石化设备基于风险和状态的检验与维修智能决策研究

2023-01-03肖井泉

化工设计通讯 2022年2期

肖井泉

（中海油惠州石化有限公司，广东惠州 516086）

石化企业生产中，设备是不可或缺的基础，为提高产能，要使设备始终保持良好的运行状态。这一目标的实现，需要对设备进行有效的检验与维修，由此使得决策成为重中之重。随着石化生产线上的设备种类和数量不断增多，给检验与维修工作的开展增添一定的难度。为此，确保决策的有效性显得尤为重要。可基于风险与状态，构建石化设备检验与维修智能决策系统，依托系统开展决策工作，提高决策水平，降低设备的风险隐患，为安全生产提供保障。

1 石化设备风险与状态分析

1.1 内漏风险

石化生产中，发生内漏的设备在外壳的保护下，并不会外泄，基本上不会引起事故，但内漏风险却常常被低估。尽管设备内漏不会产生外泄的后果，可是内漏仍然具有一定的影响，可能引起的后果是内漏边界层的两侧遭到介质腐蚀。当石化设备出现内漏问题后，利用监测技术能够发现内漏。下面通过一则算例，分析石化设备内漏风险的计算过程。某石化企业的一台炼油装置，该设备服役年限为13a，由失效后果可知，换热器壳程的压力和腐蚀速率均高于管程，管束存在的内漏风险为管箱风险的变化量。经修正计算后，内漏风险比未修正前降低一个数量级，当前的风险等级在中风险范围。

1.2 外泄风险

石化设备的风险控制结果主要受检验与维修活动的影响，所以要对每种维修模式进行有效的风险评价，否则可能会导致风险管控缺失。从实际应用情况看，缺乏一种较为有效的维修模式，该模式应具备如下特点：①设备处于运行状态时，通过检验与适当的维修，能够使设备始终保持正常运行，待达到维修期限后，再停车对设备进行全面检验和维修，这样能够减少不必要的停车时间，使停车造成的损失降至最低程度。②在该模式中，穿孔泄漏并不是设备的最终失效状态，当设备泄漏由不确定因素引起时，可通过与该模式相关的模型对风险进行评估。当设备发生少量的泄漏时，不会引起失效的后果，故此可在运行中带压维修，并在达到维修周期后对设备进行全面维修。

2 基于风险和状态的石化设备检验与维修智能决策方法

2.1 决策系统架构

按照石化生产的实际需求，依托石化设备损伤状态监测体系，结合风险分析技术，以安全为目标，构建基于风险和状态的检验与维修智能决策系统。系统的主要模块如下。

2.1.1 数据输入模块

按决策要求，对工艺、设备、化验以及监测等数据进行预处理后，输入数据库中，人为因素会对上述过程产生一定的影响，包括数据量不足、失效数据等。对此要增设审核模块，对输入的数据加以控制，降低偏差，确保数据准确性。与不同输入数据相对应的管理结构如下：设备数据对应装置和工艺环，工艺数据对应装置和工艺介质，维修数据对应维修工艺和过程，失效数据对应失效机理与形式。工艺环是设备与管道组合而成的设备单元，二者联合完成一项功能，设备或是管道失效，都会导致工艺环失效。

2.1.2 损伤分析模块

损伤分析模块以设备为单位展开全方位分析，按设备基本资料、维修记录、检验结果等，得出设备的损伤程度，据此排序，确定出重点的检测部位。依托损伤变量数据库，输出设备的损伤机理与类型，预计损伤速率，随后将上述内容传给风险分析模块。

2.1.3 风险分析模块

风险分析模块能够将设备的损伤情况转换为潜在风险，使损伤变为安全问题，是对设备安全状态的定量化分析，根据分析结果，优化检验与维修计划。设备风险是否达标，主要受风险变化率和损伤状态两个因素的影响，所以在决策时，要使两个因素相互配合，通过损伤机理、类型、速率等，决策检验技术及频率，利用风险值，确定优先检验范围。

