閥門部分行程測(cè)試的探討與應(yīng)用

張戈亞

(中石化上海工程有限公司,上海 200233)

安全儀表系統(tǒng)(SIS)在石油化工行業(yè)獲得廣泛應(yīng)用,為生產(chǎn)裝置的安全運(yùn)行保駕護(hù)航。閥門部分行程測(cè)試(PST)[1]作為一種專門用于聯(lián)鎖切斷閥上的在線檢測(cè)功能,可以靈活有效地降低閥門故障率,在滿足回路安全完整性等級(jí)(SIL)要求的前提下,延長閥門的離線檢驗(yàn)測(cè)試周期。目前在IEC 61508和IEC 61511中亦提到可采用PST的方式來提高聯(lián)鎖閥門的安全性[2]。《中國石化煉化企業(yè)聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)管理細(xì)則》4.2.5條要求:“安全儀表系統(tǒng)中執(zhí)行器宜具有自診斷功能。當(dāng)對(duì)應(yīng)SIL等級(jí)為 SIL2 及以上的安全儀表功能(SIF),若執(zhí)行元件的檢驗(yàn)測(cè)試間隔(TI)小于裝置檢修周期或工藝專利包有要求時(shí),氣動(dòng)切斷閥形式的執(zhí)行元件宜配置PST功能,執(zhí)行元件具有在線測(cè)試手段的除外。”對(duì)于連續(xù)生產(chǎn)的石化裝置來說,能通過PST來保證閥門的檢驗(yàn)測(cè)試周期與大修周期吻合,避免頻繁的離線檢修。本文分析了實(shí)現(xiàn)PST的不同方案,介紹了PST的SIL等級(jí)的計(jì)算方法,并分析如何通過PST有效提高回路的可靠性。

1 技術(shù)背景

當(dāng)裝置正常運(yùn)行時(shí),緊急切斷閥將會(huì)長期維持在某一種狀態(tài),這種“固著”現(xiàn)象[3]可能會(huì)導(dǎo)致閥門的卡澀,從而大幅降低安全系統(tǒng)的可靠性。因此,需要定期進(jìn)行行程測(cè)試來判斷是否有隱患存在,避免在緊急情況下無法正確執(zhí)行安全功能動(dòng)作。

ESD閥門的在線行程測(cè)試主要有兩種方式,一種為完全行程測(cè)試(FST)[4],FST的閥門應(yīng)設(shè)置手動(dòng)測(cè)試開關(guān)按鈕、旁路管線及切斷閥,當(dāng)進(jìn)行FST時(shí),顧名思義,就是將閥門完全從全開運(yùn)行到全關(guān),因此需在正常開車狀態(tài)下切換到旁路,可能造成工藝參數(shù)的波動(dòng),且FST會(huì)對(duì)閥門部件帶來過度磨損。另一種為PST,當(dāng)進(jìn)行PST時(shí),只需將閥門周期性地由全開位置運(yùn)行到10%～30%的開度位置再開啟,通過收集和分析該段時(shí)間內(nèi)閥桿的移動(dòng)情況來判斷閥門是否存在卡澀甚至卡死的情況。

2 PST實(shí)施方案

針對(duì)PST,有以下三種主流實(shí)施方案。

2.1 氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)機(jī)械限位方案

氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)機(jī)械限位方案及優(yōu)缺點(diǎn)如下:

1)具備PST功能的單作用執(zhí)行器緊急切斷閥的控制原理。當(dāng)進(jìn)行PST時(shí),按下PST組合閥的開關(guān)按鈕,執(zhí)行器向下排氣,同時(shí)向“關(guān)”閥位移動(dòng)。當(dāng)移動(dòng)到預(yù)設(shè)位置(通常預(yù)設(shè)位置為10%～30%關(guān)閉行程)時(shí),預(yù)設(shè)撞塊會(huì)碰撞凸輪閥,使凸輪閥換向后給PST組合閥一個(gè)氣壓信號(hào),使得PST組合閥復(fù)位。執(zhí)行器下腔進(jìn)氣,重新回到“開”閥位,從而完成PST測(cè)試。單作用氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)PST測(cè)試控制原理如圖1所示。

圖1 單作用氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)PST測(cè)試控制原理示意

2)具備PST功能的雙作用執(zhí)行器緊急切斷閥的控制原理。同樣,當(dāng)進(jìn)行PST時(shí),氣控閥先導(dǎo)排氣,執(zhí)行器向“關(guān)”閥位移動(dòng)。當(dāng)移動(dòng)到預(yù)設(shè)位置(通常預(yù)設(shè)位置為10%～30%關(guān)閉行程)時(shí),預(yù)設(shè)撞塊會(huì)碰撞凸輪閥,使凸輪閥換向后給PST組合閥一個(gè)氣壓信號(hào),使得PST組合閥復(fù)位并保持進(jìn)氣狀態(tài),氣控閥收到氣信號(hào)后,閥位切換,執(zhí)行器重新回到“開”閥位。雙作用氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)PST測(cè)試控制原理如圖2所示。

