安全儀表系統(tǒng)功能安全評(píng)估方法探討

張德順 周劍利

摘?要：根據(jù)危險(xiǎn)化學(xué)品生產(chǎn)工藝特點(diǎn)，本文提出了一種針對(duì)化工行業(yè)安全儀表系統(tǒng)的功能安全評(píng)估的方法。依據(jù)相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，在完成針對(duì)化工生產(chǎn)工藝過(guò)程的危險(xiǎn)與可操作性分析報(bào)告、安全儀表系統(tǒng)定級(jí)報(bào)告、安全儀表系統(tǒng)規(guī)格書審查基礎(chǔ)上，通過(guò)計(jì)算實(shí)際裝設(shè)的安全儀表系統(tǒng)各功能回路的低要求操作模式下的平均失效概率和平均誤動(dòng)作停車時(shí)間間隔，驗(yàn)證其安全完整性等級(jí)，評(píng)價(jià)其可靠性、安全性和可用性，確保實(shí)現(xiàn)降低生產(chǎn)過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)，保護(hù)人身和設(shè)備安全。按照本文提出的安全儀表系統(tǒng)功能安全評(píng)估方法，對(duì)唐山某化工企業(yè)安全儀表系統(tǒng)進(jìn)行了評(píng)估，收到較好效果。

關(guān)鍵詞：安全儀表系統(tǒng)；功能安全評(píng)估；平均失效概率；安全完整性等級(jí)

中圖分類號(hào)：TB?????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A??????doi：10.19311/j.cnki.16723198.2023.24.089

0?引言

安全儀表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試、操作、維護(hù)可能會(huì)因?yàn)榇嬖谌藶槭д`等原因，影響系統(tǒng)的功能安全，若不及時(shí)發(fā)現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致失效，造成安全隱患。功能安全評(píng)估是為了調(diào)查和判斷安全儀表系統(tǒng)是否充分實(shí)現(xiàn)功能安全，通常是在驗(yàn)證、確認(rèn)和功能安全審核之外進(jìn)行的。根據(jù)《國(guó)家安全監(jiān)管總局關(guān)于加強(qiáng)化工安全儀表系統(tǒng)管理的指導(dǎo)意見(jiàn)》（安監(jiān)總管三〔2014〕116號(hào)）要求，按照《電氣∕電子∕可編程電子安全相關(guān)系統(tǒng)的功能安全》（GB/T20438-2017）、《過(guò)程工業(yè)領(lǐng)域安全儀表系統(tǒng)的功能安全》（GB/T21109-2007）和《功能安全應(yīng)用指南》（GB/T41295-2022）對(duì)安全儀表系統(tǒng)的功能安全進(jìn)行評(píng)估具有極為重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本文提出了一種針對(duì)化工行業(yè)安全儀表系統(tǒng)的功能安全評(píng)估方法，詳細(xì)介紹了功能安全評(píng)估所需資料、應(yīng)完成的主要任務(wù)及等級(jí)驗(yàn)證常用方法。

1?功能安全評(píng)估所需資料

（1）?安全設(shè)施設(shè)計(jì)階段完成的?P&ID。

（2）?詳細(xì)的工藝控制說(shuō)明和控制、聯(lián)鎖、報(bào)警說(shuō)明。

（3）?HAZOP?報(bào)告、SIL?定級(jí)報(bào)告、SRS?報(bào)告。

（4）?儀表調(diào)試、驗(yàn)證報(bào)告，F(xiàn)AT?文件、SAT?文件。

（5）?SIS系統(tǒng)聯(lián)鎖動(dòng)作記錄、誤動(dòng)作記錄、旁路事件記錄。

（6）?SIS系統(tǒng)檢查、測(cè)試和維修記錄。

（7）?對(duì)SIS系統(tǒng)有影響的變更記錄。

（8）?組成SIS系統(tǒng)的硬件、軟件的技術(shù)數(shù)據(jù)和SIL認(rèn)證證書。

2?功能安全評(píng)估應(yīng)完成的主要任務(wù)

（1）?通過(guò)危險(xiǎn)與可操作分析（HAZOP）確定的安全儀表系統(tǒng)的功能是否滿足風(fēng)險(xiǎn)降低要求。

（2）?SIS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（《安全設(shè)施設(shè)計(jì)專篇》）包括LOPA定級(jí)，是否滿足規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)要求。

（3）?獲取各安全功能回路的結(jié)構(gòu)配置、操作模式、檢驗(yàn)測(cè)試間隔、安全生命周期等信息和組成SIS系統(tǒng)軟、硬件的技術(shù)數(shù)據(jù)。

（4）?對(duì)各SIF回路的SIL等級(jí)進(jìn)行驗(yàn)證。

（5）?現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用軟件、邏輯組態(tài)是否滿足設(shè)計(jì)要求。

