［摘 要］儀表閥門作為安全儀表系統(tǒng)的重要組成部分，具有控制流體介質(zhì)流動(dòng)的關(guān)鍵作用，能夠調(diào)節(jié)壓力、流量和液位等參數(shù)，確保系統(tǒng)在正常工作范圍內(nèi)運(yùn)行，防止事故的發(fā)生。文章針對(duì)儀表閥門對(duì)安全儀表系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行研究，以期為工業(yè)生產(chǎn)安全提供參考。

［關(guān)鍵詞］新時(shí)期儀表閥門；安全儀表系統(tǒng)；可靠性影響

［中圖分類號(hào)］TP273 ［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A ［文章編號(hào)］2095–6487（2024）03–0096–03

近年來，隨著工業(yè)生產(chǎn)的不斷發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，安全問題成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。安全儀表系統(tǒng)作為一種重要的安全控制手段，被廣泛應(yīng)用于各行業(yè)。其通過對(duì)工藝參數(shù)和狀態(tài)的監(jiān)測(cè)與控制，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決潛在的安全隱患，保障生產(chǎn)過程的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 儀表閥門及安全儀表系統(tǒng)的作用

1.1 儀表閥門的作用

儀表是用于測(cè)量、監(jiān)視或控制系統(tǒng)中的過程變量的一種設(shè)備或工具，旨在為高效運(yùn)行和安全提供準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)。儀表包括多種設(shè)備，如傳感器、發(fā)射器、控制器、分析儀和指示器，負(fù)責(zé)收集有關(guān)過程變量的信息，將其轉(zhuǎn)換為適當(dāng)?shù)男盘?hào)，并將數(shù)據(jù)傳遞到控制系統(tǒng)。儀表的主要功能是測(cè)量和監(jiān)測(cè)關(guān)鍵的過程變量，如壓力、溫度、液位、流量、pH 值、電導(dǎo)率等，提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，使操作員能夠有效地理解和控制工藝條件。儀表在保持過程的穩(wěn)定性與防止可導(dǎo)致危險(xiǎn)情況的偏差方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。通過持續(xù)監(jiān)測(cè)變量，儀表使操作人員能夠監(jiān)測(cè)到異常情況，啟動(dòng)糾正措施，并確保過程在安全范圍內(nèi)運(yùn)行。

閥門是用來通過打開、關(guān)閉部分阻塞通道來控制流體或氣體流動(dòng)的機(jī)械裝置。閥門可調(diào)節(jié)流量、壓力和液位，以確保工藝系統(tǒng)正常運(yùn)行，防止過壓或欠壓情況發(fā)生。控制閥通過響應(yīng)來自儀表系統(tǒng)的控制信號(hào)，在維持所需的工藝條件方面起著至關(guān)重要的作用，根據(jù)控制算法調(diào)節(jié)介質(zhì)流，以實(shí)現(xiàn)對(duì)過程變量的精確控制。

1.2 安全儀表系統(tǒng)的作用與構(gòu)成

安全儀表系統(tǒng)（SIS）是工藝行業(yè)不可分割的組成部分，負(fù)責(zé)確保設(shè)施和人員的安全與完整性。SIS的主要功能是檢測(cè)過程中的危險(xiǎn)條件或事件，并啟動(dòng)響應(yīng)，使過程處于安全狀態(tài)。在正常過程控制系統(tǒng)無法預(yù)防或減輕潛在風(fēng)險(xiǎn)的情況下，其作為一種故障安全機(jī)制。SIS 的組成可根據(jù)過程的復(fù)雜性和所需的安全水平而有所不同。

