JPH03285117A - プラント設備機器の劣化診断方法およびその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、プラント設備機器の劣化診断方法およびその
装置に関する。

（従来の技術） プラント設備機器の劣化診断装置については、いくつか
の発明、提案がなされている。これらの診断装置に適用
されている手法、従来技術を分類、説明するため、まず
、機器の故障（機能異常）劣化メカニズムの概念を第１
１図を用いて説明する。

第１１図における、システム、アイテム、劣化の意味は
、ＪＩＳ信頼性用語に従っている。したがって、システ
ムとは、プラント、設備、機器等に見なすことができ、
機器とした場合、アイテムは、機器を構成するユニット
、部品と考えることができる。システムの機能異常は、
まずその構成要素である各アイテムへの複数の劣化要因
（ストレス）によって誘発される。そして、物理化学変
化に基づく複数種の劣化モデルに従った複合効果により
、その機能の低下を生じる。機能低下の経時変化（劣化
パターン）は、この複合効果と各アイテム固有の信頼度
とによって決まる。さらに、各アイテムの機能低下は、
システムの構造、機能上の影響伝達等の複合効果により
、システム全体の機能低下となる。そして、その機能低
下がシステムに課せられた許容限界を越えた時に機能異
常、すなわち故障（寿命）に至るものと考えられる。

以上のような機器の故障・劣化メカニズムの概念から、
劣化評価は、次の４種類に分類して考えることができる
。

（１）劣化要因（ストレス）の管理 劣化要因（ストレス）の種類とその量および時間的な変
動を把握し、管理する方法。

（２）劣化モデルの推定 加速・寿命試験等により、劣化要因と劣化パターンとの
間の劣化モデルを推定する方法。

（３）機能低下（劣化パターン）の監視寿命に係わる機
能低下を表わす特性値の種類とその経時変化を把握し、
監視する方法。

（４）機能異常の分析 機能異常に至る履歴、異常の内容を分析する方法。

現状のプラント設備機器の劣化診断は、−船釣に上記４
つのアプローチまたはその組み合わせによって実施され
ている。

このようなアプローチはあるものの、機器の劣化・故障
は、確率的な問題を含んでおり、推定、診断の結果は、
常により精度の高いものが必要とされている。機器の劣
化診断において問題となる点は、第１１図にも示してい
るように、各劣化・故障モードの複合あるいは、各アイ
テムの機能低下の複合効果をいかに評価するかという点
にある。

特に、対象が複雑な構成や複数の劣化・故障モードを持
つ機器の場合、複合効果を評価せずに、機器の信頼性を
精度良く分析することはできない。

複合効果には、構造上の物理的な位置に依存するもの、
アイテムの機能上の伝達に依存するもの等が上げられる
。例えば、ポンプのような回転体機器の場合、軸受の摩
耗が進行すると、シャフトの偏心等による振動が進行し
、さらにその結果、インペラとケーシングの接触・かじ
り等による削れ、亀裂、折損等が進行、発生する。ある
いは配管であれば、フラノンのボルトのゆるみに起因す
る振動等によるシーリングの摩耗、割れの発生等が複合
効果、すなわち、劣化・故障モードの影響伝達（干渉効
果）として考えられる。

また、このような機器の多くは、予防／事後保全が実施
されており、構成部品の取替や補修等によって、部分的
な信頼性の回復か可能である。したがって、劣化・故障
モートの干渉効果、すなわち、機器の劣化・故障メカニ
ズム・モデルが作成されていなければ、運用に入った機
器全体のある時点における信頼性（すなわち、信頼性の
経時変化、以下、機器劣化指標と称する）を精度良く推
定することはできない。

