解析使用阀门部分行程测试(PST)的原因

作者:Paul 文章来源:《流程工业》 发布时间:2010-07-05

流程工业中,对于工艺流程的管理往往是通过控制系统将温度、压力、液位、流量以及其他可变参数维持在正常范围内来进行管理的。在大多数主动的动态系统中,故障通常能够自己暴露出来。如恒定循环模拟控制阀出现阀卡故障,问题很快就会被发现,但是常开隔离阀由于无法打开,故障在阀门动作前无法确定,因此,工艺流程需要安全系统的监控。

十年来,用于安全仪表系统(SIS)的阀门部分行程测试一直是一个热门话题。最近颁布的安全标准又进一步引发了关于该话题的讨论。然而,似乎很少有人明白进行这类测试的真正原因。关于阀门部分行程测试讨论,主要有两方面原因:一是希望尽可能地延长手动测试间隔;二是降低较高安全完整性等级(SIL)所要求的冗余硬件的数量。和生活中的大多数事情一样,它也同样归结到一件事上,那就是节约成本。

安全系统标准是基于性能来制定,而并非人为规定的。从本质上来说,流程风险级别越大,越需要更好的安全系统来对其进行控制。表1列出了标准规定的四个完整性等级的性能要求。

没有更多的办法使多数现场装置的故障率降低。首先,卖家力争以尽可能最少的元件数量提供高品质的感应器和阀门。这样,问题显然源于应用环境的恶劣。装置由于高温、腐蚀、侵蚀、振动等因素而发生故障。由于用于安全仪表系统(SIS)的装置通常处于静止状态,因此并非所有故障都可以自我显示,所以必须定期对所有装置进行检测。(除了极个别的情况)工业标准并未规定测试频率,测试间隔是在硬件故障率和模式、冗余级别、要求的性能水平(例如SIL目标)和装置质量的基础上确定的。

阀门的手动测试(例如关闭阀门)典型地要求关闭流程。这是多数工厂自然不愿意去做的事情。这么做不仅要向技术人员支付酬劳,同时还可能导致危险,此外生产停机时间成本往往十分惊人。如果安装了支路,阀门则可以在线完成冲程测试,但这会导致更高的管道成本,初始成本以及必须进行监控的附加程序。

诊断至关重要

以较少硬件达到较高安全完整性等级(SIL)的关键在于进行更高级别的诊断。很多传感器制造商(例如ABB公司、艾默生(Emerson)公司和横河(Yokogawa)公司)都具有SIL-2级别安全传感器。这些装置较那些标准传感器而言能提供更高级别的诊断。提供的诊断可以检测到可能阻止传感器运行的潜在危险故障。

在安全应用程序中,阀门需要哪种诊断?多数安全阀门长期位于单独位置。帕累托法则(Pareto Principle)(80/20法则)以及通用经历都显示这类阀门的常见故障模式大多数都是“卡住无法运行”。您无需将阀门完全关闭来确定阀门是否被卡住;部分行程测试就足以检测大多数故障(图1和图2)。通过这类测试,单阀就能符合SIL-2性能级别。

让我们假设一下这样的个人情境:如果夏天您每周用除草机来修建草坪,您是多么确信它每周都能运转呢?现在,如果您将除草机丢在车库内而在整个冬天都没有使用过,那么您怎么能确保除草机在开春的时候可以正常工作呢?

一种方式为手动方式并且常常被称为“人为干扰”,这需要一名操作人员亲自出现在阀门面前,有些手动方式要求插入特殊钥匙,而一些最终用户设计了他们自己的“家庭”解决方案。

其他方式均为自动模式,因此操作人员无需站在阀门旁边。这些解决方案典型地要求卖家提供的特定硬件(阀门,执行器或定位器)和软件(用来记录和分析阀门的性能)。其他自动化解决方案则由控制器与阀门共同工作。

安全仪表系统(SIS)硬件本身至少结合一个解决方案,并且在仅添加限制开关或感应反探测装置的情况下便能够与多数现有阀门一起工作。这意味着无需额外的控制器硬件或软件。

截止阀的SIL检测标准

从理论角度来讲,SIL与错误指令概率(PFD)存在线形关系。以紧急截止阀为研究对象。

从常规方法讲,紧急截止阀每次检修都采用全行程测试方法对其性能进行检测。30年前,每2~3年进行一次检测。随着机械性能和检测手段的提高,目前5~6年进行一次检测。检修周期减少,从而提高工厂生产能力,因此经济效益大大提高。从以下的分析中,我们将可以看到,采用部分行程测试方式,较之全行程更能减小截止阀的PFD数值。

PFD可通过下列公式进行计算:

PFD=lD×TI/2

PFD与比例系数lD和测试周期成线形关系。随测试周期加长,PFD(错误指令概率)风险将进一步加大。比例系数lD的变化是随类型,尺寸以及操作环境发生变化,通常取常值3.04×10-6/h。

如公式,随着检测周期的加长,设备自身的工作性能将有所下降。许多工厂认为必须对截止阀进行现场测试。进行现场测试,通常采取全行程的方法。但是全行程的方法对于阀门密封会产生很大的损坏。特别是软密封阀座,频繁的全行程测试虽然看似增加了阀门安全系数,但是对于阀门密封的影响,将为阀出现故障产生更大隐患。

除了采用全行程测试方法外,另外的方法就是采用旁路法进行截止阀的测试。但是,这种方法带来的损失也应计入PFD中。该方法对PFD的影响将更明显。

与之相对比,采用部分行程的方法,即将阀门转动15%的小范围(该范围可以判断阀门故障比例),其目的以减小全行程的频率。

从公式中可以看出采用部分冲程方法,可以进一步减小PFD:

PFD=0.7lD×TIPS/2+0.3lD×TIFS/2

TIPS:局部行程周期间隔

TIFS:全行程周期间隔

在流程工业现场设备中,我们常常可以看到很多设备具有PST(部分行程测试)功能(有些现场称该功能为游动功能)。该功能主要是针对现场设备长时间处于某种状态下,在线维护过程中,在不影响工艺生产条件下进行的实验检测功能。该功能最大程度地检测设备的正常,同时最大可能的减小因为检修对工艺带来的影响。其安全理念满足SIL3的标准。

部分行程测试的技巧

避免不当应用。在高腐蚀运行中,部分行程测试可能导致磨损加重,截流能力下降以及阀门使用寿命缩短。肮脏环境下线性阀门的部分行程测试会降低阀杆20%的清洁度,因此阀杆活塞会被固体堵住。当阀门接到指令需要关闭时,可能只进行20%冲程就停止。

测试感应间隔。无需每天执行部分行程测试,但如果没有经常执行部分行程测试(至少每季度一次),那么将无法达到SIL-2性能级别。

了解模型背后的意义。部分行程测试的益处建立在数据模型的基础上。当模型比较简单时(无非是中学水平的代数方程),它们依靠难以核实的非常主观的数据(例如故障率,故障模式,自动诊断水平以及在使用频率的基础上改变故障率)。然而,数字会显示各种因素具有多大影响,而哪些影响是可以忽略而哪些又是不能忽略的。

密切关注降低执行器的压力。当您正在降低执行器压力直到阀门移动时,请注意当执行器压力降低到相当程度,阀门可能停住并最终关闭。如果阀门在一段时间后仍然无法移动,请中止测试。

请勿陷入测试结果。某些解决方案会提供大量诊断信息,来详述阀门的确切问题。当阀门在规定时间内无法移到指定距离时,其他解决方案只是简单地报告“测试失败”而不作详细说明。在这两种情况下,最终结果都是一样的——维修部门必须对阀门进行检查。

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