风险维修策略在石化系统检修周期优化中的应用

Inspection/M aintenance Optimization for Petrochemical Systemby Risk Based Maintenance StrategyYANG Qinghao ，HU Haijun ，WANG Mingkun ，QIAO Yulong。

(1.College of Materials Science and Engineering，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China2.School of Chemical Engineering and Technology，Xian Jiaotong University，Xian 710049，China；3.The No.1 Gas Production Plant of Petro China Changqing Oilfield Company，Xian 710061，China)Abstract： The maintenance effect in strategy of periodic preventive maintenance and periodicinspection/maintenance for petrochemical equipment is discussed.The proportional age reductionmodel and the delay time model with imperfect inspection maintenance are used to evaluate theequipment reliability.Improving the risk based maintenance(RBM)strategy，both objective andsubjective methods are given to determine the reduction of equipment failure probability to keepsubsystem risk under acceptable risk criterion. A model involving imperfect maintenance ispresented to determine the optimaI maintenance and inspection intervals. The improved RBMstrategy is applied to the inspection optimization of a reforming reaction system (RRS). Theresults show that the risks of all subsystems in the RRS are acceptable when the inspectionintervals of heat exchanger E201A/g，reactor R201R204，water cooler E202A/B and air coolerA2O 1 are reduced to 9 months。

Keywords：maintenance effect；risk based maintenance；inspection/maintenance optimization；reforming reaction system石油化工系统运行在高温、高压或腐蚀的环境 下，-直是重大事故的多发地，维修可以提高石化装收稿 日期：2012-12-20。 作者简介：杨庆浩(1977～)，男，讲师；胡海军(通信作者)，男，讲师。 基金项 目：国家 自然科学基金资助项 目(51105295)。

网络出版时间：2013-04-17 网络出版地址：http： /kcms/detail/61.1069.T.20130417.1134.001.html第 6期 杨庆浩，等：风险维修策略在石化系统检修周期优化中的应用备和系统的可靠性及安全性。随着石油化工系统规模和复杂程度的增加，维修所需要的人力和物力都在持续增长。据统计，在炼油企业中从事维修的人员多于总人数的 30 ]。化工企业中总的维修费用约占企业运行费用 的 2O ～50 [2]。因此 ，对石化系统的维修策略进行优化，在确保系统安全的前提下降低维修费用，具有重要 的理论研究意义和工程应用价值 。

维修策略优化-直受到众多学者的关注，文献[1-5]对维修策略的种类和优化模型进行综述。主要的维修策略包括以固定周期维修为主的预防性维修(PM)策略、视情维修(CBM)策略、以可靠性为中心的维修(RCM)策略，以及近年发展起来 的基于风险的维修(RBM)策略。石油化工系统中的 8O 风险是由2O%的关键设备带来的[6]，集中维修资源对关键设备进行维修并提高其可靠性，既能有效地降低系统的风险，又能节省维修费用。RBM将风险作为确定设备维修优先顺序的准则，仅对超出风险要求的设备制定预防维修计划，在维修费用和风险两个方面同时达到最优 ，比较适合于石油化工 系统的维修策略优化。

RBM 策略在工程 中已经得到成功 的应用。文献[7]提出了-个完整的 RBM 策略，假设设备维修效果是理想的，利用故障树技术和指数评分方法计算故障概率和后果，采用逆故障树方法”计算设备的最大许可概率，并由此确定设备的预防维修周期。

文献IS]将该策略成功地应用到环氧乙烷生产装置中，计算系统发生火灾、爆炸事故的风险，并用社会风险接受准则和个人风险接受准则对系统风险值进行评价，制定新的维修计划，使得系统风险满足要求。文献[9]对发电厂企业实施 RBM 策略来减少经济损失风险。文献ElO]为 RBM 策略补充了-种贝叶斯方法来计算故障概率。文献[11]为过程企业提出了实施 RBM策略的过程和实例。文献[12]应用 RBM策略对某 300 Mw 机组数字电液(DEH)控制系统的维修计划进行分析优化，将 DEH控制系统分成 4个子系统 ，风险分析和评价结果表明，4个子系统的风险均超出可接受风险，并由此对各子系统下的设备维修周期进行了优化。文献[13]在RCM决策方法上引入了风险评价的内容，并根据评价结果进行逻辑决断分析，最后对中石化某 乙烯装置旋转机械进行案例分析，提出了维修和监测、检测建议 。