このよっな劣化・故障モードの影響伝達を考虜でき、ま
た、機器全体としての信頼性の経時変化を評価できる現
状の手法としては、ＰＴＡ　（故障樹木解析）およびそ
の類似した手法において、各ブロック（劣化・故障モー
ド）に故障率や不信頼度関数を与えておき、プール代数
等により、ト・ツブ事象（劣化・故障モードの最終伝達
モード）のトータルの信頼性を評価する手法がある。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、これらの手法では、予め定めた１つのト
ップ事象をもとに影響の伝達を展開する方法となってお
り、作成された干渉効果のモデルは、機器の部分的な劣
化・故障モードのみを表現している場合もあり、機器全
体の干渉モデルを完成させるためには、トップ事象を変
えて、いくつものモデルを作成しなければならない、と
いう不合理な欠点を持っている。さらに、運用中の全て
の時点で同一のトップ事象が機器全体の経時的な信頼性
を表しているとは言えない。したがって、ＰＴＡでは、
機器に内在する複数の劣化・故障モードの干渉効果を合
理的に表現することは困難であり、また、機器トータル
の経時的な信頼性変化（機器劣化指標）を精度良く予測
するすることは困難となっている。したがって、機器の
劣化・故障モードの干渉効果とその効果を考慮した機器
トータルの信頼性経時変化（機器劣化指標）とを適切に
評価できる機器劣化評価手法およびその手法を適用した
装置が未だ提案されていない。

このような現状から、機器全体の信頼性を、運用中を通
して最良に保って行くための、機器構成部品の取替計画
や補修計画の策定（どの部品を取替等を、どのような周
期で実施するカリ等の検討は、機器の信頼性や劣化状況
に基づいた適切なものではなく、設計時の信頼性予想や
専門化の経験、勘に依存した曖昧な判断に基づいた不適
切なものとなっている。

本発明は上記の事情を考慮してなされたもので、保全を
伴う運用中の機器の信頼性、劣化状況を機器に内在する
劣化・故障モードの相互干渉効果を考慮して、予測・診
断することができ、この診断結果に基づいて、機器の保
守計画（構成部品の取替計画、点検周期等）の策定を合
理的かつ適切に実施していくことができ、機器の運転信
頼性の向上、プラント稼動率の向上あるいは保守計画、
費用、時期等の適正化を図ることか可能なプラント設備
機器の劣化診断方法およびその装置を提供することを目
的とする。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 上記の目的を達成するため、請求項１記載の発明はプラ
ント設備機器を構成する機器・部品の劣化・故障モード
情報およびそれらを２次元に配置して作成されるマトリ
ックスの各要素に、上記劣化・故障モード間の有向的な
影響伝達の程度を定量的、定性的に設定し、行列計算を
用いて、根本原因となる劣化・故障モードから中間影響
伝達モードとなる劣化・故障モードを介して最終影響波
及モードとなる劣化・故障モードまでの伝達経路を推定
するとともに、有向グラフの表示により、機器固有の劣
化メカニズム・モデルを作成するものである。

請求項２記載の発明は劣化メカニズム・モデルを構成す
る劣化・故障モードに経年的な信頼性の変化を現わす関
数を設定し、数値計算を用いて他の劣化・故障モードか
らの干渉効果を考慮した各劣化・故障モードの経年信頼
性変化を推定するとともに、その中から各時点での最小
信頼性値により、機器トータルの信頼性変化を予測する
ものである。

請求項３記載の発明は機器トータル信頼性変化を予測す
る際に、機器・部品の点検・取替周期や点検・取替によ
る機器・部品の信頼性回復といった予測条件を考慮して
機器トータルの信頼性変化を予測するものである。

請求項４記載の発明は機器劣化診断に必要な情報、ユー
ザの装置操作情報および劣化診断・信頼性解析結果を内
容とする語句、数値、グラフ、図表情報を入出力する情
報入出力装置と、この情報入出力装置で入力した情報を
必要に応じて記録するデータベース装置と、このデータ
ベース装置への登録、削除、検索といった情報管理を実
施する情報管理装置と、上記情報を用いてプラント設備
機器の劣化診断を実施する情報演算処理装置とを具備し
たものである。