2.2 决策过程

2.2.1 设备分类

决策以风险为基准，以确保安全为前提，风险低的设备，失效后产生的损失相对较小，所需投入的检验成本收益小，故此不宜投入过多的检验。低风险化工设备的特点体现在如下方面：介质无毒无害、不可燃；介质具有可燃性，但却不具备燃烧条件；温度在60℃以下；失效维修不会影响正常生产。低风险设备出现故障时，采用事后维修的方法，并不会造成超出预期的损失，换言之，损失较小，在可接受范围内。而中风险设备在控制模型中允许存在，只要确认损伤与风险等级即可，判定状态属实后，不会对石化企业的生产安全带来影响，便不需要监测设备的损伤趋势。高风险设备会对生产安全造成影响，所以要基于风险控制与损伤监测，对此类石化设备进行检验和维修的决策分析。高风险设备并不是损坏到无法使用，必须立即更换，而是要进行损伤检验，在特定的条件下，检验结果具有较高的可靠度时，可将设备的风险等级降至中风险。

2.2.2 损伤监测与诊断

使用损伤监测与诊断的情况有以下几种：①对中或高风险的石化设备进行损伤监测与诊断，以获取损伤的发展趋势，用与该趋势相符的损伤速率，估算设备的风险等级；②当发现损伤状态存在改变的可能性时，需要对设备进行损伤监测与诊断，据此确认损伤状态；③在确认设备维修的风险集中因素时，依托损伤监测与诊断，能确认具体的影响因素。从上述情况可以看出，损伤监测与诊断，适用于有潜在危险的情况，由于监测与诊断过程需要使用大量的资源，导致成本增高。因此，要在隐患大的前提下使用，保证成本与效益成正比。

2.2.3 维修决策

在确认最终的维修计划时，要对高风险设备进行风险因素分析，确定出具体的维修范围，并评价维修产生的效益。以上环节要以损伤监测为基础，风险因素分析就是损伤诊断过程，确定维修范围时要对划定的范围开展损伤监测，评价维修效益是维修风险成本效益的确定。

2.3 设备检验决策

2.3.1 检验决策

腐蚀是引起石化设备损坏的重要原因之一，在石化生产过程中，腐蚀机理虽然较多，但设备损伤形式却并不多，主要有减薄（局部或均匀）、裂纹、点蚀穿孔等。以上损伤形式中，点蚀多为瞬时发生，随着时间的推移，发生率会大幅衰减，此类损伤具有较强的随时性，基本上无任何规律可循。检验时，可以采用超声扫描，发现点蚀必须及时维修；裂纹主要与应力有关，当石化设备出现裂纹后，需要停机维修，而停机会影响正常生产，为降低停机造成的损失，可对应力集中严重的部位进行超声扫描。而减薄需要估算采样数量。

2.3.2 损伤监测决策

当风险控制无法以定量控制作为前提时，便需要开展损伤监测决策，通过对损伤速率与发展趋势的监测，以损伤状态为判据，实现损伤监测决策。由于具体决策时，决策目标为设备的计算壁厚，故此要保证决策的安全性。基于这一前提，应充分考虑各种影响因素，如工艺、生产计划以及各种不确定和随机因素等。

2.4 维修决策

2.4.1 维修策略决策

石化设备的维修决策要以保障安全为基础，以节约成本为目标，通过对维修资源的优化配置，完成维修任务。由基于风险的检验与维修相关理论可知，设备故障根除维修的占比为50%，预知与预防性维修的占比为42%，被动维修的占比为8%。静、动设备的经济损失来源不同，前者与停车时长有关，后者与维修费用有关。在实际生产中，检验与维修是减少静设备停车最为有效的途径之一，由此能够使设备的安全性得到可靠保障。可见，静设备的经济性与安全性具有统一性的特点。基于此，构建多目标优化模型的过程中，可将设备安全作为前提条件，对经济指标全面优化。具体做法如下：从所有设备中，找出风险集中的设备，用于诊断确定风险集中的原因，通过维修解决问题，延长设备运行周期，优化经济效益。

相关研究结果显示，当风险发生变化时，会出现比较明显的集中现象，具体体现在会向更高风险设备单元集中的趋势，这种情况在某些工艺环节中较为常见。主要原因是损伤设备的失效概率增速明显加快，风险的变化速度随之加快。依托风险开展回归分析时，可用回归斜率表征设备缺陷，用回归截距表征设备损伤的基本和变化特征，以此来区分不同环节存在的问题。

