淺談安全完整性等級SIL

毛奇 趙恒樂 彭子騫

摘 要：安全儀表功能SIF是在特定環境中的一組具體的動作，用于將生產過程從潛在的非安全狀態帶入到安全狀態，根據IEC 61511（ISA 84.00.01）的定義，SIL是關于SIF回路的平均需求時失效概率PFD avg的一種分級描述。SIL是通過評估安全儀表系統功能失效后的風險和已有風險降低手段而確定的，SIL定級可以實現安全功能的目標化管理以及衡量設施風險狀況及制定管理要求，同時SIL技術提供了各方認可的安全品質整體量化的方法，填補了控制技術發展后安全法規體系的空白。基于此，本文將闡釋如何進行SIL定級，做到科學合理的確定SIL水平。

關鍵詞：保護層分析（LOPA）;安全完整性等級（SIL）;安全儀表功能（SIF）

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.16.203

1 保護層分析（LOPA）

保護層分析（LOPA）是一種風險評估的簡化方式，采用數量級的頻率方式來事故場景的風險，其通常是基于工藝災害分析PHA的分析結果，是一種半定量的風險分析與評估技術。保護層分析是一種常見的SIL定級方法，簡單來說，在假定事故場景當中，為各項保護措施故障的可能性賦值，運用數學計算的方式準確掌握安全措施可以降低風險的具體程度，以此有效防止出現保護不足或是保護過當。上世紀80年代，美國化學生產協會提出了“充分保護層”的概念，2001年美國CCPS對LOPA技術首次進行了比較完整地介紹。LOPA技術根據已有的獨立保護層對SIL定級，具有既可作為相對粗糙的過濾工具也可作為更精確的分析，在定量應用時，殘余風險水平的不確定性得以降低，因此無需保守評估的優點，已被廣泛的應用。在這，筆者給出LOPA分析的一般步驟：資料收集，確認災害事件，場景后果分析，辨識初始事件和頻率，辨識IPLs和相應的PFD，選擇風險容許標準，評估風險是否可接受，采取措施降低風險或更改設計。

2 安全完整性等級

完全完整性等級是衡量一個安全儀表系統可靠性的指標，通過依照安全儀表功能無法正常發揮自身應有效應下產生的后果與風險，可以將其功能按照安全完整性劃分成四個等級，表1是筆者給出的安全完整性等級劃分表。在這，引入了幾個概念：PFD avg，是一種無量綱的概率平均值;安全可用性（Safety），描述了SIF功能在給定時間周期內的可用概率，即Safety=1-PFD avg;風險降低因子，PFD avg的倒數，表示采用相應的SIF回路之后，所對應的風險變化程度。

由表1可以得出，SIL1、SIL2、SIL3、SIL4，級別越高，安全儀表系統不能實現所要求的安全功能的概率越低，因此各個等級的安全儀表回路在設計制造以及安裝調試等方面都有著不同的技術要求。在確定相應的SIL等級時，首先需要識別危害，對危害發生的可能性及后果進行分析，進而判斷風險是否在我們可以接受的范圍內。倘若此時風險不能接受，就需要分配好非SIS保護層，即分析系統本身所具有的BPCS或FGS，進一步判斷是否還需要SIS，進而選擇需要的目標SIL等級。在此筆者引入1oo1結構的PFD avg簡化計算式：PFD avg=/T≈×T/2。其中F（t）為不可靠度，表示的是在t時刻前發生失效的概率，λ為失效率，T為分析周期（測試周期）。在獲得SIF回路各子系統PFD avg值之后，相加可以得到回路的PFD avg，根據PFD avg落在的范圍確定SIL等級，當然計算PFD avg的方法有很多，但其基本流程均為：建模+數據=計算結果。

在這筆者想要強調的是λ（總的失效率）可以分為，，，，其中為危險未檢測到的失效率，其對PFD avg的影響最大，需要格外注意。同時我們也可以從簡化公式中得到可以通過縮短測試周期降低PFD avg，這樣可以提高已有回路的SIL等級。企業生產中需要的SIL等級越高，相應的技術要求也就越高，初期引入的花費也就越多?？s短測試周期，可以減少初期的投入費用，但是相應的增加了生產運營的成本，具體采用哪種方式，需要結合好企業自身的情況。

在得到相應的SIL等級之后，在開車前需要對此進行驗證，通過可靠性以及安全性的評估來判斷是否達到了SIL目標。在驗證的過程中，建立相應的可靠性模型，目前國際上常用的是可靠性框圖以及馬爾科夫模型法，可靠性框圖用圖表的形式對系統中的事件以及操作條件進行建模，從而確定安全完整性等級，馬爾科夫模型法則是通過對已知硬件參數和冗余設置情況，以及安全儀表系統的邏輯關系，最終得出整個系統的安全完整性等級。在較復雜的安全系統中，馬爾科夫模型法的精度要高于可靠性框圖法。在這，筆者給出可靠性建模的一般步驟：定義所需要的目標功能，獲取設備失效率和失效模式數據，弄清系統的工作方式，建立可靠性模型。

3 結語

在以往很多項目的執行過程中，對于安全儀表系統的設計并沒有嚴格的進行安全完整性等級的符合性驗證，導致安全儀表系統不能很好的滿足安全生產以及管理的需要。隨著設備項目的大型化，化工裝置的危險程度不斷增大，安全儀表系統的安全完整性等級驗證勢在必行，因此，在進行設計的過程中，要合理的應用LOPA技術，充分發揮其應有的評價效用。

當然，由不同的方法所得到的安全完整性的等級可能有所差異，應根據具體的情況，對安全完整性等級分析方法加以取舍，做到科學、合理、有據。

參考文獻：

[1]劉太元，俞曼麗，鄭利軍.安全儀表系統的應用與發展[J].中國安全科學學報，2008（08）.

[2]俞璐飛，黃意利，袁偉杰.LOPA在化工安全儀表系統SIL定級中的應用[J].技術應用與研究，2018（10）.

作者簡介：毛奇（1997-），男，山東廣饒人，本科，研究方向：安全科學與工程。