爆破片安全裝置與安全完整性等級(jí)探討

閆興清，喻健良,，溫殿江，姜一昌，朱永江，李 岳,，韓 冰，胡 軍

(1.大連理工大學(xué) 化工機(jī)械與安全學(xué)院，遼寧大連 116024； 2.大連理工安全技術(shù)與控制工程研究中心有限公司，遼寧大連 116012； 3.大連理工安全裝備有限公司，遼寧大連 116012；4.大連市鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院，遼寧大連 116013)

0 引言

安全完整性等級(jí)(Safety Integration Level，簡(jiǎn)稱SIL)是近年來發(fā)展起來的針對(duì)過程工業(yè)領(lǐng)域的風(fēng)險(xiǎn)管理方法[1-2]。該概念的提出，源自安全儀表系統(tǒng)(Safety Instrument System，簡(jiǎn)稱SIS)的廣泛應(yīng)用[3-4]。安全儀表系統(tǒng)(SIS)是由國(guó)外提出的一種保護(hù)層概念，是用于保障安全生產(chǎn)的一套系統(tǒng)，屬于企業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化范疇。其安全等級(jí)高于工藝的基本過程控制系統(tǒng)。當(dāng)工藝出現(xiàn)異常時(shí)，SIS進(jìn)行干預(yù)，降低事故發(fā)生可能性。

隨著國(guó)內(nèi)石油、化工、天然氣等行業(yè)迅速發(fā)展，事故頻率和潛在的事故風(fēng)險(xiǎn)逐漸增大。原國(guó)家安監(jiān)總局2011年40號(hào)令規(guī)定“涉及毒性氣體、液化氣體、劇毒液體的一級(jí)或二級(jí)重大危險(xiǎn)源，配備獨(dú)立的安全儀表系統(tǒng)”；2014年116號(hào)文指出：從2018年1月1日起，所有新建涉及“兩重點(diǎn)一重大”的化工裝置和危險(xiǎn)化學(xué)品儲(chǔ)存設(shè)施要設(shè)計(jì)符合要求的安全儀表系統(tǒng);其他新建化工裝置、危險(xiǎn)化學(xué)品儲(chǔ)存設(shè)施安全儀表系統(tǒng)，從2020年1月1日起，應(yīng)執(zhí)行功能安全相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，設(shè)計(jì)符合要求的安全儀表系統(tǒng)。

在上述背景下，國(guó)內(nèi)化工裝置相繼開展了安全儀表系統(tǒng)(SIS)配備以及SIS基于功能安全的安全完整性等級(jí)(SIL)定級(jí)等工作[5]。眾多儀表制造廠家，也相繼對(duì)其各型號(hào)產(chǎn)品開展安全完整性等級(jí)認(rèn)證，以滿足SIS的基于功能安全所需的SIL等級(jí)需求。

爆破片作為一種精準(zhǔn)的壓力開關(guān)，已被廣泛應(yīng)用于壓力容器防護(hù)場(chǎng)合，以預(yù)防因超壓帶來的危害[6-9]。在國(guó)內(nèi)化工裝置廣泛配套安全儀表系統(tǒng)的大背景下，部分人員提出爆破片是否屬于SIS零部件、是否要開展SIL認(rèn)證等問題。尤其是一些國(guó)外爆破片制造廠商對(duì)部分所售爆破片產(chǎn)品標(biāo)注了SIL等級(jí)，更是為國(guó)內(nèi)研究人員帶來了困惑?；诖?，本文探討爆破片安全裝置與安全儀表系統(tǒng)(SIS)、安全完整性等級(jí)(SIL)的關(guān)系，并回答上述問題，以為爆破片未來研究方向提供參考。

1 爆破片是否屬于安全儀表系統(tǒng)(SIS)零部件

要解答爆破片是否屬于安全儀表系統(tǒng)零部件這個(gè)問題，首先需要明確保護(hù)層(Protection Layer，簡(jiǎn)稱PL)、獨(dú)立保護(hù)層(Independent Protection Layer，簡(jiǎn)稱IPL)的概念[10]以及SIS的組成。