（作用） 請求項１記載の発明においては、ＰＴＡにおけるトップ
事象の設定等、事前の制約条件なしに、機器全体の劣化
・故障モードの相互干渉効果（影響伝達）のメカニズム
・モデルを一義的に合理的かつ簡便に作成し、有向グラ
フ等を用いて干渉メカニズム・モデルを視覚的に分かり
易く表示する。

請求項２記載の発明においては、各劣化・故障モードに
経年的な信頼性の変化を現わす関数を設定し、干渉効果
を考慮した数値計算により、適切に運用中の機器の信頼
性変化を特徴する請求項３記載の発明においては、信頼
性変化予測において、機器・部品の取替・補修による部
分的な信頼性の回復を考慮した機器トータルの信頼性変
化を特徴する 請求項４記載の発明においては、情報入出力装置から機
器劣化診断に必要な情報、ユーザの装置操作情報および
劣化診断・信頼性解析結果等の語句、数値、グラフ、図
表情報等を入出力する。これらの情報を必要に応じてデ
ータベースに記録し、情報管理装置がデータベースへの
登録、削除、検索等の情報管理を実施する。情報演算処
理装置は上記情報を用いてプラント設備機器の劣化を診
断する。

（実施例） 以下、本発明の実施例について添付図面を参照して説明
する。

第２図は請求項４記載の発明に係るプラント設備機器劣
化診断装置の一実施例を示すもので、プラント設備機器
劣化診断装置１には機器の劣化診断に必要な情報、例え
ば機器情報、部品情報、劣化・故障モードおよびその経
時信頼性変化を現わすデータ、診断条件またはＦＭＥＡ
　（故障モード影響解析）情報あるいはユーザの操作・
診断条件等、さらに劣化診断結果等の語句、数値、グラ
フおよび図形情報等を入力あるいは出方する情報入出力
装置２と、この情報入出力装置２がらの情報を必要に応
じて記録するデータベース装置３と、ユーザからの指令
によりデータベース装置３への情報の登録、削除、検索
等の情報管理装置４と、それらの情報を用いてプラント
設備機器の劣化診断を実施する情報演算処理装置５とが
備えられる。

上記情報入出力装置２にはＣＲＴ装置６、キーボード装
置７、マウス装置８、フロッピドライブ装置９、漢字・
グラフィックプリンタ装置１０が備えられる。

次に、請求項１．２および３記載の発明に係るプラント
設備機器劣化診断方法について説明する。

上記プラント設備機器劣化診断装置は次に示す手順によ
り、プラント設備機器の劣化診断を実施するようになっ
ている。以下、第１図に示すフローチャートに沿って説
明する。

（１）情報入出力装置２により、診断対象となる機器の
名称、機種、機器型式、所属プラント・系統等の診断条
件を設定する（Ｓｌ）。情報演算処理装置５は、情報管
理装置４を介して、データベース装置３より、機器劣化
評価に必要な情報を検索・設定する（Ｓ２）。これらの
情報は、情報入出力装置２より、ユーザにも提供される
。

（２）検索・設定された情報は、情報演算処理装置５に
て、不足や未入力データ等のチエツクがなされる（Ｓ３
．Ｓ４）。劣化評価に充分でない場合、当該データの入
力・設定が情報入出力装置２を介して、ユーザに提示さ
れる。

ユーザは、必要に応じて、データの修正、登録を行うこ
とができる。

劣化評価が充分な場合、（３）に進む。

（３）「干渉マトリックスの設定・確認」情報入出力装
置２に第３図に示す「干渉マトリックス」が表示され（
Ｓ５）、ユーザは、マトリックスの行列要素に相当する
部分に、マウス装置８を用いて、影響伝達の程度（大、
中、小）等を入力する（Ｓ６．Ｓ７）。ユーザは、この
作業を実施するのみで、劣化メカニズム・モデルが自動
的に作成される。

