張戈亞

(中石化上海工程有限公司,上海 200233)

安全儀表系統(tǒng)(SIS)在石油化工行業(yè)獲得廣泛應(yīng)用,為生產(chǎn)裝置的安全運行保駕護(hù)航。閥門部分行程測試(PST)[1]作為一種專門用于聯(lián)鎖切斷閥上的在線檢測功能,可以靈活有效地降低閥門故障率,在滿足回路安全完整性等級(SIL)要求的前提下,延長閥門的離線檢驗測試周期。目前在IEC 61508和IEC 61511中亦提到可采用PST的方式來提高聯(lián)鎖閥門的安全性[2]?！吨袊療捇髽I(yè)聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)管理細(xì)則》4.2.5條要求:“安全儀表系統(tǒng)中執(zhí)行器宜具有自診斷功能。當(dāng)對應(yīng)SIL等級為 SIL2 及以上的安全儀表功能(SIF),若執(zhí)行元件的檢驗測試間隔(TI)小于裝置檢修周期或工藝專利包有要求時,氣動切斷閥形式的執(zhí)行元件宜配置PST功能,執(zhí)行元件具有在線測試手段的除外。”對于連續(xù)生產(chǎn)的石化裝置來說,能通過PST來保證閥門的檢驗測試周期與大修周期吻合,避免頻繁的離線檢修。本文分析了實現(xiàn)PST的不同方案,介紹了PST的SIL等級的計算方法,并分析如何通過PST有效提高回路的可靠性。

1 技術(shù)背景

當(dāng)裝置正常運行時,緊急切斷閥將會長期維持在某一種狀態(tài),這種“固著”現(xiàn)象[3]可能會導(dǎo)致閥門的卡澀,從而大幅降低安全系統(tǒng)的可靠性。因此,需要定期進(jìn)行行程測試來判斷是否有隱患存在,避免在緊急情況下無法正確執(zhí)行安全功能動作。

ESD閥門的在線行程測試主要有兩種方式,一種為完全行程測試(FST)[4],FST的閥門應(yīng)設(shè)置手動測試開關(guān)按鈕、旁路管線及切斷閥,當(dāng)進(jìn)行FST時,顧名思義,就是將閥門完全從全開運行到全關(guān),因此需在正常開車狀態(tài)下切換到旁路,可能造成工藝參數(shù)的波動,且FST會對閥門部件帶來過度磨損。另一種為PST,當(dāng)進(jìn)行PST時,只需將閥門周期性地由全開位置運行到10%～30%的開度位置再開啟,通過收集和分析該段時間內(nèi)閥桿的移動情況來判斷閥門是否存在卡澀甚至卡死的情況。

2 PST實施方案

針對PST,有以下三種主流實施方案。

2.1 氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)機(jī)械限位方案

氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)機(jī)械限位方案及優(yōu)缺點如下:

1)具備PST功能的單作用執(zhí)行器緊急切斷閥的控制原理。當(dāng)進(jìn)行PST時,按下PST組合閥的開關(guān)按鈕,執(zhí)行器向下排氣,同時向“關(guān)”閥位移動。當(dāng)移動到預(yù)設(shè)位置(通常預(yù)設(shè)位置為10%～30%關(guān)閉行程)時,預(yù)設(shè)撞塊會碰撞凸輪閥,使凸輪閥換向后給PST組合閥一個氣壓信號,使得PST組合閥復(fù)位。執(zhí)行器下腔進(jìn)氣,重新回到“開”閥位,從而完成PST測試。單作用氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)PST測試控制原理如圖1所示。

圖1 單作用氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)PST測試控制原理示意

2)具備PST功能的雙作用執(zhí)行器緊急切斷閥的控制原理。同樣,當(dāng)進(jìn)行PST時,氣控閥先導(dǎo)排氣,執(zhí)行器向“關(guān)”閥位移動。當(dāng)移動到預(yù)設(shè)位置(通常預(yù)設(shè)位置為10%～30%關(guān)閉行程)時,預(yù)設(shè)撞塊會碰撞凸輪閥,使凸輪閥換向后給PST組合閥一個氣壓信號,使得PST組合閥復(fù)位并保持進(jìn)氣狀態(tài),氣控閥收到氣信號后,閥位切換,執(zhí)行器重新回到“開”閥位。雙作用氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)PST測試控制原理如圖2所示。

