安全儀表系統功能安全評估方法探討

張德順 周劍利

摘?要：根據危險化學品生產工藝特點，本文提出了一種針對化工行業安全儀表系統的功能安全評估的方法。依據相關國家標準規范，在完成針對化工生產工藝過程的危險與可操作性分析報告、安全儀表系統定級報告、安全儀表系統規格書審查基礎上，通過計算實際裝設的安全儀表系統各功能回路的低要求操作模式下的平均失效概率和平均誤動作停車時間間隔，驗證其安全完整性等級，評價其可靠性、安全性和可用性，確保實現降低生產過程風險，保護人身和設備安全。按照本文提出的安全儀表系統功能安全評估方法，對唐山某化工企業安全儀表系統進行了評估，收到較好效果。

關鍵詞：安全儀表系統；功能安全評估；平均失效概率；安全完整性等級

中圖分類號：TB?????文獻標識碼：A??????doi：10.19311/j.cnki.16723198.2023.24.089

0?引言

安全儀表系統的設計、安裝、調試、操作、維護可能會因為存在人為失誤等原因，影響系統的功能安全，若不及時發現會導致失效，造成安全隱患。功能安全評估是為了調查和判斷安全儀表系統是否充分實現功能安全，通常是在驗證、確認和功能安全審核之外進行的。根據《國家安全監管總局關于加強化工安全儀表系統管理的指導意見》（安監總管三〔2014〕116號）要求，按照《電氣∕電子∕可編程電子安全相關系統的功能安全》（GB/T20438-2017）、《過程工業領域安全儀表系統的功能安全》（GB/T21109-2007）和《功能安全應用指南》（GB/T41295-2022）對安全儀表系統的功能安全進行評估具有極為重要的現實意義。

本文提出了一種針對化工行業安全儀表系統的功能安全評估方法，詳細介紹了功能安全評估所需資料、應完成的主要任務及等級驗證常用方法。

1?功能安全評估所需資料

（1）?安全設施設計階段完成的?P&ID。

（2）?詳細的工藝控制說明和控制、聯鎖、報警說明。

（3）?HAZOP?報告、SIL?定級報告、SRS?報告。

（4）?儀表調試、驗證報告，FAT?文件、SAT?文件。

（5）?SIS系統聯鎖動作記錄、誤動作記錄、旁路事件記錄。

（6）?SIS系統檢查、測試和維修記錄。

（7）?對SIS系統有影響的變更記錄。

（8）?組成SIS系統的硬件、軟件的技術數據和SIL認證證書。

2?功能安全評估應完成的主要任務

（1）?通過危險與可操作分析（HAZOP）確定的安全儀表系統的功能是否滿足風險降低要求。

（2）?SIS系統的設計（《安全設施設計專篇》）包括LOPA定級，是否滿足規范、標準要求。

（3）?獲取各安全功能回路的結構配置、操作模式、檢驗測試間隔、安全生命周期等信息和組成SIS系統軟、硬件的技術數據。

（4）?對各SIF回路的SIL等級進行驗證。

（5）?現場的應用軟件、邏輯組態是否滿足設計要求。

（6）?給出安全儀表系統功能安全評估結論并提出合理的建議措施。

3?SIF的SIL等級驗證

SIL的驗證包括審查相關回路設計，并根據硬件故障率、冗余度、共因失效百分比β、檢驗測試周期、檢驗測試覆蓋率等數據來計算SIF的失效概率（PFD）及相關參數。然后，根據將計算所得待驗證回路的PFD與SIL定級時標定的該安全儀表功能（SIF）的SIL等級進行對比。最后，根據各安全儀表功能（SIF）回路的組成和儀表選型，應用馬爾可夫模型的方法，對其進行安全完整性等級（SIL）驗算。所需數據主要有兩個來源：

一是國際上公認的實效數據庫；

二是國內同類工廠給出的各器件的失效概率數據。

（1）安全儀表系統平均失效概率的計算公式如下：

PFDSYS=PFDS+PFDL+PFDFE（1）

式中，PFDSYS、PFDS、PFDL和PFDFE分別為安全儀表系統、傳感器子系統、邏輯子系統和最終元件子系統要求的平均失效概率。

（2）“1oo1”的計算公式如下：

PFDavg=（λDU+λDD）（λDU/λD·（T1/2+MTTR）+λDD/λD·MTTR）（2）

式中：T1為驗證測試周期（單位：h），MTTR為平均修復時間（單位：h），λD為子系統中通道的危險失效率，λDU為未檢測到的危險失效率，λDD為檢測到的危險失效率；

（3）“1oo2”的計算公式如下：

tCE=λDU/λD·（T1/2+MTTR）+λDD/λD·MTTR

tGE=λDU/λD·（T1/3+MTTR）+λDD/λD·MTTR

PFDavg=2（（1－βD）λDD+（1－β）λDU）·2tCEtGE+βDλDD·MTTR+βλDU（T1/2+MTTR）（3）

式中：β為公共故障系數，βD為已檢測到的失效百分比，tCE為表決結構中通道的等效平均停止工作時間（單位：h），tGE為表決結構中表決組的等效平均停止工作時間（單位：h）。

（4）“2oo2”的計算公式如下：

PFDavg=2λDtCE（4）

（5）“2oo3”的計算公式如下：

PFDavg=6（（1－βD）λDD+（1－β）λDU）·2tCEtGE+βDλDD·MTTR+βλDU（T1/2+MTTR）（5）

PFDavg反應了SIF可靠性，即SIF是否能實現緊急關斷。與之相對應SIF可用性指標是平均誤動作停車時間間隔（?MTTFS），?MTTFS反應了因SIF回路中任一元件的失效所導致的錯誤聯鎖動作。錯誤聯鎖動作將導致生產裝置的誤停車，致使生產中斷并造成經濟損失，甚至人身傷亡。停車后的生產裝置的重新啟動也可能會帶來新的安全隱患，所以在考慮SIF可靠性的同時也應該考慮其可用性。

SIF回路的?MTTFS取決于誤動作停車概率（STR），其計算公式如下：

MTTFS=1/STR?（6）

STR值取決于可檢測到的安全失效率、檢測周期、共因失效、測試覆蓋率、平均修復時間等因素。

由式（6）可見，STR與MTTFS成反比，即STR值越小，MTTFS值越大，表明該回路的可用性越高。

4?結論

對安全儀表系統進行功能安全評估，可以表明安全儀表系統所預定的功能是否得到了有效的實施，還可以確保安全儀表功能是否滿足了生產過程風險降低的要求，以及是否能夠或在多大程度上保護人身和設備安全。按照本文提出的安全儀表系統功能安全評估方法，對唐山某化工企業安全儀表系統進行了相關評估，收到較好效果。

參考文獻

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