基于风险的静设备分级与检维修管理方法

王 波，张文泽，解志刚

(中国石油独山子石化分公司研究院，新疆 独山子 833699)

在我国的石化企业设备检验和维修策略发展的历程中，经历了由被动在发生事故、停工后的维修到主动按照计划进行维修等多个阶段，已经在保证设备安全运行和降低企业运行成本方面取得了很大进步。

目前，我国石化企业在编制检验维修策略时主要参考历年的检维修经验，从最低限度的安全程度出发，很少考虑检维修经济性、设备的安全性分析以及相关设备之间存在的可能失效风险等因素。在实践中，检验和维修的次数和有效性与设备维修的风险不符合，滥用检验和维修资源，大部分检验维修过度，另一部分检验维修又不足的问题突出，盲目性和经验性突出[1]。

国内石化企业静设备(压力容器、管道和安全阀)的检验和维护策略通常以主观经验制定，因此导致策略不客观不科学。这样的检验和维护策略的特点是计划性强、预防风险发生为主、针对性不明确和维护过度或不足。在这样的策略中重要性划分和检修方式通常只考虑失效后果的影响，而不考虑或很少考虑失效概率的影响。最终导致石化企业计划外停机仍然频繁发生，各种风险无法有效控制。

近些年，基于风险的资产管理研究方法引入到石油化工和煤化工企业的设备资源管理工作，石油化工和煤化工装置开展动态定量风险评估已成为装置设备管理、工艺过程控制的前进方向。基于风险的检验(以下简称RBI)技术迅速发展与完善，美国SPE、德国巴斯夫等著名的石化企业均采用RBI技术对静设备进行风险控制。风险控制技术的发展趋势也从预防性检维修进入了动态定性及定量风险评估阶段，相应的风险控制措施也从以前的以标准合规性检查过渡到基于风险的资产管理方法。

传统的RBI技术在石化装置评估风险时是有较大局限性的[2]。这是因为它仅仅考虑了压力容器与存储、反应介质之间的影响关系，几乎没有考虑转动设备对静设备的作用，更没有将仪表联锁系统的可靠性进行评估。在传统的RBI技术分析中存在着缺陷，主要体现在对于复杂服役条件下，设备可能发生的退化机理没有考虑，同时没有进行寿命预测与风险评估；
也没有考虑设备在生命周期里的经济、技术状况以及运行状态的变化，更是忽略了加工处理原料是否存在变化、操作工艺条件的波动等因素对设备风险的影响。因此以传统RBI技术分析出的风险情况编制实施的维修策略针对性不强。

本文通过静设备风险评价工作的动态化管理，建立静设备的分级技术方案，指导静设备基于风险的检维修策略制定。降低静设备运行和管理风险，减少不安全隐患，合理利用检验资源，缓解装置大修期间停工时间与检验工作任务之间的矛盾。

依据基于风险的静设备分级与检维修方法的实施流程，主要分为3个步骤：首先，通过收集静设备的基础资料数据，建立RBI分析数据库，计算静设备风险值，通过计算机软件接口，读入静设备的运行、工艺、腐蚀和故障/缺陷数据，修正静设备的风险值，以获得设备的动态风险；
其次，依据静设备的动态风险结果，进行风险分级；
最后，基于风险等级制定检维修策略(见图1)[3]。

图1 基于风险的静设备分级与检维修方法实施流程

动态属性是在役承压设备的重要特征，承压设备从投用开始受装置的运行情况和工艺执行情况的影响，同时还受加工处理原料和工艺条件变化的影响。传统RBI技术开创性地量化了风险，并以此为依据编制检验计划，为风险控制和管理奠定基础，但在评估过程中，RBI计算中使用的设备介质、运行压力、运行温度等参数在设计中给出，为固定值。在实践中，上述因素都在发生变化，所以传统的RBI技术不符合实际情况。

失效可能性和后果决定了设备的风险。失效后果在设备的设计阶段确定，主要的影响因素有介质、工作温度和压力等，这些影响因素基本不会发生变化。失效可能性存在不确定和随机性。这是因为设备材料会受到操作条件和设备管理水平影响导致寿命和有效性的改变。这就是设备风险难以确定的一个重要原因。因此，设备应该进行动态风险管理，其突破口就是研究设计出设备失效可能性的动态数据计算方法。

2.1 动态风险评价方法影响因素分析

标准GB/T 26610.4《承压设备系统基于风险的检验实施导则 第4部分：失效可能性定量分析方法》中，设备失效概率F的定量计算式为：

F=FG×FE×FM×FL

(1)