（6）?給出安全儀表系統(tǒng)功能安全評(píng)估結(jié)論并提出合理的建議措施。

3?SIF的SIL等級(jí)驗(yàn)證

SIL的驗(yàn)證包括審查相關(guān)回路設(shè)計(jì)，并根據(jù)硬件故障率、冗余度、共因失效百分比β、檢驗(yàn)測(cè)試周期、檢驗(yàn)測(cè)試覆蓋率等數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算SIF的失效概率（PFD）及相關(guān)參數(shù)。然后，根據(jù)將計(jì)算所得待驗(yàn)證回路的PFD與SIL定級(jí)時(shí)標(biāo)定的該安全儀表功能（SIF）的SIL等級(jí)進(jìn)行對(duì)比。最后，根據(jù)各安全儀表功能（SIF）回路的組成和儀表選型，應(yīng)用馬爾可夫模型的方法，對(duì)其進(jìn)行安全完整性等級(jí)（SIL）驗(yàn)算。所需數(shù)據(jù)主要有兩個(gè)來(lái)源：

一是國(guó)際上公認(rèn)的實(shí)效數(shù)據(jù)庫(kù)；

二是國(guó)內(nèi)同類工廠給出的各器件的失效概率數(shù)據(jù)。

（1）安全儀表系統(tǒng)平均失效概率的計(jì)算公式如下：

PFDSYS=PFDS+PFDL+PFDFE（1）

式中，PFDSYS、PFDS、PFDL和PFDFE分別為安全儀表系統(tǒng)、傳感器子系統(tǒng)、邏輯子系統(tǒng)和最終元件子系統(tǒng)要求的平均失效概率。

（2）“1oo1”的計(jì)算公式如下：

PFDavg=（λDU+λDD）（λDU/λD·（T1/2+MTTR）+λDD/λD·MTTR）（2）

式中：T1為驗(yàn)證測(cè)試周期（單位：h），MTTR為平均修復(fù)時(shí)間（單位：h），λD為子系統(tǒng)中通道的危險(xiǎn)失效率，λDU為未檢測(cè)到的危險(xiǎn)失效率，λDD為檢測(cè)到的危險(xiǎn)失效率；

（3）“1oo2”的計(jì)算公式如下：

tCE=λDU/λD·（T1/2+MTTR）+λDD/λD·MTTR

tGE=λDU/λD·（T1/3+MTTR）+λDD/λD·MTTR

PFDavg=2（（1－βD）λDD+（1－β）λDU）·2tCEtGE+βDλDD·MTTR+βλDU（T1/2+MTTR）（3）

式中：β為公共故障系數(shù)，βD為已檢測(cè)到的失效百分比，tCE為表決結(jié)構(gòu)中通道的等效平均停止工作時(shí)間（單位：h），tGE為表決結(jié)構(gòu)中表決組的等效平均停止工作時(shí)間（單位：h）。

（4）“2oo2”的計(jì)算公式如下：

PFDavg=2λDtCE（4）

（5）“2oo3”的計(jì)算公式如下：

PFDavg=6（（1－βD）λDD+（1－β）λDU）·2tCEtGE+βDλDD·MTTR+βλDU（T1/2+MTTR）（5）

PFDavg反應(yīng)了SIF可靠性，即SIF是否能實(shí)現(xiàn)緊急關(guān)斷。與之相對(duì)應(yīng)SIF可用性指標(biāo)是平均誤動(dòng)作停車時(shí)間間隔（?MTTFS），?MTTFS反應(yīng)了因SIF回路中任一元件的失效所導(dǎo)致的錯(cuò)誤聯(lián)鎖動(dòng)作。錯(cuò)誤聯(lián)鎖動(dòng)作將導(dǎo)致生產(chǎn)裝置的誤停車，致使生產(chǎn)中斷并造成經(jīng)濟(jì)損失，甚至人身傷亡。停車后的生產(chǎn)裝置的重新啟動(dòng)也可能會(huì)帶來(lái)新的安全隱患，所以在考慮SIF可靠性的同時(shí)也應(yīng)該考慮其可用性。

SIF回路的?MTTFS取決于誤動(dòng)作停車概率（STR），其計(jì)算公式如下：

MTTFS=1/STR?（6）

STR值取決于可檢測(cè)到的安全失效率、檢測(cè)周期、共因失效、測(cè)試覆蓋率、平均修復(fù)時(shí)間等因素。

由式（6）可見(jiàn)，STR與MTTFS成反比，即STR值越小，MTTFS值越大，表明該回路的可用性越高。

4?結(jié)論

對(duì)安全儀表系統(tǒng)進(jìn)行功能安全評(píng)估，可以表明安全儀表系統(tǒng)所預(yù)定的功能是否得到了有效的實(shí)施，還可以確保安全儀表功能是否滿足了生產(chǎn)過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)降低的要求，以及是否能夠或在多大程度上保護(hù)人身和設(shè)備安全。按照本文提出的安全儀表系統(tǒng)功能安全評(píng)估方法，對(duì)唐山某化工企業(yè)安全儀表系統(tǒng)進(jìn)行了相關(guān)評(píng)估，收到較好效果。

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