天然气压缩机设备关断阀部分行程测试研究

李治贵，高帅，宋振垒，孟繁城

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)



天然气压缩机设备关断阀部分行程测试研究

李治贵，高帅，宋振垒，孟繁城

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

为保护海洋平台上天然气压缩机设备，在橇块天然气入口处设置紧急切断阀ESV(emergency shutdown valve)，当接收到紧急关断系统ESD(emergency shutdown device)关断信号时，ESV执行机构带动阀体动作，关闭阀门，切断上游气源，以达到保护橇内设施、维护安全生产的作用。现阶段，石油天然气需求呈上升趋势，油气产能压力很大，为提高海洋油气生产能力，增加经济效益，实现利润最大化，天然气压缩机设备连续运转的周期加长，这导致ESV长期处于“休眠”状态。由于天然气处理系统往往具有耐高温、腐蚀、振动、黏性等特点，且阀体处于海洋环境下，使得ESV有可能产生“黏住”的故障，不能及时响应来自ESD系统的信号，在需要执行安全保护动作时产生“拒动”现象。这种情况下，将导致ESD系统失效，使孤立处于海洋腹地的石油平台面临重大安全威胁，这将是无法承受的灾难事故。

为解决ESV拒动问题，根据IEC 61508，IEC 61511，ISA 84.01等标准，要求对整个安全仪表系统(SIS)，其中包括最终执行元件ESV，进行定期地检验测试，以便发现未表现的故障，提升安全回路中所有元件设备的安全性和可靠性。

ESV的测试分为离线测试和在线测试。离线测试可检测出大部分阀门故障原因，但是海洋平台必须全面停产，因而人们又开发出手动和自动在线测试。手动在线监测需安装支路，监测时介质从支路通过，阀门则可以在线完成全行程测试，但这会增加管道、阀门成本，而且存在人为因素影响和安全联锁回路暂时失效的风险。鉴于此，自动在线测试在实际生产中占据越来越重要的地位。部分行程测试(PST)是自动在线测试的一种，阀门在平台进行正常生产时发生局部行程动作(例如从100%全开状态关到85%，然后回到100%全开)，以便检查阀杆移动情况，对阀门进行功能测试。

笔者将从安全完整性分析计算的角度切入，结合部分行程测试的概念、原理，并根据海洋平台压缩机设备的应用实例，介绍部分行程测试的具体内容。

1部分行程测试对平均失效率PFDavg的影响

根据安全完整性理论，安全完整性等级(SIL)与平均失效概率PFDavg存在线性关系。PFDavg可通过下列公式进行计算：

PFDavg=λD×TI/2

(1)

式中：λD——危险失效概率；TI——测试间隔。

式(1)计算的是假定没有冗余和自诊断要求时的PFDavg。随着检测周期的加长，设备自身的工作性能将有所下降，因而需要对ESV进行功能测试。测试方法有全行程测试和部分行程测试。与全行程测试相比，采用局部行程的方法，即将阀门转动15%的小范围(该范围可以判断阀门故障比例)，可减小全行程的频率。但需要说明的是，部分行程测试不能检测出SIS终端ESV的全部故障，因而PST无法代替全行程测试FST(full stoke testing)，PST和FST可以检测的故障类型也不同。

假设PST测试可以检测出70%的故障，用FST可能检测出其余30%的故障，则：

PFDavg=(0.7λD·TIPS+0.31λD·TIFS)/2

(2)

式中：TIPS——局部行程周期间隔；TIFS——全行程周期间隔。

从式(2)可以看出： 在安全完整性等级不改变的情况下，如果缩短PST的测试间隔时间，则可以延长FST的测试时间间隔。这一结论在实际应用中好处很多，海洋平台的生产可以延长大修周期，ESV的FST周期也随之延长，这时可通过增加PST的测试频率，缩短测试间隔来保证ESV的SIL等级保持原有水平不降低。为此笔者举例说明。

全行程测试间隔为1a(8760h)，不做部分行程测试，此时：

PFDavg=λD·TIFS/2=4380λD

(3)

若将检验测试方案改为每年6次部分行程测试，每3年1次全行程测试，则： 部分行程测试覆盖率为70%，测试间隔为2个月(1460h)，测试频率为6次/a；全行程测试间隔为3a(26280h)，测试频率为1次/a。根据式(2)可得： PFDavg=4453λD。

计算结果表明： 两种测试结果其PFDavg值几乎保持一致。可见，在保持ESVPFDavg值不变，即SIL等级不变的情况下，通过执行部分行程测试，使得FST全行程测试时间间隔得以延长，从而适应了平台采油工艺运行周期加长的事实，为保证ESV可靠动作提供了依据，并降低了生产成本，增加了效益[1-3]。