式中，FG为同类设备平均失效概率；
FE为设备修正系数；
FM为管理系统评价系数；
FL为超标缺陷影响系数。

FG根据被评价设备的类型，为一固定值；
FM对于一个企业而言，设备管理系统相对稳定，也近似于一固定值。FL的影响因素主要有两点，分别是设备制造质量和设备材料在服役期间随着时间的推移是否存在退化机理。设备修正系数FE由4个因子组成(技术管理模块因子、通用条件影响因子、机械因子和工艺因子)。

综上所述，在上述4个失效概率的关键参数中，超标缺陷影响系数FL和设备修正系数FE同设备的实际运行工况关联有关。因此，设备修正系数FE和超标缺陷影响系数FL确定设备的动态风险[4]。

2.1.1 设备修正系数FE

FE的4个因子中，通用条件影响因子、机械因子和工艺因子基本确定，而技术管理模块因子是需要研究和分析确定的。技术管理模块因子的作用在于评估特定的失效机理，进而评价失效概率的变化。通过对技术管理模块因子的确定，可以筛选出设备运行过程中的故障机理，建立故障速率，并可以定量地确定检验程序的有效性[5]。一个设备技术管理模块因子的确定过程也就是该设备损伤模式的识别过程，同时是设备RBI分析计算的基础，也是整个RBI分析的核心。因此，动态风险评价方法应重点考虑设备修正系数FE中的技术管理模块因子，并引入风险计算中。

2.1.2 超标缺陷影响系数FL

FL根据设备的原始制造质量和使用过程中与时间相关的退化机理确定。这是因为根据缺陷的“活性”主要分为两类：一类是“活”缺陷，此类缺陷随着设备服役时间的延迟会随着时间的演化而发生改变，发展导致设备材料的使用性能退化；
另一类是“死”缺陷，不会随时间而变。传统静态RBI评估中，是在某一评估时间点下进行，因此并不考虑第一类“活”缺陷。在设备的动态风险计算中，需要考虑缺陷情况的影响。通过分析，动态风险评价方法影响因素见表1。

表1 动态风险评价方法影响因素

2.2 静设备动态风险计算方法

静设备动态风险的计算可以通过如下2种方式实现。

1)依据设备的基础资料(设计资料、工艺资料和检验数据)计算设备的风险值，然后通过数据监控获取设备的运行数据、工艺数据、腐蚀数据和缺陷数据，对设备风险值进行修正，该过程可以按照设定的频率不断更新设备的风险值，实现风险的动态计算。

2)以设计资料和检验数据为基础，依据设备当前的实时数据(包括设备的运行、工艺、腐蚀和缺陷数据)不断地计算设备的风险值，并按照一定的频率进行更新，实现风险的动态计算。

比较上述2种方法可以看出，当设备数量较少时，上述2种方法并无明显区别；
当设备数量较多时，第1种方法的计算时间和稳定性明显要优于第2种方法。尤其是对于成套装置而言，容器和管道数量数以千计，数据量巨大，采取第1种方法的优势明显突出。因此，应采取第1种方法计算设备的动态风险(见图2)。

图2 静设备动态风险计算流程

利用计算机技术，通过信息网络端口从装置直接获取设备数据，实现设备动态风险的计算。动态风险计算流程如图2所示，基于WIN10系统下的ASP.NET环境下开发，使用游览器/服务器架构开发软件[6]，运用C程序设计语言，以Miicrosoft SQL Server作为数据库平台，利用Microsoft.NET Framework4.0[7]为运行框架，依托开发计算机网络端口，可以及时把相关波动的参数值引入设备风险评价系统，计算设备的风险值，以实现设备风险值的实时动态跟踪。

基于风险的静设备分级方法是制定压力容器和工业管道检验策略的基础[8]。该方法需要获取设备评价单元的数据、检验数据等4个关键参数，从风险发生的可能性和后果等2个方面分析，综合计算出各设备的风险等级。最后，根据静设备风险水平的高低，参照一定规则，进行分级管理，根据不同风险等级的设备制定出具有针对性的检验策略。

基于静设备分级的检维修策略可以实现如下目标。

1)科学配置检验资源，使其与设备检验周期相协调。这样就可以降低形成不安全隐患的几率；
避免非计划的停工、提前检验或延期管理的情况发生。

2)目前，国内的石化企业不断延长停工检修的周期，普遍已经达到4～5年一停工大检修的水平。基于静设备分级的检维修策略可以在短暂的大检修停工时间里，提前估计检维修资源的需求量，合理配置检维修资源，在有限的时间内高效率地完成检验工作。

3)可以进行目的性很强的物资采购计划和库存准备，达到快速高效地对存在问题的设备进行检维修或更换。

3.1 基于风险的静设备分级原则的确定

基于风险对设备进行分级时，应首先确定风险可接受水平。风险可接受水平考虑3个方面：1)应满足标准GB/T 26610.1《承压设备系统基于风险的检验实施导则 第1部分：基本要求和实施程序》的规定要求；
2)根据使用单位的自身实际情况确定；
3)从社会层面考虑人员环境安全的基本要求以及使用单位的社会责任。

