陶富云 趙寧 葉海春

摘?要：通過建立化工機械設備失效數據庫，合理選取失效數據進行安全儀表系統(tǒng)評估，使安全儀表系統(tǒng)得到合理配置；建立化工機械設備失效數據庫可以實現(xiàn)設備的預知性維修，降低設備突發(fā)故障的頻率，為安全生產保駕護航。

關鍵詞：化工機械設備；安全儀表系統(tǒng)（SIS）；安全完整性等級（SIL）；基本過程控制系統(tǒng)（BPCS）；安全儀表功能（SIF）

1?化工行業(yè)現(xiàn)狀及化工機械設備面臨的問題

化工行業(yè)是國民經濟的產業(yè)支柱，它的發(fā)展狀況與國民經濟息息相關，近年來，化工行業(yè)生產保持著總體增長，但工業(yè)增加值增速整體居于低水平狀態(tài)。化工行業(yè)經營效益持續(xù)變差，營業(yè)收入近三年來持續(xù)下降，化工行業(yè)安全事件頻發(fā)是造成此情況的主要原因之一。為避免安全事件的發(fā)生，獲取設備失效率信息是非常重要的一個環(huán)節(jié)。目前行業(yè)中相關人員主要是通過檢維修記錄、供貨商記錄和第三方數據庫獲取失效率信息［1］，但仍然無法解決根本問題，如許多企業(yè)雖有檢維修記錄，卻沒有按照有效的形式進行收集整理；供貨商記錄沒有考慮工藝條件或工藝環(huán)境；第三方數據庫只是按照設備類別進行了整理，但沒有考慮不同的應用環(huán)境等。選用此類數據可能會造成安全完整性等級（SIL）的定級結果不準確，導致安全儀表系統(tǒng)（SIS）配置不合理，存在兩個極端情況。

第一種情況，化工機械設備處于過度保護狀態(tài)，導致安全儀表功能（SIF）回路投入費用偏高，維保費用高，影響企業(yè)盈利。

第二種情況，化工機械設備因保護措施不足而處于危險狀態(tài)，隨時可能發(fā)生安全事件。

同時，此類數據無法提前預知設備故障情況，導致預知性維修策略實施難度增大。

因此，建立能區(qū)分不同工藝條件、不同供貨商及其產品型號的化工機械設備失效數據庫，對于化工機械設備開展預知性維修工作和SIL評估工作是尤為重要的。

2?化工機械設備數據收集方法現(xiàn)狀分析

化工機械設備數據收集方法主要有通過檢維修記錄、供貨商記錄和第三方數據庫獲取失效率信息，下面就化工機械設備數據收集方法進行分析：

2.1?檢維修記錄

化工企業(yè)的檢維修記錄是最好的數據源。它能代表應用環(huán)境、維護規(guī)程以及供貨商的關注點等一手信息。但是必須有大量的檢維修數據，才能進行統(tǒng)計分析。另外，許多化工企業(yè)都有設備維修記錄，里面體現(xiàn)了SIS系統(tǒng)相關失效率信息，但是可能沒有按照有用的形式進行收集。例如某些化工企業(yè)的設備維修記錄，統(tǒng)計信息不全、未對不同類型的設備進行分類等情況，設備維修完全取決于現(xiàn)場人員的管理經驗來決定設備是否維修或更換，喪失了失效數據對于執(zhí)行預知性維修策略的指導意義，同時還會影響SIL評估對于設備失效概率的取值，導致SIS系統(tǒng)配置不合理。因此，在化工企業(yè)實際檢維修工作情況的基礎上建立化工機械設備失效數據庫非常必要。

2.2?供貨商記錄

購買設備后，可以由供貨商提供設備失效數據。供貨商提供的數據來源主要來自實驗室得出的數據和用戶反饋的數據。在實驗室得出的失效數據通常會基于一定的假設條件來得出失效數據，如有大約25%的設備交付后被存放在倉庫里（未投用），其余設備在線使用的設備工作狀態(tài)為每天兩個班次，每周操作5天。實際上，化工企業(yè)的機械設備不是這樣的使用狀態(tài)，有的機械設備是不間斷連續(xù)使用的。供貨商收到反饋的設備失效數據與用戶自己留存的檢維修記錄存在很大差異，供貨商的提供的數據一般不符合實際情況。造成這種狀況的主要原因是很少有用戶在機械設備超過質保期后仍將故障信息提供給供貨商。如現(xiàn)場服役十年的變送器，用戶對實際檢維修中獲取的失效數據一般不會反饋給供貨商的。