既に登録されている干渉マトリックス・デ−タがある場
合、自動的にデータベースより検索され、干渉マトリッ
クス上に表示される。

したがって、その場合は、修正・追加のみで、マトリッ
クスの設定が可能となっている。

設定が完了した場合、（４）に進む。

（４）干渉マトリックス・データに従って、行列計算に
より、例えば、最小影響伝達経路等が推定される（Ｓ８
．Ｓ９．５ＩＯ）。

可到達行列の計算をベースとしたＩＳＭ法（Ｉｎｔｅｒ
ｐｒｃ＋ｉｖｅ　Ｈｒｕｃｊｕｒａｌ　Ｍｏｄｅｌ）　
（ｒ参加型システムズ・アプローチ」：椹木義−１河村
和彦編；日刊工業新聞社発行参照）を適用した例を以下
に示す。例として、影響の程度（大、中、小）は、考慮
せず、全ての行列要素を１　“とする。

■マトリックスの入力 第４１ｆｆｌ　（Ａ）は入力されたマトリックスを示し
、第４図（Ｂ）はこれを有向グラフとし表示したものを
示している。

■可到達行列の計算 −１− （Ａ＋Ｉ）　　　　−（Ａ＋１）　　　−（Ａｒ＋１ ＋Ｉ）　　　＝Ｔ（可到達行列）　・・・（１）第５図
（Ａ）は可到達行列を示し、第５図（Ｂ）はこれを有向
グラフとして表示したものを示している。

■トップ要素の選定 第６図はトップ要素の選定を示している。

この図より、Ｓ５（＊印）がトップ要素（劣化・故障モ
ード）であることが分かる。

■伝達要素の選定 第６図から８５の要素を除いて、再度同様の処理を行う
ことにより、第７図（Ａ）に示すモデル（有向グラフ）
が得られる。

■隣接行列式による影響伝達経路の簡略化この処理によ
り、第７図（Ａ）に示すモデルは、第７図（Ｂ）に示す
モデル（有向グラフ）として提供される。

以上のような行列計算処理および有向グラフ表示により
、第３図に示した干渉マトリックスより第８図に示すよ
うな劣化メカニズム・モデルが自動的に作成される。

（５）推定された劣化メカニズム・モデルは、ユーザの
必要に応じて、データベースに記録・保存できる（Ｓｌ
、１．３１２）。

（６）機器トータル経時信頼性変化（機器劣化指標）の
推定に必要な各劣化・故障モードの信頼性データを情報
管理装置４を介してデータベース装置３より自動的に検
索・設定する。

既に診断が実施された機器の場合、前回の結果が登録さ
れているため、この場合は、修正、追加を実施するのみ
でよい。

信頼性データ（ユーザは、情報入出力装置２にて、これ
らの信頼性データを確認することができる（５１３．Ｓ
１４，５１５））が適切に設定されている場合、（７）
に進む。

（７）劣化評価の計算（予測）条件を入力・設定する（
Ｓ１６，５１７）。

計算（予測）条件としては、機器の点検周期、各部品の
取替周期、検査・補修の信頼性回復率、予測年数、点検
・保守にかかる平均時間、そして機器劣化指標を現わす
関数、例えば、故障率関数、不信頼度関数、アベイラビ
リティ関数等がある。

これらのデータも、既に推定した結果があれば、その時
のデータか保存されており、ユーザは、必要に応じて情
報入出力袋！２　（ＣＲＴ６上）で修正、追加すること
ができる。

計算（予測）条件が適切に設定された場合、（８）に進
む。

（８）機器トータル経時信頼性変化（機器劣化指標）の
推定（３１８，３１９） 以下、アベイラビリティ関数による機器トータル経時信
頼性変化（機器劣化指標）の推定例を説明する。

点検・補修のある機器の故障率は、以下のように示せる
。

λ（０＝λ（ｔ−ｔｒ）　　　　　　　・・・（２）こ
こで、ｔｒ：機器が点検・補修された最新の時期 劣化・摩耗領域の故障率変化を線形増加と仮定する線形
劣化評価モデルを適用すると、故障率は、以下のように
示せる。

