FPSO安全仪表系统(SIS)中阀门部分行程测试(PTS)的研究

FPSO安全仪表系统（SIS）中阀门部分行程测试（PTS）的研究
【摘要】本文论述了FPSO安全仪表系统（SIS）中阀门部分行程测试（PTS）的必要性和重要性。

介绍了阀门部分行程测试（PTS）的相关标准及计算方法。

对PST测试的不同解决方案的原理及特点进行了比较说明。

并对自动化集成式PST测试方法进行了简单说明。

【关键词】部分行程测试安全仪表系统安全完整性等级
1 仪表安全系统
安全仪表系统（SIS-Safety Instruments System）系统是安全和自动化系统（SAS-Safety and Automation System）系统的一个重要组成部分，安全仪表系统（SIS）根据美国仪表协会（ISA）对安全系统控制系统的定义而得名，也称紧急停车系统（ESD）、安全连锁系统（SIS）或仪表保护系统（IPS）。

安全仪表系统是指能实现一个或多个安全功能的系统，用于监视生产装置或独立单元的操作，如果生产过程超出安全操作范围，可以使其进入安全状态，确保装置或独立单元具有一定的安全度。

安全系统不同于批量控制、顺序控制及过程控制的工艺联锁，当过程变量（温度、压力、流量、液位等）超限，机械设备故障，系统本身故障或能源中断时，安全仪表系统自动（必要时可手动）地完成预先设定的动作，使操作人员、工艺装置处于安全状态。

SIS可以由传感器逻辑解算器和最终执行元件的任何组合组成。

SIS包含仪表安全控制功能，也可包含仪表安全保护功能，或两者兼具。

SIS可以包括或不包括软件，人的动作也可能是SIS的一部分。

SIS 系统要求系统必需要有高的可靠性并可以通过测试加以确认。

2 部分行程测试
IEC61511标准中要求对SIS整个系统，其中当然包括最终执行元件ESD阀，进行定期的检验测试，以便发现未检测到的故障，这些故障会妨碍SIS按安全要求规范动作。

ESD阀在需要执行安全保护动作时有可能产生“拒动”现象。

这种情况发生，将导致SIS系统失效，给安全生产带来危害，其后果甚至可能是灾难性的。

有分析表明阀门的故障在SIS的故障总量中可以占到50%以上。

阀门测试的重要性不言而喻。

部分行程测试（PST）由于相对于全行程测试而言可以不在关停生产的情况下对阀门进行测试，降低了高安全完整性等级（SIL）要求下的的硬件冗余的数量并极大的延长手动测试间隔，大幅度的节约了成本，所以越来越多的成为议论的话题。

通过部分行程测试（PST），用户对阀门的测试可以按故障模式（需要完全关闭）时的百分比关闭阀，而不需要物理地将阀门完全关闭。

部分行程测试（PST）主要用于防止安全切断阀门的安全关闭功能被固体附着物或腐蚀阻挡，导致阀门不能正常工作而产生意外。

除此之外，成功的执行部分行程测试还可以用于证实
或发现一些尚未被发现的故障，如：回位弹簧是否断裂等。

此外，对阀门位置的检测还可以测试出在规定的时间内阀门是否可离开了端点，如果在规定的时间没有离开，应立即取消测试，并发出报警。

因为这时阀门很可能突然从终点处弹出，造成生产不稳定或终断的严重后果。

现在PST已经是一种被石油工业广泛接受并被IEC（国际电工委员会）和ISA（美国仪器仪表学会）接受并认可的技术。

与之相关的标准主要有：
PTS相关的标准：
IEC61508-Functional safety of electrical/electronic/programmable electronic safety-related systems（电气/电子/可编程电子安全相关系统的功能安全）IEC61511-Functional safety-Safety instrumented systems for the process industry sector（功能安全-加工工业部门的安全仪表系统）
ANSI/ISA-84.00.01-Functional Safety：Safety instrumented systems for the process industry sector（功能安全：加工工业部门的安全仪表系统）
按照IECp
由此可见PST是为IEC对SIS系统的强制要求。

3 部分行程测试（PST）计算
包含在SIS系统中的阀门进行PST试验的时间间隔及诊断覆盖范围主要取决于阀门所要求的SIL等级和与之对应的PFDavg。

在IEC61508中采用了安全生命周期的方法对基进行评估。

在这个生命安全周期系统的设计阶段会采用诸如Markov analysis（马氏分析），FMEA-Failure Mode and Effects Analysis（失效模式与影响分析），Fault tree analysis（故障树形图分析）及Hazop-hazard and operability study（危险与可操作性研究）等分析方法来决定所需的安全性能等级。

