更换(基于时间的预防性维修)可以有效地改善复杂设备的整体可靠性。

在装置投入生产之初，由于安装调试或操作的原因，设备经常表现出一些早期故障的特性。设备安装或调试不当，通常会在相当短的运行时间内，就会表现出异常的情况。设备停机进行维修，同样可能包含安装或调试的过程，因此，在许多情况下，计划检修同样可能将早期的高故障率引入到一个原本稳定的系统，从而增加了系统整体的故障率。

2.2 潜在故障的可预知性

通常情况下，设备故障具有一定的时间发展特性，因此可以通过一定的观察和检测(监测)，提前发现设备运行的劣化趋势，并在发展成为功能性故障前进行维修，从而消除故障隐患。RCM提出潜在故障的概念，设备可以在不发生功能故障的前提下充分利用[4]。潜在故障是在临近功能故障的渐变状态，可观察、可检测、可鉴别，如转动设备中轴承的失效，具有典型的渐变特征，通常可以通过在潜在故障发展为功能故障的间隔时间内进行预防性维修或状态维修来消除故障隐患。

部分设备在发生功能性故障前期，经常会呈现出一些异常的征兆，如异常发热、振动、噪音等等外在表现，可以通过简单的检查或检测即可获得。因此在维修管理实践中，需要制定周期性(基于时间的)的预防性维修计划和日常操作巡检计划，就是为了通过检查设备的外在表现，来分析判断设备运行是否正常，是否需要进行维修等。

3 设备主要维修模式

3.1 维修的基本概念

维修是指为了保持和恢复设备技术状态和设计功能，延长设备使用寿命而进行的工程活动，是维护、检查和修理的总称。维护是为了保持设备良好状态所做的一切工作，包括清洗、润滑、调整等等；检查是为了确定和评估设备实际运行状态所采取的技术措施，如测温、测振、测厚、观察泵的出入口压力等等；修理是为了恢复设备设计功能所做的所有工作，包括故障诊断、零部件更换、解体检修等等。现代化的维修管理中，如何保障生产装置的长周期连续进行，确定设备运行状态并合理计划维修时间，降低维修成本是维护和检查工作需要解决的问题；如何在较短时间内排除故障，完成设备的修复工作并保持设备原有的可靠度，是修理工作需要解决的问题。这三者的目的是一致的，都是研究生产过程中如何维持设备性能的一切活动，满足装置连续性和稳定性生产的需求，降低维护费用，从而提高产品质量、降低生产成本，提高企业和产品在市场中的竞争力。

现代石油化工生产对维修的依赖性不断增大，同时随着生产力的提高和生产范围的不断扩大和延伸，维修观念也发生了重大的变化。许多组织已经认识到维修的重要性，并积极寻求通过系统性的维修管理获得关于成本、质量、服务和准时交货的竞争优势。现代设备维修管理已经从最初单纯的排除设备故障，恢复设备初始设计功能，逐渐发展并使其具有更深刻的意义[5]，即：

(1)维修可以提高生产设备的完好率，延长设备的使用寿命，是企业生产力的重要组成部分。

(2)维修可以提高生产设备的利用率，从而增加产品数量，提高产品质量，进而成为企业生存和发展的重要手段。

(3)维修可以改善生产设备的可靠性和可用性，是企业工艺安全和稳定生产的基础。

3.2 主要设备维修模式

维修是随着工业机械化发展而随之产生的，经过多年的研究和发展，设备维修模式也得到不断的完善和系统化。从十八世纪的手工作坊的简单维修到现代的高技术含量的综合性维修，体现了人类对促进和提高生产力所做的努力。根据国内外设备维修领域的相关研究和应用实践，通用的设备维修模式主要有以下几种：

(1)故障维修，也做被动维修，修复性维修或事后维修。是指设备发生故障停机后的维修活动，属于非计划性维修的范畴。故障性维修管理强调的是如何尽快的找到设备发生故障的直接原因，修复或替换故障零部件，恢复设备的原有设计功能，尽快的恢复设备的运行，维持生产。由于这是完全被动的维修模式，小故障可能会演变成大故障和大事故，可能造成高额的维修费用和设备损失，因而需要尽可能的减少被动的故障维修活动。

