郝紅領(lǐng)

惠生（南通）重工有限公司 江蘇南通 226000

隨著國際浮式液化天然氣（FLNG）市場不斷擴(kuò)大，為提高FLNG 船的經(jīng)濟(jì)效益，應(yīng)提高生產(chǎn)設(shè)備的可靠性，延長停產(chǎn)檢修周期。但是延長停產(chǎn)檢修周期會(huì)導(dǎo)致SIS（Safety Instrumentation System）系統(tǒng)中有SIL（Safety Integrity Level）等級(jí)要求的緊急切斷閥一直處于“不動(dòng)”狀態(tài)，管道內(nèi)的介質(zhì)可能會(huì)腐蝕閥芯及閥座，雜質(zhì)可能會(huì)堵塞閥門而影響其動(dòng)作。FLNG 裝置具有低溫、高壓、易泄露、易燃、易爆的特性，如果緊急切斷閥在需要執(zhí)行動(dòng)作時(shí)因卡塞而無法動(dòng)作，在一定概率下會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重危害生命的后果。

1 PST 的概念

PST（Partial Stroke Test）是1 種在線檢測SIS緊急切斷閥的可靠的方法，整個(gè)過程不影響裝置正常運(yùn)行。PST 通過閥門從初始（開啟或關(guān)閉）位置運(yùn)行10%～15%（可調(diào)節(jié)）行程，然后回到初始位置檢查閥門故障情況，按一定時(shí)間間隔進(jìn)行周期性動(dòng)作。周期性PST 能夠檢出閥門存在的大部分故障，延長切斷閥檢修周期而不降低其SIL。

PST 能夠智能檢測出大部分的閥門故障，但有些故障如閥座的密封完整性只能依靠裝置停車后的閥門全行程測試（Full Stroke Test，F(xiàn)ST）檢測。PST 只是FST 的有效補(bǔ)充，裝置停車時(shí)必須對(duì)每一臺(tái)切斷閥做全面的FST，以確保整個(gè)SIS 系統(tǒng)的安全完整性。

2 PST 對(duì)SIL等級(jí)的影響

采用PST 可以延長大修周期，但不降低系統(tǒng)的SIL（Safety integrated Level），可以從工程設(shè)計(jì)的角度分析PST 對(duì)SIL 等級(jí)的影響。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)IEC61508/ 61511 安全完整性理論，SIL與平均失效概率（Average Probability of Failure on Demand，PFDavg）存在線性關(guān)系?；跊]有冗余和自診斷要求計(jì)算PFDavg。

在不改變SIL 的情況下，如果將PST 的測試間隔縮短，F(xiàn)ST 的測試間隔相應(yīng)延長。可以通過增加PST的測試頻率保證切斷閥的SIL 不降低。

全行程測試周期間隔為1 年，換算成約8760h，不使用PST 時(shí)，可得：

如果將測試方案改為每2 個(gè)月進(jìn)行1 次PST，每隔3 年進(jìn)行1 次全行程測試，則PST 間隔為2 個(gè)月，約1460h，全行程測試間隔為3 年，約26280h，根據(jù)式（2）可得：PFDavg=4453λD。

兩種測試方案得出的PFDavg值相差不大，說明在維持閥門PFDavg值不變，即保持SIL 等級(jí)不變的情況下，通過執(zhí)行PST 可以延長FST 的測試間隔，從而延長裝置的運(yùn)行周期，降低生產(chǎn)成本，提高企業(yè)效益。

3 PST 方法

3.1 人工法

在閥門PST 需求的初期階段，一般通過人工法實(shí)現(xiàn)。人工法具有兩種測試方式，第一種是電磁閥加檢測模塊和氣動(dòng)附件，通過就地手動(dòng)按鈕和遠(yuǎn)程信號(hào)操作，讓電磁閥短時(shí)間斷電，使閥門失氣后關(guān)閉（假設(shè)閥門初始狀態(tài)為開啟），一旦閥門關(guān)閉到設(shè)定的位置（通常是15 度以內(nèi)），通過檢測模塊反饋，使電磁閥上電，閥門全開。第二種是電磁閥加位置開關(guān)模式，也通過現(xiàn)場手動(dòng)操作或遠(yuǎn)程操作，使電磁閥短時(shí)間斷電，閥門開始動(dòng)作，一旦到達(dá)設(shè)定點(diǎn)，位置開關(guān)檢測到信號(hào)，人工重新給電磁閥上電。

人工法測試的優(yōu)點(diǎn)是硬件投資成本較低；缺點(diǎn)是需要非常高的人力成本，而且測試過程只有電磁閥和閥位開關(guān)可以監(jiān)測到閥門動(dòng)作，在測試過程中具有人為因素影響和連鎖回路暫時(shí)失效的風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 額定閥門控制器法

將微處理器模塊、接近式開關(guān)、電磁閥、閥位變送器及測試按鈕等硬件集成閥門控制器，閥門控制器具有在線診斷和監(jiān)視功能。PST 是嵌入在控制器中的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)功能塊，可以把測試間隔和部分行程的設(shè)定值作為固定參數(shù)輸入閥門控制器，選擇模式，進(jìn)行PST 調(diào)教?？刂破魈峁┝诵盘?hào)狀態(tài)，配合相應(yīng)的智能診斷系統(tǒng)使用，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測試，向工程師提供實(shí)時(shí)閥門狀態(tài)信息。額定閥門控制器PST 方式原理見圖1。