保護(hù)層(PL)是借助控制、預(yù)防、減輕等手段降低風(fēng)險(xiǎn)的獨(dú)立保護(hù)機(jī)制。獨(dú)立保護(hù)層，是指能夠阻止事件向不期望后果發(fā)展、獨(dú)立與其他防護(hù)層的設(shè)備、系統(tǒng)或行動(dòng)。根據(jù)GB/T 21109—2007[11]，典型過程工藝的獨(dú)立保護(hù)層一般稱為“洋蔥”模型，如圖1所示。該圖含義為：當(dāng)過程工藝出現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，依次由基本過程控制系統(tǒng)(BPCS)保護(hù)層、警報(bào)與人員干預(yù)保護(hù)層、安全儀表系統(tǒng)(SIS)保護(hù)層、物理防護(hù)保護(hù)層、釋放后物理防護(hù)保護(hù)層、工廠緊急響應(yīng)保護(hù)層、社區(qū)緊急響應(yīng)保護(hù)層。只有當(dāng)這些保護(hù)層均失去作用時(shí)，才能導(dǎo)致最嚴(yán)重的事故后果。

圖1 工藝保護(hù)層的“洋蔥”模型

目前，化工裝置依據(jù)原安監(jiān)總局文件配備的安全儀表系統(tǒng)保護(hù)層,與爆破片裝置所處的物理防護(hù)保護(hù)層處于不同的獨(dú)立保護(hù)層。這說明，當(dāng)工藝出現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，爆破片與安全儀表系統(tǒng)對(duì)工藝風(fēng)險(xiǎn)的防護(hù)行為相互獨(dú)立。

圖2示出安全儀表系統(tǒng)的功能及組成。安全儀表系統(tǒng)獨(dú)立于基本過程控制系統(tǒng)，一般由傳感器、控制器、執(zhí)行器組成。傳感器檢測(cè)工藝參數(shù)，若參數(shù)與設(shè)定值出現(xiàn)偏差，且基本過程控制系統(tǒng)、警報(bào)與人員干預(yù)均未起到效果時(shí)，安全儀表系統(tǒng)干預(yù)，控制器驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器完成危險(xiǎn)場(chǎng)景消除。對(duì)爆破片來說，其不屬于安全儀表系統(tǒng)中傳感器、控制器及執(zhí)行器的任何一種零部件。

圖2 安全儀表系統(tǒng)功能及組成示意

綜上可知，爆破片不屬于安全儀表系統(tǒng)(SIS)零部件，其與SIS處于不同的獨(dú)立保護(hù)層。需要強(qiáng)調(diào)的是，工業(yè)中存在爆破片為儀表系統(tǒng)提供爆破信號(hào)以便工藝執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作的場(chǎng)景。此類情況比較復(fù)雜，需要具體問題具體分析。

2 爆破片要不要做安全完整性等級(jí)(SIL)認(rèn)證

要解答爆破片要不要做安全完整性等級(jí)認(rèn)證這一問題，需要了解安全儀表系統(tǒng)基于功能安全的安全完整性等級(jí)(SIL)評(píng)估思路。根據(jù)GB/T 21109—2007[11]，安全完整性等級(jí)是用來分配給安全儀表系統(tǒng)的儀表安全功能的安全完整性要求的離散等級(jí)。離散等級(jí)分為四級(jí)：SIL 1，SIL 2，SIL 3，SIL 4。SIL 4是安全完整性的最高等級(jí)，SIL 1為最低等級(jí)。SIL是衡量SIS可靠性的一個(gè)指標(biāo)，其具體等級(jí)由儀表的故障頻率確定，如表1所示。

表1 SIL確定

化工裝置開展安全儀表系統(tǒng)配套工作，涉及的企業(yè)及工作關(guān)系示意圖見圖3(本圖僅列出了各企業(yè)的典型重點(diǎn)工作，實(shí)際情況要比本圖復(fù)雜得多)。對(duì)于化工企業(yè)的某工藝裝置來說，評(píng)估機(jī)構(gòu)需要通過危險(xiǎn)與可操作性分析(HAZOP)、保護(hù)層分析(LOPA)等方法，向企業(yè)解答所評(píng)價(jià)的工藝或裝置是否需要配套安全儀表系統(tǒng)(SIS)。若需要配套，則該SIS為了實(shí)現(xiàn)功能安全的目標(biāo)，所需的安全完整性等級(jí)為哪一級(jí)(SIL定級(jí)過程)。然后，化工企業(yè)向安全儀表系統(tǒng)零部件(包括傳感器、控制器、執(zhí)行器)的制造廠家(統(tǒng)稱儀表企業(yè))購(gòu)買符合SIL的產(chǎn)品。