然而 ，在上述研究 中，制定维修计划时都假设设备采用固定周期的预防维修方式，而且维修后设备达到好如新”的状态 ，这与工程实际不符。在石化系统中，动设备普遍按固定周期进行预防性维修(即定期维修模式)，而静设备-般按固定周期进行检测并根据检测结果判断是否进行维修(即定期检修模式)，另外小修和中修也不能将设备恢复到好如新”状态 。

本文分析了石化装备的维修模式和维修效果，考虑其对可靠性的影响，提出了两种确定设备故障概率消减幅度的方法，应用 RBM 策 略对某石化 系统中的关键设备制定优化的维修方案，使系统的风险满足风险准则的要求 。研究结果对石化系统风险分析和维修优化具有重要的指导意义。

1 石化装备的维修模式和效果1.1 维修模式目前，石油化工企业采用的维修方式包括定期维修、定期检修、日常维护、定期更换以及抢修等。

按照石油化工设备维护规定和手册口 ，大部分动设备(机泵)需要执行定期维修，如定期进行小修、中修和大修。大部分静设备(换热器、储罐、反应器)需要执行定期检修，如对换热器进行定期外部检测和内部检测，如果检测时发现缺陷，则进行维修。日常维护是指按天、周对设备进行擦拭、清扫、润滑、调整等- 般护理，-般认为对设备的可靠性没有影响。定期更换主要针对易损耗、低值部件，如爆破片、垫片等。早期大部分石化装备执行的是抢修和定期大修相结合的方式，随着预防维修等理念的深入，这种方式逐步转变为定期维修或定期检修。

除 日常维护外 ，石油化工设备主要执行定期维修和定期检修 ，周期如表 1所示 。

表 1 部分石油化工设备检测和预防维修的周期L1序号 设 小 期 ～ 期1 机泵 3 6～12 24362 离 心式压缩机 3 6～12 24363 电机 、发 电机 3 6～12 24～364 压 力容 器5 加热炉6 管线1212l224～ 3624～ 3624～ 36http I . dxb.cn http tf zkxb.xjtu.edu.cn西 安 交 通 大 学 学 报 第 47卷1.2 维修效果根据维修效果 ，维修活动通常分为 3类3]。

(1)理想维修 。理想维修可 以发现和修理设备所有的隐患或缺陷，修后的设备如同新的-样，即达到好如新”状态。理想维修等同于更换。

(2)最小维修。最小维修仅使设备恢复运行，几乎不对部件缺陷进行修理，修理前后设备的故障率不发生变化，修后的设备和修前的设备-样，即达到坏如旧”状态 。

(3)非理想维修。维修的效果介于最小维修和理想维修之间的维修称为非理想维修 。经过非理想维修后，设备消除了部分缺陷，能重新运行，但比全新设备更容易发生故障。产生非理想维修的原因包括：①维修方法或技术手段的限制；②维修资源的限制 ；③维修质量的限制1 。

根据维修效果的定义，日常维护可以认 为是最小维修 。在定期维修 中，小修 如果是更换垫片 、校正、更换油封等工作，也可以认为是最小维修。大修是最彻底、最全面的维修，大修会对设备进行全面的检测 ，尽量消除潜在隐患和缺陷，大修后的设备基本等同于新设备，因此其效果可以认为是理想的。从内容上看，中修-般包括小修内容，中修的效果-般会比小修的好，但中修仅对关键部件进行检测和预防维修，其维修效果比大修的效果差，因此可认为是非理想维修。在定期检修中，如果在检测时发现缺陷，则立即进行维修，此时的维修称为检测维修。由于生产的要求，检测维修要在旧能短的时间内完成，另外如果缺陷能拖到大修时再修理，则尽量不对设备进行修理 ，以减少停工时间。检测维修不-定能完全修理设备所有的缺陷，故其效果可以认为是非理想的。

如果设备在预防维修或检测维修的间隔内发生故障，则进行事后维修(故障维修)，此时设备-般会进行停机修理 ，多数情况下设备需要从流程 中切换出来，如有备用设备则将其投入工作。故障维修中清扫环境、准备零件、修理等环节的平均耗时会比预防维修 (检测维修)长 ，因此可以进行更多的检测 ，维修也比较充分。另外，设备发生故障时，其可靠性会受到更多的关注，此时除了修理受损部件外，还要尽量检测和修理其他缺陷部件，防止设备在短时间内再次发生故障。因此，两种模式中的故障维修可认为是理想维修。

