部分行程測試在海洋平臺的應用研究

王乃民 劉鴻雁 趙笑寒

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

部分行程測試在海洋平臺的應用研究

王乃民 劉鴻雁 趙笑寒

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

針對關(guān)斷閥延長檢修周期引起的安全完整性等級降低的問題，通過對改善關(guān)斷閥安全完整性等級的方法進行分析研究，以及對現(xiàn)有部分行程測試方式的綜合比較，并結(jié)合海洋平臺應急關(guān)斷系統(tǒng)的設(shè)計要求，給出了關(guān)斷閥氣動回路式和定位器式部分行程測試在海洋平臺的應用方案。同時，對關(guān)斷閥采用部分行程測試前后的安全完整性等級進行了計算。驗證結(jié)果表明，部分行程測試能夠提高關(guān)斷閥的安全完整性等級，對海洋平臺延長停產(chǎn)檢修周期和提高生產(chǎn)能力具有一定幫助。

部分行程測試 海洋平臺 應急關(guān)斷系統(tǒng) 關(guān)斷閥 安全完整性等級 氣動回路 定位器

Pneumatic loop Positioner

0 引言

海洋平臺作為海上油氣田開發(fā)的主要設(shè)施，其生產(chǎn)運行環(huán)境極為惡劣，一旦發(fā)生事故，極易造成大量的人員傷亡、嚴重的經(jīng)濟損失及海洋生態(tài)破壞。因此，為了更好地實現(xiàn)海洋平臺安全生產(chǎn)，建立一套性能安全可靠、動作響應及時的應急關(guān)斷系統(tǒng)(emergency shutdown system,ESD)尤為重要。

近年來，為提高海洋平臺的生產(chǎn)能力，增加經(jīng)濟效益，在提高生產(chǎn)設(shè)備可靠性的同時，平臺停產(chǎn)檢修周期也由原來的1年延長到了2～3年甚至更長。這將導致應急關(guān)斷系統(tǒng)中有安全完整性等級(safety integrity level,SIL)要求的關(guān)斷閥長期處于“休眠”狀態(tài)。同時，海洋平臺的生產(chǎn)工藝往往具有高溫、腐蝕、振動及結(jié)垢等特點，因此關(guān)斷閥在需要執(zhí)行安全保護動作時可能會產(chǎn)生“拒動”現(xiàn)象，這種情況可能導致災難性的后果。

部分行程測試是一種在線檢測關(guān)斷閥安全性的方法。它通過關(guān)斷閥從全開位置部分關(guān)閉10%～20%行程，然后再回到全開位置來檢查閥門故障情況，按一定的時間間隔周期性動作。通過周期性部分行程測試，可以延長關(guān)斷閥檢修周期，而不降低其安全完整性等級。

1 應急關(guān)斷系統(tǒng)

應急關(guān)斷系統(tǒng)是海洋平臺最重要的系統(tǒng)之一，用于提高工藝生產(chǎn)裝置及其輔助設(shè)施的安全操作，并在事故情況下關(guān)斷工藝系統(tǒng)，保護平臺人員和工程設(shè)施的安全，防止環(huán)境污染，將事故的損失降到最小[1]。

1.1 系統(tǒng)概述

ESD系統(tǒng)一般由工程師站(操作員站)、可編程控制器、輸入輸出模塊、現(xiàn)場檢測儀表、執(zhí)行機構(gòu)及應急盤等組成。它與火氣系統(tǒng)通過冗余安全網(wǎng)構(gòu)成海洋平臺的安全儀表系統(tǒng)(safety instrumented system,SIS)。SIS通過物理網(wǎng)關(guān)接入冗余控制網(wǎng)，操作人員可以通過接入冗余控制網(wǎng)的工程師站對SIS系統(tǒng)進行管理。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

可編程控制器是ESD系統(tǒng)的核心部件，其接收火氣系統(tǒng)、現(xiàn)場檢測儀表、應急盤等外圍設(shè)備及相關(guān)平臺的危險確認信號，通過控制器邏輯運算，觸發(fā)相應的執(zhí)行機構(gòu)動作，并在工程師站人機界面和應急盤進行報警。

