为何好好的蒸汽设备上会发生不好的事情

作者: James R. Risko

出版商: Chemical Engineering, March 2015, p. 1-9.

此文章由TLV Shanghai翻译，以释义英语原文

参考原文可点击此链接

本文阐述了蒸汽疏水阀对于避免安全事故及不良生产有着极其关键的作用——工厂应就蒸汽系统管理引起足够的重视

一直以来，蒸汽系统作为最有效、稳定的可传递热源向工业工艺设备传递着热量，包括化学加工业（CPI），且目前尚未找到其它低成本替代品可以代替蒸汽。离开蒸汽，工业生产力将大幅削减，那些借由蒸汽加热或蒸汽发电辅助的低成本工业产品将不复存在；离开蒸汽，我们的生活质量，经济与社会都将受到影响。

在很多化学从业人员享受蒸汽系统带来的好处的同时，在他们的职业生涯中，同样也有可能经历与蒸汽相关的负面事件，而产生一定的心理阴影，特别是，最终导致安全事故，设备损坏，单一设备或整条生产线停车之类的事件；其中的安全事故往往是最震撼、最悲伤的，因为可能涉及到有人员伤亡，而停产停车也会对全体员工造成不同程度的影响。不难想象，当谈及蒸汽时，人们往往提不起精神，这也就不足为奇了。

蒸汽系统会发生什么故障？

图1 真正高效的疏水阀会尽量把热量留在蒸汽系统里，优化生产效率，提高换热品质，并及时排除冷凝水以确保系统的安全与稳定。蒸汽系统问题的主要原因往往在于冷凝水无法有效排除。

只有知道蒸汽系统中可能出现哪些故障，才可以通过罗列、归类这些故障类别，制定相对应可行的预防措施或降低风险的方法。当然，一些常见的蒸汽系统问题还是比较容易识别的，比如，水锤，公用系统或设备因冲蚀导致的蒸汽泄漏等，此类问题可能导致主工艺设备，火炬或换热器无法正常运行；此外，因蒸汽泄漏或旁路蒸汽串流导致的回收管背压上升，严重影响换热设备的产量或产品质量。针对此类换热设备高背压情况，现场往往简单地采取打开旁通或对冷凝水进行直排来解决。一些蒸汽系统的故障很常见，难就难在找出问题的根源，对症入药，这就衍生出一个更大的疑问，“为什么不好的事情会发生在看似好的设备上”？

要得出专业的答案，应先了解如果蒸汽系统不遵照“竣工”时或“原始设计”技术规范安装疏水点，就会导致高故障率。最初设计时，设计人员分析了工厂的需求，并应用自身的专业知识和标准，最终确定最适合的设计。原始设计中包括正确数量的疏水阀、配管及其它管件，配合将冷凝水从系统中排除。通常所说的冷凝水疏水点（CDL），是对用于排除冷凝水，有效维持蒸汽系统设计性能的所有组件的统称。一旦工厂建成，运行和维护将移交到最终用户手里——当然，初衷是希望能一直维系原始设计状态。不幸的是，实际情况往往因为预算受限，人员调动，更有甚者由于对蒸汽系统缺乏经验，这些都会成为不良后果的主要成因。

蒸汽疏水阀总体分析

图2 一个典型的蒸汽用汽工厂通常实际在役冷凝水排水点（CDL）数量会少于原始设计值。通过每月更换故障疏水阀降低故障率，提升“GOOD”CDL数值；但如果更换的数量少于实际故障的数量，就会产生故障遗留现象，即未更换的故障疏水阀将被误计入“GOOD”疏水阀，挤占了原本“GOOD”疏水阀的份额，并带入下一年；有关细节，请参考P26页上的计算框。

蒸汽疏水阀（图1）普遍存在于蒸汽系统中，当其有效运行时，可以把蒸汽热能有效地留在系统内，现在模拟对一个疏水阀总量如图2所示的工厂进行分析。如图所示，从疏水阀量坐标看，原始设计（或竣工时）为11,000个疏水点（CDL）；经过一段时间的运行，工厂管理层出于某种原因，决定拆除1,000台在役的蒸汽疏水阀，仅保留10,000个疏水点；在这个案例中，工厂里没有发生装置停车，没有人知道、也找不出任何文件来支持拆除这1,000台疏水阀的原因。