圖1 額定閥門控制器PST方式原理

以艾默生公司的TopWorx D- ESD 閥門控制器為代表介紹測試步驟：

將額定閥門控制器裝配到閥門上，接通24VDC 電源，PST 位置在分度凸輪上被設(shè)置為從全開位置起的10%～20%。按下傳感器控制模塊上的按鈕保持5s，即可以標(biāo)定閥門。標(biāo)定期間自動(dòng)執(zhí)行PST，在非易失性存儲(chǔ)器中記錄行程時(shí)間。此時(shí)，閥門即已完成標(biāo)定。

測試時(shí)，按下外部的PST 測試按鈕或通過控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程脈沖DO，電磁閥的供電被瞬間中斷，電磁閥關(guān)閉緊急切斷閥門至設(shè)定部分行程位置（PST 位置），然后電磁閥得電，通過接近開關(guān)向控制系統(tǒng)輸出閥門位置信號(hào)。若測試期間沒能夠在標(biāo)定的記錄時(shí)間內(nèi)達(dá)到預(yù)先設(shè)定的測試位置，電磁閥會(huì)重新得電，閥門回到原始狀態(tài)，消除所有空氣從執(zhí)行機(jī)構(gòu)排出的風(fēng)險(xiǎn)。若PST 失敗，反饋到控制系統(tǒng)的DI 將顯示開路報(bào)警，此時(shí)可以通過傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)的脈沖DI 信號(hào)提供錯(cuò)誤編碼，將自診斷信息提供給工程人員，實(shí)現(xiàn)預(yù)測性維護(hù)和預(yù)警報(bào)警。在這種情況下，必須對(duì)切斷閥進(jìn)行計(jì)劃維護(hù)，以確保安全儀表系統(tǒng)的SIL。若PST 期間收到系統(tǒng)緊急切斷信號(hào)，以系統(tǒng)緊急切斷信號(hào)優(yōu)先，確保閥門在緊急情況下正常切斷。

額定閥門控制器法測試的優(yōu)點(diǎn)是閥門控制器一體化配置、占用空間小、測試流程簡單、具備自診斷功能、成本較低；缺點(diǎn)是不具備HART 通訊功能、沒有配套的診斷軟件、診斷列表相對(duì)簡單、智能化程度不高。

3.3 數(shù)字式閥門控制器

數(shù)字式閥門控制器（智能型閥門定位器）通常采用模塊設(shè)計(jì)，集成多種傳感器，自帶HART 協(xié)議功能。數(shù)字式閥門控制器可以模擬緊急連鎖測試，通過內(nèi)部程序設(shè)定部分行程點(diǎn)。通過PST 功能，數(shù)字式閥門控制器可以計(jì)算彈簧范圍、膜頭壓力、壓力差以及響應(yīng)時(shí)間，檢測閥門的摩擦力大小并計(jì)算具體的數(shù)值。在整個(gè)測試過程中，可以以編程的方式輸入控制器，在無須操作人員關(guān)注的情況下自動(dòng)進(jìn)行PST。通過與其配套的智能軟件，可以得到閥門PST 測試的閥位- 壓力變化曲線，根據(jù)曲線進(jìn)行閥門性能退化分析，分析結(jié)果通過Hart 傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)進(jìn)行分析和診斷，為閥門維修提供依據(jù)。數(shù)字式閥門控制器PST 方式原理見圖2。

圖2 數(shù)字式閥門控制器PST 方式原理

帶有PST 功能的數(shù)字式閥門控制器品牌很多，如Fisher 的DVC6200SIS 系列、美卓的NG800 系列、Samson 的 3730- ESD 系列以及 Mosoneilan 的SVIIESD 系列等。

下面以Fisher 的DVC 6200SIS 為例介紹：

工程師可以通過遙控的方式遠(yuǎn)程進(jìn)行DVC6200SIS 的PST 功能測試，使閥門運(yùn)動(dòng)到一個(gè)預(yù)先設(shè)定的開度值。設(shè)定開度值可調(diào)，最多為全行程的30%。利用DVC6200SIS 進(jìn)行階躍響應(yīng)測試和閥門性能測試，閥門的運(yùn)行狀況和自身的健康狀況均可以被測試出來。

定位器的PST 功能參數(shù)可以通過Valve link 軟件和HART 手操器進(jìn)行組態(tài)。

（1）PST 開度變化設(shè)定值默認(rèn)為15%，可以選擇1%～30%。

（2）測試速度默認(rèn)為0.25%，可以選擇1.00%、0.50%、0.25%、0.12%和0.06%。

（3）間歇時(shí)間（閥門關(guān)到設(shè)定值后，開始開啟閥門時(shí)的間隔值）默認(rèn)為5s，可以選擇5、10、15、20、30s。

（4） Loop+ 和Loop- 連接控制系統(tǒng)來的4 ～20mA 信號(hào)，Aux+ 和Aux- 連接PST 測試按鈕。

（5）閉合Aux+ 和Aux- 端子3～5 s，斷開，啟動(dòng)PST 功能測試。

此方法的優(yōu)點(diǎn)是操作簡單，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程觸發(fā)PST 功能借助軟件進(jìn)行閥門性能評(píng)估，及時(shí)報(bào)告現(xiàn)有或潛在的閥門故障；缺點(diǎn)是帶有此功能的定位器價(jià)格較高，調(diào)試難度較大?；萆Ｑ蠊こ?017 年交付給比利時(shí)某船東的FLNG 船項(xiàng)目成功應(yīng)用該測試方法。

4 結(jié)語

PST 能夠在不降低整個(gè)切斷閥SIL 等級(jí)的情況下延長全行程測試的間隔，對(duì)生產(chǎn)安全及企業(yè)效益具有非同尋常的意義。在實(shí)際項(xiàng)目應(yīng)用中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目投資情況及對(duì)工藝流程的安全分析，確定SIS 系統(tǒng)緊急切斷閥的PST 方式，并在確定SIL 等級(jí)的基礎(chǔ)上確定PST 間隔。