傳感器在SIS 中，通過持續(xù)監(jiān)測(cè)過程參數(shù)如壓力、溫度、流量、液位等，將物理量轉(zhuǎn)換為可由SIS 處理的電信號(hào)。發(fā)射機(jī)接收來自傳感器的電信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)化信號(hào)（如4～20 mA），以傳輸?shù)娇刂七壿?。控制器接收來自發(fā)射機(jī)的信號(hào)，并執(zhí)行必要的計(jì)算和邏輯，根據(jù)預(yù)定義的控制算法確定適當(dāng)?shù)捻憫?yīng)，如可編程邏輯控制器（PLC）或基于微處理器的專用安全控制器。邏輯求解器是SIS 的中央處理單元，接收來自控制器的輸入，并執(zhí)行復(fù)雜的邏輯操作，如比較、決策和排序，以確定要采取的適當(dāng)操作。最終控制元件，如控制閥和緊急關(guān)閉閥，用于根據(jù)來自SIS 的控制信號(hào)來控制過程中的流量、壓力或液位，可啟動(dòng)打開或關(guān)閉閥門等操作，以確保過程在安全范圍內(nèi)運(yùn)行。SIS 包括警報(bào)、跳閘和聯(lián)鎖，以提供異常情況的早期預(yù)警，啟動(dòng)保護(hù)措施，防止危險(xiǎn)事件發(fā)生。安全關(guān)閉系統(tǒng)是SIS 的關(guān)鍵組成部分，旨在在危險(xiǎn)情況下迅速將過程帶到安全狀態(tài)，通常設(shè)計(jì)為冗余和不同的架構(gòu)，以確?？煽啃院涂捎眯?。

2 安全儀表系統(tǒng)的可靠性分析

SIS 被設(shè)計(jì)為一種故障安全機(jī)制，其可靠性對(duì)預(yù)防或減輕危險(xiǎn)事件至關(guān)重要。PFD 是衡量SIS 在需要時(shí)無法執(zhí)行其功能的可行性，表示一種危險(xiǎn)的情況未被SIS 發(fā)現(xiàn)或不受控制的概率?？煽啃詷?biāo)準(zhǔn)和法規(guī)通常規(guī)定SIS 的不同安全完整性級(jí)別（SILs）的最大允許PFD（工程設(shè)計(jì)圖），需求范圍從可接受的失敗率到百萬需求事件中的一個(gè)失敗。SIL 是由SIS 提供的風(fēng)險(xiǎn)降低的一種措施，有不同的SIL 水平，從SIL1（最低）到SIL4（最高），SIL 水平越高對(duì)可靠性和風(fēng)險(xiǎn)降低的要求就越嚴(yán)格，為一個(gè)特定的應(yīng)用程序選擇適當(dāng)?shù)腟IL 水平取決于潛在危險(xiǎn)的嚴(yán)重程度和組織的風(fēng)險(xiǎn)承受能力。MTBF（可靠性指標(biāo)）是SIS 可靠性的度量，表示兩次故障之間的平均時(shí)間，表示系統(tǒng)在不發(fā)生任何嚴(yán)重故障的運(yùn)行能力，MTBF 值越高說明可靠性越高?？捎眯允呛饬縎IS 運(yùn)行和能夠執(zhí)行其安全功能的時(shí)間百分比，高可用性可確保系統(tǒng)在異常情況或危險(xiǎn)事件發(fā)生時(shí)隨時(shí)準(zhǔn)備好做出響應(yīng)。DC（故障覆蓋率）是衡量SIS 檢測(cè)和診斷內(nèi)部故障的能力，表示系統(tǒng)通過持續(xù)的監(jiān)控和自檢可檢測(cè)到的故障的百分比，高直流值體現(xiàn)在潛在故障導(dǎo)致危險(xiǎn)條件之前檢測(cè)到潛在故障的概率。

3 儀表閥門對(duì)安全儀表系統(tǒng)可靠性的影響體現(xiàn)

3.1 技術(shù)先進(jìn)性影響

由于技術(shù)的進(jìn)步，儀表閥門對(duì)SIS 可靠性的影響意義重大。智能閥門、自診斷能力、無線通信和改進(jìn)的耐久性都有助于提高SIS 的可靠性。