2部分行程测试的实施方案

海洋平台油气生产中，为保证ESV的安全性，HAZOP分析提出ESV需要有部分行程测试功能，目前根据对市场各大阀门厂家的调研，部分行程测试一般有三种实现方式。

2.1采用机械挡板实现PST功能

图1　机械挡板PST测试原理示意

采用机械挡板方式进行部分行程测试的原理如图1所示。采用此方式，需现场操作人员将钥匙插入测试孔，将挡板拨动到相应位置，然后从中心控制室发出关阀信号，当阀门关闭到相应的位置时，挡板阻止阀门的进一步动作，由此完成部分行程测试。完成测试后，需拔出钥匙，将阀门位置复原。

2.2气控回路实现方式

气控回路方式部分行程测试如图2所示[4]，由于该系统为简单独特的机械系统，控制部件全部是故障安全型的，整个系统可达到SIL3等级。在进行PST测试的时候，不会影响ESD系统紧急切断指令的执行。

图2　TYCO KTM关断阀气控回路PST方式原理示意

图2中，当ESV收到ESD系统的关断信号时，电磁阀1失电，气源经由过滤减压阀、气控阀1至执行机构气缸的气路被阻断，气缸内的仪表气由电磁阀放掉，气缸失气，弹簧推动活塞动作，带动阀杆使阀门关闭，完成阀门的切断功能。

当执行部分行程测试功能时，操作人员按下ESV现场控制盘上的测试按钮，向电磁阀2输出得电信号，电磁阀2开启，气源通过电磁阀2向气控阀1输出气信号，气控阀1关闭，切断经由气控阀1通向气缸的气源，同时气缸中的部分气体由气控阀2排出，弹簧推动活塞向左移动，联动阀杆开始关阀动作；当移动到限位开关的位置时，限位开关向现场控制盘输入信号，使电磁阀2再次失电，气控阀2关闭，停止气缸排气，同时气控阀1打开，经由过滤减压阀、气控阀1至执行机构气缸的气路被联通，ESV重新开启，完成部分行程测试过程。

以气控回路方式实现部分行程测试功能，现场控制盘只需一路总电源，由操作人员在现场将现场控制盒上的按钮拨到PST档位，按下部分行程测试按钮即可进行测试，不需与中心控制室进行其他信号交换，现场即可接收到位置反馈的信号，简单方便，可靠性高，缺点是部分行程测试的测试点一经确定不能更改。

2.3采用阀门定位器实现PST功能

以上两种方式只是对阀杆进行一定位置的移动测试，仅是电磁阀动作和阀位开关回馈信号，可以监测到阀门动作，并没有更多的信息供系统分析。随着数字式阀门定位器的推出和阀门诊断技术的发展，用于SIS/ESD系统中的终端控制元件，不论是开关动作的ESV，还是调节流体量的控制阀，数字解决方案是业内共识，PST功能由集成到数字化的终端控制元件进行，监测诊断信息通信到ESD系统。

众多控制阀制造厂家先后推出了具有PST功能的数字式ESD阀门定位器，包含了ESD功能和PST功能，采用模块化的设计、RISC结构，内部集成多种传感器，其中包含多个压力传感器。通过PST功能测试，可以检测阀门摩擦力并计算具体数值，如膜头压力、压力差、弹簧范围和响应时间。通过软件，可以看到阀门PST测试的阀位-压力变化趋势图。上述数据通过HART通信传到SIS中进行进一步的分析和诊断。工作原理如图3所示。

图3　阀门定位器PST方式原理示意

采用阀门定位器实现部分行程测试，可从DCS上启动PST测试，其结果可视化。可从中心控制室设置PST测试的范围和速度，执行PST测试时，可对ESV开度和驱动的压力进行在线监测，在检测到异常时，可中止测试，并发出紧急信号，并保存PST测试结果。利用智能定位器上位软件可以自动进行诊断测试而无需人工干预。在软件中可以设置进行PST测试的周期，软件会自动定时进行测试，并保存结果；如果测试失败，软件会自动停止测试并向系统发出阀门粘住的警告。

3部分行程测试优缺点分析

上述几种部分行程测试的方式各有优缺点。从安全性角度分析，机械挡板式安全性较低，没有相应的SIL认证，多用于小尺寸阀门上；气控回路式和阀门定位器式均可取得较高的SIL等级认证，更加安全可靠。从操作便利性角度分析，机械挡板式需要中心控制室和现场均配置操作人员，且由于过程中人员参与较多，如果做完测试后忘记将挡板拨回，则会出现应该紧急关断的时候不能关断的现象；采用气控回路式和阀门定位器式，均操作简便易行。投资成本方面，机械挡板式价格低廉，气控回路式次之，阀门定位器成本最高，且需要中控系统也增加相应的模块配置，施工工作量大，调试工作复杂。

综上所述，考虑安全性、便利性、可靠性及经济性，某天然气压缩机项目天然气入口关断阀采用气控回路式局部行程测试方式。

4结束语

在海洋平台天然气压缩机设备上，ESV作为保障安全生产的一道重要屏障，紧急联锁时能够响应动作至关重要。ESV部分行程测试功能能够延长全行程测试的间隔时间而不降低整个阀门的SIL等级，有效地降低了测试风险和测试失效的可能性。在实际设计中，应该根据对工艺流程的安全分析及项目投资状况，确定阀门的部分行程测试方式，并在确定SIL等级的基础上，合理确定局部行程的测试周期，保证阀门的安全完整性等级。

参考文献：

[1]International Electrotechnical Commission.IEC 61511-1： 2003 Functional Safety — Safety Instrumented Systems for the Process Industry Sector [S]. IEC， 2003.

