葉 劍，軒軍廠，楊建坤

(1.中海油能源發(fā)展裝備技術有限公司，天津 300452；2.中海油安全技術服務有限公司，天津 300452)

隨著以大規(guī)模自動化生產(chǎn)為特征的現(xiàn)代工業(yè)飛速發(fā)展，生產(chǎn)裝備在所有的生產(chǎn)要素中扮演的角色日益凸顯。在這樣的趨勢下，設備管理這一“古老”專業(yè)再次煥發(fā)出新的生機。在經(jīng)歷了生產(chǎn)維護、全員維護等不同的設備管理方式之后，完整性管理(AIM)理念為重資產(chǎn)行業(yè)的設備管理者提供了新的發(fā)展方向。在石油石化領域，近年來發(fā)生的一系列重大事件讓人們意識到，災難性事故的發(fā)生往往是由設備設施本身的故障或隱患導致的。為控制此類風險，需要從設備設施本質(zhì)安全和全生命周期入手，以整體優(yōu)化的方式提升設備設施的可靠性和可操作性。正是由于完整性管理很好地契合了上述兩點需求，各大石油公司開始或逐步實施完整性管理[1]。本文以FPSO這一特定場景為例，總結(jié)和探討動設備完整性管理的方法和實踐經(jīng)驗，供同行業(yè)設備管理人員參考。

1 設備設施完整性管理與以可靠性為中心的維修技術

1.1 設備設施完整性管理的定義

設備設施完整性是指以安全和可靠為目標，以設備設施物理結(jié)構(gòu)完整和功能完整為表現(xiàn)形式的一種受控的服役狀態(tài)[2]。完整性管理是借助于合理的評估評價方法和有效的監(jiān)檢測技術，掌握設備設施的失效機理和失效趨勢，識別運行中的風險，根據(jù)風險和完整性等級制定維修策略，確保安全性、功能性和經(jīng)濟性動態(tài)平衡，實現(xiàn)資產(chǎn)管理的可用性和安全性目標。

1.2 完整性管理的主要方法

從技術層面看，設備設施完整性管理包括基于風險的檢驗計劃和維護策略，其核心是利用風險分析技術識別設備失效的機理、分析失效的可能性與后果，確定風險等級；根據(jù)風險排序制定有針對性的檢維修策略，并將檢維修資源從低風險設備向高風險設備轉(zhuǎn)移。技術實現(xiàn)的主要方法包括針對靜設備和管線的基于風險的檢驗(RBI)技術、針對動設備的以可靠性為中心的維修(RCM)技術和針對儀表系統(tǒng)的安全完整性等級評估(SIL)技術。RBI、RCM和SIL共同構(gòu)成了完整性管理的核心工具體系。

1.3 RCM技術的基本策略和應用現(xiàn)狀

RCM技術是一種維修理念、維修策略和模式，是依據(jù)可靠性狀況，應用邏輯判斷方法確定維修大綱，達到優(yōu)化維修目的的技術方法[3]。其核心思想主要是：對設備(系統(tǒng))進行功能與故障分析，明確系統(tǒng)內(nèi)各故障的后果；用規(guī)范化的邏輯決斷方法，確定出各故障后果的預防性決策；基于數(shù)據(jù)統(tǒng)計、專家評估和量化建模等手段在保證安全性和完好性的前提下，以停機損失和維修成本綜合最小為目標優(yōu)化設備(系統(tǒng))的維修策略，避免維修不足和維修過度。

2000年以后，國內(nèi)石油公司逐漸開始應用RCM技術，除了借鑒BP、殼牌和康菲等業(yè)內(nèi)領先企業(yè)的做法外，更多的源自于DNV、BV和SKF等咨詢公司的技術引進[4]。隨著認識的加深，三大石油公司已經(jīng)有意識地把RCM技術作為動設備管理的基礎性工作之一。例如，中國海油在集團公司范圍內(nèi)開展了動設備完整性管理標準化的工作；中國石化以場站為單位建立了RCM管理體系[5-6]。但RCM的最終策略很大程度上取決于作業(yè)環(huán)境，由于國內(nèi)起步較晚加之基礎數(shù)據(jù)不足，對不同的特征場景下的解決案例還很少。例如，渤海某油田針對柴油發(fā)電機、起重機等單一設備積累了大量實踐經(jīng)驗，但分析過程缺乏足夠的系統(tǒng)性；廣東某煉油廠以加氫裂化裝置、乙烯裂解裝置等生產(chǎn)流程為對象開展了RCM分析，但相關的評價準則、維修策略等可移植性較低。

