摘要:目前安全法蘭式壓力變送器系統(tǒng)(SIS)的配置越來越規(guī)范,但是在其安全生命周期內(nèi),許多在役SIS沒有按要求實施測試維護,部分SIS甚至沒有測試維護計劃。在工程設(shè)計階段應考慮并設(shè)計SIS測試維護有關(guān)的設(shè)施,對SIS功能測試維護設(shè)計實現(xiàn)的方式進行論述,重點論述了測量法蘭式壓力變送器的維護旁路設(shè)置,測量法蘭式壓力變送器故障時“壞值”信號的處理,#終元件的兩種測試維護方式及設(shè)施設(shè)計配置要求等有關(guān)內(nèi)容。
近年來,對于石油化工行業(yè)安全儀表系統(tǒng)(SIS)的設(shè)計,guojia標準、行業(yè)標準及原guojia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)計階段開始到所有法蘭式壓力變送器安全功能不再適用時為止,所發(fā)生的法蘭式壓力變送器安全功能實現(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)導對SIS產(chǎn)生誤解,甚至懷疑安全設(shè)計過度。工廠法蘭式壓力變送器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#終元件的隱性故障,在需要聯(lián)鎖停車時,#終元件卻不能執(zhí)行停車動作,因此可能會造成災難性的后果。產(chǎn)生上述問題的原因是多方面的、系統(tǒng)性的。
shou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主要包括測量法蘭式壓力變送器、邏輯控制器系統(tǒng)、#終元件及線路系統(tǒng)等,
SIS的測試范圍應包括上述整個系統(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4a一個生產(chǎn)周期的應用。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。測量法蘭式壓力變送器的技術(shù)提升和冗余設(shè)置,使得測量法蘭式壓力變送器造成的誤停車率大幅降低,故障率較高的地方是#終元件。SIS的測試維護主要是對測量法蘭式壓力變送器和#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4a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(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等級確定時就應該確定下來了,根據(jù)以往設(shè)計項目的經(jīng)驗,#小測試時間間隔一般要求:現(xiàn)場傳感器為1a;邏輯控制器為1a;切斷閥為1~4a,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(guān)系。在易堵塞或結(jié)焦工況的切斷閥,其#小測試時間間隔應要求相應縮減,宜要求為6d或1a。
3 測量法蘭式壓力變送器的測試維護
測量法蘭式壓力變送器通常為現(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、重復性、信號輸出特征等,為實現(xiàn)對測量
法蘭式壓力變送器的測試維護,shou先應進行測試維護旁路功能的設(shè)計。
3.1 測試維護旁路
應為每個現(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,法蘭式壓力變送器維護人員投用“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。
當測量法蘭式壓力變送器為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:地衣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,地衣種方式是強烈tuijian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)的風險概率。
所有測試維護有關(guān)的開關(guān)均應處于受控狀態(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、不可復位的#高級別“功能旁路”報警,所有的旁路動作應在控制系統(tǒng)中有記錄。需要強調(diào)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(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法蘭式壓力變送器的故障情況,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(tài)為在檢測到故障時,信號輸出應能驅(qū)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(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#高級別報警,維護人員應盡快進行相關(guān)變送器的維護。
SIS檢測到變送器“壞值”時,系統(tǒng)應激活#高級別的“功能旁路”報警,同時也應產(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慎選擇,典型的“壞值”設(shè)定值低值一般為3.65mA,高值一般為20.8mA。
4 #終元件的測試維護
SIS#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#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,應設(shè)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(shè)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(shè)施,并鉛封在安全位置。FST測試設(shè)施配置如圖2所示。
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#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的安全功能。
b)缺點。相對于PST,FST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根據(jù)多方面的情況進行綜合分析和權(quán)衡,用戶應根據(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,shou先應有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)果和安全法蘭式壓力變送器設(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,安全法蘭式壓力變送器功能的SIL驗證往往會提出縮短安全法蘭式壓力變送器設(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#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#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。
注明,三暢儀表文章均為原創(chuàng),轉(zhuǎn)載請標明本文地址