图3 定期、持续的疏水阀检测是了解当前疏水阀健康状况（疏水阀总体运行情况）最直接的方法。故障问题一旦被确认，这些有价值的信息便可以用来更合理地分配资源，恢复冷凝水疏水点到“原始设计”的状态，确保安全、稳定地运行

在役疏水点（CDL）数量少于原始设计要求，往往源于对维持原始设计重要性的误解，或对疏水阀本身的忽视；如果无法解释清楚其间的差别，系统的疏水能力将一直达不到原始设计的要求。在本案例中，应把CDL的数量增加到原始设计时的目标值，即11,000个。

工厂日常管理中，由厂内工作人员（图3）负责疏水阀检测，提供评估蒸汽系统运行情况的重要信息，在本案例中，最后一次疏水阀检测已经是几年前的事情了，在当前这次检测完成后，发现有3,000台疏水阀故障（包括泄漏故障和低温堵塞故障），另外7,000台疏水阀被认为处在良好的工作状态，这就使得现场进入一种继续运行还是停车检修的困境。

如果我们把目标设定为 “故障清零”，即所有故障疏水阀都必须及时维修，每个故障点的平均维修成本是600美元，总计每年需要1,800,000美元预算才能完成；为了实现这目标，且在每个疏水阀都可以单独隔离进行维修更换的前提下，每月更换250个蒸汽疏水阀，需要2至3名维修人员整整一年全天候的工作；这无疑是一项艰巨的任务，而如果多年来采取的步骤都不正确，更容易导致更换的疏水阀数量与实际年故障率（每年故障疏水阀）不相匹配。

计算示例

在一个成熟的工厂，蒸汽疏水阀的平均年故障率可以通过过去4-5年间进行的至少2次检测记录进行预估，方法很简单，从检测报告中被记录的故障疏水阀数字中减去遗留故障点（前一次检测中被诊断为故障而未被维修更换的疏水阀数量）得出的差值即为新故障疏水阀数量；再以这个新的故障数值除以两次检测间隔的年数，得出年均新增故障疏水阀数量，部分相关的计算公式如上述计算框中所示。

在此假设的案例中，如果对全厂的疏水阀进行持续的管理，疏水阀的故障保持在每年1,000台（10%）或以下，工厂每月只需维修更换84台疏水阀，而不是250台；如果仍旧以示例中的数据，即故障率高达3,000台（30%）的情况下，将对工厂在人力物力上带来极大的负担，更糟糕的是，如果不及时修复，可以预见，故障仍将继续蔓延，直至灾难性事件的发生。

这个例子的一个收获是，工厂就每1,000台疏水阀的维修更换，就必须规划每个月维修更换84台的资源，配备相应的资源，并确保更换后故障清零，也就是说，每天必须确保4-5个CDL，不然，短缺的数量将在年底汇总成为下一年遗留故障点。

蒸汽疏水阀必须进行及时的补充或修复以维持系统稳定、持续的运行。不把故障疏水阀进行及时修复摆上日常工作的最高优先级，就如同反复使用一个已没有茶味的茶包——表面看上去是个茶包，但已经失去其应有的功能；同样的，疏水阀存在故障，特别是低温故障，疏水阀无法发挥其应有的功能，必须被修复。

想象一下，如果系统中所有的疏水阀和相关疏水点通过简单的隔离，完全不再排水，那会产生什么问题？毫无疑问，这将导致系统的冷凝水无法自动排除，造成极度危险的局面；那如果只关闭30%？50%会怎样？这如同拿工厂的安全进行赌博，积存在管道内的冷凝水会带来不稳定性和危险性的后果。现场如果仅仅是因为预算的限制而不及时更换故障疏水阀势必得不偿失，因为只有及时维修、更换后的疏水阀才能保证系统在预定条件下运行。维修更换故障疏水阀是一种刚性需求，及时的维修更换是强制性的工作，没有任何妥协，这样才能保证蒸汽系统始终处于最优化运行。

