四類典型電磁閥組合的可靠性評估

楊海河,劉朝霞

(1. 中國石化股份有限公司 濟(jì)南分公司，濟(jì)南 250101;

2. 國家發(fā)展和改革委員會(huì)大連培訓(xùn)中心,遼寧 大連 116013)

?

四類典型電磁閥組合的可靠性評估

楊海河1,劉朝霞2

(1. 中國石化股份有限公司 濟(jì)南分公司，濟(jì)南 250101;

2. 國家發(fā)展和改革委員會(huì)大連培訓(xùn)中心,遼寧 大連 116013)

作為用于執(zhí)行“電/氣”轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部件，電磁閥由于具有很好的可靠性與安全性，被廣泛地應(yīng)用于石化裝置中聯(lián)鎖閥的氣源或液壓源的控制。其動(dòng)作原理非常簡單，主要有兩種動(dòng)作模式： 開啟電磁閥使閥門充氣/液或在緊急情況下執(zhí)行排氣/液動(dòng)作，即閥門開啟或關(guān)閉[1]。

由于石化行業(yè)大多涉及易燃、易爆物料，因而聯(lián)鎖閥的安全與可靠性極其重要。電磁閥采用了較為安全的24V(DC)電壓和較低的功耗進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，非常適用于流程工業(yè)[2]。在電磁閥的工作中，無需較高的電流或電壓即可實(shí)現(xiàn)對閥門的控制。

石化裝置對閥門的性能要求十分嚴(yán)格，不但需考慮其安全性，而且對閥門的誤跳車控制要求也十分高[3]。例如，用于對強(qiáng)放熱反應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)泄壓時(shí)，閥門執(zhí)行反應(yīng)飛溫的泄放要求極高。而在另一些場合，如合成氨反應(yīng)中，原料氣/油與氧氣的比例具有一個(gè)相對固定的數(shù)值，一旦控制原料油的聯(lián)鎖閥門由于誤動(dòng)作切斷，將可能導(dǎo)致氣化爐內(nèi)氣氛由富燃料轉(zhuǎn)為富氧而發(fā)生爆炸。因此，如何針對不同的閥門配置不同的聯(lián)鎖閥，是提高電磁閥應(yīng)用水平的關(guān)鍵。

近年來，隨著石化行業(yè)的發(fā)展，特別是安全聯(lián)鎖系統(tǒng)完整性評估要求的提出，開展閥門安全與可靠性評估已越來越受到關(guān)注。采用多個(gè)電磁閥互聯(lián)的方式提高聯(lián)鎖閥的安全與可靠性已越來越多地應(yīng)用到流程工業(yè)中。依據(jù)文獻(xiàn)[4-5]的要求，開展針對聯(lián)鎖閥的可靠性評估技術(shù)研究已迫在眉睫。筆者擬對不同形式的電磁閥組合方式進(jìn)行研究，以評估各種電磁閥的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用適用條件。

1電磁閥工作原理及失效模式分析

石化裝置閥門用電磁閥的工作原理如圖1和圖2所示。電磁閥通常由三極管、二極管與線圈構(gòu)成。對于設(shè)置成故障安全型、工作在反邏輯的電磁閥(控制端帶電(表示為1)表示正常，控制端失電(表示為0)表示跳車)，聯(lián)鎖信號正常時(shí)為1，即正常工作時(shí)電磁閥線圈是帶電的，三極管的集電極上通有24V的低電壓[6-7]。緊急情況下，當(dāng)基極電壓接地或反相時(shí)，三極管截止，集電極電壓降為0，此時(shí)線圈失電，由線圈控制的閥門開啟或關(guān)閉，使得用于控制聯(lián)鎖閥的氣源/液壓源開啟或中斷。因而電磁閥的工作狀態(tài)有兩個(gè)： 正常情況下，A至B路導(dǎo)通，使受控的聯(lián)鎖閥處于勵(lì)磁狀態(tài)；緊急情況下，電磁閥由B至C路導(dǎo)通，聯(lián)鎖閥處于跳車狀態(tài)。

