陶富云 趙寧 葉海春

摘?要：通過(guò)建立化工機(jī)械設(shè)備失效數(shù)據(jù)庫(kù)，合理選取失效數(shù)據(jù)進(jìn)行安全儀表系統(tǒng)評(píng)估，使安全儀表系統(tǒng)得到合理配置；建立化工機(jī)械設(shè)備失效數(shù)據(jù)庫(kù)可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的預(yù)知性維修，降低設(shè)備突發(fā)故障的頻率，為安全生產(chǎn)保駕護(hù)航。

關(guān)鍵詞：化工機(jī)械設(shè)備；安全儀表系統(tǒng)（SIS）；安全完整性等級(jí)（SIL）；基本過(guò)程控制系統(tǒng)（BPCS）；安全儀表功能（SIF）

1?化工行業(yè)現(xiàn)狀及化工機(jī)械設(shè)備面臨的問(wèn)題

化工行業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的產(chǎn)業(yè)支柱，它的發(fā)展?fàn)顩r與國(guó)民經(jīng)濟(jì)息息相關(guān)，近年來(lái)，化工行業(yè)生產(chǎn)保持著總體增長(zhǎng)，但工業(yè)增加值增速整體居于低水平狀態(tài)?；ば袠I(yè)經(jīng)營(yíng)效益持續(xù)變差，營(yíng)業(yè)收入近三年來(lái)持續(xù)下降，化工行業(yè)安全事件頻發(fā)是造成此情況的主要原因之一。為避免安全事件的發(fā)生，獲取設(shè)備失效率信息是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。目前行業(yè)中相關(guān)人員主要是通過(guò)檢維修記錄、供貨商記錄和第三方數(shù)據(jù)庫(kù)獲取失效率信息［1］，但仍然無(wú)法解決根本問(wèn)題，如許多企業(yè)雖有檢維修記錄，卻沒(méi)有按照有效的形式進(jìn)行收集整理；供貨商記錄沒(méi)有考慮工藝條件或工藝環(huán)境；第三方數(shù)據(jù)庫(kù)只是按照設(shè)備類(lèi)別進(jìn)行了整理，但沒(méi)有考慮不同的應(yīng)用環(huán)境等。選用此類(lèi)數(shù)據(jù)可能會(huì)造成安全完整性等級(jí)（SIL）的定級(jí)結(jié)果不準(zhǔn)確，導(dǎo)致安全儀表系統(tǒng)（SIS）配置不合理，存在兩個(gè)極端情況。

第一種情況，化工機(jī)械設(shè)備處于過(guò)度保護(hù)狀態(tài)，導(dǎo)致安全儀表功能（SIF）回路投入費(fèi)用偏高，維保費(fèi)用高，影響企業(yè)盈利。

第二種情況，化工機(jī)械設(shè)備因保護(hù)措施不足而處于危險(xiǎn)狀態(tài)，隨時(shí)可能發(fā)生安全事件。

同時(shí)，此類(lèi)數(shù)據(jù)無(wú)法提前預(yù)知設(shè)備故障情況，導(dǎo)致預(yù)知性維修策略實(shí)施難度增大。

因此，建立能區(qū)分不同工藝條件、不同供貨商及其產(chǎn)品型號(hào)的化工機(jī)械設(shè)備失效數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)于化工機(jī)械設(shè)備開(kāi)展預(yù)知性維修工作和SIL評(píng)估工作是尤為重要的。

2?化工機(jī)械設(shè)備數(shù)據(jù)收集方法現(xiàn)狀分析

化工機(jī)械設(shè)備數(shù)據(jù)收集方法主要有通過(guò)檢維修記錄、供貨商記錄和第三方數(shù)據(jù)庫(kù)獲取失效率信息，下面就化工機(jī)械設(shè)備數(shù)據(jù)收集方法進(jìn)行分析：

2.1?檢維修記錄

化工企業(yè)的檢維修記錄是最好的數(shù)據(jù)源。它能代表應(yīng)用環(huán)境、維護(hù)規(guī)程以及供貨商的關(guān)注點(diǎn)等一手信息。但是必須有大量的檢維修數(shù)據(jù)，才能進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。另外，許多化工企業(yè)都有設(shè)備維修記錄，里面體現(xiàn)了SIS系統(tǒng)相關(guān)失效率信息，但是可能沒(méi)有按照有用的形式進(jìn)行收集。例如某些化工企業(yè)的設(shè)備維修記錄，統(tǒng)計(jì)信息不全、未對(duì)不同類(lèi)型的設(shè)備進(jìn)行分類(lèi)等情況，設(shè)備維修完全取決于現(xiàn)場(chǎng)人員的管理經(jīng)驗(yàn)來(lái)決定設(shè)備是否維修或更換，喪失了失效數(shù)據(jù)對(duì)于執(zhí)行預(yù)知性維修策略的指導(dǎo)意義，同時(shí)還會(huì)影響SIL評(píng)估對(duì)于設(shè)備失效概率的取值，導(dǎo)致SIS系統(tǒng)配置不合理。因此，在化工企業(yè)實(shí)際檢維修工作情況的基礎(chǔ)上建立化工機(jī)械設(shè)備失效數(shù)據(jù)庫(kù)非常必要。

