安全儀表系統(tǒng)測試維護的設(shè)計探討

李勝利，吳強，仇廣金

(中石油華東設(shè)計院有限公司，山東 青島 266071)

近年來，對于石油化工行業(yè)安全儀表系統(tǒng)(SIS)的設(shè)計，國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及原國家安監(jiān)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(shè)置等要求，SIS的設(shè)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(yè)界及監(jiān)管部門的關(guān)注，主要關(guān)注點是在安全生命周期內(nèi)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(shè)計階段開始到所有儀表安全功能不再適用時為止，所發(fā)生的儀表安全功能實現(xiàn)有關(guān)的所有活動，主要包括： 過程危險和風(fēng)險評估、保護層的安全功能分配、SIS技術(shù)要求、SIS設(shè)計和工程、SIS集成調(diào)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(shè)計。

1 問題的提出

隨著SIS在安全功能領(lǐng)域的普及應(yīng)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(shè)有SIS的工藝裝置運行過程中，用戶對不時出現(xiàn)的SIS故障，往往是被動地處理問題，在處理不當(dāng)或者SIS隱性故障出現(xiàn)時，非計劃性停車時有發(fā)生。通常SIS故障造成的非計劃停車，使工廠主管領(lǐng)導(dǎo)對SIS產(chǎn)生誤解，甚至懷疑安全設(shè)計過度。工廠儀表維護部門更是被動地疲于應(yīng)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(lián)鎖停車時，最終元件卻不能執(zhí)行停車動作，因此可能會造成災(zāi)難性的后果。

產(chǎn)生上述問題的原因是多方面的、系統(tǒng)性的。首先是在工程設(shè)計環(huán)節(jié)沒有對SIS的測試和維護環(huán)節(jié)做好規(guī)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(guī)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(shè)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(tǒng)、最終元件及線路系統(tǒng)等，SIS的測試范圍應(yīng)包括上述整個系統(tǒng)。隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展以及冗余容錯、診斷技術(shù)的應(yīng)用，邏輯控制器系統(tǒng)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(chǎn)周期的應(yīng)用。但是，自動診斷技術(shù)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(shù)提升和冗余設(shè)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(nèi)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(nèi)，SIS處于要求的完好狀態(tài)。在SIS設(shè)計階段應(yīng)考慮如何實現(xiàn)SIS的測試維護，這是安全生命周期的重要一環(huán)。

目前新建石油化工裝置一般的生產(chǎn)運行周期是4 a甚至更長。當(dāng)SIS測試時間間隔小于工藝裝置預(yù)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(yīng)設(shè)計SIS在線測試維護設(shè)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(tǒng)恢復(fù)到完好的狀態(tài)，確保SIS持續(xù)地符合安全功能設(shè)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(yīng)該確定下來了，根據(jù)以往設(shè)計項目的經(jīng)驗，最小測試時間間隔一般要求： 現(xiàn)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(yīng)用工況有很大的關(guān)系。在易堵塞或結(jié)焦工況的切斷閥，其最小測試時間間隔應(yīng)要求相應(yīng)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(xiàn)場傳感器，現(xiàn)場傳感器的測試內(nèi)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(fù)性、信號輸出特征等，為實現(xiàn)對測量儀表的測試維護，首先應(yīng)進行測試維護旁路功能的設(shè)計。

3.1 測試維護旁路

應(yīng)為每個現(xiàn)場傳感器的輸入信號設(shè)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(quán)限的SIS軟旁路開關(guān)，在“允許測試維護旁路”硬開關(guān)置于允許位置后，儀表維護人員投用“測試維護旁路”軟開關(guān)，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(dāng)測量儀表為1組變送器時，例如對于“2oo3”功能冗余設(shè)置的3臺變送器，測試維護旁路的設(shè)置有2種方式： 第一種方式是為該組變送器設(shè)置1只測試維護旁路開關(guān)，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(shè)置1只測試維護開關(guān)。上述兩種方式各有優(yōu)、缺點，第一種方式是強烈推薦優(yōu)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(fā)的風(fēng)險概率。

