安全法蘭式壓力變送器系統(tǒng)測試維護的設計探討

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。在工程設計階段應考慮并設計ＳＩＳ測試維護有關的設施，對ＳＩＳ功能測試維護設計實現(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施設計配置要求等有關內(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設置等要求，ＳＩＳ的設計日益完備，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)管部門的關注，主要關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技術要求、ＳＩＳ設計和工程、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測試維護功能的設計。

１　問題的提出

隨著ＳＩＳ在安全功能領域的普及應用，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，使工廠主管領導對ＳＩＳ產(chǎn)生誤解，甚至懷疑安全設計過度。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)。隨著電子信息技術的發(fā)展以及冗余容錯、診斷技術的應用，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提升和冗余設置，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，因此應設計

ＳＩＳ在線測試維護設施，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系。在易堵塞或結焦工況的切斷閥，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限的ＳＩＳ軟旁路開關，在“允許測試維護旁路”硬開關置于允許位置后，法蘭式壓力變送器維護人員投用“測試維護旁路”軟開關，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”功能冗余設置的３臺變送器，測試維護旁路的設置有２種方式：地衣種方式是為該組變送器設置１只測試維護旁路開關，即３臺變送器共用１個旁路；第二種方式是每１臺變送器設置１只測試維護開關。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。

所有測試維護有關的開關均應處于受控狀態(tài)。將“允許測試維護旁路開關”置于允許旁路位置時，應在相關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)行機構控制閥，動力源中斷時應使執(zhí)行機構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，一旦閥門動作到設定的位置通過行程開關或檢測模塊反饋，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的動作測試，并依據(jù)測試結果判斷出ＳＩＳ切斷閥是否具備要求的安全功能。對于故障關閉的ＳＩＳ切斷閥，應設置旁路閥用于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施，并鉛封在安全位置。ＦＳＴ測試設施配置如圖２所示。

對于設置測試旁路閥的ＳＩＳ切斷閥，在ＳＩＳ切斷閥做全行程關閉測試前，應打開旁路閥，ＳＩＳ檢測到旁路閥限位開關信號全開時，才具備ＳＩＳ切斷閥的測試條件，現(xiàn)場測試開關才能起作用。完成測試后，應關閉旁路閥并進行鉛封。對于設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信號全關時，才具備ＳＩＳ切斷閥的測試條件，現(xiàn)場測試開關才能起作用。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配置的測試設備較多，對于設計、設備設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，在設計階段就進行相關的設計。

５　結束語

無論是ＳＩＳ用戶還是工程設計人員，shou先應有ＳＩＳ安全生命周期的概念及相關活動要求，并在工程設計階段根據(jù)ＳＩＬ等級評估結果和安全法蘭式壓力變送器設備配置情況，進行ＳＩＳ的操作維護和變更規(guī)劃。針對ＳＩＳ的操作維護計劃，進行有關的ＳＩＳ測試維護設施的設計，包括硬件設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備的測試時間間隔的要求，這時，測試設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設計的思路和視野，只要#終元件設備的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，其相關的測試維護方式均是可接受的。