2.2?供貨商記錄

購(gòu)買(mǎi)設(shè)備后，可以由供貨商提供設(shè)備失效數(shù)據(jù)。供貨商提供的數(shù)據(jù)來(lái)源主要來(lái)自實(shí)驗(yàn)室得出的數(shù)據(jù)和用戶(hù)反饋的數(shù)據(jù)。在實(shí)驗(yàn)室得出的失效數(shù)據(jù)通常會(huì)基于一定的假設(shè)條件來(lái)得出失效數(shù)據(jù)，如有大約25%的設(shè)備交付后被存放在倉(cāng)庫(kù)里（未投用），其余設(shè)備在線使用的設(shè)備工作狀態(tài)為每天兩個(gè)班次，每周操作5天。實(shí)際上，化工企業(yè)的機(jī)械設(shè)備不是這樣的使用狀態(tài)，有的機(jī)械設(shè)備是不間斷連續(xù)使用的。供貨商收到反饋的設(shè)備失效數(shù)據(jù)與用戶(hù)自己留存的檢維修記錄存在很大差異，供貨商的提供的數(shù)據(jù)一般不符合實(shí)際情況。造成這種狀況的主要原因是很少有用戶(hù)在機(jī)械設(shè)備超過(guò)質(zhì)保期后仍將故障信息提供給供貨商。如現(xiàn)場(chǎng)服役十年的變送器，用戶(hù)對(duì)實(shí)際檢維修中獲取的失效數(shù)據(jù)一般不會(huì)反饋給供貨商的。

另外，供貨商的失效數(shù)據(jù)，特別是現(xiàn)場(chǎng)的儀表設(shè)備，一般沒(méi)有考慮工藝條件或環(huán)境因素。儀表設(shè)備在惡劣、強(qiáng)腐蝕的環(huán)境中使用，遠(yuǎn)比在潔凈的工藝條件下和工作環(huán)境中更容易出現(xiàn)故障或損壞。

因此，供貨商在以上這些情況下收集的設(shè)備失效數(shù)據(jù)通常不具備統(tǒng)計(jì)意義。

2.3?第三方數(shù)據(jù)庫(kù)

目前行業(yè)中已經(jīng)有了一些可用的商業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)，如PDS數(shù)據(jù)手冊(cè)即SINTEF?SIS的可靠性數(shù)據(jù)［2］，由多家國(guó)際石油公司、控制及安全設(shè)備供應(yīng)商、專(zhuān)業(yè)咨詢(xún)單位及一些政府機(jī)構(gòu)，參與該數(shù)據(jù)項(xiàng)目的收集工作；此外還有著名的OREDA（Offshore?Reliability?Data）海上平臺(tái)可靠性數(shù)據(jù)手冊(cè)［3］、美國(guó)化工協(xié)會(huì)過(guò)程設(shè)備可靠性數(shù)據(jù)庫(kù)PERD（Process?Equipment?Reliability?Data）［4］以及EXIDA安全設(shè)備可靠性手冊(cè)［5］等。這些數(shù)據(jù)基于不同專(zhuān)業(yè)公司的實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，按照設(shè)備類(lèi)別整理，但這些數(shù)據(jù)沒(méi)有考慮不同的應(yīng)用環(huán)境且信息不全面，無(wú)法對(duì)某些設(shè)備的SIL評(píng)估和預(yù)知性維修工作提供數(shù)據(jù)支持。

3?優(yōu)化化工機(jī)械設(shè)備失效數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)方法

為了保證SIL定級(jí)過(guò)程中引用的數(shù)據(jù)更為準(zhǔn)確，并提高預(yù)知性維修技術(shù)的水平，需要在化工行業(yè)中建立一套化工機(jī)械設(shè)備失效數(shù)據(jù)庫(kù)。故障數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)具備以下幾個(gè)方面的要求。