執(zhí)行機構(gòu)包括關(guān)斷閥、放空閥、關(guān)斷調(diào)節(jié)閥、井上(井下)安全閥、現(xiàn)場泵、電加熱器及現(xiàn)場控制盤。執(zhí)行機構(gòu)接收ESD系統(tǒng)指令，執(zhí)行安全保護動作。

現(xiàn)場檢測儀表主要是安裝在工藝管線和設(shè)備上的各種變送器和開關(guān)元件，如壓力變送器、液位變送器、溫度變送器、壓力開關(guān)等，通過輸入/輸出模塊接入控制器。根據(jù)受保護設(shè)備在生產(chǎn)過程中的功能和用途不同，參數(shù)異常報警將觸發(fā)平臺的生產(chǎn)關(guān)斷或設(shè)備的單元關(guān)斷。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

此外，通過手動按下應急盤上的一級棄平臺、二級火氣、三級生產(chǎn)關(guān)斷按鈕，以及其他原因觸發(fā)的ESD 1～3級關(guān)斷都將關(guān)停本平臺生產(chǎn)系統(tǒng)。

單元關(guān)斷是本平臺最低級別的關(guān)斷，分為生產(chǎn)系統(tǒng)單元關(guān)斷和公用系統(tǒng)單元關(guān)斷。ESD 1～3級關(guān)斷均會觸發(fā)生產(chǎn)系統(tǒng)單元關(guān)斷，而公用系統(tǒng)單元關(guān)斷則由本平臺ESD 1～2級關(guān)斷觸發(fā)。單元關(guān)斷只關(guān)斷故障設(shè)備，并不影響其他設(shè)備的運行[2]。

1.2 安全完整性等級

ESD系統(tǒng)作為海洋平臺SIS的重要組成部分，它實時監(jiān)測工藝過程的狀態(tài)，判斷危險條件，當工藝參數(shù)異常時執(zhí)行安全關(guān)斷，保護人員和生產(chǎn)設(shè)施。ESD系統(tǒng)是靜態(tài)的、被動的，只有在危險情況發(fā)生時，才能夠執(zhí)行保護動作。這樣的特點決定了系統(tǒng)的設(shè)計目標，即一方面能夠?qū)崿F(xiàn)緊急關(guān)斷的功能，另一方面也必須具有較高的安全可靠性。

在IEC 61508和IEC 61511中，定義了一種衡量安全儀表系統(tǒng)安全可靠性的指標，即安全完整性等級(SIL)：在一定時間、一定條件下，安全儀表系統(tǒng)執(zhí)行其所規(guī)定的安全功能的可能性。它是以上述標準中所涉及的反應失效概率(probability of failure on demand,PFD)為基準的一個重要的安全可靠性參數(shù)，用以表征安全儀表系統(tǒng)針對某一個特定的功能需求所能達到的風險降低程度。通過規(guī)定安全儀表系統(tǒng)需要的最低反應失效概率，使設(shè)備能夠在需要時成功執(zhí)行設(shè)計所要求的安全功能[3-4]。

2 SIL分析

在對ESD系統(tǒng)進行SIL分析時，主要是根據(jù)標準IEC 61508和IEC 61511，確定系統(tǒng)的安全儀表功能(safety instrumented function,SIF)所需的SIL等級，并實現(xiàn)以下目標。

① 確保安全儀表功能設(shè)置合理。

② 確保安全保護功能可以完成，緩和不可避免的災害的風險。

③ 識別不能達到SIL等級要求的安全儀表功能，進而更改，確保安全儀表功能滿足安全完整性的要求。

④ 按照安全生命周期確保風險降低到可接受的范圍內(nèi)。

2.1 SIL確定

IEC 61511標準中的保護層分析法(layers of protection analysis,LOPA)是一種理性的、客觀的和基于風險的評估工藝風險的半定量分析方法[5]，通過對現(xiàn)有保護措施的可靠性進行量化的評估，確定其消除或降低風險的能力。該方法由于考慮了不同獨立保護層的失效概率、初始事件、狀態(tài)修正和適用于不同業(yè)主的可接受風險而被廣泛應用。對ESD系統(tǒng)采用LOPA確定SIL的詳細步驟如圖2所示。