另外，供貨商的失效數據，特別是現(xiàn)場的儀表設備，一般沒有考慮工藝條件或環(huán)境因素。儀表設備在惡劣、強腐蝕的環(huán)境中使用，遠比在潔凈的工藝條件下和工作環(huán)境中更容易出現(xiàn)故障或損壞。

因此，供貨商在以上這些情況下收集的設備失效數據通常不具備統(tǒng)計意義。

2.3?第三方數據庫

目前行業(yè)中已經有了一些可用的商業(yè)數據庫，如PDS數據手冊即SINTEF?SIS的可靠性數據［2］，由多家國際石油公司、控制及安全設備供應商、專業(yè)咨詢單位及一些政府機構，參與該數據項目的收集工作；此外還有著名的OREDA（Offshore?Reliability?Data）海上平臺可靠性數據手冊［3］、美國化工協(xié)會過程設備可靠性數據庫PERD（Process?Equipment?Reliability?Data）［4］以及EXIDA安全設備可靠性手冊［5］等。這些數據基于不同專業(yè)公司的實際現(xiàn)場經驗，按照設備類別整理，但這些數據沒有考慮不同的應用環(huán)境且信息不全面，無法對某些設備的SIL評估和預知性維修工作提供數據支持。

3?優(yōu)化化工機械設備失效數據的統(tǒng)計方法

為了保證SIL定級過程中引用的數據更為準確，并提高預知性維修技術的水平，需要在化工行業(yè)中建立一套化工機械設備失效數據庫。故障數據庫應具備以下幾個方面的要求。

3.1?數據實時更新

在設備正常生產過程中，當現(xiàn)場人員發(fā)現(xiàn)問題對其進行檢修后，需要將檢修信息錄入化工機械設備失效數據庫中，錄入內容主要包括設備名稱、設備介質、設備所屬工藝系統(tǒng)、設備投用日期、設備故障日期等內容，如表1所示。如查詢液位調節(jié)閥的故障，可以通過相關要素內容查詢，可以了解到在哪個工藝系統(tǒng)、哪種設備、哪種介質的工況下，調節(jié)閥容易出現(xiàn)故障。還可以通過設備投用日期、設備故障日期了解到設備在此工況下的故障周期。

3.2?數據進行分類管理

由于受介質、工況等因素影響，設備故障的失效概率是有差異的。因此，將維修設備的介質、工況等因素填入系統(tǒng)中，進行分類統(tǒng)計。例如將介質分為原油、汽油、柴油、天然氣、液化石油氣、正己烷、海水等，將化工機械設備的材質進行分類。這樣我們就能得出準確的設備故障的失效概率，如輸送海水的碳鋼材質管道腐蝕概率較高，輸送柴油的碳鋼材質管道腐蝕概率較低。

3.3?數據取值范圍廣

通過大量化工企業(yè)進行網絡數據共享，便于統(tǒng)計，在大數據統(tǒng)計的情況下，化工企業(yè)通過數據查詢就可以了解到設備的故障情況，取同類設備、同類介質的故障數據的平均值作為SIL定級中使用的數據及制定設備預知性維修策略的依據，如表2所示。

4?化工機械設備失效數據庫的作用

4.1?提高SIL評估的工作質量

在SIL評估中，可通過化工機械設備失效數據庫直接調用相關設備的失效數據，用LOPA方法進行SIL定級，使SIL定級結果更為準確，從而實現(xiàn)對SIS系統(tǒng)的合理配置。

例如：凝液罐（圖1）。來自上游工藝設施的凝液進入凝液罐（V3109），凝液供料管道、凝液罐（V3109）及伴生氣出口管路均為帶壓狀態(tài)。凝液罐受液位控制回路（LIC3109）控制，LIC3109檢測凝液罐（V3109）液位，通過液位調節(jié)液位閥（LV3109）控制液位。經凝液罐（V3109）脫氣處理后的凝液輸往下游工藝單元進行處理。LIC3109控制回路具備提醒中控操作人員的高液位報警（LAH3109）和低液位報警（LAL3109）的功能。目前需要確定凝液罐（V3109）液位低聯(lián)鎖的SIL等級。

圖1?凝液罐

進行SIL定級的步驟如下：

（1）場景識別與篩選。場景由初始事件和后果構成。選定的初始事件為LIC3109液位控制回路故障，導致LV3109關閉，造成凝液泵抽空損壞，凝液介質泄漏，遇點火源發(fā)生爆炸。該公司的風險容許度頻率為1×105/y。