圖1　電磁閥結(jié)構(gòu)及其失效模式示意

圖 2　二位三通式電磁閥氣路示意

依據(jù)結(jié)構(gòu)及工作原理，電磁閥有兩個(gè)基本的失效模式，即危險(xiǎn)失效與誤跳車(安全失效)。以聯(lián)鎖信號失電時(shí)跳車的電磁閥為例，其危險(xiǎn)失效模式為三極管的短路(擊穿)，此時(shí)控制氣閥的線圈處于長期帶電狀態(tài)。由于正常情況下電磁閥均處于勵(lì)磁狀態(tài)(停電時(shí)動(dòng)作)，短路時(shí)電磁閥處于長期帶電狀態(tài)，使基極的控制信號由1轉(zhuǎn)為0時(shí)，線圈仍帶電而無法切斷氣源或液壓源[7]。此時(shí)電磁閥的A—B氣路仍處于導(dǎo)通狀態(tài)，而B—C路仍處于關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)三極管的短路不可檢測時(shí)，這種失效是極其危險(xiǎn)的。另一種失效模式是誤跳車，當(dāng)集電極由于某種原因開路時(shí)，電磁閥上的電壓瞬間降為0，此時(shí)線圈處于失電狀態(tài)，電磁閥的通路由A—B轉(zhuǎn)為B—C，聯(lián)鎖閥排氣或排液引起緊急動(dòng)作，由此引起的失效類型即為誤跳車。

2典型的聯(lián)鎖閥連接組合

2.1“1oo1”的電磁閥

通常情況下，“1oo1”的電磁閥應(yīng)用最為普遍，其連接結(jié)構(gòu)如圖3a)所示。一般情況下該種類型的電磁閥構(gòu)成的聯(lián)鎖閥最高能達(dá)到的安全完整性等級(SIL)不超過SIL2。由該種電磁閥構(gòu)成的聯(lián)鎖閥通常應(yīng)用于SIL等級要求不太高的場合，例如加熱爐燃料氣切斷聯(lián)鎖閥或泵的最低流量保護(hù)聯(lián)鎖回路中。

2.2“1oo2”的聯(lián)鎖閥

對于安全完整性等級要求較高的停車系統(tǒng)，特別是僅靠“1oo1”的電磁閥勉強(qiáng)可以達(dá)到要求的SIL等級的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，采用“1oo2”的聯(lián)鎖閥無疑可以提高執(zhí)行機(jī)構(gòu)的安全性。在該類聯(lián)鎖閥結(jié)構(gòu)中，2只電磁閥通常采用串聯(lián)方式，任何1只電磁閥執(zhí)行排氣動(dòng)作即可使聯(lián)鎖閥執(zhí)行安全動(dòng)作，如圖3b)所示。然而由于采用串聯(lián)方式，任何1只電磁閥的誤排氣都會(huì)導(dǎo)致聯(lián)鎖閥的誤動(dòng)作，因而“1oo2”的聯(lián)鎖閥的誤跳車頻率要高于“1oo1”的聯(lián)鎖閥。由于在誤跳車方面存在不足，該類“1oo2”的聯(lián)鎖閥在實(shí)際中應(yīng)用較少。

2.3“2oo2”的聯(lián)鎖閥

“2oo2”的電磁閥在實(shí)際聯(lián)鎖閥中應(yīng)用較少，其結(jié)構(gòu)如圖3c)所示。該類電磁閥通常應(yīng)用于閥門有快開或快關(guān)動(dòng)作要求的聯(lián)鎖閥中，如低密度高壓聚乙烯(LDPE)裝置反應(yīng)器的緊急泄壓閥，由于發(fā)生乙烯自分解時(shí)，反應(yīng)器內(nèi)升壓極為迅速，為避免引起安全問題，需要對緊急泄壓閥進(jìn)行快開。從閥門快開角度考慮，在“2oo2”的電磁閥的應(yīng)用中，只有2只電磁閥同時(shí)排放才能滿足安全要求，而當(dāng)任1只電磁閥由于失效而開啟時(shí)，聯(lián)鎖閥也會(huì)進(jìn)行排氣或排液導(dǎo)致閥門動(dòng)作不穩(wěn)，從而引起誤動(dòng)作。