對(duì)于儀表企業(yè)來說，其產(chǎn)品的SIL，需要通過有資質(zhì)的機(jī)構(gòu)(如TUV等)檢測(cè)該產(chǎn)品的失效概率數(shù)據(jù)，然后依據(jù)表1的規(guī)定，確定該產(chǎn)品的SIL并頒發(fā)認(rèn)證證書(SIL認(rèn)證過程)。可見，對(duì)儀表企業(yè)，獲得產(chǎn)品的SIL認(rèn)證，是后續(xù)進(jìn)入各行業(yè)安全儀表系統(tǒng)配備工程的基礎(chǔ)。

圖3 安全儀表系統(tǒng)與安全完整性等級(jí)示意

根據(jù)前面分析，爆破片不屬于安全儀表系統(tǒng)零部件，故爆破片制造廠家也不屬于圖2所示的儀表企業(yè)。因此可以得到結(jié)論：爆破片不需要開展安全完整性等級(jí)(SIL)認(rèn)證。

3 爆破片在SIS基于功能安全的SIL定級(jí)中的作用

雖然爆破片不屬于安全儀表系統(tǒng)零部件，也不需要開展安全完整性等級(jí)認(rèn)證。但是，爆破片在整個(gè)安全儀表系統(tǒng)配備工作周期內(nèi)是否有作用值得探討。要解答這一問題，需要明確如何開展安全儀表系統(tǒng)的基于功能安全的安全完整性等級(jí)定級(jí)。

石化行業(yè)常用的安全完整性等級(jí)定級(jí)方法是半定量化的保護(hù)層分析(Layer of Protection Analysis，簡(jiǎn)稱LOPA)法[12]。LOPA方法的步驟為：(1)場(chǎng)景識(shí)別與篩選；(2)初始事件(Initial Event，簡(jiǎn)稱IE)確認(rèn)；(3)獨(dú)立保護(hù)層(IPL)評(píng)估；(4)危險(xiǎn)場(chǎng)景發(fā)生概率計(jì)算；(5)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與決策；(6)后續(xù)跟蹤與審查。

本文不詳細(xì)介紹LOPA方法的具體操作(可參閱文獻(xiàn)[13])，僅以兩個(gè)案例介紹爆破片在安全儀表系統(tǒng)的SIL定級(jí)中的作用。

(1)案例一：爆破片作為獨(dú)立保護(hù)層失效。

假設(shè)工藝中某容器存在超壓危險(xiǎn)場(chǎng)景，該場(chǎng)景的初始事件為E1(可能為任何事件，需要結(jié)合實(shí)際工藝分析)，其發(fā)生頻率為f1。該容器配備爆破片泄放裝置。根據(jù)圖1，此時(shí)爆破片為防容器超壓的獨(dú)立保護(hù)層。當(dāng)初始事件E1發(fā)生時(shí)，存在兩種情況：①若爆破片正常動(dòng)作，則超壓危險(xiǎn)場(chǎng)景不會(huì)發(fā)生；②若爆破片在爆破壓力下未打開，即爆破片作為物理防護(hù)的獨(dú)立保護(hù)層失效，則超壓危險(xiǎn)場(chǎng)景會(huì)發(fā)生;爆破片失效發(fā)生概率記為f2。

則該超壓危險(xiǎn)場(chǎng)景的發(fā)生概率f=f1f2。由此可知，對(duì)于爆破片作為獨(dú)立保護(hù)層失效的案例，需要明確爆破片未打開失效模式下的失效概率f1。

(2)案例二：爆破片失效作為初始事件(IE)。

假設(shè)工藝中某容器存在物料溢出危險(xiǎn)場(chǎng)景，該場(chǎng)景的初始事件E1為爆破片低壓打開或泄漏，其發(fā)生概率為f′1。此時(shí)存在兩種情況：①若針對(duì)物料溢出配備了獨(dú)立保護(hù)層(如防護(hù)堤、密閉卸料罐等)，且獨(dú)立保護(hù)層未失效，則物料溢出危險(xiǎn)場(chǎng)景不會(huì)發(fā)生；②若獨(dú)立保護(hù)層失效，則物料溢出危險(xiǎn)場(chǎng)景發(fā)生;獨(dú)立保護(hù)層失效概率記為f′2。