2 石化装备的可靠性分析可靠性是计算风险、制定维修计划的基矗对采用定期维修模式的设备，假设其故障率服从双参数的威布尔分布，且用 比例役龄模型1。 描述其 故障-维修”的过程，则其可靠性为R(x，T)：exp∑A ( T)-以川( ))(1)式中：z为当前时间(月)；T为预防维修周期(月)；k-L T IA )- - ]f；卢、0为威布尔分布的形状参数(月)和尺度参数；lD为提高因子，表示维修效果，p∈Eo，1]。

对于采用定期检修模式的设备，采用包含非理想维修模型的延迟时间模型描述其故障-维修”过程规律，其可靠度为[1R(x，T)-∑Pm( ，T)(1-lg斗 (u)duI gi1F汁1(z-iT-)du) (2)式中 P (走，丁)-k-1 r( t)T：P ( ，T)I g斗1F汁1(( - )T-)duz三 J(k-i-1)Tg汁1( ) ( A )exp～I (s)ds、 J Ai ，( )为 缺 陷 初 始 的 瞬 时 发 生 率；F计 ( )-exp-I (s)ds， ( )为故障初始的瞬时发生率。 J△ ，3 基于风险的维修策略优化3.1 基于风险的维修应用 RBM 策略前需要将系统划分为多个子系统 ，子系统由共 同完成某-特定的功能设备组成，是进行风险评定的最小单位[7 ]。划分子系统后 ，需要对这些子系统 逐个应用 RBM 策略确 定维修计划 ，流程如图 1所示 。

(1)危害分析 ：分析系统可能出现的危 害(人员伤亡、环境污染和经济损失)，并挖掘造成这些危害的原因和过程 ]。在石油化工系统中，设备故障引起系统停机的概率比引起人员伤亡、环境污染的概率高得多，而且系统停机的单 日经济损失比较大，因此将系统产生高额经济损失作为主要的危害～这种危害定义为系统故障，并以系统故障为顶事件，子系统故障作为中间事件，设备故障作为底事件，根据系统的工艺流程、功能结构和操作逻辑 ，建立起故障树，分析设备故障对系统产生经济损失的影响。

http：/ http：∥zkxb.xjtu.edu.cn第 6期 杨庆浩，等：风险维修策略在石化系统检修周期优化中的应用开始将系统划分为多个子系统选择-个子系统塑兰 兰I I生墨 竺II风险计算1 . 生 .I 氅 塞l l制定维修计划> 兰 - -回 设备故障的经济后果可以由故障平均维修费用、平均停工时间以及单位时间停机损失估算得出。子系统的经济后果是其包含设备的经济后果的平均值。

(3)概率计算：计算子系统故障的概率。如果底事件是设备故障，则底事件的概率即设备 的故障概率，由底事件的概率计算子系统故障的概率。

(4)风险计算 ：子系统的风险值为子系统故障概率和故障后果的乘积。

(5)风 险评定 ：判断子 系统风险值是否 可 以接受。由企业平均运行成本计算子系统的平均经济损失 ，由此确定子 系统 的可接受风险水平 。如果子系统的风险高于可接受风险水平，则该子系统是高风险子系统，需要对其所属设备制定新的维修计划。

(6)制定维修计划 ：确定高风险子系统中设备的维修或检测周期。高风险子系统需要降低其故障概率 ，根据风险准则的要求 ，计算高风险子系统包含设备的最大许可故障概率，由此计算设备的优化维修周期，使设备的故障概率小于其最大许可故障概率。

目前，RBM 策略研究仅考虑设备采用定期维修模式而且维修效果是理想 的情况，导致步骤 3中的概率和步骤 6中的维修周期计算不准确。此外，制定维修计划时认为所有的设备都可以通过预防维修降低故障概率 ，忽略 了设备故障率 可以服从指数分布的情况。本文针对这些不足进行修正 。

3.2 维修计划由于石化装备主要采用定期维修和定期检修方式，考虑到非理想维修的作用，步骤 3中的底事件的概率为q- 1- R(z，T) (3)式 中： ( ，丁)根据式(1)和式(2)计算得出。