石化设备维修决策中，安全性是前提，在这一基础上，增加可用度，即设备运行周期，将其作为维修决策的考量指标。石化设备的可用度与设备的可靠性及其增量密切相关。制定维修方案时，要充分考虑维修后设备所能达到的状态，还要考虑可靠性的增量状态。维修优化时，以工艺环作为决策单位，采用调整可靠度的方法，提高可用度，并在允许的范围内，适当延长维修周期。在考虑维修成本的前提下，将设备当年运行产生的净收益与承担风险的差值作为优化指标。通过分析该指标发现，设备的构成要素为工艺环，设备的最佳运行周期与工艺环有关，所以在确定设备连续运行周期后，其中最短的时间跨度，就是最佳的维修方案。

例如，石化生产中的减压转油线，设备的基本参数如下：内径为1 800mm、操作压力与温度分别为0.1MPa和382℃，入料支管的数量为4根，腐蚀入口出现局部减薄的现象，经现场测量得到如下厚度数值：7.48mm、4.04mm、5.73mm和6.60mm，最大的损伤速率为0.86mm/a。由生产实际情况可知，该设备24h不间断运行所能创造出来的产值约为1 000万元，产品的净利润为5%，设备运行时间为8 000h/a，每次非计划停车的损失约为4 000万元，维修费用在40万元左右，定检周期为3a/次。基于损伤监测状况，采用包覆的方法，对该设备进行维修，需要停车7d，以最大损伤速率为依据，利用优化模型，可以计算出设备中最薄点位的情况。由计算结果可知，在备件充足的前提下，选择正确的维修方法，能够显著缩短设备停车时间，收益大于安全风险，维修策略合理可行，能达到延长石化设备维修周期的效果。备件不足的情况下，停车时间会增加至20d，按照优化模型，次减薄点的最佳维修时间为5d。从中可以看出，维修方案会影响维修计划。

2.4.2 定量评估

在制定石化设备维修策略时，可以工艺环作为基本单位，实践表明，工艺环能发现短板问题，基于这一前提，设备维修前后的风险，可以通过最短板来衡量。当静设备维修后，其风险状态会发生改变。因此，评价维修效益时，可将风险状态作为重点内容加以考虑。

2.4.3 维修设计优化

早期的石化设备在设计时，基本上都是以满足生产使用条件为目标。随着技术水平的不断提升，使得设计目标发生改变。现阶段，设计石化设备要消除损伤引起的风险短板，这一目标的实现，应确保设备与损伤机理之间具有高度的匹配性。由于石化设备受腐蚀影响较为严重，所以将控制腐蚀及优化可靠度作为设计优化的主要依据，并基于风险构建设计模型。

石化设备设计中，选择与腐蚀机理相匹配的材料，是较为简单且有效的防腐措施。在防腐过程中，要对相关的影响因素全面分析，尤其是材料与腐蚀机理的匹配问题，从设计方面采取优化方法，避免匹配状态遭到破坏，这个过程实质上是以风险控制为目标，对设备腐蚀进行控制设计。通过选择最为合理的工艺，并设定工艺参数，使石化设备的腐蚀问题能够得到主动控制，采取有效的防腐措施处理腐蚀，由此能够降低设备的防腐成本，并在运行期间能够主动应对腐蚀问题。基于风险的腐蚀控制设计过程如下：先全面分析工艺风险，明确风险增量，随后选择适宜的工艺流程，制定设计方案，构建防腐工艺控制系统，引入损伤监测和风险报警。

石化生产过程中，设备管道紧密相连，一旦某个设备出现问题，便会影响生产，进而造成一定的损失。换言之，引起停产损失的关键因素是风险集中的设备。当关联设备能够平摊风险时，或是在设备达到维修周期时，风险均达到决策阈值，会使设备的维修频率获得有效控制，并且还能简化维修决策。大型石化设备的运行环境较为特殊，除了设备本身要有足够高的安全系数外，还应当有较长的使用寿命，实际设计时，是按整套设备设计使用年限。同时，设备工艺环具有不同的特点，各类设备的腐蚀机理存在一定的差异，在这一前提下，很难实现整个设备单元的风险设计。大量实践表明，管道和小型设备发生事故的概率要高于大型设备。基于此，可在风险设计中，以工艺环作为主要目标，针对风险和损伤状态，在满足工艺要求前提下，使设备达到风险均衡，以此来提高可用度和可维修性。