則該超壓危險(xiǎn)場(chǎng)景的發(fā)生概率f′=f′1f′2。由此可知，對(duì)于爆破片作為初始事件的案例，需要明確爆破片低壓打開或泄漏失效模式下的失效概率f′1。

在上述兩個(gè)案例中，爆破片在安全儀表系統(tǒng)的SIL定級(jí)中起到的作用不同，則對(duì)爆破片失效概率的需求不同。表2匯總了上述兩個(gè)案例的結(jié)果。這也解答了本節(jié)的問題，即爆破片在安全儀表系統(tǒng)的SIL評(píng)級(jí)中有作用。

表2 爆破片在安全儀表系統(tǒng)的SIL定級(jí)中的作用

4 現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)對(duì)爆破片失效概率的規(guī)定及進(jìn)一步研究方向

在目前的SIL評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如GB/T 32857—2016《保護(hù)層分析(LOPA)應(yīng)用指南》[14]、AQ/T 3054—2015《保護(hù)層分析(LOPA)方法應(yīng)用導(dǎo)則》[15]中，對(duì)典型事件發(fā)生頻率進(jìn)行了規(guī)定。其中，GB/T 32857—2016規(guī)定爆破片的失效概率為10-5～10-1之間，且注明了“爆破片有效性對(duì)服役條件比較敏感”；AQ/T 3054—2015中未對(duì)爆破片失效概率進(jìn)行規(guī)定。

分析發(fā)現(xiàn)，雖然GB/T 32857—2016規(guī)定了爆破片失效概率，但是在實(shí)際應(yīng)用中存在如下問題。

(1)失效概率數(shù)據(jù)來源于國(guó)外，對(duì)國(guó)內(nèi)爆破片的適用性還未知。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，爆破片行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的制定人員、爆破片制造廠家的技術(shù)人員對(duì)該失效數(shù)據(jù)也缺少認(rèn)識(shí)。

(2)失效概率范圍寬泛。當(dāng)取不同值時(shí)，可能獲得不同的SIL。雖然調(diào)研發(fā)現(xiàn)工程人員在開展SIL定級(jí)時(shí)一般取爆破片失效概率為10-2，但缺少科學(xué)依據(jù)。

(3)由表2可知，當(dāng)爆破片作為不同角色時(shí)，所需的失效概率的失效型式并不相同。但GB/T 32857—2016中給出的失效概率未加以區(qū)分。

總的來說，目前爆破片結(jié)構(gòu)類型多樣，失效模式多樣(未打開、低壓提前打開、泄漏)。對(duì)不同類型的爆破片，需要明確不同失效模式下的失效概率，以能夠在SIL評(píng)級(jí)時(shí)精確使用爆破片失效概率數(shù)據(jù)。這種需求對(duì)國(guó)內(nèi)爆破片制造廠家提供了新的要求。制造廠家需要對(duì)銷售出去的爆破片投入精力持續(xù)關(guān)注其使用情況，必要時(shí)對(duì)每一片爆破片建立使用檔案，形成大量使用數(shù)據(jù)。當(dāng)具有一定時(shí)間的數(shù)據(jù)積累后，即可拿出較精準(zhǔn)的不同模式下失效概率數(shù)據(jù)。

值得一提的是，雖然爆破片不需要開展SIL認(rèn)證，但國(guó)外一些爆破片廠家仍然給出了爆破片的SIL數(shù)據(jù)，顯然是因?yàn)檫@些廠家對(duì)其制造的爆破片的失效概率有很可靠的數(shù)據(jù)做支撐。因此，爆破片相關(guān)失效數(shù)據(jù)的積累是國(guó)內(nèi)爆炸片制造廠家及研究人員進(jìn)一步的研究方向。

5 結(jié)論

(1)爆破片不屬于安全儀表系統(tǒng)零部件；

(2)爆破片不需要做安全完整性等級(jí)認(rèn)證；

(3)爆破片與工藝及設(shè)備的安全完整性等級(jí)評(píng)級(jí)有關(guān)系，需明確爆破片分別作為獨(dú)立事件和獨(dú)立保護(hù)層失效兩種情況下的失效概率；

(4)爆破片進(jìn)一步研究方向?yàn)楂@得其在不同失效模式下的失效率數(shù)據(jù)。