高风险子系统需要对其包含设备的维修计划进行修正 ，以降低子 系统 的风险值。首先要计算设备的最大许可故障概率，并由此计算出设备新的维修或检测周期 。

如果底事件是设备发生故障，子系统故障的概率 Q可表示为Q- f(q1，q2，，qN ) (4)式中：.厂(·)为概率函数；q 为第i个事件的发生概率，由式 (3)确定 ；N。为底事件数量 。

对设备进行定期维修或定期检修活动，减小设备的故障概率，从而降低子系统故障的概率。然而，设备的故障率可能服从指数分布，则定期维修和定期检修对故障概率无影响，此时不需要进行预防性维修。假设-个子系统中有 Nw个设备的寿命不服从指数分布(Nw≤N )，为了降低顶事件的发生概率，前 Nw个设备需要将其累积故障率从 q 降到(O%Oi≤1，O< ≤Nw)，此时顶事件的概率为Q - f(01ql，，Oiqi，，ONw qNw，qNw ”，qN。)(5)式中：0 为第 i个底事件的故障概率消减系数；Nw为子系统 中寿命不服从指数分布的设备总数 。

Q 可以根据风险准则预先确定。Q 是子系统的最大许可故障概率，如果子系统的概率超过该值，则子系统的风险不能满足风险准则的要求。0 表示各设备降低故障概率的幅度， 受设备的可靠性、可靠性提高费用和运行要求的制约。改善串联系统中设备的可靠度对提高系统可靠度的效果更好；静设备的检测、维修费用-般比动设备的费用高，增加动设备的维修次数来提高系统的可靠度会比较经济。

考虑以上因素 ，企业 的专家对提高何种设备的可靠度会有所偏重 ，因此可 以根据专 家的主观意见确定各设备故障概率消减比例。另-方面，子系统-般是由结构、功能类似的设备组成的，系统中设备降低故障概率的难度和费用相差不大 ，如果没有特殊要求，可以让子系统中的所有设备按同-个比例降低其故障概率。

基于以上原因，本 文提 出两种计算故 障概率消减系数 0 的方法。

(1)主观方法。假设各设备按比例 0 -W 0 降低其故障概率，其中 为故障概率降低的基本比例http：// http：/zkxb.xjtu.edu.cn西 安 交 通 大 学 学 报 第 47卷单位，叫 为各设备的权重系数。专家根据设备可靠度改善的难度 、费用和相对重要性对 叫 进行评分 ，并对 进行归-化处理～ 0i-训 0 代入式(5)，运用迭代法求得 0 ，最后得到 0 。

(2)客观方法。假设所有设备按相同的比例消减其故障概率，即令 0 Oo：const(O%i≤N )～0。代入式(5)，运用迭代法可以获得 的数值解。

石油化工系统会 以固定周期 T (T 24～36月)执行大修，大修是下-个更新过程的起始点。风险准则规定了在-个时间间隔 AT(T >△T)内，子系统的最大可接受风险值(通常 AT12月)。为 了满足子系统在每个 △T内的风险都满足风险准则 的要求，本文提出-种非理想维修周期的优化模型，即max 厂- 丁l 、约束条件 l ，1-R (NAT，T )≤ mq：fN - 1，2， ，N j式中：N 为在-个大修周期内上述时间间隔的总数，N。-L T /ATj；T 为第i个设备的预防维修周期或检测周期(月)，是决策变量；R (NAT，T )采用式(1)和式(2)计算。周期 越长，则在-个大修期间内进行的检测或维修次数越少，总费用越低。在炼油企业，所有的设备大修周期是相同的。令 T- (N 1)T ，式(5)等价为min -厂- N 、约束条件 l1-R (N△T， Nq (7)NN. j -l，2式 中：N 为第 i个设备在大修期 间的维修 或检测次数。

计算出各设备的最徐测或维修次数 Ni，即可求出对应的周期 丁 。周期 还需要根据企业的运行要求进行调整 。

4 基于风险的维修策略的应用对某石化企业连续重整装置的重整反应应用RBM进行维修优化。首先根据设备的维修记录对其可靠性参数进行估计，计算设备的可靠性；然后根据设备故障的平均维修费用、平均停工时间以及单位时间停机损失估算故障后果；最后计算各设备的风险值 ～该系统分为 9个子系统，其中每个设 备的风险如表 2所示1 。