（2）初始事件頻率的確認。本次選定初始事件為LIC3109液位控制回路故障，其失效頻率為1×101/y。

（3）使能條件確認。由于凝液罐（V3109）處于普通工藝區(qū)，因此，點火概率選取為50%。現(xiàn)場人員2小時巡檢1次，每次在此區(qū)域停留12分鐘，所以人員暴露概率選取為10%。

（4）獨立保護層評估。雖然LIC3109控制回路具備提醒中控操作人員的低液位報警（LAL3109）的功能，但是它沒有獨立于初始事件，因此不能作為獨立保護層。

（5）場景頻率計算。場景頻率按式（1）計算：

fCa=fIa×fEa×∏Xx=1PFDax×∏Jj=1PFDaj（1）

式中：fca為初始事件a的后果C的發(fā)生頻率，/y；fIa為初始事件a的發(fā)生頻率，/y；fEa為使能條件發(fā)生概率，/y；PDFax為初始事件a中第x個使能條件數據，%；PDFaj為初始事件a中第j個阻止后果C發(fā)生的獨立保護層的失效概率，/y。

通過場景頻率計算，問題發(fā)生頻率為5×103/y。

（6）風險評估與決策。LIC3109液位控制回路故障，導致LV3109關閉，造成凝液泵抽空損壞，凝液介質泄漏，遇點火源發(fā)生爆炸，后果等級為5級，風險容許度頻率為1×105/y，后果發(fā)生頻率為5×103/y。為保證后果發(fā)生頻率小于1×105/y，需要對凝液罐（V3109）配置液位低低聯(lián)鎖，相關SIL等級按照IEC?61511的要求確定，如表3所示：

表3?要求操作模式

根據式（2）進行計算，定級結果為SIL2。

要求時失效概率（PFD）=風險容許度頻率場景頻率（2）

由于行業(yè)通用數據對初始事件失效頻率的推薦值的取值范圍較大，如果選取時出現(xiàn)偏差，增大10倍或減小10倍都會對定級結果產生影響，因此，建立企業(yè)自己的化工機械設備失效數據庫對提高SIL評估質量是非常重要的。

4.2?優(yōu)化預知性維修策略

在化工機械設備正常運行過程中，通過化工機械設備失效數據庫的相關數據開展分析，明確該提前更換或維護的部件，從而避免因設備失效造成工藝流程的偏離，杜絕因設備失效而造成的安全生產問題。例如，維修人員根據化工機械設備失效數據庫的數據知道到某個壓力變送器要達到出現(xiàn)故障周期的年限了，維修人員可在壓力變送器出現(xiàn)故障前對此壓力變送器進行維護檢修或更換，避免因壓力變送器故障而出現(xiàn)工藝偏差，從而保障了工藝系統(tǒng)的安全運行。

5?化工機械設備失效數據發(fā)展趨勢展望

建立化工機械設備失效數據庫是未來的發(fā)展趨勢，目前很多企業(yè)已經根據設備失效、聯(lián)鎖誤動作等情況開始逐步建立相關設備失效數據庫。通過化工設備失效數據庫的建立可以使設備在SIL評估中選用準確的數據，避免SIS系統(tǒng)過度保護節(jié)省大量費用，還可以避免因SIS系統(tǒng)保護不足，而出現(xiàn)安全問題。同時，還可以將化工機械設備失效數據庫的相關數據用于設備的預知性維修策略中，降低安全生產事件的發(fā)生概率，提高設備的經濟性和可靠性。

參考文獻：

［1］［美］保羅格潤，［美］哈瑞L.謝迪.安全儀表系統(tǒng)工程設計與應用［M］.第二版.張建國，李玉明，譯.北京：中國石化出版社，2018.

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［3］朱江.DCS系統(tǒng)常見故障排除經驗［J］.自動化應用，2010（08）：6769.

［4］程永紅，秦東亮，李勇.DCS系統(tǒng)故障分析處理及維護防范措施［J］.中國儀器儀表，2011（02）：5861.

［5］劉一福，呂鋒，劉曉軍.DCS網絡和控制器故障的分析及防范［J］.電力安全技術，2006（05）：811.

項目基金：中海油安全技術服務有限公司科研項目：HAZOP分析、SIL定級與驗證工具研發(fā)

作者簡介：陶富云（1983—?），男，漢族，山東無棣人，本科，中級職稱（工程師），研究方向：石油化工行業(yè)HAZOP/SIL評估以及安全咨詢技術研究。