流程泵的预防性维修

文/杨锋，程聂

流程泵的预防性维修

文/杨锋，程聂

石油化工流程泵以动态可靠性为基础的预防性维修——针对石油化工流程泵预防性维修的重大需求，本文提出以动态可靠性为基础的预防性维修（DRBPM）概念，并对关键性指标进行详细阐述，确定了有效的预防方向，在此基础上提供了实际应用解决模式和实际应用效果评估。结果显示：由于流程泵突发性故障而引起的生产装置安全风险事故基本杜绝，DRBPM系统取得了良好的社会和经济效益。

围绕设备可靠性进行维修（RCM）用以确定资产预防性维修需求、优化维修管理模式是目前国际通用的一种系统工程方法。它是根据设备的可靠性状况，以最少的维修资源消耗，运用逻辑决断方法来确定所需的维修内容、维修类型、维修间隔周期以及维修级别，判定出预防性维修大纲，从而达到优化维修的目的。

随着设备预防性维修策略的实施，改进性维修的应用以及设备长周期使用、工况环境的变化，设备可靠性状况、维修间隔期均发生变化[3-5]。因此必须根据设备最新状况实时调整设备预防性维修大纲，从而有效利用维修资源，实现设备长周期可靠运行，这是以动态可靠性为基础的预防性维修策略的目标。

预防性维修策略（Dynamic Reliability Based Preventive Maintenance 简称DRBPM）是以动态可靠性为基础，依托可靠性维修发展出来的新维修理念，它依赖互联网络技术和大数据运行，实现设备运行状态的实时监控和趋势分析，从而对设备可靠性及维修大纲进行动态管理。经实践验证自2009年开始推行转动设备预防性维修工作，2011年开始探索RCM维修模式，2013年开始研究DRBPM维修模式并于2014年初推广使用，经实际使用，取得明显效果。

DRBPM的基本原理

1.可靠性的定义及具体指标

设备可靠性是指设备在一定时间内无故障完成规定功能的水平。通常用能定量表现的可靠性指标来权衡设备可靠性程度，包括可靠度、故障率、MTBF、维修性及有效度等。

（1）可靠度

可靠度指设备在给定条件下，预期时间内，实现预期功能的概率，用R（T）表示。它是设备在t时间内无故障，或是其寿命T大于t的概率，即P≥t）称为可靠度函数。

与可靠度相对应的是不可靠度，它表示设备故障部分所占的比例，常记F（t）。它是故障分布函数，其值从0到1变化。

可靠寿命指设备可靠度下降到r时的工作时间，可根据可靠度函数和可靠度值r求出。其中r称为可靠水平，转动设备的可靠水平通常为可靠寿命的0.8～0.9。

（2）故障率

所谓故障率是指设备发生故障的比率。运用数理统计方法作出考察设备的“故障频数-分布时间”曲线图，由分布曲线拟合故障的概率密度函数f（t）。

（3）MTBF

平均无故障时间MTBF（Mean Time Between Failure），又称无故障间隔时间，它指可修复设备相邻两次故障发生之间无故障工作时间的平均值。MTBF所指对象仅限于发生故障后可通过修理恢复其功能的设备。利用MTBF的历史数据，能够很容易地推断出它的威布尔分布函数和不同时间的概率值，从而确定其不同历史时期的可靠度，因此能预知该设备无故障地使用时长，以及在使用多长时间后应该进行修理。

（4）维修性与有效度

从广义可靠性的观点出发，对于可修复的设备，除了无故障地实现功能外，在产生故障后迅速排除故障对于设备维修和故障诊断也至关重要。维修是指使设备保持与恢复其功能状态的一切技术活动与管理活动的总和，而维修性是指修复产品的难易程度。所谓有效度是指可修复设备，即在规定条件下，规定时间内，维持其功能的概率，一般记为A。