首先，把生產(chǎn)裝置劃分成原油處理系統(tǒng)、生產(chǎn)水系統(tǒng)、燃氣系統(tǒng)等不同的工藝系統(tǒng)。然后，確定各系統(tǒng)的受保護設(shè)備(equipment under control,EUC)。對每一個EUC分析其安全儀表系統(tǒng)的設(shè)置，進而分析并描述每一個安全儀表系統(tǒng)的安全儀表功能(SIF)。采用可靠性方塊圖方法，將每個安全儀表系統(tǒng)歸類為檢測儀表、控制器和執(zhí)行機構(gòu)。最后根據(jù)所有原因發(fā)生的可能性，以及造成的安全、環(huán)境、經(jīng)濟后果及后果等級和針對該場景所設(shè)置的獨立保護層，確定出不同后果所需的不同SIL等級，選取最高的SIL等級作為該安全儀表功能最終的SIL目標。

對于SIL等級低于1的保護功能，通過基本工藝控制系統(tǒng)實現(xiàn)；而對于SIL等級大于或等于1的保護功能，則通過安全儀表系統(tǒng)實現(xiàn)[6]。

圖2 SIL確定步驟

2.2 SIL驗證

在對安全儀表功能確定了所需SIL等級后，要對安全儀表系統(tǒng)的現(xiàn)有配置進行定量計算，以驗證安全儀表系統(tǒng)的現(xiàn)有配置能夠達到所需SIL等級的要求。常用的安全完整性等級的驗證方法主要有可靠性框圖、故障樹分析和馬爾可夫模型。但是在工程項目的SIL驗證以及裝置的技術(shù)改造所進行的SIL驗證只需要利用IEC 61508或ISA TR84.00.02中的可靠性框圖進行計算即可，而且該框圖直觀，便于工程技術(shù)人員理解和使用。基于可靠性框圖的SIL驗證步驟如圖3所示[7-8]。

安全儀表系統(tǒng)作為保護操作人員以及生產(chǎn)設(shè)施安全不可或缺的一部分，在設(shè)置檢測儀表、控制器和執(zhí)行機構(gòu)時，充分考慮到可靠性的需要，對一些元件會采用冗余的設(shè)計方式。因此，在確定SIF以后，應判斷檢測儀表、控制器以及執(zhí)行機構(gòu)的邏輯關(guān)系，安全儀表系統(tǒng)的反應失效概率為其各組成元件的反應失效概率相加。

對ESD系統(tǒng)所有安全儀表功能SIL驗證結(jié)果進行分析，影響安全儀表系統(tǒng)SIL目標的主要因素是執(zhí)行機構(gòu)的PFD。因此，對于SIL不滿足要求的安全儀表系統(tǒng)，只有通過降低執(zhí)行機構(gòu)的PFD，安全儀表系統(tǒng)的SIL才最有可能符合設(shè)計目標。

關(guān)斷閥是ESD系統(tǒng)最多的執(zhí)行機構(gòu)，通過改進冗余配置或縮短測試周期均可以使PFD減小。但是，關(guān)斷閥大部分都安裝在生產(chǎn)系統(tǒng)的主工藝管線和關(guān)鍵設(shè)備上，如果縮短測試周期，則直接導致平臺停產(chǎn)周期變短，大大影響經(jīng)濟效益；而增加關(guān)斷閥的冗余配置，一方面增加了生產(chǎn)成本，另一方面，在沒有安全措施的情況下在線操作關(guān)斷閥容易發(fā)生危險?？梢?，縮短測試周期和改進冗余配置都不是使關(guān)斷閥滿足SIL等級的最佳方法。

圖3 SIL驗證步驟

3 部分行程測試應用

目前，關(guān)斷閥的部分行程測試(partial stroke test,PST)主要有機械式、氣動回路式和定位器式，表1是對三種部分行程測試方式的綜合比較。