λ（１）＝λ０＋λ＾（＋）　　　　　　　・・・（３
）ここで、λ（１）：時間依存全故障率 λ０　　：偶発故障率（一定値） λＡ（ｔ）：劣化故障率（線形増加） したがって、式（２）は、以下のように示せる。

λ（１）＝λｏ　＋２ｂ　（ｔ−ｔ　ｒ）　　−（４）
ここで、ｂ　：　１／２劣化加速係数 以上の時間依存全故障率は、機器を構成する全ての部品
について、情報演算処理装置５で設定される。機器トー
タルの故障率関数は、同一時間スケール上で、次のよう
な条件の推定ができる。

■各推定時間スパン毎に、各部品の中でも最も大きい故
障率を機器の故障率とする方法。

■劣化メカニズム・モデルに従って、トップ事象（劣化
・故障モード）の故障率をプール代数等により推定した
結果を機器の故障率とする方法。

■機器の部品構成に従って、プール代数等により機器故
障率を推定する方法。

第９図に、本装置の情報演算処理装置Ｉ５により予測さ
れ、情報入出力装置２　（ＣＲＴ６上）に表示、提供さ
れた、■の方法による機器トータル故障率経年変化予測
図の例を示す。

次に、これらの機器トータル故障率関数を用いた機器ト
ータル経時信頼性変化（機器劣化指標）の推定例を説明
する。例として、アベイラビリティ関数（運用のある時
点で機器が機能を維持している確率）について説明する
。

アベイラビリティ関数は、式（４）を用いて、以下のよ
うに示せる。

Ｑ（＋）＝ｅｘｐ　［−λｏ　ｔ　−ｂ　（ｔ−ｔｒ）
　　　　　・・・（５） さらに、点検・保守の効果を考慮すると、式（５）は、
以下のように示せる。

Ｑ　（＋、　＋ｗｌｌ　＝　ｅ　ｘ　ｐ　　（−λ０（
ｔ−ｔｗ）ｂ［（ｔ−ｔｒ）２ （ｔｗ−ｔｒ）２） ・・・　（６） ここで、ｔｗ・機器か動作している時間第１０図に本装
置の情報演算処理装置５により予測され、情報入出力装
置２　（ＣＲＴ６上）に表示、提供されたアベイラビリ
ティ関数（機器トータル故障率関数を用いた機器トータ
ル経時信頼性変化）の表示例を示す（Ｓ２０．５２１）
。

第９図および第１０図では、点検・補修により、機器の
故障率、信頼性が回復しつつ、劣化メカニズムに従って
、徐々に低下していく傾向、程度を把握することができ
ることを示している。

（９）以上の処理の結果はデータベース装置３に登録さ
れ、機器劣化診断を終了してもよい場合には診断を終了
する（Ｓ２２．Ｓ２３．Ｓ２４、Ｓ２５，５２６）。

このように上記実施例によれば、機器や構成部品が持っ
ている複数の劣化・故障モードの構成上、機能上の干渉
効果（影響伝達）を、劣化・故障モードの干渉マトリッ
クス要素に影響の有無、程度を設定するという極めて簡
潔な方法により、自動的かつ精度の良い劣化メカニズム
・モデルを作成できる。また、この結果を用いて、機器
トータルの経時信頼性変化（機器劣化指標）を機器の点
検、補修等の条件を考慮して予測・診断することができ
る。

したがって、従来の技術では困難であった機器固有の劣
化メカニズムに基づいた、機器の運用中の信頼性変化を
予測できるため、機器の信頼性の低い部品、改善等をす
べき劣化・故障モードを適格に把握することができ、適
切な設計改良の施策が実行できる。また、信頼性が低下
していく傾向・程度に基づいた、点検・保守計画（部品
取替周期等）の適切な策定が可能となる。