通过这些方法可以决定危险行为的频率及后果并对风险等级进行量化。

一个比较通用的方法是量化为SIL（安全完整性等级）。

SIL等级共分为4级，第4级为最高要求危险的等级。

一旦SIL等级确认就可以按照SIL等级与PFDavg的对应关系得到阀门的平均危险故障率，从而计算出PST所需的周期及诊断覆盖范围要求。

SIL与PFDavg的对应关系为（如表1）：
在不考滤冗余的情况下计算PFDavg的一种方法是应用公式：
其中：=诊断覆盖率（即检验测试的有效率）
=危险失效概率
=全关断测试时间间隔
=部分行程试验时间间隔。

从上式可以看出：在安全完整性等级保持不变情况下，如果缩短PST的测试的时间间隔，FST的测试时间间隔可以得以延长（减少停产检测的次数）。

这在很在很大程度上节约了成本。

因此时通过增加PST的测试频率，减少测试间隔时间对保证ESD阀的SIL等级保持原有水平是非常重要的p基于机械限位式的部分行程测试是在阀门与阀门执行器之间插入一个机械装置从而从物理上防止在测试进行时阀门的位置会超过测试的设置点，而导致工场的关停和系统的不稳定。

它的特点是：
（1）在部分行程测试过程中安全回路不起作用；
（2）测试需要手动进行，导致测试的成本较高；
（3）不能远程，自动操作；
（4）与电子系统相比结构简单，不需过于复杂的人员陪训。

4.2 基于仪表板的解决方案
基于仪表板的部分行程测试是通过在阀门附近增加用于部分行程测试的仪表板，通过仪表板上附加的开关，阀门，管路对应急关断阀的控制回路时行控制，并对阀门的开度进行限制，对阀门进行测试。

它的特点是：
（1）系统复杂，元件多使得潜在故障可能性增加；
（2）在进行部分行程测试过程中安全回路一般不可用；
（3）不能从部分行程测试过程中得到真实数据；
（4）测试需要手动进行操作，费用较高。

4.3 基于阀位置反馈的解决方安
基于阀位置反馈的部分行程测试是将控制阀的阀位反馈装置应用到应急切断阀，手动启动部分行程测试，经过预设时间后切断测试信号，阀门回复原位，阀门运动行程可由阀位反馈得到。

它的特点是：
（1）较高的故障率；
（2）操作不能自动进行；
（3）测试结果需人工记录及解释说明。

4.4 基于自动化控制系统的解决方案
基于自动化控制系统的部分行程测试是一种在线自动的测试系统，可以手动或自动进行，阀的控制和反馈集成于现有的自动控制系统中。

（1）运用自动化控制系统启动并监控部分行程测试；
（2）采用电磁阀和限位开关的配置；
（3）阀门不需增加额外的元件，应用原来的电磁阀和限位开关对测试进行控制。

4.5 通过安全阀门控制器进行部分行程测试
它的特点是：
（1）阀门安装专门的智能阀门控制器执行部分行程测试；
（2）采用电磁阀和限位开关的配置；
（3）运用自动化控制系统启动并监控部分行程测试。

5 结语
以上任何一种系统都可以满足部分行程测试的需要，在选择时应根据工艺要求，系统规模和需要测试的阀门数量综合考虑。

如果工艺简单，系统规模小，需要的测试的阀门不多时，可以选择前几种离线的机械式测试方法。

反之，应选择后两种智能在线式的测试方法。

从性能和成本综合考虑，基于自动化系统的部分行程解决方案是一种不错的选择，他在不增加阀门本身硬件的前提下实现了对阀门的测试，在很多海洋工程中得到了广泛的应用。

但需要注意的是虽然测试功能集成于自动控制系统，但PST/SIS的功能在SAS中却相对独立，所谓的集成只是PST/SIS系统可以把最终的测试结果在测试结束后发送给SAS的操作人员或在产生故障对SAS操作人员产生报警。

SIS系统不应与其它系统共用可编程控制器（PLC）CPU，和IO模块，并且根据回路SIL等级的要求，处理PST/SIS的（PLC）CPU，和IO模块也应具备于之对应的SIL处理能力。

由于PST要求有较高的响应速度，所以控制系统的程序负荷及输入输出时间都需要严格控制。

随着海洋工程船舶自动化程度的提高，这种方案一定会得到更加广泛的应用。

参考文献：
[1]M.A.Lundteigen&M.Rausand The effect of partial stroke testing on the reliability of safety valves.
[2]Houston Section Website SIL&Partial Stroke Testing Solutions.
[3]IEC 61508_Functional safety of electrical electronic programmable electronic safety-related systems.
[4]IEC 61511_Functional safety.Safety instrumented systems for the process industry sector.。