采用具有智能技術(shù)和自我診斷能力的先進(jìn)儀表閥門，可幫助盡量減少計(jì)劃外的關(guān)閉和系統(tǒng)故障，可顯著減少停機(jī)時(shí)間，可使整體系統(tǒng)可用性大幅提高。通過持續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)參數(shù)和自動(dòng)調(diào)節(jié)閥門設(shè)置，高級(jí)儀表閥門有助于提高系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)間，提供更高的整體運(yùn)行效率，可使正常運(yùn)行時(shí)間大幅增加。儀表閥門的自我診斷能力可幫助在早期階段識(shí)別潛在的問題或故障，允許主動(dòng)維護(hù)，并降低昂貴的維修或部件更換的概率，可大幅減少維護(hù)成本。通過防止故障和確保對(duì)流體流動(dòng)的適當(dāng)控制與調(diào)節(jié)，先進(jìn)的儀表閥門的實(shí)施可有助于建立一個(gè)更安全的工作環(huán)境和減少安全事故，可大幅減少安全事故。

在儀表閥門中使用數(shù)字組件和先進(jìn)材料，可提高對(duì)惡劣環(huán)境、腐蝕和磨損的抵抗力，提高閥門的耐久性和可靠性，確保其在SIS 內(nèi)的長(zhǎng)期性。

3.2 故障預(yù)警和自診斷功能

3.2.1 減少停機(jī)時(shí)間

在儀表閥門中實(shí)現(xiàn)故障早期預(yù)警和自我診斷功能，可幫助在早期階段識(shí)別潛在的故障或故障，允許及時(shí)的維護(hù)和維修，減少SIS 的整體停機(jī)時(shí)間，促使工業(yè)生產(chǎn)停機(jī)時(shí)間大幅減少。儀表閥門具有故障預(yù)警和自診斷功能，可防止安全儀表系統(tǒng)的災(zāi)難性故障，提高系統(tǒng)的整體可靠性，確保其在關(guān)鍵情況下有效地運(yùn)行，自我診斷功能可幫助識(shí)別故障的根本原因，允許有針對(duì)性的故障排除和修復(fù)，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性。

3.2.2 提高安全性

早期發(fā)現(xiàn)和診斷儀表閥門的故障可顯著提高工業(yè)過程的安全性，通過及時(shí)發(fā)出警報(bào)或信號(hào)，操作員可立即采取行動(dòng)，防止發(fā)生事故或出現(xiàn)安全風(fēng)險(xiǎn)，可大幅減少安全事故。通過集成儀表閥的故障預(yù)警和自診斷功能，全面提高安全儀表系統(tǒng)的安全性，故障的早期檢測(cè)允許操作人員立即采取行動(dòng)，如隔離故障閥門或啟動(dòng)緊急停機(jī)程序，以防止危險(xiǎn)情況升級(jí)。

3.2.3 降低維護(hù)成本

儀表閥門自我診斷功能能夠及早發(fā)現(xiàn)潛在的故障或故障跡象，使維修人員能夠及時(shí)采取行動(dòng)，防止故障的升級(jí)，從而減少緊急維修的需要，自我診斷功能允許進(jìn)行有針對(duì)性的修復(fù)，識(shí)別和解決故障的具體原因，從而避免不必要的維護(hù)工作。

3.2.4 提高系統(tǒng)的可靠性

儀表閥門中故障預(yù)警和自我診斷功能的結(jié)合，有助于提高安全儀表系統(tǒng)的整體可靠性，如通過及時(shí)檢測(cè)和處理潛在的故障，提高系統(tǒng)的性能和可用性，可大幅增加系統(tǒng)的可靠性。

3.3 防誤操作功能

3.3.1 事故預(yù)防

實(shí)施密碼鎖、指紋識(shí)別等防錯(cuò)誤操作功能，可顯著降低人為操作失誤發(fā)生事故的可能性。增強(qiáng)的安全協(xié)議、防止錯(cuò)誤的操作功能可強(qiáng)制執(zhí)行嚴(yán)格的安全協(xié)議和程序。通過要求用戶輸入密碼或使用生物識(shí)別技術(shù)，對(duì)關(guān)鍵系統(tǒng)或流程的訪問只能限于經(jīng)過培訓(xùn)和授權(quán)的人員，有助于防止未經(jīng)授權(quán)的個(gè)人發(fā)生錯(cuò)誤操作。實(shí)施錯(cuò)誤預(yù)防操作功能促進(jìn)操作程序的標(biāo)準(zhǔn)化，通過為執(zhí)行某些操作設(shè)定預(yù)定義的步驟或要求，減少出現(xiàn)偏差或錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)，確保一致性，并減少可能危及安全的錯(cuò)誤發(fā)生的機(jī)會(huì)。