管理优先级

在一个疏水点布置合理，维护保养及时的蒸汽系统中，系统内的蒸汽始终保持在接近饱和蒸汽状态，降低回收管中不必要的背压，就能有效地减少水锤隐患以及腐蚀，冲蚀和电腐蚀的可能性。过热蒸汽或接近饱和的蒸汽，因其没有过多的冷凝水进入下游管道，在正常流速下，通常不会引起水锤或腐蚀；当系统中有积液被高流速的蒸汽推进，就会产生水锤和冲蚀；只要系统中的这些水被及时排除，造成水锤和冲蚀的元凶也随之消失。再次证明，只有降低蒸汽疏水阀的故障率，确保有效地排除冷凝水，才能为蒸汽系统的运行保驾护航。

按照疏水阀厂家说明书的要求来维护疏水点（CDL），有助于消除泄漏（热故障）和堵塞（低温故障）。只要把疏水点的故障——热故障和低温故障——降至最低，保温合理，锅炉运行不超限，冷凝水及时排除，输送到整个系统的蒸汽品质就能得到保证，整个蒸汽系统的性能就能得到优化。

这听起来很简单——维持适当保温，维持锅炉运行不超限并保持蒸汽疏水阀可以有效地排除冷凝水；看似简单的目标，却为何往往实现不了呢？

数据评估

在许多工厂蒸汽疏水阀管理或受到预算的限制，或受到负责人变更的影响，或缺乏对其优先重要性的认识，会严重影响整个工厂的运行，而维修部门掌握着预算，这就需要部门间更紧密的合作和协调。然而，不管是环境或其它原因，经过几年的磨合和合作，系统一旦达到一个可控的水平，系统运行问题也逐步降至最低，部分原用于疏水阀管理的预算就会被重新分配用于其它项目，不再与疏水阀维修相关；随之，可以预见被认为仍运行“良好”的疏水阀的遗留故障点将增加，却又缺乏后续跟进的疏水阀检测；新的故障始终在增加，严重地降低了系统的安全性、可靠性和整体性能。系统始终会进入相对持续运行的状态，如果不幸言中，真的发生前述的情况，由于几年的不作为，工厂的疏水阀使用状态持续恶化，直至发生重大的负面事件。到那时，悔之已晚，能做的（或者说下意识的）只是匆匆地修复满目疮痍的蒸汽系统。其实，这种情况已频繁发生，导致类似之前例子中一个工厂存在3,000台疏水阀故障也非危言耸听。

图4 通常工厂里会优先考虑修复泄漏故障或热故障的疏水阀以降低蒸汽损失，提高利润；除非非常关键的设备，通常，最优先维修的都是那些泄漏量大的热故障疏水阀，如图所示为年维修量与蒸汽损失减少量关系的典型案例。

一旦疏水阀故障确定下来，接下来的重点常常会放在修复热故障（泄漏故障）上，因为修复这些故障的节能回报很容易就能得出，特别是在当今能源成本高，企业把越来越多的关注度放在修复泄漏疏水阀以降低运行成本上，如图4所示的进度表可以用来监督、追踪。按图示，如果项目计划修复假想工厂3,000个故障疏水阀，那么相应的就需要每月完成250个疏水点，否则将产生遗留故障缺口（详见图5）。

图5 要把所有3,000台故障疏水阀清零（即修复所有故障疏水阀，并确认已修复的疏水阀未发生泄漏），每月必须完成250台疏水阀的更换。如果实际更换量少于这个数字，年底就会产生遗留故障点，并带入下一年，占用运行“良好”的疏水阀的份额，导致实际运行良好的疏水阀数值减少。

其实遗留故障缺口代表了真实的世界，很少有工厂会把所有，哪怕近乎所有确认的故障进行修复，直接导致相当数量的疏水点（CDL）没有恢复到正常运行状态，相当一部分遗留的故障被带入第二年也就不足为奇了。一旦遗留的故障被工厂无视直至被动接受，蒸汽系统将注定无法达到理想状态，且埋下了不稳定的隐患。