[2]International Electrotechnical Commission. IEC 61508-6： 2000 Functional Safety of Electrical/Electronic/Programmable Electronic Safety-related System [S]. IEC, 2000.

[3]郭海涛，阳宪惠.安全系统的安全完整性水平及其选择[J].化工自动化及仪表，2006，33(02)： 71-75.

[4]方来华，吴宗之，刘骥，等.基于可靠性框图法的安全功能失效概率定量分析[J].化工自动化及仪表，2008，35(02)： 32-35.

[5]黄步余，王建民，王玉华.SH/T 3018—2003石油化工安全仪表系统设计规范[S].北京： 中国石化出版社，2004.

[6]王朔.FPSO安全仪表系统(SIS)中阀门部分行程测试(PTS)的研究[J].高端装备制造，2013(08)： 46-47.

[7]王秋红.安全仪表系统切断阀在线行程测试[J].石油化工自动化，2009，45(03)： 75-76.

定华23周年感谢有你

23年星移斗转，23年沧海桑田。光阴荏苒，2015年8月，定华将迎来她的23周岁。23年，从小到大，由弱到强，她的成长令人欣慰，她的发展得到了用户、设计院、以及社会各界朋友大力支持，每一位感知定华、了解定华以及与定华有过接触的人，都是她真实的见证者。您的心中，一定有一个鲜明的定华形象，也许是一幅画，也许是一首歌，也许是……

23岁，正值英姿勃发的弱冠年华；23岁，正是乘风破浪的大好时机。为迎接、庆祝定华23周岁生日，定华集团市场部特推出“定华23年，感谢有你”征文活动，诚邀所有关注、关心定华成长的各界朋友及定华人倾情参与。

征文对象： 广大客户、合作伙伴，以及我们的同事——定华人及其家属。

外部作者： 您和定华之间难忘的故事和情缘；您对定华的印象，您我携手合作、友谊的记忆；您对定华产品、技术、服务等的评价；您认识或感知的定华人以及团队；您对于定华成长的点滴感触；您对定华的期许和建议……

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其他：稿件一经采纳，奖品从优。(西安定华电子有限公司)

《石油化工自动化》荣获第八届全国石油和化工行业

优秀报刊评选“二等奖”

第八届全国石油和化工行业优秀报刊评选表彰大会暨中国化工情报信息协会五届二次理事会议于2015年7月26日在江西景德镇隆重举行。由中国化工情报信息协会、中国石化联合会信息与市场部共同举办的此次会议，在总结本届评选、表彰获奖单位、交流先进经验的同时，深入研讨了报刊改革与发展问题。本届报刊评选的参评单位代表、中国化工情报信息协会理事、理事单位代表130多人出席了本次大会。

在与会代表的热切关注下，大会公布了中国石化联合会《关于表彰第八届全国石油和化工行业优秀报刊的决定》，其中，《石油化工自动化》获得了石油和化工行业优秀报刊“二等奖”。(《石油化工自动化》编辑部)

摘要：从油气生产实际需求及安全仪表系统理论角度出发，介绍了关断阀部分行程测试的概念、原理。为保证海洋平台上天然气压缩机设备的安全等级，采用部分行程测试的方式来实现对关断阀功能安全的提升。同时，针对市场上多种部分行程测试方式进行了分析，总结了各种实现方式的优缺点，并结合海洋工况特点及设备实际需求，推荐采用气控回路方式实现天然气压缩机设备关断阀部分行程测试，解决了工艺系统的关断安全问题。

关键词：紧急切断阀部分行程测试安全完整性等级

Study on Partial Stroke Test for Natural Gas Compressor Emergency Shutdown ValveLi Zhigui, Gao Shuai, Song Zhenlei, Meng Fancheng

(Offshore Oil Engineering Co. Ltd., Tianjin, 300451, China)

Abstracts： The concept and principle of partial stroke test for emergency shutdown valve are described from the perspective of actual oil and gas production demand and safety instrument system theory. Partial stroke test is used to promote safety function of shutdown valve in order to ensure safety level of natural gas compressor on offshore platform. Various kinds of partial stroke test methods available in market are analyzed. Advantages and disadvantages of test methods are summarized. Combing with offshore working condition and equipment actual requirements, pneumatic control circle mode is recommended to achieve partial stroke test of natural gas compressor. The shutdown safety problem of process system is solved.

Key words：emergency shutdown valve; partial stroke test; safty integrity level

中图分类号：U463.5

文献标志码：A

文章编号：1007-7324(2015)04-0019-04

作者简介：李治贵，男，毕业于大连理工大学机械设计及理论专业，获硕士学位，现从事海洋石油平台天然气压缩机设计工作。

稿件收到日期： 2015-03-19，修改稿收到日期： 2015-06-18。