表1 部分行程測試方式比較

根據(jù)海洋平臺的獨特工況和應急關(guān)斷系統(tǒng)的設(shè)計要求，我們在對關(guān)斷閥設(shè)計部分行程測試功能時，主要研究應用氣動回路式和定位器式兩種方案。

3.1 氣動回路式

正常情況下，過濾減壓閥①調(diào)節(jié)后的儀表氣，一路通過手動閥③、PST電磁閥④、緊急關(guān)斷電磁閥⑤控制氣動先導閥⑦導通，另一路通過調(diào)速裝置⑥和快速泄放閥⑨與關(guān)斷閥執(zhí)行機構(gòu)連通。在彈簧作用力下，關(guān)斷閥處于打開狀態(tài)。在過濾減壓閥后設(shè)置安全閥②，ESD系統(tǒng)通過接線箱為緊急關(guān)斷電磁閥和PST電磁閥供電。

部分行程測試時，ESD系統(tǒng)給PST電磁閥通電。手動按下PST測試按鈕⑧，PST電磁閥得電，1、3端導通，氣動先導閥1、3端導通，關(guān)斷閥開始關(guān)閉。當閥門關(guān)閉20% 后，觸發(fā)與PST電磁閥連鎖的限位開關(guān)動作，PST電磁閥失電復位，1、2端導通，氣動先導閥1、2端導通，關(guān)斷閥復位，部分行程測試完成。

對于尺寸較大的閥門，為減小閥門關(guān)閉時間，通常在執(zhí)行機構(gòu)端設(shè)置快速泄放閥;同時，對于扭矩較大的閥門設(shè)置手動液壓泵⑩，克服手動關(guān)閥的困難。

氣動回路式行程測試在海洋平臺上已成功應用。氣動回路式的部分行程測試原理如圖4所示。

圖4 氣動回路式測試原理

3.2 定位器式

定位器式是目前比較新的方法，圖5是閥門定位器式的測試原理。

正常情況下，經(jīng)過濾減壓閥①調(diào)節(jié)的儀表氣進入閥門定位器④，閥門定位器I/P調(diào)節(jié)后經(jīng)緊急關(guān)斷電磁閥②、手動閥③、快速泄放閥⑤與關(guān)斷閥執(zhí)行機構(gòu)⑦連通。

部分行程測試時，ESD系統(tǒng)給出一個對應閥門80%開度的4～20 mA信號，電流信號經(jīng)過閥門定位器的I/P轉(zhuǎn)成對應的壓力信號。閥門定位器開始調(diào)節(jié)與執(zhí)行機構(gòu)連通的氣壓，關(guān)斷閥開始關(guān)閉，行程傳感器⑥實時向定位器④提供用于控制算法的行程反饋信號。當關(guān)閉20%行程后，閥門定位器復位，關(guān)斷閥恢復初始狀態(tài)，部分行程測試完成。

圖5 定位器式測試原理

對于尺寸較大的閥門，為縮短閥門關(guān)閉時間而設(shè)置快速泄放閥，采用閥門定位器式的部分行程測試已成功應用在中國東海某項目上。

由于定位器式相比另外兩種方式具有“智能”的優(yōu)點，因此其在海洋平臺上必將具有廣闊的應用前景。

3.3 SIL影響

ESD系統(tǒng)只有在基本工藝控制系統(tǒng)和人員干預無效時，才會執(zhí)行緊急關(guān)斷，因此，在計算關(guān)斷閥的PFD時，應采用IEC 61508標準中的低要求操作模式。對于1oo1結(jié)構(gòu)的關(guān)斷閥，其PFD為[8-9]：

PFD=λDtCE

(1)

(2)

(3)

式中：λ為失效率；λD為危險失效率；λDU為未檢測到的危險失效率；λDD為檢測到的危險失效率；T為檢測測試時間間隔；MTTR為平均恢復時間；tCE為等效平均停止工作時間。

部分行程測試(PST)不能檢測到關(guān)斷閥的全部故障。假設(shè)部分行程測試的診斷覆蓋率(diagnosticcoverage,DC)為70%，則剩余的30%的故障必須通過完全行程測試(fullstroketest,FST)來檢測[10]。