3.1?數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新

在設(shè)備正常生產(chǎn)過(guò)程中，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)人員發(fā)現(xiàn)問(wèn)題對(duì)其進(jìn)行檢修后，需要將檢修信息錄入化工機(jī)械設(shè)備失效數(shù)據(jù)庫(kù)中，錄入內(nèi)容主要包括設(shè)備名稱(chēng)、設(shè)備介質(zhì)、設(shè)備所屬工藝系統(tǒng)、設(shè)備投用日期、設(shè)備故障日期等內(nèi)容，如表1所示。如查詢(xún)液位調(diào)節(jié)閥的故障，可以通過(guò)相關(guān)要素內(nèi)容查詢(xún)，可以了解到在哪個(gè)工藝系統(tǒng)、哪種設(shè)備、哪種介質(zhì)的工況下，調(diào)節(jié)閥容易出現(xiàn)故障。還可以通過(guò)設(shè)備投用日期、設(shè)備故障日期了解到設(shè)備在此工況下的故障周期。

3.2?數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)管理

由于受介質(zhì)、工況等因素影響，設(shè)備故障的失效概率是有差異的。因此，將維修設(shè)備的介質(zhì)、工況等因素填入系統(tǒng)中，進(jìn)行分類(lèi)統(tǒng)計(jì)。例如將介質(zhì)分為原油、汽油、柴油、天然氣、液化石油氣、正己烷、海水等，將化工機(jī)械設(shè)備的材質(zhì)進(jìn)行分類(lèi)。這樣我們就能得出準(zhǔn)確的設(shè)備故障的失效概率，如輸送海水的碳鋼材質(zhì)管道腐蝕概率較高，輸送柴油的碳鋼材質(zhì)管道腐蝕概率較低。

3.3?數(shù)據(jù)取值范圍廣

通過(guò)大量化工企業(yè)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)共享，便于統(tǒng)計(jì)，在大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的情況下，化工企業(yè)通過(guò)數(shù)據(jù)查詢(xún)就可以了解到設(shè)備的故障情況，取同類(lèi)設(shè)備、同類(lèi)介質(zhì)的故障數(shù)據(jù)的平均值作為SIL定級(jí)中使用的數(shù)據(jù)及制定設(shè)備預(yù)知性維修策略的依據(jù)，如表2所示。

4?化工機(jī)械設(shè)備失效數(shù)據(jù)庫(kù)的作用

4.1?提高SIL評(píng)估的工作質(zhì)量

在SIL評(píng)估中，可通過(guò)化工機(jī)械設(shè)備失效數(shù)據(jù)庫(kù)直接調(diào)用相關(guān)設(shè)備的失效數(shù)據(jù)，用LOPA方法進(jìn)行SIL定級(jí)，使SIL定級(jí)結(jié)果更為準(zhǔn)確，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)SIS系統(tǒng)的合理配置。

例如：凝液罐（圖1）。來(lái)自上游工藝設(shè)施的凝液進(jìn)入凝液罐（V3109），凝液供料管道、凝液罐（V3109）及伴生氣出口管路均為帶壓狀態(tài)。凝液罐受液位控制回路（LIC3109）控制，LIC3109檢測(cè)凝液罐（V3109）液位，通過(guò)液位調(diào)節(jié)液位閥（LV3109）控制液位。經(jīng)凝液罐（V3109）脫氣處理后的凝液輸往下游工藝單元進(jìn)行處理。LIC3109控制回路具備提醒中控操作人員的高液位報(bào)警（LAH3109）和低液位報(bào)警（LAL3109）的功能。目前需要確定凝液罐（V3109）液位低聯(lián)鎖的SIL等級(jí)。

圖1?凝液罐

進(jìn)行SIL定級(jí)的步驟如下：

（1）場(chǎng)景識(shí)別與篩選。場(chǎng)景由初始事件和后果構(gòu)成。選定的初始事件為L(zhǎng)IC3109液位控制回路故障，導(dǎo)致LV3109關(guān)閉，造成凝液泵抽空損壞，凝液介質(zhì)泄漏，遇點(diǎn)火源發(fā)生爆炸。該公司的風(fēng)險(xiǎn)容許度頻率為1×105/y。

（2）初始事件頻率的確認(rèn)。本次選定初始事件為L(zhǎng)IC3109液位控制回路故障，其失效頻率為1×101/y。

（3）使能條件確認(rèn)。由于凝液罐（V3109）處于普通工藝區(qū)，因此，點(diǎn)火概率選取為50%?，F(xiàn)場(chǎng)人員2小時(shí)巡檢1次，每次在此區(qū)域停留12分鐘，所以人員暴露概率選取為10%。

（4）獨(dú)立保護(hù)層評(píng)估。雖然LIC3109控制回路具備提醒中控操作人員的低液位報(bào)警（LAL3109）的功能，但是它沒(méi)有獨(dú)立于初始事件，因此不能作為獨(dú)立保護(hù)層。

