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(shí)施測(cè)試維護(hù),部分SIS甚至沒有測(cè)試維護(hù)計(jì)劃。在工程設(shè)計(jì)階段應(yīng)考慮并設(shè)計(jì)SIS測(cè)試維護(hù)有關(guān)的設(shè)施,對(duì)SIS功能測(cè)試維護(hù)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的方式進(jìn)行論述,重點(diǎn)論述了測(cè)量法蘭式壓力變送器的維護(hù)旁路設(shè)置,測(cè)量法蘭式壓力變送器故障時(shí)“壞值”信號(hào)的處理,#終元件的兩種測(cè)試維護(hù)方式及設(shè)施設(shè)計(jì)配置要求等有關(guān)內(nèi)容。
近年來,對(duì)于石油化工行業(yè)安全儀表系統(tǒng)(SIS)的設(shè)計(jì),guojia標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(jí)(SIL)評(píng)估和SIS設(shè)置等要求,SIS的設(shè)計(jì)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(diǎn)是在安全生命周期內(nèi)如何保證SIS滿足安全等級(jí)要求。安全生命周期是指從項(xiàng)目概念設(shè)計(jì)階段開始到所有法蘭式壓力變送器安全功能不再適用時(shí)為止,所發(fā)生的法蘭式壓力變送器安全功能實(shí)現(xiàn)有關(guān)的所有活動(dòng),主要包括:過程危險(xiǎn)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、保護(hù)層的安全功能分配、SIS技術(shù)要求、SIS設(shè)計(jì)和工程、SIS集成調(diào)試運(yùn)行和確認(rèn)、SIS操作維護(hù)和變更、SIS停用等主要階段。本文重點(diǎn)討論如何進(jìn)行SIS測(cè)試維護(hù)功能的設(shè)計(jì)。
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(cè)試維護(hù)并沒有同步跟上。在設(shè)有SIS的工藝裝置運(yùn)行過程中,用戶對(duì)不時(shí)出現(xiàn)的SIS故障,往往是被動(dòng)地處理問題,在處理不當(dāng)或者SIS隱性故障出現(xiàn)時(shí),非計(jì)劃性停車時(shí)有發(fā)生。通常SIS故障造成的非計(jì)劃停車,使工廠主管領(lǐng)導(dǎo)對(duì)SIS產(chǎn)生誤解,甚至懷疑安全設(shè)計(jì)過度。工廠法蘭式壓力變送器維護(hù)部門更是被動(dòng)地疲于應(yīng)付,甚至不知道如何實(shí)施SIS的測(cè)試維護(hù),更沒有完善的SIS測(cè)試維護(hù)計(jì)劃,更甚至由于#終元件的隱性故障,在需要聯(lián)鎖停車時(shí),#終元件卻不能執(zhí)行停車動(dòng)作,因此可能會(huì)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。
shou先是在工程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)沒有對(duì)SIS的測(cè)試和維護(hù)環(huán)節(jié)做好規(guī)劃;其次是用戶沒有編制SIS測(cè)試維護(hù)計(jì)劃,缺少SIS測(cè)試維護(hù)規(guī)程。上述兩個(gè)方面造成了SIS缺少安全合理的測(cè)試維護(hù)方式及方法,安全測(cè)試維護(hù)設(shè)備不健全,無法進(jìn)行定期測(cè)試維護(hù)。
SIS主要包括測(cè)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(cè)試范圍應(yīng)包括上述整個(gè)系統(tǒng)。隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展以及冗余容錯(cuò)、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(dòng)測(cè)試和診斷滿足長(zhǎng)達(dá)4a一個(gè)生產(chǎn)周期的應(yīng)用。但是,自動(dòng)診斷技術(shù)并不能將SIS全部故障危險(xiǎn)檢測(cè)出來,例如變送器測(cè)量管路的堵塞、電磁閥的銹蝕、切斷閥閥芯的卡死等。測(cè)量法蘭式壓力變送器的技術(shù)提升和冗余設(shè)置,使得測(cè)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(cè)試維護(hù)主要是對(duì)測(cè)量法蘭式壓力變送器和#終元件的測(cè)試維護(hù),也是本文重點(diǎn)介紹的內(nèi)容。