通过RBI中基于设备风险结果确定检验周期的一般原则，可以看出不同风险等级的设备分布情况[9]，具体如下。

1)将风险等级为“高”和“中高”，同时失效可能性等级大于3的设备检验周期规定为2～3年，此类设备占4%。

2)风险等级为“中”且失效可能性等级大于3，或风险为“高”且失效可能性等级为3的设备检验周期一般定为6年，这两类设备约占总数的17%。值得注意的是，这些设备应在检验周期内再增加一次在线检验。

3)失效可能性等级为3且风险等级为“低”，或失效可能性等级不大于3，风险为“中”和“中高”，或失效可能性等级不大于2的“高”风险设备检验周期一般定为6年，这类设备约占总数的68%。

4)风险等级为“低”或“中”且失效可能性等级小于3的设备检验周期一般定为适当延长为7～9年，并在检验周期内增加一次在线检验，这类设备约占总数的11%。

综上所述，按照设备风险分布情况，从风险结果和失效可能性考虑检维修策略的制定，初步将设备等级划分为3个级别。依据风险计算结果，将设备划分为“A级”“B级”和“C级”共3个等级，具体对照关系见表2。

表2 基于风险的静设备等级划分

3.2 基于设备风险分级的检维修等级确定方法

按照静设备的风险等级，确定相应的检维修等级。由于本文主要讨论的对象为静设备，因此，设备检维修偏重于检验。对不同风险等级的设备，参照标准GB/T 26610.2《承压设备系统基于风险的检验实施导则 第2部分：基于风险的检验策略》的要求，依据其损伤模式以及与该损伤模式相对应的检验方法及检验有效性级别，确定检验等级，将检验等级划分为3级。检验等级与设备风险等级是相互对应的，本文以压力容器、管道为例，检验等级和设备风险对照关系参见表3。

表3 压力容器和管道检验等级对照

检验有效性分为5个级别[10]，高度有效、中高度有效、中度有效、低度有效和无效，确定检验有效性时应考虑下列因素的影响：检验检测方法及频次、设备整体及零部件的结构类型、损伤模式及失效模式、破坏速率、材料与介质的敏感性、受检区域的可检程度等。各种检测方法对应的检验有效性级别分别见表4和表5。表4和表5中，1为高度有效；
2为中高度有效；
3为中度有效；
X为低度有效或无效。

表4 停工状态下检测方法及有效性

表5 在线检测方法及有效性

3.3 基于风险的静设备维修方法

根据设备的风险等级，可以制定设备的检验检测方案，但仅以风险等级作为确定设备检修等级的因素是不全面的。

确定设备的风险等级时，A级设备包含2种情况：一是高失效后果等级、低失效可能性的设备；
二是低失效后果等级、高失效可能性的设备。对于这2种设备，在分析确定检修等级及检验方法时，不能仅仅依据风险值，应将失效可能性和失效后果等级分开考虑(见图3)。

对于失效可能性高的设备，可以选择更高有效性的检验方法，以降低设备的风险值，减少潜在的安全隐患。RBI中设备失效可能性的计算主要是根据设备失效机理(如减薄、应力腐蚀开裂、高温侵蚀、脆性断裂等)，针对这些设备的失效机理，选用高等级有效性的检测方法实施检验，可以通过降低相应的失效模式发生的可能性，从而达到降低设备的失效可能性。因此，针对失效可能性较高、失效后果较低的设备，在企业进行日常管理、维护和检验中，可以通过调整检验方法的途径，降低设备的风险值。

图3 设备降险措施，减缓后果

对于失效后果高的设备，应结合现行企业管理制度，通过加强巡检、制定应急预案、设置减缓措施等方式来降低设备的风险值和安全隐患。目前，国内大多数石化企业压力容器、工业管道和安全阀等静设备的检维修，其重要性划分和检维修策略一般只考虑失效后果的影响，检维修策略以标准符合性检查为主。因此，对于设备维护水平和策略，应以企业管理体系为基础，减少设备故障的后果，制定相应的风险措施。

本文通过分析影响静设备风险变化的因素，确定主因并给出了设备动态风险计算及更新的方法。以成套装置为例，根据设备风险等级的分布比例，建立了基于风险的静态设备3级分类方法，为制定设备检维修策略提供基础。

设备检维修策略包含检验和维修两个部分，通过本文方法的长期化应用，可以形成适合与装置长周期运行管理相适应的静设备检验周期和管理策略，降低静设备的管理风险，减少安全隐患，解决装置大修期间停工时间与检验工作任务之间的矛盾，产生良好的经济效益。