（5）場(chǎng)景頻率計(jì)算。場(chǎng)景頻率按式（1）計(jì)算：

fCa=fIa×fEa×∏Xx=1PFDax×∏Jj=1PFDaj（1）

式中：fca為初始事件a的后果C的發(fā)生頻率，/y；fIa為初始事件a的發(fā)生頻率，/y；fEa為使能條件發(fā)生概率，/y；PDFax為初始事件a中第x個(gè)使能條件數(shù)據(jù)，%；PDFaj為初始事件a中第j個(gè)阻止后果C發(fā)生的獨(dú)立保護(hù)層的失效概率，/y。

通過(guò)場(chǎng)景頻率計(jì)算，問(wèn)題發(fā)生頻率為5×103/y。

（6）風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與決策。LIC3109液位控制回路故障，導(dǎo)致LV3109關(guān)閉，造成凝液泵抽空損壞，凝液介質(zhì)泄漏，遇點(diǎn)火源發(fā)生爆炸，后果等級(jí)為5級(jí)，風(fēng)險(xiǎn)容許度頻率為1×105/y，后果發(fā)生頻率為5×103/y。為保證后果發(fā)生頻率小于1×105/y，需要對(duì)凝液罐（V3109）配置液位低低聯(lián)鎖，相關(guān)SIL等級(jí)按照IEC?61511的要求確定，如表3所示：

表3?要求操作模式

根據(jù)式（2）進(jìn)行計(jì)算，定級(jí)結(jié)果為SIL2。

要求時(shí)失效概率（PFD）=風(fēng)險(xiǎn)容許度頻率場(chǎng)景頻率（2）

由于行業(yè)通用數(shù)據(jù)對(duì)初始事件失效頻率的推薦值的取值范圍較大，如果選取時(shí)出現(xiàn)偏差，增大10倍或減小10倍都會(huì)對(duì)定級(jí)結(jié)果產(chǎn)生影響，因此，建立企業(yè)自己的化工機(jī)械設(shè)備失效數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)提高SIL評(píng)估質(zhì)量是非常重要的。

4.2?優(yōu)化預(yù)知性維修策略

在化工機(jī)械設(shè)備正常運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)化工機(jī)械設(shè)備失效數(shù)據(jù)庫(kù)的相關(guān)數(shù)據(jù)開(kāi)展分析，明確該提前更換或維護(hù)的部件，從而避免因設(shè)備失效造成工藝流程的偏離，杜絕因設(shè)備失效而造成的安全生產(chǎn)問(wèn)題。例如，維修人員根據(jù)化工機(jī)械設(shè)備失效數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)知道到某個(gè)壓力變送器要達(dá)到出現(xiàn)故障周期的年限了，維修人員可在壓力變送器出現(xiàn)故障前對(duì)此壓力變送器進(jìn)行維護(hù)檢修或更換，避免因壓力變送器故障而出現(xiàn)工藝偏差，從而保障了工藝系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

5?化工機(jī)械設(shè)備失效數(shù)據(jù)發(fā)展趨勢(shì)展望

建立化工機(jī)械設(shè)備失效數(shù)據(jù)庫(kù)是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，目前很多企業(yè)已經(jīng)根據(jù)設(shè)備失效、聯(lián)鎖誤動(dòng)作等情況開(kāi)始逐步建立相關(guān)設(shè)備失效數(shù)據(jù)庫(kù)。通過(guò)化工設(shè)備失效數(shù)據(jù)庫(kù)的建立可以使設(shè)備在SIL評(píng)估中選用準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，避免SIS系統(tǒng)過(guò)度保護(hù)節(jié)省大量費(fèi)用，還可以避免因SIS系統(tǒng)保護(hù)不足，而出現(xiàn)安全問(wèn)題。同時(shí)，還可以將化工機(jī)械設(shè)備失效數(shù)據(jù)庫(kù)的相關(guān)數(shù)據(jù)用于設(shè)備的預(yù)知性維修策略中，降低安全生產(chǎn)事件的發(fā)生概率，提高設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。

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項(xiàng)目基金：中海油安全技術(shù)服務(wù)有限公司科研項(xiàng)目：HAZOP分析、SIL定級(jí)與驗(yàn)證工具研發(fā)

作者簡(jiǎn)介：陶富云（1983—?），男，漢族，山東無(wú)棣人，本科，中級(jí)職稱(chēng)（工程師），研究方向：石油化工行業(yè)HAZOP/SIL評(píng)估以及安全咨詢(xún)技術(shù)研究。