2 RCM技術在FPSO動設備管理中的應用

為提升設備管理水平，2016年中國海油對南海東部油田某FPSO動設備進行了RCM技術與風險分析技術應用。

2.1 參考標準

美國海軍和美國機動車工程師學會(SAE)最早開展RCM的標準化工作，SEA JA1011給出了用以判斷是否為RCM方法的準則，是開展RCM分析所要遵守的最基本原則。綜合考慮國內(nèi)相關研究成果和海洋船舶的作業(yè)環(huán)境，選用參考標準見表1。

表1 FPSO RCM分析參考的標準

2.2 基礎數(shù)據(jù)采集

基礎數(shù)據(jù)采集是RCM分析的第1步，也是關鍵的一步。從本質(zhì)上講，RCM是一個分析評估過程，只有數(shù)據(jù)的準確度和完整度達到標準，才能得出符合實際情況的分析結(jié)果。參考GJB 1378A—2007、GJB 451A—2005、SAE JA1012和ISO 14224—2007等標準要求，需要收集的FPSO相關數(shù)據(jù)見表2。

表2 FPSO動設備RCM分析需要的基礎數(shù)據(jù)清單

2.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

該項工作的目的是要對采集的基礎數(shù)據(jù)，尤其是對運行數(shù)據(jù)和檢修保養(yǎng)數(shù)據(jù)進行歸納、總結(jié)，分析、篩選出發(fā)生的故障模式，以及某一類故障出現(xiàn)的頻率、部位和影響等可靠性參數(shù)。例如，某壓縮機3年發(fā)生排氣閥泄漏故障2次，造成排氣溫度過高和意外停車各1次。通過統(tǒng)計分析，梳理成相對結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)，為風險分析和維修策略的制定提供理論依據(jù)。

2.4 系統(tǒng)劃分

系統(tǒng)劃分的目的是把裝置(FPSO)劃分為若干個評價單元，按照系統(tǒng)和設備等2個層次開展篩選和分析。通過篩選找出絕對低風險系統(tǒng)，對這類系統(tǒng)不再詳細分析，只需保持糾正性維護或最低的監(jiān)控等措施，把有限資源重點應用到高風險系統(tǒng)和關鍵設備上。根據(jù)FPSO的功能和結(jié)構(gòu)特點，劃分為原油處理系統(tǒng)、原油計量系統(tǒng)、生產(chǎn)水處理系統(tǒng)和冷放空系統(tǒng)等26個生產(chǎn)系統(tǒng)。

2.5 系統(tǒng)與設備篩選

RCM工作需要根據(jù)工藝流程特點、設備運行情況、安全生產(chǎn)、環(huán)境法規(guī)以及業(yè)主資產(chǎn)管理要求等，綜合制定風險可接受準則，用于系統(tǒng)和設備篩選。風險準則同時考慮失效可能性和失效后果。失效可能性考慮的因素包括設備的有無備用、設備的失效歷史、設備實際運轉(zhuǎn)時間、流體介質(zhì)和操作條件等；失效后果考慮的因素包括安全、環(huán)境、生產(chǎn)損失和維修成本等4個方面。風險準則往往以風險矩陣的形式呈現(xiàn)，一般為多階矩陣。

考慮到FPSO處于“孤立”的海洋環(huán)境，海洋污染可能造成的巨大生態(tài)損失、經(jīng)濟損失和企業(yè)形象損失，以及設備進口率高、備件庫存小的現(xiàn)狀，經(jīng)與設備管理人員研討、修正，得到最終的風險準則——制定截斷值，只定義高、低這2檔風險，這樣就能得出相對更加保守的結(jié)果。具體的篩選矩陣如圖1所示。

失效可能性風險等級高失效概率 中風險:執(zhí)行詳細的RCM評估,維護策略需考慮降低失效概率,具有成本效益 高風險:執(zhí)行詳細的RCM評估,維護策略需要考慮降低失效概率,同時識別降低后果的措施低失效概率或可以忽略 低風險:最低監(jiān)管和糾正性維護 中風險:執(zhí)行詳細的RCM評估,維護策略需確保設備低失效概率和具有成本效益,同時識別降低后果的措施失效后果 可接受的失效后果 不可接受的失效后果