結果的に、機器の運転信頼性を向上や保守コストの合理
化が図れるため、プラント設備の運用に対して、非常に
多大な効果が得られる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば保全を伴う運用中
の機器の信頼性、劣化状況を機内に内在する劣化・故障
モードの相互干渉効果を考慮して、予測・診断すること
ができ、この診断結果に基づいて機器の保守計画（構成
部品の取替計画、点検周期等）の策定を合理的かつ適切
に実施していくことができ、機器の運転信頼性の向上、
プラント稼動率の向上あるいは保守計画、費用、時期等
の適正化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るプラント設備機器の劣化診断方法
の一実施例を示すフローチャート、第２図は本発明に係
るプラント設備機器の劣化診断装置の一実施例を示す構
成図、第３図は上記実施例において劣化・故障モードの
干渉効果（影響伝達）を評価し、劣化メカニズム・モデ
ルを作成するための干渉マトリックスを示す図、第４図
（Ａ）は上記実施例において入力された干渉マトリック
スを示す図、第４図（Ｂ）は第４図（Ａ）に示す干渉マ
トリックスを有向グラフによって表示した図、第５図（
Ａ）は上記実施例における可到達行列を示す図、第５図
（Ｂ）は第５図（Ａ）に示す可到達行列を有向グラフに
よって表示した図、第６図は上記実施例におけるトップ
要素の選定を示す図、第７図（Ａ）は上記実施例におけ
る伝達要素の選定処理により得られた有向グラフを示す
図、第７図（Ｂ）は上記実施例における隣接行列式によ
る影響伝達経路の簡略化処理により得られた有向グラフ
を示す図、第８図は上記実施例において作成された劣化
メカニズム・モデルを示す図、第９図は上記実施例にお
ける機器トータルの経時信頼性変化（機器劣化指標）予
測例としての機器トータル故障率の経年変化の予測を示
す図、第１０図は上記実施例における機器トータルの経
時信頼性変化予測例としての機器トータルアベイラビリ
ティの経年変化の予測を示す図、第１１１Ｎは機器の劣
化・故障メカニズムの概念を示す図である。 １・・・プラント設備機器の劣化診断装置、２・・・情
報入出力装置、３・・・データベース装置、４・・・情
報管理装置、５・・・情報演算処理装置。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、プラント設備機器を構成する機器・部品の劣化・故
   障モード情報およびそれらを２次元に配置して作成され
   るマトリックスの各要素に、上記劣化・故障モード間の
   有向的な影響伝達の程度を定量的、定性的に設定し、行
   列計算を用いて、根本原因となる劣化・故障モードから
   中間影響伝達モードとなる劣化・故障モードを介して最
   終影響波及モードとなる劣化・故障モードまでの伝達経
   路を推定するとともに、有向グラフの表示により、機器
   固有の劣化メカニズム・モデルを作成することを特徴と
   するプラント設備機器の劣化診断方法。 ２、上記劣化メカニズム・モデルを構成する劣化・故障
   モードに経年的な信頼性の変化を現わす関数を設定し、
   数値計算を用いて他の劣化・故障モードからの干渉効果
   を考慮した各劣化・故障モードの経年信頼性変化を推定
   するとともに、その中から各時点での最小信頼性値によ
   り、機器トータルの信頼性変化を予測する請求項１記載
   のプラント設備機器の劣化診断方法。 ３、上記機器トータル信頼性変化を予測する際に、機器
   ・部品の点検・取替周期や点検・取替による機器・部品
   の信頼性回復といった予測条件を考慮して機器トータル
   の信頼性変化を予測する請求項２記載のプラント設備機
   器の劣化診断方法。 ４、機器劣化診断に必要な情報、ユーザの装置操作情報
   および劣化診断・信頼性解析結果を内容とする語句、数
   値、グラフ、図表情報を入出力する情報入出力装置と、
   この情報入出力装置で入力した情報を必要に応じて記録
   するデータベース装置と、このデータベース装置への登
   録、削除、検索といった情報管理を実施する情報管理装
   置と、上記情報を用いてプラント設備機器の劣化診断を
   実施する情報演算処理装置とを具備してなることを特徴
   とするプラント設備機器の劣化診断装置。