2.4混聯(lián)電磁閥

混聯(lián)電磁閥廣泛用于具有高可靠性的聯(lián)鎖閥中，其結(jié)構(gòu)如圖3d)所示?；炻?lián)電磁閥中，就進(jìn)氣/液端而言，2只電磁閥入口采用并聯(lián)方式；就排氣/液端而言，2只電磁閥采用串聯(lián)的連接方式。在混聯(lián)電磁閥中，正常工作時(shí)，只有S2正常工作時(shí)聯(lián)鎖閥才能正常工作(對閥門進(jìn)行正常充氣/液)，而當(dāng)緊急情況下需要進(jìn)行緊急動(dòng)作時(shí)，只有2只電磁閥均工作正常，聯(lián)鎖閥內(nèi)的儀表風(fēng)/液壓油才能正常排出，因而發(fā)生單只電磁閥誤跳車引發(fā)主閥誤跳車的可能性顯著降低。

a) “1oo1”電磁閥　　　　　　b) “1oo2”電磁閥　　　　　　c) “2oo2”電磁閥　　　　　　d) 混聯(lián)電磁閥圖3　四類典型的電磁閥連接示意

3可靠性分析

3.1失效模式及影響分析

依據(jù)IEC 61511標(biāo)準(zhǔn)的要求，在進(jìn)行SIL評估中需要對構(gòu)成聯(lián)鎖回路的各部分進(jìn)行失效模式及影響分析(FMEA)[8-9]。為分析各種電磁閥連接方式的性能，對上述四類電磁閥連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行了FMEA分析，結(jié)果見表1所列。

表1　四類典型的電磁閥結(jié)構(gòu)的FMEA分析

注：1) 特定的失效模式發(fā)生；

2) 無此電磁閥；

3) 不論特定的失效模式是否發(fā)生。

3.2可靠性分析

從上述分析可以看出，由于邏輯結(jié)構(gòu)及失效模式不同，不同結(jié)構(gòu)的電磁閥連接方式其安全與可靠性各不相同，針對上述不同結(jié)構(gòu)的電磁閥，所采用的可靠性計(jì)算方法見表2所列。

針對執(zhí)行機(jī)構(gòu)開展的大量的調(diào)查數(shù)據(jù)表明，通常情況下電磁閥的可靠性高于流程控制的主閥。依據(jù)ISA S84—2002提供的可靠性計(jì)算方法，若不可檢測的危險(xiǎn)失效率λDU與不可檢測的安全失效率λSU均為770×10-9/h，則不同連接方式的電磁閥的可靠性可以通過下式進(jìn)行計(jì)算：

(1)

(2)

(3)

式中：TI——測試周期；PFDavg——在測試周期內(nèi)指令模式下的平均失效概率。利用式(1)～式(3)，可以計(jì)算出指令模式下平均失效概率與誤跳車概率，見表3所列。

表2　不同邏輯結(jié)構(gòu)的電磁閥的可靠性計(jì)算方法

表3　不同邏輯結(jié)構(gòu)的電磁閥可靠性計(jì)算結(jié)果

3.3討論

從上述的分析計(jì)算可知，“1oo2”的電磁閥安全性最高，其發(fā)生危險(xiǎn)失效的概率遠(yuǎn)小于單電磁閥。但其發(fā)生一次誤跳車的平均時(shí)間僅為單電磁閥的一半，即更容易發(fā)生誤跳車。而“2oo2”的電磁閥發(fā)生危險(xiǎn)失效的可能性是單電磁閥的2倍，而其誤跳車的概率與“1oo2”電磁閥處于相同的水平。而對于混聯(lián)結(jié)構(gòu)而言，發(fā)生危險(xiǎn)失效的可能性與“2oo2”結(jié)構(gòu)相當(dāng)，但由于排氣采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)，其發(fā)生誤跳車的可能性大幅降低，因而具有更高的可靠性。

4結(jié)論

1) 電磁閥的邏輯結(jié)構(gòu)并不能完全用于可靠性分析；電磁閥的安全與可靠性評估必須依據(jù)其失效模式與影響進(jìn)行確定。

2) “1oo2”的電磁閥安全性能最高，但其防誤跳車的能力較差，因而不適合用于對可靠性要求較高的聯(lián)鎖回路。

3) “2oo2”組合的電磁閥主要用于對開啟速度有特殊要求的場合，其安全性和防誤跳車能力較低，實(shí)際裝置中此類電磁閥的組合應(yīng)用較少。因此，對閥門排氣或排液速度有特殊要求的場合，建議優(yōu)先選用流通能力大的電磁閥而非“2oo2”的電磁閥。

4) 混聯(lián)電磁閥具有較好的防誤跳車性能，但其安全性不佳，其拒動(dòng)可能性是“1oo1”電磁閥的2倍，遠(yuǎn)高于“1oo2”組合的電磁閥?？紤]到實(shí)際裝置的執(zhí)行機(jī)構(gòu)中，電磁閥失效的可能性遠(yuǎn)低于主閥的失效可能性，因而一些對執(zhí)行可靠性具有較高要求的場合，可以考慮選用混聯(lián)的電磁閥以降低閥門誤跳車的可能性。

參考文獻(xiàn)：

[1]Center for Chemical Process Safety. Guidelines for Safe Process Operations and Maintenance [M]. New York： American Institute of Chemical Engineers, 1995： 221.