(2)预防性维修。其基本含义是对影响设备正常运行的潜在故障采取“预防为主”的措施，即在设备的使用过程中加强维护保养，预防故障的发生，尽可能在设备开始出现功能性故障之前进行预防维修。设备功能定义了设备提供设计功能所必需的正常运行条件要求，预防性维修的最基本的目的就是保持设备自身(除环境和工艺条件外)的正常运行条件要求。通常概念的预防性维修主要是指基于时间的维修，这是一种基于日历时间或设备运行时间为依据而进行的周期性维修。

典型的预防性维护活动包括定期检查、状态检测、易损部件的更换、紧固和校准，以及基本的清洁，从而维持设备正常运行和防止设备发生故障。有效的预防性维护策略可以让设备保持在最佳的运行状态，减少故障并实现设备最大化的有效生命周期。另外，通过预防性维修也可以发现设备潜在故障，从而有充分的时间安排维修计划和准备所需的备件，有计划地进行维修工作。装置定期停车进行大检修也可看做是预防性维修的一种特殊形式。

(3)状态维修或预测性维修[6]。状态维修以设备状态检查、检测和诊断等科学技术手段为基础，适时掌握设备的运行状态，收集可用于指示潜在故障或即将发生故障(振动，温度，声音，颜色等等)的变量数据，再根据设备的实际运行状态情况对这些数据进行分析和预测，进而制定相应的维修计划，在设备出现了性能劣化后以接近会发生功能性故障之前进行维修，而不是仅仅以设备使用时间为依据制定维修计划。通过寻求所需的合理有效的维护水平，达到非计划停机时间最小化的目标。状态维修要求定期对设备进行各种参数测量，及时反映设备实际状态。测量的参数可以在一定的提前期间给出警报，以便采取适当的维修措施。状态维修是在设备出现了性能劣化后实施的维修，只不过状态的逐渐劣化是由被检测的设备状态参数变化反映出来的，因而可以被提前分析和预测。预防性维修和状态维修都属于主动性维修的范畴。

石油化工设备维修常用的状态检测方法有：

①振动检测分析：适用于机械转动设备，通过对设备运行所产生的机械振动进行信号采集、数据处理后，再根据振幅、频率、相位及相关图形趋势进行分析，从而掌握设备的实际运行状态，为设备的维修决策提供必要的依据。

②润滑油分析：适用于机械转动设备。通过对机组在用润滑油的油液本身及油中微小颗粒所进行的理化分析。通过对润滑油的粘度、闪点、酸值、乳化度、水分、机械杂质、液相锈蚀试验、抗氧化安全性等各种主要性能指标的检验分析，掌握润滑油本身的性能信息的同时了解到机组轴承、密封的性能及工作状态。

③红外成像分析：适用于不均匀发热的设备和组件。通过红外成像检测，可以有效地发现异常发热的部位(部件)，从而预知并进而安排维修消除设备潜在故障。

④其它检测方法：无损探伤、超声波等等，主要用于设备结构和管道检测。

(4)改善性维修，也做改进性维修.改善性维修强调改善，既改善设备运行状况和固有可靠性水平，是在对设备故障进行根本原因分析的基础上，针对设备或零部件的设计或制造缺陷，包括零部件更换、改进设计、材料升级或重新制造等手段，使设备的性能得到恢复和改善，消除可能重复发生的故障，从而提高设备的运行可靠性。

(5)机会维修，顾名思义是利用停车机会进行维修。引入机会维修的概念，是为了消除或减少设备因为检查或维修不全面或不彻底，设备在维修结束后运行较短时间内再次发生功能性故障的概率。

4 结语

科学的维修管理方法和系统的设备维修策略是确保设备得到有效维修，并为生产装置的安全可靠运行提供重要的前提条件；同时，还可以有效的降低各种消耗，进而降低生产成本，为企业的经济效益提供充实的物质基础。

[1]梁建宏.故障模式及影响分析(FMEA)在设备维修管理中的应用[J].石油化工安全技术，2006，22(6)：42-44.

[2]蒋瑜,杨雪,阮启明.机械设备故障规律及运行趋势预测方法综述[J].机电一体化,2001,(3):14-17.

[3]吴波,丁毓峰,黎明发.机械系统可靠性维修及决策模型[M].北京:化学工业出版社,2006.

[4]吕一农.以可靠性为中心的维修(RCM)在电力系统中的应用研究[D].浙江大学,2005.

[5]陆朝荣,施毅.设备故障率和设备维修策略[J].石油化工技术经济，2004，(3)20.

[6]Marseguerra M,Zio E,Podofilini L,conditionbased maintenance optimization by means of genetic algorithms and Monte Carlo simulation[J].Reliability Engineering and System Safety,2002,77:151-165.