安全儀表系統測試維護的設計探討

李勝利，吳強，仇廣金

(中石油華東設計院有限公司，山東 青島 266071)

近年來，對于石油化工行業安全儀表系統(SIS)的設計，國家標準、行業標準及原國家安監總局文件等都明確提出了HAZOP分析、安全完整性等級(SIL)評估和SIS設置等要求，SIS的設計日益完備，投用率也日益提高。隨著SIS配備的普及，SIS的安全生命周期的概念也隨之引起業界及監管部門的關注，主要關注點是在安全生命周期內如何保證SIS滿足安全等級要求。

安全生命周期是指從項目概念設計階段開始到所有儀表安全功能不再適用時為止，所發生的儀表安全功能實現有關的所有活動，主要包括： 過程危險和風險評估、保護層的安全功能分配、SIS技術要求、SIS設計和工程、SIS集成調試運行和確認、SIS操作維護和變更、SIS停用等主要階段。本文重點討論如何進行SIS測試維護功能的設計。

1 問題的提出

隨著SIS在安全功能領域的普及應用，作為生命周期的一部分，SIS的測試維護并沒有同步跟上。在設有SIS的工藝裝置運行過程中，用戶對不時出現的SIS故障，往往是被動地處理問題，在處理不當或者SIS隱性故障出現時，非計劃性停車時有發生。通常SIS故障造成的非計劃停車，使工廠主管領導對SIS產生誤解，甚至懷疑安全設計過度。工廠儀表維護部門更是被動地疲于應付，甚至不知道如何實施SIS的測試維護，更沒有完善的SIS測試維護計劃，更甚至由于最終元件的隱性故障，在需要聯鎖停車時，最終元件卻不能執行停車動作，因此可能會造成災難性的后果。

產生上述問題的原因是多方面的、系統性的。首先是在工程設計環節沒有對SIS的測試和維護環節做好規劃；其次是用戶沒有編制SIS測試維護計劃，缺少SIS測試維護規程。上述兩個方面造成了SIS缺少安全合理的測試維護方式及方法，安全測試維護設備不健全，無法進行定期測試維護。

SIS主要包括測量儀表、邏輯控制器系統、最終元件及線路系統等，SIS的測試范圍應包括上述整個系統。隨著電子信息技術的發展以及冗余容錯、診斷技術的應用，邏輯控制器系統完全可以通過周期性的自動測試和診斷滿足長達4 a一個生產周期的應用。但是，自動診斷技術并不能將SIS全部故障危險檢測出來，例如變送器測量管路的堵塞、電磁閥的銹蝕、切斷閥閥芯的卡死等。測量儀表的技術提升和冗余設置，使得測量儀表造成的誤停車率大幅降低，故障率較高的地方是最終元件。SIS的測試維護主要是對測量儀表和最終元件的測試維護，也是本文重點介紹的內容。

2 測試維護周期的要求及確定

SIS測試維護是指對SIS進行周期性的物理測試和功能檢查，確保在其安全生命周期內，SIS處于要求的完好狀態。在SIS設計階段應考慮如何實現SIS的測試維護，這是安全生命周期的重要一環。

目前新建石油化工裝置一般的生產運行周期是4 a甚至更長。當SIS測試時間間隔小于工藝裝置預定的運行周期時，需在不中斷工藝裝置運行的情況下對SIS進行測試和維護，因此應設計SIS在線測試維護設施，測試的目的是檢測出未能自動診斷出的隱性故障，并將系統恢復到完好的狀態，確保SIS持續地符合安全功能設計要求。

SIS測試時間間隔是由安全功能的SIL等級確定的，縮短測試時間間隔是提高SIL等級的措施之一。測試時間間隔在SIL等級確定時就應該確定下來了，根據以往設計項目的經驗，最小測試時間間隔一般要求： 現場傳感器為1 a；邏輯控制器為1 a；切斷閥為1～4 a，其中切斷閥的測試時間間隔除了本身的SIL等級之外，還和所在的應用工況有很大的關系。在易堵塞或結焦工況的切斷閥，其最小測試時間間隔應要求相應縮減，宜要求為6 d或1 a。