通过有效地监测设备工作状态进而提高其平均无故障时间和通过有效的监测与诊断减少平均故障修理时间是提高有效度的唯一方法。

2.设备故障后果

（1）设备故障强度

设备是指可供人们生产中长期使用，并在反复使用中基本保持原有实物形态和功能的生产资料和物资资料的总称，作为石油化工连续生产企业，保持设备功能满足连续生产需求是首要任务，对于设备故障后果，应当首先考虑对连续生产的影响和冲击，其次是安全和经济后果，对此进行定性分析。设备故障强度是依据设备在生产中的重要性并结合设备故障发生对生产活动的冲击、影响，从而对设备故障进行分类管理的方法。目前，对设备故障强度分类如表1所示。

（2）设备故障安全性和经济性后果

图1 设备可靠度和故障强度等级的关联矩阵

由于石油化工行业易燃易爆、有毒有害的生产特点，部分设备发生故障后可能产生严重安全后果（如火灾、环境严重污染等），因此，对于此类设备故障强度分析时应给予充分考虑，同理，对于故障发生后导致设备损失较大、修复困难的也应给予考虑。设备故障模式的安全性风险和故障频率、安全性后果有关。

3.逻辑关联与判断

每一台设备在无故障间隔期内不同时间点、不同运行状态具有不同的可靠度，标识为R(t)i；同理，每台设备发生功能性故障的后果，即故障强度等级也不尽相同，将每台设备故障强度等级标识为Sj，即可建立每台设备可靠度和故障强度等级的关联矩阵如图1所示。

4.维修策略与维修资源

维修策略的制定应综合考虑预防性维修、预知性维修和主动维修之间的相互组合。由于被动维修可能导致非计划停机，在可靠性维修中要求尽量避免。预防性维修虽然可以减少非计划停机，却可能造成维修过剩，需适当控制；预知性维修依据设备监测状态，既避免维修过剩，又避免维修不足，但没有根除故障且受制于认知水平，多有缺漏；主动维修则致力于从根本上削除故障隐患，因此，三者必须有机组合，充分发挥各自作用。根据不同的设备维修策略，结合设备运行状态及趋势分析，可以制定出相对合理的维修大纲，包括维修内容、维修级别以及类型等，从而有效优化维修资源。

表1 设备故障强度等级

5.其他约束条件

作为石油化工连续生产企业，设备应该保持其功能并满足连续生产需求。一旦设备运行环境发生改变，偏离其设计工况，如设备介质性状变化、工艺流量温度变化、设备偏离优选工作区等，设备往往出现以下情况：①设备可靠性下降，故障率上升，MTBF时间缩短；②设备效率低下；③设备运行、维护成本上升。通过机泵设备综合监测平台发现，70%严重偏离优选工作区的泵均有振动较大、密封易泄漏、故障率高等现象，因此，仅依靠预防性维修无法使得设备功能发生改变并满足生产需求，反而过多维修，降低了设备可靠性。

因此，在制定维修策略时，应充分考虑由于设备运行环境改变而产生的设备功能需求，并以此作为约束条件对设备维修策略进行即时调整。只有采用主动性维修，不断完善设备功能，从根本上消除隐患，才能确保设备可靠性，从而提高设备运行效率，降低维修成本，我们在实践中也可以清晰看到这一点。

6.动态可靠性研究

设备可靠性状况随着设备预防性维修策略的实施，改进性维修的应用以及设备长周期使用、工况环境的变化而变化。因此必须根据设备最新状况实时调整设备预防性维修大纲，从而有效利用维修资源，实现设备长周期可靠运行。实现动态可靠性管理要满足以下需求：①根据设备不同时间点和不同运行状态及发展趋势，可即时计算分析其可靠度，从而对应合适的维修策略；②设备维修完成或工艺状况发生改变后，能及时更新其MTBF和运行状态分析，确定设备新的可靠度供分析研判，从而实现设备维修大纲的动态管理。因此，以动态可靠性为基础的预防性维修策略在传统RCM基础上进行了改进，主要体现在以下方面：