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

需要強調(diào)的是，旁路功能不應(yīng)屏蔽相應(yīng)輸入信號的預(yù)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(guān)信號和火焰監(jiān)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(guī)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(yīng)有高、低“壞值”處理機制。“壞值”能表明變送器內(nèi)部存在故障，即變送器電子部件已損壞，或者是發(fā)生了變送器線路開路或短路故障。“壞值”應(yīng)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(yīng)組態(tài)為在檢測到故障時，信號輸出應(yīng)能驅(qū)動停車，輸出信號應(yīng)用于表決停車。對于“1oo1”表決的變送器，變送器應(yīng)組態(tài)為在檢測到故障時，輸出為驅(qū)動停車相反的信號，即不觸發(fā)聯(lián)鎖停車，前提是要觸發(fā)與功能旁路相同的最高級別報警，維護人員應(yīng)盡快進行相關(guān)變送器的維護。

SIS檢測到變送器“壞值”時，系統(tǒng)應(yīng)激活最高級別的“功能旁路”報警，同時也應(yīng)產(chǎn)生一個次高級別的變送器“壞值”報警。“壞值”的設(shè)定值必須要依據(jù)具體使用的變送器的飽和值和故障值謹(jǐn)慎選擇，典型的“壞值”設(shè)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(guān)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(zhí)行機構(gòu)控制閥，動力源中斷時應(yīng)使執(zhí)行機構(gòu)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(xiàn)切斷閥在線測試維護的方法不少，目前主要應(yīng)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(guān)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(shè)定值通常為10%～20%，PST測試過程不應(yīng)造成工藝流量的明顯變化，以免造成工藝裝置生產(chǎn)運行的波動。PST功能通常有兩種實現(xiàn)方式： 一種是電磁閥等氣動附件加位置開關(guān)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(shè)定的位置通過行程開關(guān)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(xiàn)，這種智能型閥門定位器也可以實現(xiàn)就地和遠程操作，通過程序設(shè)定部分行程值。由于PST功能的智能閥門定位器實現(xiàn)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(guān)的動作測試，并依據(jù)測試結(jié)果判斷出SIS切斷閥是否具備要求的安全功能。

對于故障關(guān)閉的SIS切斷閥，應(yīng)設(shè)置旁路閥用于FST。對于故障打開的SIS切斷閥，應(yīng)在SIS切斷閥的上游或下游設(shè)置切斷閥用于FST。用于FST功能的旁路或切斷閥均應(yīng)有鉛封設(shè)施，并鉛封在安全位置。FST測試設(shè)施配置如圖2所示。

圖2 SIS切斷閥全行程測試設(shè)施配置示意

對于設(shè)置測試旁路閥的SIS切斷閥，在SIS切斷閥做全行程關(guān)閉測試前，應(yīng)打開旁路閥，SIS檢測到旁路閥限位開關(guān)信號全開時，才具備SIS切斷閥的測試條件，現(xiàn)場測試開關(guān)才能起作用。完成測試后，應(yīng)關(guān)閉旁路閥并進行鉛封。

對于設(shè)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(yīng)先關(guān)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(guān)信號全關(guān)時，才具備SIS切斷閥的測試條件，現(xiàn)場測試開關(guān)才能起作用。完成測試后，應(yīng)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(yōu)缺點：

1)PST的優(yōu)缺點如下：

a)優(yōu)點。具有PST功能的安全型智能閥門定位器的應(yīng)用，使得PST便于實施。較少的測試設(shè)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(chǔ)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(chǎn)過程。

2)FST的優(yōu)缺點如下：

a)優(yōu)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(yīng)的安全功能。

b)缺點。相對于PST，F(xiàn)ST配置的測試設(shè)備較多，對于設(shè)計、設(shè)備設(shè)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(yīng)根據(jù)多方面的情況進行綜合分析和權(quán)衡，用戶應(yīng)根據(jù)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(shè)計階段就進行相關(guān)的設(shè)計。

5 結(jié)束語

無論是SIS用戶還是工程設(shè)計人員，首先應(yīng)有SIS安全生命周期的概念及相關(guān)活動要求，并在工程設(shè)計階段根據(jù)SIL等級評估結(jié)果和安全儀表設(shè)備配置情況，進行SIS的操作維護和變更規(guī)劃。針對SIS的操作維護計劃，進行有關(guān)的SIS測試維護設(shè)施的設(shè)計，包括硬件設(shè)備和邏輯功能等方面，以保證SIS測試維護計劃的可執(zhí)行。同時也應(yīng)考慮竣工前的SIS的SIL驗證結(jié)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(shè)備的測試時間間隔的要求，這時，測試設(shè)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(nèi)容，其他成功應(yīng)用的方式也較多。本文的目的是想拓寬相關(guān)設(shè)計的思路和視野，只要最終元件設(shè)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(guān)的測試維護方式均是可接受的。