圖2 雙作用氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)PST測(cè)試控制原理示意

3)優(yōu)點(diǎn)。該方案的優(yōu)點(diǎn)在于控制系統(tǒng)均為簡單獨(dú)立的機(jī)械設(shè)備,不含有電子控件,不需要軟件進(jìn)行控制,不需要對(duì)操作人員進(jìn)行過于復(fù)雜的培訓(xùn)。因此,該系統(tǒng)是故障安全型的,不會(huì)因?yàn)榫o急切斷閥快速動(dòng)作造成誤停車。

4)缺點(diǎn)。該方案需要確認(rèn)在PST過程中設(shè)置為聯(lián)鎖優(yōu)先,不然在極端情況(PST測(cè)試與緊急聯(lián)鎖并發(fā)時(shí))下有不響應(yīng)聯(lián)鎖的風(fēng)險(xiǎn)。此外,如在已有閥門加裝該功能時(shí)需更換特殊型號(hào)的執(zhí)行機(jī)構(gòu),經(jīng)濟(jì)成本較高。

2.2 限位開關(guān)方案

限位開關(guān)方案及優(yōu)缺點(diǎn)如下:

1)限位開關(guān)方案。該方案是給原有閥門加裝一種基于限位開關(guān)的自動(dòng)部分行程測(cè)試設(shè)備,當(dāng)需要進(jìn)行PST測(cè)試時(shí),瞬間給電磁閥斷電,閥門因電磁閥失電后動(dòng)作,位置傳感器感應(yīng)到閥門動(dòng)作到預(yù)設(shè)位置后,重新給電磁閥通電,從而使閥門恢復(fù)到原始位置[6]。當(dāng)閥門卡住時(shí),該設(shè)備會(huì)即時(shí)給電磁閥一個(gè)電流,閥門回到原始位置,同時(shí)輸出PST失敗的故障信號(hào)。

2)優(yōu)點(diǎn)。在已有閥門上可靈活加裝,無需另配電磁閥。

3)缺點(diǎn)。操作不能自動(dòng)進(jìn)行,且需要人為控制及記錄測(cè)試結(jié)果。此外,考慮到信號(hào)傳輸時(shí)間等因素,小口徑閥門PST易誤動(dòng)作全關(guān),造成停車的風(fēng)險(xiǎn)。限位開關(guān)方案的PST測(cè)試控制原理如圖3所示。

圖3 限位開關(guān)方案的PST測(cè)試控制原理示意

2.3 閥門定位器方案

閥門定位器方案及優(yōu)缺點(diǎn)如下:

1)閥門定位器方案。在緊急切斷閥上加裝智能閥門定位器也是較為主流的PST的實(shí)施方案。當(dāng)需要進(jìn)行行程測(cè)試時(shí),可在DCS中直接啟動(dòng)測(cè)試命令,向閥門定位器上輸出一個(gè)AO信號(hào),定位器控制閥桿動(dòng)作到預(yù)設(shè)位置,再恢復(fù)到原始位置。定位器設(shè)置時(shí)長報(bào)警,當(dāng)閥門進(jìn)行PST動(dòng)作時(shí)長超過預(yù)設(shè)值時(shí),立即中斷測(cè)試并發(fā)出緊急報(bào)警信號(hào)。如在閥門的氣缸或膜頭上裝有高靈敏度的壓力變送器,則該壓力信號(hào)采用HART協(xié)議或AI信號(hào)傳回DCS,可生成一條閥門閥位與氣缸或膜頭壓力的對(duì)應(yīng)曲線[5]。通過相關(guān)軟件將該條曲線與閥門的特征曲線進(jìn)行對(duì)比,來判斷閥門的工作情況是否良好。

2)優(yōu)點(diǎn)。加裝方便且自動(dòng)化程度高,可完成遠(yuǎn)程PST操作,并在實(shí)施過程中在線監(jiān)測(cè)緊急切斷閥的閥位信息和膜頭或氣缸壓力情況,可通過診斷分析自動(dòng)生成行程測(cè)試報(bào)告。采用智能閥門定位器的方案可以有效地規(guī)避PST期間發(fā)生聯(lián)鎖,當(dāng)電磁閥失電切斷氣路時(shí),由于沒有限位問題,依然可以優(yōu)先執(zhí)行聯(lián)鎖動(dòng)作。