3 測量儀表的測試維護

測量儀表通常為現場傳感器，現場傳感器的測試內容因傳感器種類不同而有所差別，一般包括測量精度、量程范圍、重復性、信號輸出特征等，為實現對測量儀表的測試維護，首先應進行測試維護旁路功能的設計。

3.1 測試維護旁路

應為每個現場傳感器的輸入信號設置維護旁路，以便在測試維護時屏蔽該輸入信號。維護旁路通常為有啟用權限的SIS軟旁路開關，在“允許測試維護旁路”硬開關置于允許位置后，儀表維護人員投用“測試維護旁路”軟開關，方可開始對一次測量元件進行測試維護工作。一次元件測試維護旁路典型邏輯如圖1所示。

圖1 一次元件測試維護旁路典型邏輯示意

當測量儀表為1組變送器時，例如對于“2oo3”功能冗余設置的3臺變送器，測試維護旁路的設置有2種方式： 第一種方式是為該組變送器設置1只測試維護旁路開關，即3臺變送器共用1個旁路；第二種方式是每1臺變送器設置1只測試維護開關。上述兩種方式各有優、缺點，第一種方式是強烈推薦優先使用的，因為在變送器故障及測試維護期間，它降低了人為錯誤引發的風險概率。

所有測試維護有關的開關均應處于受控狀態。將“允許測試維護旁路開關”置于允許旁路位置時，應在相關的操作員控制臺或界面上激活一個不可取消、不可復位的最高級別“功能旁路”報警，所有的旁路動作應在控制系統中有記錄。

需要強調的是，旁路功能不應屏蔽相應輸入信號的預報警、停車報警或其他的報警功能，更不能屏蔽緊急停車開關信號和火焰監測信號。

3.2 “壞值”處理

合理運用變送器的“壞值”處理報警功能，能夠及時有效地判斷測量儀表的故障情況，并在規定的條件下對變送器輸入信號進行旁路，以完成變送器的故障維護工作。

SIS變送器應有高、低“壞值”處理機制?！皦闹怠蹦鼙砻髯兯推鲀炔看嬖诠收希醋兯推麟娮硬考褤p壞，或者是發生了變送器線路開路或短路故障。“壞值”應在高和低兩個方向上均能被辨識出。對于“2oo3”表決的變送器，每臺變送器應組態為在檢測到故障時，信號輸出應能驅動停車，輸出信號應用于表決停車。對于“1oo1”表決的變送器，變送器應組態為在檢測到故障時，輸出為驅動停車相反的信號，即不觸發聯鎖停車，前提是要觸發與功能旁路相同的最高級別報警，維護人員應盡快進行相關變送器的維護。

SIS檢測到變送器“壞值”時，系統應激活最高級別的“功能旁路”報警，同時也應產生一個次高級別的變送器“壞值”報警。“壞值”的設定值必須要依據具體使用的變送器的飽和值和故障值謹慎選擇，典型的“壞值”設定值低值一般為3.65 mA，高值一般為20.8 mA。

4 最終元件的測試維護

SIS最終元件一般包括切斷閥、開關裝置、電機及其附屬元件。本文以切斷閥為例闡述最終元件的測試維護。

SIS切斷閥一般為氣動或液動執行機構控制閥，動力源中斷時應使執行機構動作到其固有的故障位置。目前很多工程對SIS切斷閥實施在線測試缺少考慮，測試時間也往往是裝置停工檢修一起進行，對測試時間間隔的要求不明確，缺少保證SIS完好的測試計劃。實現切斷閥在線測試維護的方法不少，目前主要應用的方法有部分行程測試(PST)和全行程測試(FST)。

4.1 部分行程測試

部分行程測試(PST)是指對SIS切斷閥門進行部分行程開或關的動作測試，并推斷出SIS切斷閥是否具備要求的安全功能。PST行程設定值通常為10%～20%，PST測試過程不應造成工藝流量的明顯變化，以免造成工藝裝置生產運行的波動。PST功能通常有兩種實現方式： 一種是電磁閥等氣動附件加位置開關或檢測模塊，讓電磁閥短時間斷電，造成閥門失氣后動作，一旦閥門動作到設定的位置通過行程開關或檢測模塊反饋，使電磁閥上電，閥門回到正常位置；另一種是通過帶PST功能的閥門定位器實現，這種智能型閥門定位器也可以實現就地和遠程操作，通過程序設定部分行程值。由于PST功能的智能閥門定位器實現了測試功能的集成，同時也易于安裝和實施。除此之外也有機械限位等其他方式。