[2]Center for Chemical Process Safety. Guidelines for Safe Automation of Chemical Processes [M]. New York： American Institute of Chemical Engineers, 1993： 369.

[3]Center for Chemical Process Safety. Guidelines for Safe and Reliability Instrumented Protective Systems [M]. New York： American Institute of Chemical Engineers, 2007： 384.

[4]IEC. Functional Safety-safety Instrumented Systems for the Process Industry Sector — Part 1： Framework, Definitions, System, Hardware and Software Requirements [S]. IEC, 2003.

[5]State Bureau of Quality and Technical Supervision. GB/T 21109 Functional Safety — Safety Instrumented Systems for the Process Industry Sector： Framework, Definitions, System, Hardware and Software Requirements [S]. State Bureau of Quality and Technical Supervision, 2007.

[6]MACDONALD D. Practical Industrial Safety, Risk Assessment, and Shutdown Systems [M]. Netherlands： Elsevier Science & Technology Books, 2004： 152.

[7]GRUHN P, CHEDDIE H. Safety Instrumented Systems： Design, Analysis, and Justification [M]. North Carolina： ISA — the Instrumentation, Systems, and Automation Society.

[8]朱建新,王莉君,高增梁,等.基于失效模式的聯(lián)鎖系統(tǒng)安全與誤跳車計(jì)算方法[J].壓力容器，2007(07)： 12-16.

[9]李寶華.石油石化行業(yè)控制閥的技術(shù)現(xiàn)況和發(fā)展趨勢[J].石油化工自動(dòng)化，2013，49(03)： 1-5.

摘要：研究了石化聯(lián)鎖閥中四種典型的電磁閥的安全性與可靠性，并對其適用性進(jìn)行了分析。通過對每一種邏輯結(jié)構(gòu)及可能的失效模式的分析，利用基于Markov模型的安全與可靠性評估技術(shù)，對各邏輯結(jié)構(gòu)在指令模式下的平均失效可能性(PFDavg)以及平均誤跳車時(shí)間進(jìn)行了分析與比較，總結(jié)了各種邏輯結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及適應(yīng)性。研究表明，“1oo2”模式的電磁閥具有最高安全性，但其誤跳車最大；而電磁閥的混聯(lián)方式可以提供較好的防誤跳車性能，且具有較好的安全性。

關(guān)鍵詞：安全可靠性電磁閥誤跳車

Assessment on Reliability of 4 Types of Classic Solenoid Valve CombinationYang Haihe1, Liu Zhaoxia2

(1. Sinopec Jinan Branch, Jinan, 250101, China;2. Dalian Training Center of the National

Development and Reform Commission, Dalian, 116013， China)

Abstract：The safety and reliability of 4 types of classic solenoid valves in petrochemical interlock valves are studied in order to evaluate feasibility in application. The logical structure and failure modes of each configuration are discussed and analyzed. Through analysis of every kind of logistic configuration and possible failure modes, taking advantage of safety and reliability evaluation technology of Markov model, the average probability of failure on demand (PFDavg) and the mean time to failure spurious (MTTFs) for these configurations are studied and compared. The characteristics and applicability of each logistic configuration are summarized. The study shows that 1oo2 mode of solenoid valve can provide best safety performance and worst anti-spurious trip capability, while hybrid solenoids can provide both low nuisance trip and acceptable safety performance.

Key words：safety; reliability; solenoid valve; nuisance trip

中圖分類號：TP214

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號：1007-7324(2015)03-0061-04

作者簡介：楊海河，男，1989年畢業(yè)于山東工業(yè)大學(xué)工業(yè)自動(dòng)化儀表專業(yè)，現(xiàn)就職于中國石油化工股份有限公司濟(jì)南分公司，主要從事自控系統(tǒng)、儀表設(shè)備管理工作，任高級工程師、高級主管。

稿件收到日期： 2014-12-29，修改稿收到日期： 2015-03-17。