2 測(cè)試維護(hù)周期的要求及確定
SIS測(cè)試維護(hù)是指對(duì)SIS進(jìn)行周期性的物理測(cè)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(jì)階段應(yīng)考慮如何實(shí)現(xiàn)SIS的測(cè)試維護(hù),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(yùn)行周期是4a甚至更長(zhǎng)。當(dāng)SIS測(cè)試時(shí)間間隔小于工藝裝置預(yù)定的運(yùn)行周期時(shí),需在不中斷工藝裝置運(yùn)行的情況下對(duì)SIS進(jìn)行測(cè)試和維護(hù),因此應(yīng)設(shè)計(jì)
SIS在線測(cè)試維護(hù)設(shè)施,測(cè)試的目的是檢測(cè)出未能自動(dòng)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(jì)要求。
SIS測(cè)試時(shí)間間隔是由安全功能的SIL等級(jí)確定的,縮短測(cè)試時(shí)間間隔是提高SIL等級(jí)的措施之一。測(cè)試時(shí)間間隔在SIL等級(jí)確定時(shí)就應(yīng)該確定下來了,根據(jù)以往設(shè)計(jì)項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn),#小測(cè)試時(shí)間間隔一般要求:現(xiàn)場(chǎng)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(cè)試時(shí)間間隔除了本身的SIL等級(jí)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#小測(cè)試時(shí)間間隔應(yīng)要求相應(yīng)縮減,宜要求為6d或1a。
3 測(cè)量法蘭式壓力變送器的測(cè)試維護(hù)
測(cè)量法蘭式壓力變送器通常為現(xiàn)場(chǎng)傳感器,現(xiàn)場(chǎng)傳感器的測(cè)試內(nèi)容因傳感器種類不同而有所差別,一般包括測(cè)量精度、量程范圍、重復(fù)性、信號(hào)輸出特征等,為實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量
法蘭式壓力變送器的測(cè)試維護(hù),shou先應(yīng)進(jìn)行測(cè)試維護(hù)旁路功能的設(shè)計(jì)。
3.1 測(cè)試維護(hù)旁路
應(yīng)為每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)傳感器的輸入信號(hào)設(shè)置維護(hù)旁路,以便在測(cè)試維護(hù)時(shí)屏蔽該輸入信號(hào)。維護(hù)旁路通常為有啟用權(quán)限的SIS軟旁路開關(guān),在“允許測(cè)試維護(hù)旁路”硬開關(guān)置于允許位置后,法蘭式壓力變送器維護(hù)人員投用“測(cè)試維護(hù)旁路”軟開關(guān),方可開始對(duì)一次測(cè)量元件進(jìn)行測(cè)試維護(hù)工作。一次元件測(cè)試維護(hù)旁路典型邏輯如圖1所示。
當(dāng)測(cè)量法蘭式壓力變送器為1組變送器時(shí),例如對(duì)于“2oo3”功能冗余設(shè)置的3臺(tái)變送器,測(cè)試維護(hù)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(cè)試維護(hù)旁路開關(guān),即3臺(tái)變送器共用1個(gè)旁路;第二種方式是每1臺(tái)變送器設(shè)置1只測(cè)試維護(hù)開關(guān)。上述兩種方式各有優(yōu)、缺點(diǎn),地衣種方式是強(qiáng)烈tuijian優(yōu)先使用的,因?yàn)樵谧兯推鞴收霞皽y(cè)試維護(hù)期間,它降低了人為錯(cuò)誤引發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)概率。