当1,000台故障疏水阀遗留至下一年会发生什么？假设工厂有3,000台故障疏水阀（需要进行故障清零），而管理层只给了2,000台疏水阀的预算，其思维方式可能是修复了这2,000台疏水阀后，来年只需要再准备1,000台的预算就行了。事实却不尽然，这1,000个CDL只是当年遗留的故障点，来年会有新的故障点产生。假设一个工厂疏水阀的平均生命周期为10年，包括上一年遗留的1,000个故障点加新增加的1,000个故障点，实际故障点数量为2,000个。只要对疏水阀进行定期的检测（每年或每半年），就不难掌握新增故障点的情况，如图6所示。

图6 诊断结果和维修作业之间总会存在维修确认和响应时间上的差距。通常现场会想方设法完成尽量多的修复工作以期在年底达成预期CDL运行状况，而在修复故障疏水阀的同时又有新的故障发生，无形中降低了实际年底疏水阀运行状况。这只是众多评估维修响应计划采用的故障清零标准之一。

如果将故障遗留作为维修计划的一部分，那将有相当数量的疏水点处于不良状态，从而增加工厂安全事故发生的可能性。出于这点考虑，在工作过程中应杜绝故障遗留，不能目光只聚焦在已经修复的疏水阀上，是时候改变模式了。

系统目标

对单个的疏水阀维修只是工作的一小步，并不是系统首要目标；如把目标简单地设定在修复一定数量疏水阀，可能会产生安全方面的错觉，从而埋下安全隐患，忽视了实现蒸汽系统优化的真正目标。如果年度目标设定在修复2,000台疏水阀，而实际只修复了1,000台，并以诸多托词进行搪塞掩饰，在这种情况下，接受遗留故障点的同时制定来年新的目标；但这种情况其实很危险，潜在的危机往往是肉眼看不见的，而且往往出现在蒸汽系统故障未解决的部位，和流经泄漏蒸汽的下游管道。随着时间的推移，这种危险的严重程度会与日俱增。

图6 诊断结果和维修作业之间总会存在维修确认和响应时间上的差距。通常现场会想方设法完成尽量多的修复工作以期在年底达成预期CDL运行状况，而在修复故障疏水阀的同时又有新的故障发生，无形中降低了实际年底疏水阀运行状况。这只是众多评估维修响应计划采用的故障清零标准之一。

如果不能全面理解疏水阀故障对于蒸汽系统的持续影响，就有可能存在一个错误的认知，就是即使有遗留故障，蒸汽系统还是能很好地管理。如图7所示，从一个较长远的角度分析这个问题，总体疏水阀最理想化的状态是根据前一次检测报告，对所有故障疏水点进行修复并故障清零，随后再次进行维修的数量等于新产生的故障数量。从中间位往后，理论上已经达成故障清零，由于没有已知故障点需要维修，更换作业停止；但实际上，未确认的新故障点确确实实在持续增加中，而且直到下一次疏水阀检测时才能被找出。

图7 现场经常会采用确定一定数量年维修量却并不关注故障清零，以为这样做再过几年后，可以达成所有在役疏水阀接近100%良好率。实际上，在维修的同时会有新的故障点生成，通过紧密衔接的的检测和维修工作在两次检测时长的在中间位达到“最佳可持续”运行状态的理论点，随后，良好运行的CDL数量将发生下降。

结论是，所谓的最佳运行状态在两次检测期间会发生下滑，只有在下一次检测开始时，才能推断出“最佳可持续”运行状态的理论点，这个理论点位于两次检测时长的中间位——如果实施年度检测，维修工作确保及时、线性，那，最佳状态将出现在年中。

设计人员的初衷是希望现场配备11,000个性能全开的疏水点，而工厂管理层不管出于何种原因，决定拆除其中1,000个，只保留10,000个在役疏水点（比原设计减少了9%）。即使更换工作完成得再完美和谐，甚至达到“最佳可持续”运行状态，其排水能力仍比原始设计下降了18%；此时也可以考虑一下专业的设计院在其原始设计中到底包含了多少设计余量。在了解了在原始设计的基础上减少在役、运行良好的疏水点对系统的影响后，最关键的一步就是要增加在役疏水点的数量，直至达到设计总量，只有少部分疏水阀站适合拆除不予使用。