圖1 FPSO RCM系統(tǒng)和設備篩選矩陣

考慮FPSO的作業(yè)環(huán)境，系統(tǒng)篩選和設備篩選以6年內(nèi)不發(fā)生損壞為基準。其中，如有備用設備，則這些設備的功能失效一起考慮，對于多臺設備同時使用，短期內(nèi)切出部分仍能滿足系統(tǒng)負荷80%的情況，按照有備用設備考慮。若單臺設備切出維修，不造成系統(tǒng)失效，則認為失效概率低。

失效后果包括：安全后果，以不允許任何傷亡為基準；環(huán)保后果，以內(nèi)部泄漏不允許超越含油水線為基準；生產(chǎn)損失后果，以50萬元及工藝流程所能承受的停產(chǎn)時間為基準；維修成本，以不超過10萬元或設備本身價值的1/3為基準。

按照風險可接受準則對26個系統(tǒng)、150臺設備進行篩選后，剔除低風險系統(tǒng)2個(所含設備全部為低風險)、低風險設備68臺，下一步將對中、高風險設備進行詳細的RCM分析。

2.6 故障模式及影響分析(FMEA)

對定性分析后篩選出的82臺中、高風險設備開展故障模式及影響分析(FMEA)。FMEA是定量分析和定性分析相結(jié)合的程序化工作，目的是針對中、高風險設備找出運行中潛在的故障模式及其影響后果，確定故障頻率，找出影響設備安全、穩(wěn)定、長周期運行的關鍵故障模式，分析潛在故障發(fā)生的機理及預防、解決辦法。FMEA的主要內(nèi)容包括故障模式、故障影響和故障頻率，即根據(jù)歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計所有可能發(fā)生的故障模式，分析所有故障模式可能造成的影響，結(jié)合歷史記錄和同行業(yè)專家經(jīng)驗值確定每種故障模式發(fā)生的頻率。

類似于設備篩選過程，故障模式風險等級同樣由故障模式發(fā)生的頻率和后果確定。評價準則包括故障頻率準則、安全后果準則、環(huán)境后果準則、生產(chǎn)損失準則和維修成本準則。不同的是，故障模式風險分析主要是定量分析，建立更加詳細的5×5風險評價矩陣，橫坐標代表故障后果，縱坐標代表故障頻率，橫縱坐標交叉位置就是故障模式風險等級。每種模式都要分別進行安全、環(huán)境、生產(chǎn)損失和維修成本風險評價，選擇最高的風險值作為該故障模式最終的風險等級。

2.6.1 風險評價準則

風險評價準則如下：1)故障頻率準則的制定綜合考慮歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果和用戶可接受程度，劃分為5個等級；2)安全后果由潛在的人身傷害、人身傷害嚴重度、健康風險、以及可能的火災及爆炸四方面因子確定；3)環(huán)境后果由污染物的種類、污染物的毒性、污染物排放量、影響面積、污染控制檢測和輻射檢測六方面因子確定；4)生產(chǎn)損失后果參考產(chǎn)量以非計劃停機小于年度運行時間的0.1%(8 h)為邊界劃分為5個等級；5)維修成本后果由資產(chǎn)管理目標確定，劃分為5個等級。風險評價準則見表3～表7。

表3 故障模式發(fā)生頻率評價準則

表4 故障模式安全后果評價準則

表5 故障模式環(huán)境后果評價準則

表6 故障模式生產(chǎn)損失后果評價準則

表7 故障模式維修成本后果評價準則

2.6.2 風險矩陣

以故障頻率為縱坐標，建立故障模式4種后果的風險矩陣，結(jié)合資產(chǎn)管理目標和風險可接受程度確定風險矩陣高、中、低等3個風險等級，對每一種故障模式進行風險識別。安全風險矩陣示例如圖2所示，其他風險矩陣不再詳細展示。

可能性故障后果5MMHHH4LMMHH3LLMMH2LLLMM1LLLLMABCDE

圖2故障模式分析的安全風險矩陣

對82臺中、高風險設備進行FMEA，從全部537項故障模式中識別出高風險故障10項、中風險故障110項，合計占比22.3%。在定量的RCM分析中，所有故障模式中風險等級最高的項決定了對應設備整體的風險等級，即只要設備存在高風險等級的故障模式，則其風險等級為高。經(jīng)過量化分析，進一步識別出高風險設備5臺、中風險設備36臺、低風險設備109臺(定性和定量分析分別剔除低風險設備68臺和41臺)。