對于沒有冗余和自診斷要求的關(guān)斷閥，其PFD近似為：

(4)

而完全行程測試的PFD近似為：

(5)

式中：T1為部分行程測試的時間間隔；T2為完全行程測試的時間間隔。

從式(4)和式(5)可以看出，通過增加部分行程測試的測試頻率，可以在保證關(guān)斷閥安全完整性等級(SIL)的前提下，完全行程測試的周期延長為原來的3倍，從而為延長海洋平臺的停產(chǎn)檢修周期提供保障。

4 結(jié)束語

綜上所述，通過為關(guān)斷閥設(shè)置部分行程測試功能，降低了關(guān)斷閥的測試風險和測試失效可能性，在保證關(guān)斷閥SIL等級的前提下，延長了關(guān)斷閥的檢修周期和海洋平臺的停產(chǎn)檢修周期，從而使經(jīng)濟效益最大化。

但是，部分行程測試不能測出全部的閥門故障模式，例如閥座的密封狀態(tài)等。部分行程測試只是完全行程測試的有效補充，平臺停產(chǎn)檢修時必須對關(guān)斷閥做完全行程測試，以確保整個系統(tǒng)的安全完整性。

[1] 海洋石油工程設(shè)計指南編委會.海洋石油工程設(shè)計指南(第3冊)(海洋石油工程電氣、儀控、通信設(shè)計)[M].北京：石油工業(yè)出版社，2009：315-316.

[2] 董海杰.浮式生產(chǎn)儲油輪應急關(guān)斷系統(tǒng)的設(shè)計[J].自動化儀表，2012，33(7)：75-78.

[3] 林斌，劉赟.海洋工程平臺應急關(guān)斷系統(tǒng)安全完整性分析[J].船舶與海洋工程，2014(1)：53-55.

[4] 黃文君，何偉挺，邊俊.安全儀表系統(tǒng)的功能安全設(shè)計[J].自動化儀表，2010，31(7)：25-28.

[5] 李俊，劉鴻雁.SIL方法比較及LOPA在海洋平臺的應用[J].自動化與儀表，2013(7)：5-7.

[6] 朱春麗，洪毅，丁傳暉.海洋石油平臺安全儀表系統(tǒng)安全完整性等級評估[J].化工自動化及儀表，2014，41(4)：410-413.

[7] ISA.ISA-TR84.00.02 Safety instrumented functions(SIF)-safety integrity level(SIL)[S].Instrumentation,Systems,and Automation Society,2002.

[8] International Electrotechnical Commission.IEC 61508-6 Functional safety of electrical/electronic/programmable electronic safety-related systems, part 6: guidelines on the application of IEC 61508-2 and IEC 61508-3[S].International Electrotechnical Commission,2010.

[9] ISA.ANSI/ISA-TR96.05.01 Partial stroke testing of automated block valves[S].Instrumentation,Systems,and Automation Society,2008.

[10]王立奉.第十七講 安全儀表系統(tǒng)中緊急切斷閥的部分行程測試[J].儀器儀表標準化與計量，2009(5):9-14.

Application Research on the Partial Stroke Test for Offshore Platform

Aiming at the problem that the safety integrity level (SIL) of shutdown valve decreased because of extending the repair cycle, the methods for improving SIL of the shutdown valve are analyzed and researched. Through comprehensive comparison of existing partial stroke test (PST) methods and combining with the design requirements of offshore emergency shutdown system, the application schemes of the pneumatic loop type PST and positioner type PST for shutdown valve in offshore platform are proposed. In addition, the SIL of shutdown valve before and after PST is calculated. The result of verification shows that the PST can increase the SIL of shutdown valve; this is helpful for extending the repair cycle and enhancing the production capability.

Partial stroke test(PST) Offshore platform Emergency shutdown system(ESD) Shutdown valve Safety integrity level(SIL)

王乃民(1980-)，男，2008年畢業(yè)于中國石油大學(華東)信號與信息處理專業(yè)，獲碩士學位，工程師；主要從事儀表控制、火氣探測及安全儀表系統(tǒng)的設(shè)計與研究。

TP277

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201504009

修改稿收到日期：2014-09-19。