3.3.2 設(shè)備故障預(yù)防

防錯(cuò)誤操作功能旨在防止未經(jīng)授權(quán)的訪問和對(duì)儀表閥門的不當(dāng)調(diào)整，從而減少因人為失誤造成的設(shè)備故障，延長(zhǎng)儀表閥門和其他設(shè)備的壽命。未經(jīng)授權(quán)的篡改或不正確的調(diào)整可能會(huì)導(dǎo)致機(jī)械應(yīng)力、磨損或?qū)﹃P(guān)鍵部件的損壞。具有適當(dāng)?shù)脑L問限制和保障措施后，此類事故的風(fēng)險(xiǎn)可大幅降低，從而延長(zhǎng)設(shè)備壽命，降低故障頻率。設(shè)備的故障預(yù)防功能有助于提高設(shè)備的可靠性。通過防止未經(jīng)授權(quán)的訪問，操作人員無法做出未經(jīng)授權(quán)可能影響設(shè)備性能或可靠性的更改或調(diào)整。這確保了設(shè)備保持正常的工作狀態(tài)，并減少運(yùn)行過程中發(fā)生故障的風(fēng)險(xiǎn)。

3.4 數(shù)據(jù)采集和分析功能

新時(shí)期，儀表閥門通常具有數(shù)據(jù)收集和分析功能，允許對(duì)設(shè)備和工藝參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集、分析和評(píng)估，有助于更好地了解設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，預(yù)測(cè)設(shè)備故障，并實(shí)施適當(dāng)?shù)拇胧蕴岣逽IS 的可靠性和穩(wěn)定性。例如，在某制造工廠中，安裝具有數(shù)據(jù)收集和分析功能的儀表閥門，作為安全儀表系統(tǒng)升級(jí)的一部分。這些閥門不斷地收集有關(guān)壓力、溫度和流量等參數(shù)的數(shù)據(jù)。使用先進(jìn)的算法對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并與歷史趨勢(shì)進(jìn)行比較。6 個(gè)月的時(shí)間里，數(shù)據(jù)收集和分析功能成功地確定其中一個(gè)閥門的壓力波動(dòng)逐漸增加，通過預(yù)測(cè)分析，確定該閥門正在接近一個(gè)臨界閾值，表明其即將失效，這些信息促使維修團(tuán)隊(duì)在閥門可能發(fā)生安全事件或生產(chǎn)中斷之前，安排主動(dòng)維修和更換閥門。通過監(jiān)測(cè)和分析收集的數(shù)據(jù)的時(shí)間變化，發(fā)現(xiàn)一個(gè)特定的閥門在特定的工藝條件下表現(xiàn)出異常的流量變化。通過進(jìn)一步分析，確定該閥門需要調(diào)整，以優(yōu)化其性能，確保一致運(yùn)行。

4 結(jié)束語(yǔ)

儀表閥門對(duì)SIS 可靠性有十分重要的影響，所以要重視可提升儀表閥門精確度的先進(jìn)技術(shù)。儀表閥門精確度越高，降低SIS 發(fā)生泄漏風(fēng)險(xiǎn)的可能性就越高，從而可提升SIS 的可靠性，這對(duì)于保障工業(yè)過程的安全性和穩(wěn)定性具有重要意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 彭爽. 繼電保護(hù)系統(tǒng)對(duì)一次設(shè)備可靠性的影響研究[J]. 工程技術(shù)（文摘版）· 建筑，2015（36）：87-88.

[2] 武荊苗. 液化烴球罐安全儀表系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì)[J]. 石油化工建設(shè)，2023，45（1）：65-67.

[3] 馬改瑞. 石油化工安全儀表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與可靠性分析[J].中國(guó)科技期刊數(shù)據(jù)庫(kù)工業(yè)A，2021（4）：91-92.