2.7 制定檢維修策略

通過定性和定量2個步驟的分析篩選出了系統(tǒng)、設備和故障模式的風險等級，就可以制定有針對性的檢維修策略，把資源集中到高風險系統(tǒng)的高風險設備上，并重點關注對設備運行有關鍵影響的故障模式及其產(chǎn)生原因。對剔除的低風險設備采取較為經(jīng)濟的檢維修策略，避免維修過度。檢維修策略的制定在操作上是一個邏輯決斷過程，通過邏輯分析回答檢維修模式和檢維修周期兩方面問題。相關的成熟工具很多，本項目采用的是Orbit RCM軟件。

1)檢維修模式。檢維修模式包括狀態(tài)維修、預防性維修、改進性維修(更換、工程改進)、事后維修(糾正性維修)和探測性維修(故障原因試驗分析)等。對于低風險設備或非關鍵故障模式，采取事后維修策略，失效后進行維修或更換；對于中高風險設備，采取狀態(tài)維修能夠在保障運行的基礎上有效降低維修成本，但需要輔以足夠的狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)。如果狀態(tài)維修效果較差，應優(yōu)先選擇預防性維修策略并根據(jù)FMEA結(jié)果優(yōu)化維修周期。如果預防性維修效果較差，應考慮試探性維修和改進性維修，通過一次變更達到技術指標。

2)檢維修周期。檢維修周期是預防性維修的重要因素。預防性維修是在設備未發(fā)生故障前，預先按照計劃實施維修工作，防止失效發(fā)生和發(fā)展，以保持設備狀態(tài)良好。既然是事前處理就存在一定的盲目性，則周期過長，設備狀態(tài)得不到保障；反之，經(jīng)濟性不佳。為此，安全性和經(jīng)濟性之間的平衡是制定檢維修周期的關鍵。由于故障發(fā)生是客觀存在的，長期運行的設備零故障是不現(xiàn)實的，因此基于FMEA針對不同設備的不同故障模式截取可接受的故障頻率是優(yōu)化檢維修周期的基礎。一般情況下，設備故障的發(fā)生服從指數(shù)分布、Γ分布或威布爾分布[7-8]，利用這些模型可以得出相對科學的故障間隔，進而得到定期檢測、定期維修或定期更換的周期。

2.8 制定維修大綱

為落實檢維修策略需要制定維修大綱，用以描述維修任務的工作計劃，包括維修維護活動的時間、需要的人員、機具和備品備件等，使實際實施時更有操作性。為更有效地利用維修資源，可以根據(jù)檢維修模式打包任務包，例如，事后維修任務包、狀態(tài)維修任務包和技術改造任務包等。本次RCM分析的結(jié)果顯示大部分設備采取預防性維修策略，因此確定檢維修周期是整個項目的重點內(nèi)容?；贔MEA對原維修大綱中的365項維修任務進行優(yōu)化，維持原狀218項，由預防性維修改為事后維修14項，由預防性維修改為狀態(tài)維修64項，調(diào)整預防性維修周期12項，增加預防性維修內(nèi)容57項。

3 結(jié)語

安全性、可用性和經(jīng)濟性相平衡是設備管理所要實現(xiàn)的目標。完整性管理從系統(tǒng)工程的角度為實現(xiàn)上述目標提供了一種工作方式。但作為近幾年在國內(nèi)石油行業(yè)逐漸興起的技術，完整性管理體系的研究已經(jīng)比較深入，但在技術實施方面還缺乏足夠豐富的案例和可操作性強的標準做法，這就要求把RCM、RBI和SIL三大技術工具如何與典型的工業(yè)場景有效結(jié)合作為重點研究方向。本文以FMEA為主線，利用RCM技術分析指導了FPSO的動設備管理，并基于風險對設備和故障進行了排序，對檢維修策略進行了優(yōu)化。需要說明的是，在SAE的標準中有RCM分析的基本流程，但真實的RCM過程要復雜的多，在目前的技術環(huán)境下還需要分析人員具有豐富的經(jīng)驗。每個RCM項目的基本內(nèi)容都是以技術標準為基礎的，筆者認為對于不同的應用場景，制定有針對性的風險準則是成功與否的關鍵，這就需要在準則的研判上綜合多方面的技術要求，包括但不限于機械、電氣、工藝、操作、設備管理和生產(chǎn)調(diào)度等多專業(yè)、多工種。

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