3)缺點(diǎn)。難以設(shè)置合適的PST報(bào)警時(shí)長。若報(bào)警時(shí)長設(shè)置過短,由于閥門彈簧復(fù)位并不是線性過程,實(shí)際閥門動(dòng)作時(shí)間可能會(huì)長一點(diǎn),容易頻繁誤報(bào)警;若時(shí)間設(shè)置過長則易過行程造成誤停車。同時(shí),需要額外增加一個(gè)閥門定位器,若該處發(fā)生氣路泄漏則可能造成開關(guān)閥動(dòng)作誤停車;還需要額外增加一筆費(fèi)用購置相關(guān)通信接收處理分析軟件。

3 PST計(jì)算方法

3.1 計(jì)算公式

SIS的SIL等級(jí)是由平均失效率(PFDavg)的數(shù)值所決定的。SIL等級(jí)的判定見表1所列。

表1 SIL等級(jí)的判定

根據(jù)IEC 61508,SIL驗(yàn)證的計(jì)算如式(1)所示:

PFDavg=PFDS+PFDL+PFDA

(1)

式中:PFDS——傳感器及輸入界面組件的平均失效概率;PFDL——邏輯系統(tǒng)組件的平均失效概率;PFDA——輸出界面及最終元件的平均失效概率。

其中,SIS回路中的緊急開關(guān)閥作為一個(gè)最終的執(zhí)行元件,不考慮冗余情況,在“1oo1”中的平均失效概率如式(2)所示:

(2)

式中:λD——危險(xiǎn)失效;tCE——元件等效平均停止時(shí)間;λDU——單一通道中未檢測(cè)到的危險(xiǎn)失效概率;λDD——單一通道中檢測(cè)到的危險(xiǎn)失效概率;MTR——平均維修時(shí)間;MTTR——失效部件從失效到恢復(fù)到完全操作狀態(tài)的平均時(shí)間。

通過式(2)不難看出,TI對(duì)于閥門的PFD影響巨大。在實(shí)際生產(chǎn)過程中,由于經(jīng)濟(jì)成本等諸多因素考量,工廠的生產(chǎn)周期不斷增加,TI隨之也越來越長。當(dāng)一個(gè)SIS聯(lián)鎖回路中有數(shù)臺(tái)關(guān)鍵閥門時(shí),執(zhí)行機(jī)構(gòu)的總平均失效率也會(huì)增大,甚至?xí)o法滿足SIL等級(jí)要求。

如果對(duì)緊急切斷閥加入PST功能,則計(jì)算如式(3)所示:

(3)

式中:DC——部分行程測(cè)試的診斷覆蓋率;TIFST——全行程測(cè)試周期;TIPST——部分行程測(cè)試周期。

根據(jù)式(3),加入PST后,可降低閥門的平均失效率,其降低的程度在于PST的DC的值。

3.2 數(shù)據(jù)處理

在進(jìn)行SIL驗(yàn)算時(shí),每一種型號(hào)的緊急切斷閥的計(jì)算數(shù)值都存在區(qū)別,具體該選取何種數(shù)值應(yīng)以閥門的SIL認(rèn)證證書為準(zhǔn)。認(rèn)證證書基于以往使用的設(shè)備,是有效的可靠性數(shù)據(jù)源。表2為某閥門的儀表失效數(shù)據(jù),截取自該型號(hào)球閥的EXIDA認(rèn)證證書,以該型號(hào)球閥為例,該閥具備PST功能。選取緊急切斷工況下的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,當(dāng)不進(jìn)行PST時(shí),該閥門的λDU=1.354×10-6;當(dāng)進(jìn)行PST后,λDU中有1.75×10-7轉(zhuǎn)化為λDD,此時(shí),λDU降低為1.179×10-6。

表2 某閥門的儀表失效數(shù)據(jù)

根據(jù)表2,可以計(jì)算出該閥門的DC,如式(4)所示:

(4)

需要指出的是,在使用證書表格中的儀表失效數(shù)據(jù)計(jì)算PST的PFD時(shí),所使用的λDU應(yīng)選取FST中的λDU值,而不是直接采用PST時(shí)的λDU值。以該閥門為例,應(yīng)采用緊急切斷工況下的λDU值1.354×10-6,而非進(jìn)行PST功能后的λDU值1.179×10-6進(jìn)行計(jì)算。因?yàn)镻ST情況下的儀表失效數(shù)據(jù)是根據(jù)該閥門的DC值通過式(3)換算后得到的數(shù)值,如果此時(shí)再將該λDU值帶入式(3)中去計(jì)算PFDavg,則相當(dāng)于將DC值重復(fù)計(jì)算2次。在實(shí)際的PST驗(yàn)算中,應(yīng)注意數(shù)據(jù)參數(shù)的選取,注意避免發(fā)生此類錯(cuò)誤。

3.3 計(jì)算實(shí)例

以該球閥為例,若不做PST,假定TI=1 a,即8 640 h,則:

(5)

若改為PST與FST相結(jié)合的模式,此時(shí)PST的DC為12.9%,FST可檢測(cè)出其余的87.1%故障,再進(jìn)行如下計(jì)算:

1)每3個(gè)月進(jìn)行1次PST,TIPST為2 160 h,TIFST仍為1 a,MTTR為8 h,則:

2)每6個(gè)月進(jìn)行1次PST,TIPST為4 320 h,TIFST仍為1 a,MTTR為8 h,則PFDavg=5.38×10-3。

3)每9個(gè)月進(jìn)行1次PST,TIPST為6 480 h,TIFST仍為1 a,MTTR為8 h,則PFDavg=5.56×10-3。

通過計(jì)算結(jié)果可以看出,閥門加入PST功能在不改變FST頻率的情況下,可降低閥門的PFDavg值,從而提高了緊急切斷閥的可靠性,一定程度上延長了停車檢修的頻率,降低了生產(chǎn)成本。

4 實(shí)際應(yīng)用分析

在實(shí)際的工程應(yīng)用中,通常有兩種工況工藝技術(shù)人員會(huì)提出對(duì)閥門增加PST功能的要求: 一種在項(xiàng)目初期,工藝包或?qū)＠虒?duì)關(guān)鍵回路上的閥門可靠性要求高;另一種在項(xiàng)目最終驗(yàn)算時(shí),發(fā)現(xiàn)回路計(jì)算無法通過,通過閥門冗余配置或購買高SIL等級(jí)閥門的方式均存在供貨周期或經(jīng)濟(jì)性原因,因此用戶綜合考量下,采用增加PST功能的方式增加現(xiàn)有閥門的可靠性來達(dá)到其安全性要求。

采用具有PST功能的閥門是否即可滿足安全性需求?在實(shí)際的應(yīng)用中亦存在不論如何縮減PST的周期仍無法滿足安全性要求的情況,需要進(jìn)行進(jìn)一步分析。

假定對(duì)某一緊急切斷閥閥體的要求: 滿足SIL2等級(jí),在停車檢修間隔TIFST為1 a的情況下,PFDavg要求小于3.0×10-3。根據(jù)上文中的計(jì)算,在停車檢修間隔TIFST為1 a時(shí),閥門的PFDavg值與PST的頻率關(guān)系見表3所列。

表3 某閥門不同PST測(cè)試頻率下的PFDavg(DC=12.9%)

由表3可知,雖然加入PST功能可以對(duì)閥門的PFDavg值進(jìn)行優(yōu)化,但當(dāng)PST的間隔壓縮到一定程度時(shí),閥門閥體的PFDavg值無法再得到有效降低。此時(shí)緊急切斷閥閥體的PFDavg值仍無法達(dá)到要求的3.0×10-3。

回到式(3)本身,對(duì)于閥門增加PST功能只會(huì)影響到公式的一部分,當(dāng)TIPST趨于無限小時(shí),該公式可近似如式(6),部分行程測(cè)試與全行程測(cè)試曲線關(guān)系如圖4所示。

圖4 部分行程測(cè)試與全行程測(cè)試曲線關(guān)系示意

(6)

通過分析可知,在實(shí)際工程應(yīng)用中除了對(duì)λDU提出要求外,還需要關(guān)注DC的值,綜合考慮后才能保證可以有效地提高具有PST功能閥門的安全性。該閥門的DC只有12.9%,假定該閥門的DC值可達(dá)到75%,則閥門的PFDavg值與PST的頻率關(guān)系見表4所列。

表4 某閥門不同PST測(cè)試頻率下的PFDavg(DC=75%)

此時(shí),可得出只需要每3個(gè)月對(duì)閥門進(jìn)行1次PST即可滿足PFDavg為3.0×10-3的要求。

在實(shí)際工程應(yīng)用中一般無法對(duì)閥門證書中的DC值進(jìn)行調(diào)整,只有確保在采購前對(duì)回路進(jìn)行預(yù)驗(yàn)證,提出對(duì)DC值的明確要求,才能確保采購的具有PST功能的閥門可以切實(shí)滿足安全性要求。

5 結(jié)束語

綜上所述,介于安全儀表系統(tǒng)的要求不斷提升,工廠的停車檢修周期不斷延長,PST可以在一定程度上平衡可靠性與經(jīng)濟(jì)性的關(guān)系。但與此同時(shí),是否采用PST,采用何種方案實(shí)施PST仍需根據(jù)工藝要求、實(shí)際應(yīng)用環(huán)境、系統(tǒng)的復(fù)雜程度及用戶的需求等多方面綜合考慮。

隨著PST運(yùn)用實(shí)例的越來越多,使用參考數(shù)據(jù)庫將會(huì)越來越豐富,這也會(huì)促使廠家不斷完善PST的DC,λDU等值的精確性,提升相應(yīng)的閥門測(cè)試分析軟件的算法和功能,相信在未來該功能將會(huì)在化工安全領(lǐng)域得到更多的應(yīng)用。