所有測(cè)試維護(hù)有關(guān)的開關(guān)均應(yīng)處于受控狀態(tài)。將“允許測(cè)試維護(hù)旁路開關(guān)”置于允許旁路位置時(shí),應(yīng)在相關(guān)的操作員控制臺(tái)或界面上激活一個(gè)不可取消、不可復(fù)位的#高級(jí)別“功能旁路”報(bào)警,所有的旁路動(dòng)作應(yīng)在控制系統(tǒng)中有記錄。需要強(qiáng)調(diào)的是,旁路功能不應(yīng)屏蔽相應(yīng)輸入信號(hào)的預(yù)報(bào)警、停車報(bào)警或其他的報(bào)警功能,更不能屏蔽緊急停車開關(guān)信號(hào)和火焰監(jiān)測(cè)信號(hào)。
3.2 “壞值”處理
合理運(yùn)用變送器的“壞值”處理報(bào)警功能,能夠及時(shí)有效地判斷測(cè)量法蘭式壓力變送器的故障情況,并在規(guī)定的條件下對(duì)變送器輸入信號(hào)進(jìn)行旁路,以完成變送器的故障維護(hù)工作。
SIS變送器應(yīng)有高、低“壞值”處理機(jī)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(gè)方向上均能被辨識(shí)出。對(duì)于“2oo3”表決的變送器,每臺(tái)變送器應(yīng)組態(tài)為在檢測(cè)到故障時(shí),信號(hào)輸出應(yīng)能驅(qū)動(dòng)停車,輸出信號(hào)應(yīng)用于表決停車。對(duì)于“1oo1”表決的變送器,變送器應(yīng)組態(tài)為在檢測(cè)到故障時(shí),輸出為驅(qū)動(dòng)停車相反的信號(hào),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(jí)別報(bào)警,維護(hù)人員應(yīng)盡快進(jìn)行相關(guān)變送器的維護(hù)。
SIS檢測(cè)到變送器“壞值”時(shí),系統(tǒng)應(yīng)激活#高級(jí)別的“功能旁路”報(bào)警,同時(shí)也應(yīng)產(chǎn)生一個(gè)次高級(jí)別的變送器“壞值”報(bào)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3.65mA,高值一般為20.8mA。
4 #終元件的測(cè)試維護(hù)
SIS#終元件一般包括切斷閥、開關(guān)裝置、電機(jī)及其附屬元件。本文以切斷閥為例闡述#終元件的測(cè)試維護(hù)。SIS切斷閥一般為氣動(dòng)或液動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制閥,動(dòng)力源中斷時(shí)應(yīng)使執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作到其固有的故障位置。目前很多工程對(duì)SIS切斷閥實(shí)施在線測(cè)試缺少考慮,測(cè)試時(shí)間也往往是裝置停工檢修一起進(jìn)行,對(duì)測(cè)試時(shí)間間隔的要求不明確,缺少保證SIS完好的測(cè)試計(jì)劃。實(shí)現(xiàn)切斷閥在線測(cè)試維護(hù)的方法不少,目前主要應(yīng)用的方法有部分行程測(cè)試(PST)和全行程測(cè)試(FST)。
4.1 部分行程測(cè)試
部分行程測(cè)試(PST)是指對(duì)SIS切斷閥門進(jìn)行部分行程開或關(guān)的動(dòng)作測(cè)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(cè)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(yùn)行的波動(dòng)。PST功能通常有兩種實(shí)現(xiàn)方式:一種是電磁閥等氣動(dòng)附件加位置開關(guān)或檢測(cè)模塊,讓電磁閥短時(shí)間斷電,造成閥門失氣后動(dòng)作,一旦閥門動(dòng)作到設(shè)定的位置通過行程開關(guān)或檢測(cè)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(shí)現(xiàn),這種智能型閥門定位器也可以實(shí)現(xiàn)就地和遠(yuǎn)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(shí)現(xiàn)了測(cè)試功能的集成,同時(shí)也易于安裝和實(shí)施。除此之外也有機(jī)械限位等其他方式。
4.2 全行程測(cè)試
全行程測(cè)試(FST)是指對(duì)SIS切斷閥門進(jìn)行全行程開或關(guān)的動(dòng)作測(cè)試,并依據(jù)測(cè)試結(jié)果判斷出SIS切斷閥是否具備要求的安全功能。對(duì)于故障關(guān)閉的SIS切斷閥,應(yīng)設(shè)置旁路閥用于FST。對(duì)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(cè)試設(shè)施配置如圖2所示。
