作者：宋星星，余强。
第一作者简介：宋星星，男，1972年3月出生，硕士研究生学历，高级工程师，2004年毕业于石油化工科学研究院化学工艺专业，现在中石化巴陵石油化工有限公司煤化工部从事煤气化技术管理工作。
摘要：结合煤气化装置工艺和设备特点，分析煤气化设备功能、性能标准、故障模式、故障影响、故障后果和维修策略，介绍以可靠性为中心的维修管理实务，通过分析设备管理盲区的成因和对策，提出简单可行的可靠性管理绩效考核办法，应用以可靠性为中心的维修保养理论有效提升煤气化装置设备可靠性。
关键词：设备故障模式 盲区 可靠性 绩效考核
以气流床气化炉为核心的洁净煤气化装置是现代大型煤化工企业的龙头装置，后续通常配有合成氨、甲醇、甲醇制烯烃（MTO）、煤制油等工艺装置。煤气化装置一旦发生非计划停车，损失巨大，停车后恢复上、下游全系列生产需要1~3d，因此煤气化装置的可靠性对煤化工企业的安稳长满优运行有重大影响。煤气化装置对设备可靠性要求很高，主要体现在；①现场环境较差，空气中粉尘、水分、酸性气体含量较高，单机设备故障率高；②蒸汽消耗量与用电负荷较大，对循环水、仪表风供应可靠性要求高；③工艺介质高温高压、易燃易爆、有毒，且固体含量高，管道磨损严重，工艺安全风险高；④腐蚀机理众多且复杂，氯化铵凝华腐蚀、高温硫腐蚀、硫化氢露点腐蚀、氯离子腐蚀、保温层下腐蚀、氢致开裂等；⑤自动化程度高、联锁众多、控制逻辑复杂；⑥设备购置费用高导致单系列设置设备比较多，无备机，如大型空气压缩机机组、高压煤浆泵、激冷气压缩机机组等。
1现代可靠性工程理论简介
1.1定义
设备的定义：通过设计能在一定时间内实现特定功能的机器（包含软件和若干部件），如合成气压缩机、小汽车等。
维修保养的定义：确保设备能在一定时间内实现设计功能的作业，如更换轴承、更换机油、更换机械密封等。
以可靠性为中心的维修保养（RCM）的定义：一种确定某设备在运行期间维修需求的特定方法，执行维修作业后能确保该设备在预定使用条件和预定寿命下实现设计功能[1]。
1.2RCM关键问题
在运用RCM理论研究某公司设备的维修需求之前，需要澄清6个关键问题。
1.2.1在预定使用条件下，设备的功能和性能标准
预定使用条件一般为设计基础数据，如电压（110V、220V、380V、6 000V）、蒸汽压力（10MPa、4MPa、1.3MPa、0.4MPa）、北方沙漠的气象、地质和水文数据、设计寿命数据（16 000h、25a）等。设备的功能就是定性地描述其功能，如普通小轿车能快速行驶，汽轮机驱动空气压缩机能将常压空气压缩到0.45MPa。设备的性能标准就是定量地描述某设备的期望性能水平，如预定在某地运行的汽轮机驱动的空气压缩机，其性能标准可以量化为：①使用4.0MPa中压蒸汽，设计正常转速为4 290r／min，最高转速为5 200r／min；②设计正常空气流量为240 000m3／h，最大空气流量为260 000m3／h；③机组仪表监控系统和自控系统正常；④紧急停车系统正常；⑤设备不泄漏，含干气密封；⑥轴承温度、轴振动和轴位移正常；⑦润滑油系统和润滑油质正常；⑧设计寿命25a。
煤气化装置内部数量众多的离心泵、压力变送器、温度变送器、调节阀等各种类型设备都需要根据各自特性制定不同的性能标准。这是一个工作量巨大的基础性工作，需要煤气化装置设备管理人员研究定制。
1.2.2设备故障
在预定使用条件下，设备不能实现其功能和性能标准，即为设备故障。煤气化装置设备管理人员需要进行判断，以汽轮机驱动的空气压缩机为例，转速调节系统失灵不能调节转速、干气密封泄漏、转子结垢或磨损、润滑油变质、轴承温度偏高、转子振动偏高等现象导致压缩机无法正常运行，都是设备故障。
1.2.3设备故障模式