（1）维修决策的制定基础改进

所有传统的RCM决策过程，均是以设备故障模式影响与分析（FMEA）为基础，进行风险等级确定和维修大纲制定。“预测性维修是RCM的主动性维修策略”，换而言之，在传统的RCM维修任务决策过程中，预测性维修是实现其维修策略的方式之一，而非决策基础。DRBPM系统与传统RCM的维修策略制定基础是不同的，在DRBPM系统中，设备运行状态及趋势判断、设备整体可靠性状况以及设备风险状态研究，三者是综合一体考虑，并作为预防性维修策略的制定基础。

图2 以可靠性为基础的动态预防性维修系统图

（2）设备可靠性的分析方式改进

传统RCM的分析方式的基础是：通过对设备进行故障模式及影响分析（FMEA），利用概率统计分析计算故障模式的量化结果和故障频率。这决定了传统RCM研究方式对于设备的分析是以零部件为基础的，即不同类型的零部件有不同的失效模式及统计数据，再针对不同失效模式制定维修大纲予以解决。而DRBPM系统所针对的石油化工流程设备，特别是石油化工流程机械，其不同零部件之间的失效往往是相互关联的，例如：石油化工高温重质油泵，其轴承失效往往引起机械密封泄漏，从而导致重大安全风险，这表明轴承与机械密封两个零部件之间的失效是相关联的，而不能用单一失效模式进行分析。

建立以可靠性为基础的动态预防性维修系统

根据设备不同无故障间隔期和运行状态分析，可确定其可靠度；结合设备故障强度后果分析，从而确定其维修策略。按此原理可对全厂所有设备进行数值分析和逻辑运算，筛选出需要进行预防性维修或临时紧急维修的设备，形成报表供设备管理人员分析、决策，这些都需要复杂的数据处理和逻辑运算。得益于计算机技术、互联网络技术及大数据技术的发展，使得靠人工无法完成的庞大数据处理工作成为现实。建立以可靠性为基础的动态预防性维修系统需要完备的基础工作：①长期设备故障统计与分析数据；设备历史检维修数据作为可靠度计算依据；②完善的设备状态监测与分析数据；③合理的设备故障强度与安全、经济性后果分析数据。在此基础上，建立系统如图2所示。

实际应用及效果

自开始投用DRBPM系统，经过2年使用已经取得明显社会效益和经济效益。以主要生产装置流程泵为例，选择主要炼油生产装置近1 100台机泵设备，同时由于2012年与2016年为全厂停工检修年，故选取检修周期内同期年份2011年、2015年以及DRBPM系统投用第一年及2014年数据进行比较：2014年DRBPM系统开始实施，当年在预防性总量没有增加的前提下，由于预防性检修的科学性、合理性加强，设备预知性维修及设备故障检修数量明显降低；2015年随着DRBPM工作深入开展，设备预防性检修、预知性检修针对性更强，检修总量明显下降，且设备故障性检修数量仍较上年降低约33%。

至2015年底，流程泵检修总量较2011年减少近50%，故障性检修数量降低近85%，仅此一项，节约机泵维修成本约350万元/年，同时，由于流程泵突发性故障而引起的生产装置安全风险事故基本杜绝，DRBPM系统取得了良好的社会和经济效益。

事实证明，以动态可靠性为基础的预防性维修策略，是对传统RCM技术的有益探索和发展，能对设备预防性维修提供更加科学、合理的指导，在石油化工流程设备的可靠性管理中发挥了显著作用。

[1]李葆文. 简明现代设备管理手册[M]. 北京，机械工业出版社，2004.

[2] 盛骤, 谢式千. 概率论与数理统计及其应用[M]. 高等教育出版社, 2010.

[3]韩帮军, 范秀敏, 马登哲. 基于可靠度约束的预防性维修策略的优化研究[J]. 机械工程学报, 2003, 39(6)：102-105..

[4]金玉兰, 蒋祖华, 侯文瑞. 以可靠性为中心的多部件设备预防性维修策略的优化[J]. 上海交通大学学报, 2006, 40(12)：2051-2056.

[5]王灵芝, 徐宇工, 张家栋. 以可靠性为中心的多部件系统预防性维修优化研究[J].计算机集成制造系统, 2008, 14(10)：2042-2046.

作者任职于中国石油化工股份有限公司武汉分公司。