對(duì)于設(shè)置測(cè)試旁路閥的SIS切斷閥,在SIS切斷閥做全行程關(guān)閉測(cè)試前,應(yīng)打開旁路閥,SIS檢測(cè)到旁路閥限位開關(guān)信號(hào)全開時(shí),才具備SIS切斷閥的測(cè)試條件,現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試開關(guān)才能起作用。完成測(cè)試后,應(yīng)關(guān)閉旁路閥并進(jìn)行鉛封。對(duì)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(cè)試前,應(yīng)先關(guān)閉上游或下游切斷閥,SIS檢測(cè)到上游或下游切斷閥限位開關(guān)信號(hào)全關(guān)時(shí),才具備SIS切斷閥的測(cè)試條件,現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試開關(guān)才能起作用。完成測(cè)試后,應(yīng)開啟上游或下游切斷閥并進(jìn)行鉛封。
4.3 測(cè)試方式的比較
上述兩種測(cè)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(diǎn):
1)PST的優(yōu)缺點(diǎn)如下:
a)優(yōu)點(diǎn)。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(shí)施。較少的測(cè)試設(shè)施的投入,降低了測(cè)試成本。PST只是對(duì)切斷閥進(jìn)行了一部分行程測(cè)試,一般為行程的10%~20%,并沒有全部測(cè)試閥門的正常工作性能。只能在完成PST測(cè)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(diǎn)。PST測(cè)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(cè)試造成物料流量變化帶來的影響。尤其對(duì)于DN200以下小口徑管道的SIS切斷閥,PST測(cè)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(diǎn)如下:
a)優(yōu)點(diǎn)。FST能夠完成閥門的全部行程測(cè)試,能夠真實(shí)判斷出SIS切斷閥是否具有相應(yīng)的安全功能。
b)缺點(diǎn)。相對(duì)于PST,FST配置的測(cè)試設(shè)備較多,對(duì)于設(shè)計(jì)、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(cè)試方式應(yīng)根據(jù)多方面的情況進(jìn)行綜合分析和權(quán)衡,用戶應(yīng)根據(jù)裝置特點(diǎn)、自身對(duì)SIS測(cè)試的要求等方面考慮,提出自己的要求,在設(shè)計(jì)階段就進(jìn)行相關(guān)的設(shè)計(jì)。
5 結(jié)束語
無論是SIS用戶還是工程設(shè)計(jì)人員,shou先應(yīng)有SIS安全生命周期的概念及相關(guān)活動(dòng)要求,并在工程設(shè)計(jì)階段根據(jù)SIL等級(jí)評(píng)估結(jié)果和安全法蘭式壓力變送器設(shè)備配置情況,進(jìn)行SIS的操作維護(hù)和變更規(guī)劃。針對(duì)SIS的操作維護(hù)計(jì)劃,進(jìn)行有關(guān)的SIS測(cè)試維護(hù)設(shè)施的設(shè)計(jì),包括硬件設(shè)備和邏輯功能等方面,以保證SIS測(cè)試維護(hù)計(jì)劃的可執(zhí)行。同時(shí)也應(yīng)考慮竣工前的SIS的SIL驗(yàn)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(yàn)證往往會(huì)提出縮短安全法蘭式壓力變送器設(shè)備的測(cè)試時(shí)間間隔的要求,這時(shí),測(cè)試設(shè)施的完備性尤其重要。
SIS#終元件的測(cè)試維護(hù)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(jì)的思路和視野,只要#終元件設(shè)備的SIL等級(jí)滿足要求,并對(duì)工藝過程正常運(yùn)行和SIS的安全功能完整性不造成損害,其相關(guān)的測(cè)試維護(hù)方式均是可接受的。
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