设备故障模式分为2类：①时间模式，与运行时间有关的故障模式；②随机模式，与运行时间无关的故障模式。大部分设备故障为时间模式，如离心泵的机械密封损坏和轴承故障。离心泵叶轮被管道中异物打碎是随机模式。煤气化装置设备管理人员需要研究确定本装置关键设备的所有故障模式。根据管理学的“二八法则”，20%的故障模式出现了80%的故障。对于本企业的一般设备，需要研究确定其主要故障的故障模式。
1.2.4设备故障影响
1）导致停止生产的时间，如合成气压缩机振动高停车，更换转子需要15d。
2）对产品质量的影响，如飞灰过滤器的高压氮气反吹阀门内漏，会导致进入粗煤气中的氮气含量增加。
3）维修作业成本，包括维修作业所需人力资源成本、故障诊断费用、备品备件采购成本、修理费用和试车费用等。
4）对健康、安全和环境的威胁，如设备的焊缝泄漏可燃气体是否会引发爆炸、着火，甚至导致人员伤亡。
1.2.5设备故障后果
对一个煤气化装置设备进行RCM分析，会得到很多该设备的故障模式。这些故障的后果差别很大，要在下列4方面按后果严重程度分类：①隐蔽性故障后果，这类后果通常不直接影响正常生产，但在异常情况下会产生灾难性后果，如安全阀入口管道堵塞在压力正常时不会影响生产，但在超压时无法顺利泄压导致容器破裂，扩大事故后果；②健康、安全和环境后果，这类后果通常导致人身伤害、环境污染，如压缩机润滑油泄漏，导致环境污染，高压粗煤气管道泄漏导致着火；③使用性后果，这类后果仅减少产量或增加维修费用，不会产生工艺安全风险，如离心式压缩机防喘振阀内漏；④非使用性后果，这类后果不减少产量，仅增加维修费用，如就地压力表指针弯曲导致压力读数不准确。
通常采用矩阵法量化评估设备故障后果。①用基础风险评估矩阵评估某设备没有维修作业时的基础风险，可能性评估采用估计故障时间（EstimatedTime Between Failure，ETBF），再按照经济、健康和安全、环境3个维度进行3次风险评估，得到3个后果分级值，最后取最大值，定为基础风险；②用残余基础风险评估矩阵评估某设备进行某种维修作业后的残余风险，可能性评估采用估计后果出现时间（Estimated Time Between Consequences，ETBC），再按照经济、健康和安全、环境3个维度进行3次风险评估，得到3个后果分级值，最后去取最大值，定为残余风险。基础风险评估矩阵和残余基础风险评估矩阵如图1和图2所示。
图1 基础风险评估矩阵
图2 残余基础风险评估矩阵
1.2.6设备维修策略
根据某设备的基础风险和残余风险评估结果，制定3种维修策略：①预防性检查测试，但不维修，如定期检查安全阀入口管道是否堵塞和定期校验安全阀；②预防性维修，如定期更换离心泵机械密封或轴承；③预防性报废，如定期整体更换老化电机。
如果暂时找不到合适的预防性维修工作，就需要根据故障后果分级结果制定不同的暂定维修策略：①针对隐蔽性故障后果且无有效的预防性故障检查方案，也有安全和环境后果，则需要重新设计，如煤气化装置长周期连续运行，无机会拆检安全阀入口，则需要修改安全阀入口设计，添加防堵塞措施，如增加氮气吹扫；②针对有健康、安全和环境后果的故障，且无有效的预防性维修方案，则需要重新设计，如增加备用泵；③针对使用性后果，需要根据维修成本和效益评估结果判断预防性维修工作的必要性，如果经济评估预防性维修成本合适，则进行预防性维修，否则进行反应性维修或重新设计；④针对非使用性后果，这类故障通常采用反应性维修策略。
1.3RCM目的
维修作业的成本平衡如图3所示。
图3 维修作业的成本平衡
从图3可以看出，关于维修有2种常见现象：①典型的预防性维修投入不足，导致设备故障多，产生较多的停车损失和紧急应急维修成本，导致总成本偏高；②典型的过度预防性维修，设备故障少，相应的停车损失和紧急应急维修成本较少，但过度的预防性维修成本也高，导致总成本偏高。
这2种现象都不是煤气化装置所期望的设备管理，而RCM提供了一个量化评估预防性维修策略的管理工具，目的在于以合理的预防性维修投入，获得可靠性最高且总维修成本最低的维修结果。