以重整反应系统产生高额经济损失为顶事件建立故障树，其中子系统故障为中间事件，设备故障为底事件。子系统的故障概率由式(4)计算得出，子系统的故障后果为其下属设备故障后果的概率加权平均值 ，即NqNqC -∑q C /∑q (8)2 l i l式中：C 为子系统中第 i个设备 的平均故障后果(万元)。

表 2 设备的故障概率和故障后果口序号 子 系统名称 设备 C /万元经济损失的风险准则并没有统-的标准，可以根据企业的年维修费用和停机损失确定该准则l9]。

据统计 ，连续重整系统 中每个子系统的故 障损失约为 15.238 15万元 ·a-，由此确定子系统的可接受风险水平为 15万元 ·a [1 。经济风险准则为 ：如果子系统的经济损失风险不超过 15万元 ·a-。，则风险可以接受。如果子系统的风险不能满足风险准则的要求 ，则需要对其所包含的设备进行维修优化，使子系统的风险降低到 15万元 ·a 以下。各子系统风险评定结果如表 3所示。

htp： http：fzkxb.xjtu.edu.an第 6期 杨庆浩。等：风险维修策略在石化系统检修周期优化中的应用表 3 子 系统风险分析结果根据该准则，进料换热子系统 、反应子系统和冷却子系统不能通过风险评定，需要对其所包含的设备重新制定维修计划。加热子系统 的风险略高于可接受风险水平 ，为了避免维修过量 ，因此不需重新制定其下属设备的维修计划。

在-个大修周期(3 a)内，这 3个子系统每年 内的风险值都要满足风险准则的要求 ，由此计算 出各子系统 1 a内的最大许可故障概率。由于这 3个子系统 内设备的结构、功能类似，因此可采用等比例方法确定设备的故障概率消减系数 ，并对式(5)进行迭代 ，计算 出设备的最大许可故障概率 ，根据式(7)，计算出设备满足风险准则要求的理论最优维修周期 ，计算结果如表 4所示。

如果严格遵循风险准则的要求 ，需要将进料换热器 E201A/B、反 应 器 R201～ R204和 水 冷 器E202A/B的检测周期调整为 6个月，但过短的检测周期会消耗较多的人力物力。如果将这几个设备的检测周期调整为 9个月，由此给各子系统增加 的风险可以忽略，此时 3个子系统中的所有设备均按 同- 周期检测，便于施工和管理。分析结果表明，按等比例方法确定设备故障概 率降低幅度是合理的，改进后的 RBM 策略可以更合理地为非理想维修条件下的石油化工设备制定最优检测周期 。本文的研究成果为 RBM 策略在石油化工系统 中的应用打下基础 ，为提高石油化工企业的经济性和安全性提供 了理论依据和技术支持。

5 结 论(1)维修模式和维修效果会影响石化设备的故障过程和可靠性。对石化企业 中的定期维修和定期检修 的效果进行分析 ，定期维修中的小修可认为是最小维修，中修可认为是非理想维修，定期检修 中的检测维修可以认为是理想维修，在这两种维修方式中，故障后的维修或定期大修都是理想维修。

(2)建立了计算设备故 障概率的消减系数的主观方法和客观方法，并提出-种计算非理想维修周期的优 化 模 型 ，从 而对 RBM 策 略 进 行 改 进，使RBM策略能为执行定期维修、定期检修的设备制定非理想维修条件下的维修、检测周期。

(3)将改进后 的 RBM 策略应用 于某 重整反应系统的维修优化 中～系统划分为 9个子系统 ，确定子系统可接受风险水平为 15万元 ·a-。风险评定结果表明，进料换热子系统、反应子系统和冷却子系统的风险值超标，需要对其制定新的维修计划。

当进料换热器 E201A/g、反应器 R201～R204、水冷器 E2O2A/B、空冷器 A201的优化检测周期为 9个月时 ，子系统的风险可以满足风险准则的要求 。改进后的RBM 策略可以更合理地为非理想维修条件下的石油化工设备制定最优检测周期 。

表 4 案例维修优化结果http：// http：/zkxb.xjtu.edu.cn136 西 安 交 通 大 学 学 报 第 47卷