4.2 全行程測試

全行程測試(FST)是指對SIS切斷閥門進行全行程開或關的動作測試，并依據測試結果判斷出SIS切斷閥是否具備要求的安全功能。

對于故障關閉的SIS切斷閥，應設置旁路閥用于FST。對于故障打開的SIS切斷閥，應在SIS切斷閥的上游或下游設置切斷閥用于FST。用于FST功能的旁路或切斷閥均應有鉛封設施，并鉛封在安全位置。FST測試設施配置如圖2所示。

圖2 SIS切斷閥全行程測試設施配置示意

對于設置測試旁路閥的SIS切斷閥，在SIS切斷閥做全行程關閉測試前，應打開旁路閥，SIS檢測到旁路閥限位開關信號全開時，才具備SIS切斷閥的測試條件，現場測試開關才能起作用。完成測試后，應關閉旁路閥并進行鉛封。

對于設置上游或下游切斷閥的SIS切斷閥，在SIS切斷閥做全行程開啟測試前，應先關閉上游或下游切斷閥，SIS檢測到上游或下游切斷閥限位開關信號全關時，才具備SIS切斷閥的測試條件，現場測試開關才能起作用。完成測試后，應開啟上游或下游切斷閥并進行鉛封。

4.3 測試方式的比較

上述兩種測試方式都是為了減少最終元件的隱型故障，提高SIS切斷閥的可靠性，任何一種方式都存在以下優缺點：

1)PST的優缺點如下：

a)優點。具有PST功能的安全型智能閥門定位器的應用，使得PST便于實施。較少的測試設施的投入，降低了測試成本。PST只是對切斷閥進行了一部分行程測試，一般為行程的10%～20%，并沒有全部測試閥門的正常工作性能。只能在完成PST測試的基礎上，分析推斷SIS切斷閥是否還具有要求的安全功能。

b)缺點。PST測試過程存在造成誤停車的可能性。包括： SIS切斷閥及智能閥門定位器附件等本身可能存在的故障造成誤停車；PST測試造成物料流量變化帶來的影響。尤其對于DN200以下小口徑管道的SIS切斷閥，PST測試可能造成物料流量變化較大，影響工藝生產過程。

2)FST的優缺點如下：

a)優點。FST能夠完成閥門的全部行程測試，能夠真實判斷出SIS切斷閥是否具有相應的安全功能。

b)缺點。相對于PST，FST配置的測試設備較多，對于設計、設備設置及安裝等方面的成本投入較多。

綜上所述，采取何種測試方式應根據多方面的情況進行綜合分析和權衡，用戶應根據裝置特點、自身對SIS測試的要求等方面考慮，提出自己的要求，在設計階段就進行相關的設計。

5 結束語

無論是SIS用戶還是工程設計人員，首先應有SIS安全生命周期的概念及相關活動要求，并在工程設計階段根據SIL等級評估結果和安全儀表設備配置情況，進行SIS的操作維護和變更規劃。針對SIS的操作維護計劃，進行有關的SIS測試維護設施的設計，包括硬件設備和邏輯功能等方面，以保證SIS測試維護計劃的可執行。同時也應考慮竣工前的SIS的SIL驗證結果帶來的一些不確定性，安全儀表功能的SIL驗證往往會提出縮短安全儀表設備的測試時間間隔的要求，這時，測試設施的完備性尤其重要。

SIS最終元件的測試維護方式并不局限于本文介紹的內容，其他成功應用的方式也較多。本文的目的是想拓寬相關設計的思路和視野，只要最終元件設備的SIL等級滿足要求，并對工藝過程正常運行和SIS的安全功能完整性不造成損害，其相關的測試維護方式均是可接受的。