圖2 雙作用氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)PST測試控制原理示意

3)優(yōu)點。該方案的優(yōu)點在于控制系統(tǒng)均為簡單獨立的機(jī)械設(shè)備,不含有電子控件,不需要軟件進(jìn)行控制,不需要對操作人員進(jìn)行過于復(fù)雜的培訓(xùn)。因此,該系統(tǒng)是故障安全型的,不會因為緊急切斷閥快速動作造成誤停車。

4)缺點。該方案需要確認(rèn)在PST過程中設(shè)置為聯(lián)鎖優(yōu)先,不然在極端情況(PST測試與緊急聯(lián)鎖并發(fā)時)下有不響應(yīng)聯(lián)鎖的風(fēng)險。此外,如在已有閥門加裝該功能時需更換特殊型號的執(zhí)行機(jī)構(gòu),經(jīng)濟(jì)成本較高。

2.2 限位開關(guān)方案

限位開關(guān)方案及優(yōu)缺點如下:

1)限位開關(guān)方案。該方案是給原有閥門加裝一種基于限位開關(guān)的自動部分行程測試設(shè)備,當(dāng)需要進(jìn)行PST測試時,瞬間給電磁閥斷電,閥門因電磁閥失電后動作,位置傳感器感應(yīng)到閥門動作到預(yù)設(shè)位置后,重新給電磁閥通電,從而使閥門恢復(fù)到原始位置[6]。當(dāng)閥門卡住時,該設(shè)備會即時給電磁閥一個電流,閥門回到原始位置,同時輸出PST失敗的故障信號。

2)優(yōu)點。在已有閥門上可靈活加裝,無需另配電磁閥。

3)缺點。操作不能自動進(jìn)行,且需要人為控制及記錄測試結(jié)果。此外,考慮到信號傳輸時間等因素,小口徑閥門PST易誤動作全關(guān),造成停車的風(fēng)險。限位開關(guān)方案的PST測試控制原理如圖3所示。

圖3 限位開關(guān)方案的PST測試控制原理示意

2.3 閥門定位器方案

閥門定位器方案及優(yōu)缺點如下:

1)閥門定位器方案。在緊急切斷閥上加裝智能閥門定位器也是較為主流的PST的實施方案。當(dāng)需要進(jìn)行行程測試時,可在DCS中直接啟動測試命令,向閥門定位器上輸出一個AO信號,定位器控制閥桿動作到預(yù)設(shè)位置,再恢復(fù)到原始位置。定位器設(shè)置時長報警,當(dāng)閥門進(jìn)行PST動作時長超過預(yù)設(shè)值時,立即中斷測試并發(fā)出緊急報警信號。如在閥門的氣缸或膜頭上裝有高靈敏度的壓力變送器,則該壓力信號采用HART協(xié)議或AI信號傳回DCS,可生成一條閥門閥位與氣缸或膜頭壓力的對應(yīng)曲線[5]。通過相關(guān)軟件將該條曲線與閥門的特征曲線進(jìn)行對比,來判斷閥門的工作情況是否良好。

2)優(yōu)點。加裝方便且自動化程度高,可完成遠(yuǎn)程PST操作,并在實施過程中在線監(jiān)測緊急切斷閥的閥位信息和膜頭或氣缸壓力情況,可通過診斷分析自動生成行程測試報告。采用智能閥門定位器的方案可以有效地規(guī)避PST期間發(fā)生聯(lián)鎖,當(dāng)電磁閥失電切斷氣路時,由于沒有限位問題,依然可以優(yōu)先執(zhí)行聯(lián)鎖動作。

3)缺點。難以設(shè)置合適的PST報警時長。若報警時長設(shè)置過短,由于閥門彈簧復(fù)位并不是線性過程,實際閥門動作時間可能會長一點,容易頻繁誤報警;若時間設(shè)置過長則易過行程造成誤停車。同時,需要額外增加一個閥門定位器,若該處發(fā)生氣路泄漏則可能造成開關(guān)閥動作誤停車;還需要額外增加一筆費用購置相關(guān)通信接收處理分析軟件。