2RCM管理实务
2.1完全的资产登记
1）使用资产管理软件建立多层级的完全资产登记表，包含各种动设备、静设备、管道、阀门、仪表、建筑物、构筑物、电气设备、火灾报警器、消防炮、DCS软件、软联锁、控制回路等。煤化工企业由于规模庞大，一般需要建立3级资产登记表，分为成本中心、装置、设备。资产登记表应记录资产编码、使用说明书、型号、主供应商信息、分包供应商信息、技术资料、价格、购买日期、操作维修手册、图纸、备件清单、招标技术规格书、采购合同和技术协议。
2）对资产登记表进行工艺安全关键性评估（采用危害和影响管理过程中的危害识别方法），识别出工艺安全关键设备清单，在资产登记表中加上标记。
3）对资产登记表进行生产关键性评估（采用风险矩阵分析法），识别出生产关键设备清单，如大型压缩机机组、无备机的在线分析仪，并在资产登记表中加上标记。
4）资产登记表、工艺安全关键设备清单和生产关键设备清单要保持更新，约每2a更新评估1次。
2.2工艺安全关键设备清单
工艺安全关键设备清单是指在工艺安全管理和控制中，为了预防工艺安全事故的发生或为了减轻事故发生所造成的后果，根据一定的安全原则设计的特定工程控制措施或屏障。包括关键安全阀、关键仪表及控制系统、关键设备（动设备、静设备和管道）、火灾报警类设备和应急响应系统（消防炮）。
关键安全阀是指风险等级较高，释放介质为有毒、易燃或有机物，或释放量较大并保护关键设备本体的安全阀，并没有包括所有的安全阀。关键仪表及控制系统是指维持领结（Bowtie）研究报告中的屏障完整性和可靠性的仪表及系统，或经过仪表保护功能（IPF）研究后安全完整性等级确定为SIL1、SIL2或SIL3的仪表，不包括SIL-a等级的仪表或设备。关键设备是指在RCM或基于风险检测（RBI）研究中，风险等级在高风险或极高风险的设备，包括动设备、静设备、安全应急设备和管道等。关键设备可以分组管理，便于统计和编制统一的性能标准。煤气化装置由于工艺介质高温高压易燃易爆有毒，工艺安全风险高，必须建立工艺安全关键设备清单，将企业管理资源优先投放到工艺安全关键设备。
2.3预防性维修工作
充分利用信息化技术，在资产管理软件建立包含IPF、RBI、RCM软件的预防性维修（PM）模块[2]。
IPF软件主要针对仪表、自动控制阀、执行机构设定检测频率。RBI软件主要针对静设备、管道、手动阀门、管件、支架等设定检测频率。RCM软件主要针对动设备设定预防性维修频率。IPF、RBI、RCM三大软件按预定频率自动生成维修申请，进入PM模块，自动生成PM工单，该工单包含维修作业所需人工时、配件、工器具、预算等信息。
设备管理部的维修计划工程师汇总变更管理（MOC）工厂变更管理系统产生的工单、反应性维修工单和PM工单，进行必要性筛选和风险评估，编制月度维修计划，确定维修作业的范围、周期、成本及人力物力资源等，报设备经理审批。
2.4日常维修执行管理
维修计划工程师将审批通过的月度维修计划中的作业工单交给不同专业的维修承包商。维修承包商接到工单后，开始协调内部人力和物资资源，准备妥当后，向生产部门申请作业许可证。生产部门的维修主管评估作业风险、制定风险控制措施、签批作业许可证、安排监护，双方联合执行工单安排维修和验收等。
月度维修计划执行完毕，维修计划工程师要定期统计维修成本、维修频率，编写维修总结，分析异常，优化维修频率，达到维修作业量最小但可靠性和可控性最优的目的。
3避免管理盲区
以可靠性为中心的现代设备管理强调专业分工，如仪表专业管调节阀等，动设备专业管泵、压缩机等。煤气化装置部分设备具有仪表和动设备专业紧密结合的特点，如果此类设备单系列运行，则可靠性下降、风险快速上升，有可能出现长时间非计划停车。
3.1离心空气压缩机入口导叶
离心空气压缩机入口导叶包含导叶片、轴套、托圈、连杆、气缸、智能定位器、仪表风管道，随空气压缩机整体供货。对离心空气压缩机入口导叶进行RCM分析，结果如表1所示。