此外，考虑到遗留和新增的故障点，可能实际只有7,000到8,000个疏水点在发挥作用；结合前面的数据，只有原始设计63%的疏水点在正常运行。新的一年，只有原始设计疏水点总量的63%在正常运行，这是相当危险的状况，特别是还伴随着维修工作的延误。可以预见的，如果之前被检测出故障的疏水点没能及时修复，随时会有另1,000个疏水点发生故障；如果发生这种极端的例子，所有正常运行的疏水点将降至6,000个，只占原始设计的54%。

创建新的模式

看来很有必要把模式转变提上议事日程，我们的目标不再是修复故障疏水点，而是如何守住正常功能疏水点的底限；良好运行的疏水点的数量是指原始设计总数，而非实际在役的数量。是时候转换一下思维模式，把注意力从关注热故障，蒸汽损失或累计修复疏水点数量，转移到如何为厂内疏水阀持续“良好”运行状况设定可接受的界定值上——必须设定每个阶段疏水阀检测的日期，并严格按计划执行；疏水阀检测的起始日期不容更改，且不受日常事务的干扰。蒸汽系统对于工厂运行、安全生产至关重要，故，蒸汽疏水阀的检测理应放在最高优先级。

另一个必须考虑的重要因素是外包，以第三方公司作为承包商承揽外包业务，承担此项工作。为了确保外包模式下方案的可持续开展，对于外包方有几个关键的要求：受过严格培训、持上岗证的检测人员；使用经由第三方认证的设备确保检测结果的准确性；采用标准化的维修安装图纸等。部分工厂，检测和维修可以委托同一家第三方公司进行。无论是单独的一家第三方公司或多家公司参与到这些活动中都可能影响最终结果，所以每个步骤、每个部门的职能都必须得到确认。例如，精通管道维修的承包商不一定经过检测培训，只有通过严格的培训、拿到检测上岗证的人员才能胜任该工种。最重要的是，必须有一个定期审查机制，检查并确认检测员上岗证的有效性、检测精确度、对于负责维修的承包商，还应检查其每个修复的CDL安装正确与否。至少在某些情况下，工厂自己的工作人员对于蒸汽系统的关注度和重视度会高于承包商，所以推荐对这些责任重大的工作建立定期、持续的监督、审查机制，确保可以持续、高品质地完成任务。

图8 实际在役的疏水点数量比原始设计少，除非有足够的证据证明这样做不会影响系统运行，不然就不要这么做；即便重视故障清零，配合完美和谐的检测和维修工作，“最佳可持续”状态仍是受控于年故障数量。设立关键警戒线为如何持续保持蒸汽系统性能指明方向。

出于对管理蒸汽系统的现场人员考虑——可能由于负责人或操作人员的变动——强烈建议制作相应的操作指南。维护系统性能的团队应把首要关注点放在明确相应的界定目标值和警戒线值上，这些参数是实现安全、稳定生产的重点。如图8所示为运行“良好”疏水点各类关键界定值等级：“最低”，“警示”，“警告”和“危险”。其中， “最佳可持续”状态是一个理论值，只是在理论上有可能达到这个状态，而“最小”值定义是如果运行“良好”的疏水点量低于这个数值，蒸汽系统的安全性和可靠性就会急转直下。其它等级数值用以提醒给操作和维修人员，如果再不采取相应的措施，系统的风险将大大提高。

图9 转变一下思路，把注意力从关注热故障转移到关注操作性能上。了解“运行良好”的疏水点数量，设定相关的警戒线有助于为蒸汽系统健康运行，达到预期性能水平指明方向。

如果工厂还希望消除低温故障，减少因系统冷凝水积存引起的问题，或修理热故障降低背压，余热回收等，这将涉及更具体、细化的方法修复故障疏水点。当然，工厂的大局观是确保系统安全、可靠的运行，而首要任务，如图9所示，统计厂内有多少个疏水点运行良好；工厂应建立相应的措施、制度，保持运行“良好”的疏水点数量始终维持在“最低”和“最佳可持续”状态之间。

站在安全、可靠生产的角度来看，毫无疑问应把目标设定在运行“良好”的疏水点数量不低于“最低”值；由此，故障维修只是一个步骤，不是最终目标，只要把这个信息清晰地传递给相关人员，优化蒸汽系统的疏水，维持工厂最佳运行状态指日可待。