3 PST計算方法

3.1 計算公式

SIS的SIL等級是由平均失效率(PFDavg)的數(shù)值所決定的。SIL等級的判定見表1所列。

表1 SIL等級的判定

根據(jù)IEC 61508,SIL驗證的計算如式(1)所示:

PFDavg=PFDS+PFDL+PFDA

(1)

式中:PFDS——傳感器及輸入界面組件的平均失效概率;PFDL——邏輯系統(tǒng)組件的平均失效概率;PFDA——輸出界面及最終元件的平均失效概率。

其中,SIS回路中的緊急開關(guān)閥作為一個最終的執(zhí)行元件,不考慮冗余情況,在“1oo1”中的平均失效概率如式(2)所示:

(2)

式中:λD——危險失效;tCE——元件等效平均停止時間;λDU——單一通道中未檢測到的危險失效概率;λDD——單一通道中檢測到的危險失效概率;MTR——平均維修時間;MTTR——失效部件從失效到恢復(fù)到完全操作狀態(tài)的平均時間。

通過式(2)不難看出,TI對于閥門的PFD影響巨大。在實際生產(chǎn)過程中,由于經(jīng)濟(jì)成本等諸多因素考量,工廠的生產(chǎn)周期不斷增加,TI隨之也越來越長。當(dāng)一個SIS聯(lián)鎖回路中有數(shù)臺關(guān)鍵閥門時,執(zhí)行機(jī)構(gòu)的總平均失效率也會增大,甚至?xí)o法滿足SIL等級要求。

如果對緊急切斷閥加入PST功能,則計算如式(3)所示:

(3)

式中:DC——部分行程測試的診斷覆蓋率;TIFST——全行程測試周期;TIPST——部分行程測試周期。

根據(jù)式(3),加入PST后,可降低閥門的平均失效率,其降低的程度在于PST的DC的值。

3.2 數(shù)據(jù)處理

在進(jìn)行SIL驗算時,每一種型號的緊急切斷閥的計算數(shù)值都存在區(qū)別,具體該選取何種數(shù)值應(yīng)以閥門的SIL認(rèn)證證書為準(zhǔn)。認(rèn)證證書基于以往使用的設(shè)備,是有效的可靠性數(shù)據(jù)源。表2為某閥門的儀表失效數(shù)據(jù),截取自該型號球閥的EXIDA認(rèn)證證書,以該型號球閥為例,該閥具備PST功能。選取緊急切斷工況下的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,當(dāng)不進(jìn)行PST時,該閥門的λDU=1.354×10-6;當(dāng)進(jìn)行PST后,λDU中有1.75×10-7轉(zhuǎn)化為λDD,此時,λDU降低為1.179×10-6。

表2 某閥門的儀表失效數(shù)據(jù)

根據(jù)表2,可以計算出該閥門的DC,如式(4)所示:

(4)

需要指出的是,在使用證書表格中的儀表失效數(shù)據(jù)計算PST的PFD時,所使用的λDU應(yīng)選取FST中的λDU值,而不是直接采用PST時的λDU值。以該閥門為例,應(yīng)采用緊急切斷工況下的λDU值1.354×10-6,而非進(jìn)行PST功能后的λDU值1.179×10-6進(jìn)行計算。因為PST情況下的儀表失效數(shù)據(jù)是根據(jù)該閥門的DC值通過式(3)換算后得到的數(shù)值,如果此時再將該λDU值帶入式(3)中去計算PFDavg,則相當(dāng)于將DC值重復(fù)計算2次。在實際的PST驗算中,應(yīng)注意數(shù)據(jù)參數(shù)的選取,注意避免發(fā)生此類錯誤。

3.3 計算實例

以該球閥為例,若不做PST,假定TI=1 a,即8 640 h,則:

(5)

若改為PST與FST相結(jié)合的模式,此時PST的DC為12.9%,FST可檢測出其余的87.1%故障,再進(jìn)行如下計算:

1)每3個月進(jìn)行1次PST,TIPST為2 160 h,TIFST仍為1 a,MTTR為8 h,則:

2)每6個月進(jìn)行1次PST,TIPST為4 320 h,TIFST仍為1 a,MTTR為8 h,則PFDavg=5.38×10-3。

3)每9個月進(jìn)行1次PST,TIPST為6 480 h,TIFST仍為1 a,MTTR為8 h,則PFDavg=5.56×10-3。

通過計算結(jié)果可以看出,閥門加入PST功能在不改變FST頻率的情況下,可降低閥門的PFDavg值,從而提高了緊急切斷閥的可靠性,一定程度上延長了停車檢修的頻率,降低了生產(chǎn)成本。

4 實際應(yīng)用分析

在實際的工程應(yīng)用中,通常有兩種工況工藝技術(shù)人員會提出對閥門增加PST功能的要求: 一種在項目初期,工藝包或?qū)＠虒﹃P(guān)鍵回路上的閥門可靠性要求高;另一種在項目最終驗算時,發(fā)現(xiàn)回路計算無法通過,通過閥門冗余配置或購買高SIL等級閥門的方式均存在供貨周期或經(jīng)濟(jì)性原因,因此用戶綜合考量下,采用增加PST功能的方式增加現(xiàn)有閥門的可靠性來達(dá)到其安全性要求。

采用具有PST功能的閥門是否即可滿足安全性需求?在實際的應(yīng)用中亦存在不論如何縮減PST的周期仍無法滿足安全性要求的情況,需要進(jìn)行進(jìn)一步分析。

假定對某一緊急切斷閥閥體的要求: 滿足SIL2等級,在停車檢修間隔TIFST為1 a的情況下,PFDavg要求小于3.0×10-3。根據(jù)上文中的計算,在停車檢修間隔TIFST為1 a時,閥門的PFDavg值與PST的頻率關(guān)系見表3所列。

表3 某閥門不同PST測試頻率下的PFDavg(DC=12.9%)

由表3可知,雖然加入PST功能可以對閥門的PFDavg值進(jìn)行優(yōu)化,但當(dāng)PST的間隔壓縮到一定程度時,閥門閥體的PFDavg值無法再得到有效降低。此時緊急切斷閥閥體的PFDavg值仍無法達(dá)到要求的3.0×10-3。

回到式(3)本身,對于閥門增加PST功能只會影響到公式的一部分,當(dāng)TIPST趨于無限小時,該公式可近似如式(6),部分行程測試與全行程測試曲線關(guān)系如圖4所示。

圖4 部分行程測試與全行程測試曲線關(guān)系示意

(6)

通過分析可知,在實際工程應(yīng)用中除了對λDU提出要求外,還需要關(guān)注DC的值,綜合考慮后才能保證可以有效地提高具有PST功能閥門的安全性。該閥門的DC只有12.9%,假定該閥門的DC值可達(dá)到75%,則閥門的PFDavg值與PST的頻率關(guān)系見表4所列。

表4 某閥門不同PST測試頻率下的PFDavg(DC=75%)

此時,可得出只需要每3個月對閥門進(jìn)行1次PST即可滿足PFDavg為3.0×10-3的要求。

在實際工程應(yīng)用中一般無法對閥門證書中的DC值進(jìn)行調(diào)整,只有確保在采購前對回路進(jìn)行預(yù)驗證,提出對DC值的明確要求,才能確保采購的具有PST功能的閥門可以切實滿足安全性要求。

5 結(jié)束語

綜上所述,介于安全儀表系統(tǒng)的要求不斷提升,工廠的停車檢修周期不斷延長,PST可以在一定程度上平衡可靠性與經(jīng)濟(jì)性的關(guān)系。但與此同時,是否采用PST,采用何種方案實施PST仍需根據(jù)工藝要求、實際應(yīng)用環(huán)境、系統(tǒng)的復(fù)雜程度及用戶的需求等多方面綜合考慮。

隨著PST運用實例的越來越多,使用參考數(shù)據(jù)庫將會越來越豐富,這也會促使廠家不斷完善PST的DC,λDU等值的精確性,提升相應(yīng)的閥門測試分析軟件的算法和功能,相信在未來該功能將會在化工安全領(lǐng)域得到更多的應(yīng)用。