从表1看出，导叶维护工作属于仪表专业范围，但从资产采购角度来说，导叶随空气压缩机整体供货，为避免管理盲区，在建立资产登记表时，应将空气压缩机定义为2个设备，即压缩机本体和导叶。
3.2单点联锁
煤气化装置常用的大型机组多为机电仪控一体化设备，如辊式磨煤机，采用6 000V高压电机经重载荷齿轮箱驱动磨辊。从保护电机和齿轮箱的角度，厂家自行设计的联锁方案通常采用单点联锁，但辊式磨煤机工作环境恶劣，磨煤机内部仪表可靠性差，单点联锁容易引起机组误跳车。煤化工企业应组织仪表、动设备、工艺和控制专业工程师从系统角度考虑单点联锁的必要性，评估风险和控制措施，确定是否需要将单点联锁改为二取二，或三取二，在保护设备和提升煤气化装置运行可靠性之间找到平衡点。
4可靠性管理绩效考核
从资产管理软件调出上月煤气化装置的维修工单，按预防性维修和反应性维修分为2类。要求预防性维修工单占比高于80%，如偏离，则要分析原因、建立和完善RCM、RBI、IPF 三大系统。
收集近5~8a煤气化装置非计划停车次数，按设备原因、工艺原因、外界原因分为3类。要求设备原因导致的非计划停车次数低于1.5次／a，如偏离，则要分析原因，列入管理追踪项目，实现闭环。
在大型煤气化装置运用RCM理论可提升煤气化装置设备可靠性，助力实现安稳长满优运行。
参考文献
[1] 石磊，谷宁昌. 以可靠性为中心的维修[M]. 第2版. 北京：机械工业出版社，1995：7.
[2] 王世达. 以可靠性为中心的维修软件系统开发及工程应用[D]. 北京：北京化工大学，2009.
RELIABILITY-CENTERED MANAGEMENT OF COAL GASIFICATION EQUIPMENT
Song Xingxing，Yu Qiang
（SINOPEC Baling Petrochemical Co.，Ltd.，Yueyang 414003）
Abstract：This paper introduced the reliability-centered management（ RCM） theory by analyzing thefunctions，performance standards，failure modes，failure effects，failure consequences and maintenance strategies of the coal gasification equipment based on the process and equipment characteristics of the coal gasification plant，and presented its real practice in reliability-centered maintenance management. A simple and feasible method of reliability management performance appraisal was put forward after analyzing the causes and countermeasures of equipment management blind area. The application of RCM theory can effectively improve the reliability of coal gasification equipment.
Key words：equipment failure modes；blind area；reliability；performance appraisal
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