部分行程测试在海洋平台的应用研究

王乃民 刘鸿雁 赵笑寒

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

部分行程测试在海洋平台的应用研究

王乃民 刘鸿雁 赵笑寒

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

针对关断阀延长检修周期引起的安全完整性等级降低的问题，通过对改善关断阀安全完整性等级的方法进行分析研究，以及对现有部分行程测试方式的综合比较，并结合海洋平台应急关断系统的设计要求，给出了关断阀气动回路式和定位器式部分行程测试在海洋平台的应用方案。同时，对关断阀采用部分行程测试前后的安全完整性等级进行了计算。验证结果表明，部分行程测试能够提高关断阀的安全完整性等级，对海洋平台延长停产检修周期和提高生产能力具有一定帮助。

部分行程测试 海洋平台 应急关断系统 关断阀 安全完整性等级 气动回路 定位器

Pneumatic loop Positioner

0 引言

海洋平台作为海上油气田开发的主要设施，其生产运行环境极为恶劣，一旦发生事故，极易造成大量的人员伤亡、严重的经济损失及海洋生态破坏。因此，为了更好地实现海洋平台安全生产，建立一套性能安全可靠、动作响应及时的应急关断系统(emergency shutdown system,ESD)尤为重要。

近年来，为提高海洋平台的生产能力，增加经济效益，在提高生产设备可靠性的同时，平台停产检修周期也由原来的1年延长到了2～3年甚至更长。这将导致应急关断系统中有安全完整性等级(safety integrity level,SIL)要求的关断阀长期处于“休眠”状态。同时，海洋平台的生产工艺往往具有高温、腐蚀、振动及结垢等特点，因此关断阀在需要执行安全保护动作时可能会产生“拒动”现象，这种情况可能导致灾难性的后果。

部分行程测试是一种在线检测关断阀安全性的方法。它通过关断阀从全开位置部分关闭10%～20%行程，然后再回到全开位置来检查阀门故障情况，按一定的时间间隔周期性动作。通过周期性部分行程测试，可以延长关断阀检修周期，而不降低其安全完整性等级。

1 应急关断系统

应急关断系统是海洋平台最重要的系统之一，用于提高工艺生产装置及其辅助设施的安全操作，并在事故情况下关断工艺系统，保护平台人员和工程设施的安全，防止环境污染，将事故的损失降到最小[1]。

1.1 系统概述

ESD系统一般由工程师站(操作员站)、可编程控制器、输入输出模块、现场检测仪表、执行机构及应急盘等组成。它与火气系统通过冗余安全网构成海洋平台的安全仪表系统(safety instrumented system,SIS)。SIS通过物理网关接入冗余控制网，操作人员可以通过接入冗余控制网的工程师站对SIS系统进行管理。系统结构如图1所示。

可编程控制器是ESD系统的核心部件，其接收火气系统、现场检测仪表、应急盘等外围设备及相关平台的危险确认信号，通过控制器逻辑运算，触发相应的执行机构动作，并在工程师站人机界面和应急盘进行报警。

执行机构包括关断阀、放空阀、关断调节阀、井上(井下)安全阀、现场泵、电加热器及现场控制盘。执行机构接收ESD系统指令，执行安全保护动作。

现场检测仪表主要是安装在工艺管线和设备上的各种变送器和开关元件，如压力变送器、液位变送器、温度变送器、压力开关等，通过输入/输出模块接入控制器。根据受保护设备在生产过程中的功能和用途不同，参数异常报警将触发平台的生产关断或设备的单元关断。

图1 系统结构

此外，通过手动按下应急盘上的一级弃平台、二级火气、三级生产关断按钮，以及其他原因触发的ESD 1～3级关断都将关停本平台生产系统。

单元关断是本平台最低级别的关断，分为生产系统单元关断和公用系统单元关断。ESD 1～3级关断均会触发生产系统单元关断，而公用系统单元关断则由本平台ESD 1～2级关断触发。单元关断只关断故障设备，并不影响其他设备的运行[2]。

1.2 安全完整性等级

ESD系统作为海洋平台SIS的重要组成部分，它实时监测工艺过程的状态，判断危险条件，当工艺参数异常时执行安全关断，保护人员和生产设施。ESD系统是静态的、被动的，只有在危险情况发生时，才能够执行保护动作。这样的特点决定了系统的设计目标，即一方面能够实现紧急关断的功能，另一方面也必须具有较高的安全可靠性。

在IEC 61508和IEC 61511中，定义了一种衡量安全仪表系统安全可靠性的指标，即安全完整性等级(SIL)：在一定时间、一定条件下，安全仪表系统执行其所规定的安全功能的可能性。它是以上述标准中所涉及的反应失效概率(probability of failure on demand,PFD)为基准的一个重要的安全可靠性参数，用以表征安全仪表系统针对某一个特定的功能需求所能达到的风险降低程度。通过规定安全仪表系统需要的最低反应失效概率，使设备能够在需要时成功执行设计所要求的安全功能[3-4]。

2 SIL分析

在对ESD系统进行SIL分析时，主要是根据标准IEC 61508和IEC 61511，确定系统的安全仪表功能(safety instrumented function,SIF)所需的SIL等级，并实现以下目标。

① 确保安全仪表功能设置合理。

② 确保安全保护功能可以完成，缓和不可避免的灾害的风险。

③ 识别不能达到SIL等级要求的安全仪表功能，进而更改，确保安全仪表功能满足安全完整性的要求。

④ 按照安全生命周期确保风险降低到可接受的范围内。

2.1 SIL确定

IEC 61511标准中的保护层分析法(layers of protection analysis,LOPA)是一种理性的、客观的和基于风险的评估工艺风险的半定量分析方法[5]，通过对现有保护措施的可靠性进行量化的评估，确定其消除或降低风险的能力。该方法由于考虑了不同独立保护层的失效概率、初始事件、状态修正和适用于不同业主的可接受风险而被广泛应用。对ESD系统采用LOPA确定SIL的详细步骤如图2所示。

首先，把生产装置划分成原油处理系统、生产水系统、燃气系统等不同的工艺系统。然后，确定各系统的受保护设备(equipment under control,EUC)。对每一个EUC分析其安全仪表系统的设置，进而分析并描述每一个安全仪表系统的安全仪表功能(SIF)。采用可靠性方块图方法，将每个安全仪表系统归类为检测仪表、控制器和执行机构。最后根据所有原因发生的可能性，以及造成的安全、环境、经济后果及后果等级和针对该场景所设置的独立保护层，确定出不同后果所需的不同SIL等级，选取最高的SIL等级作为该安全仪表功能最终的SIL目标。

对于SIL等级低于1的保护功能，通过基本工艺控制系统实现；而对于SIL等级大于或等于1的保护功能，则通过安全仪表系统实现[6]。

图2 SIL确定步骤

2.2 SIL验证

在对安全仪表功能确定了所需SIL等级后，要对安全仪表系统的现有配置进行定量计算，以验证安全仪表系统的现有配置能够达到所需SIL等级的要求。常用的安全完整性等级的验证方法主要有可靠性框图、故障树分析和马尔可夫模型。但是在工程项目的SIL验证以及装置的技术改造所进行的SIL验证只需要利用IEC 61508或ISA TR84.00.02中的可靠性框图进行计算即可，而且该框图直观，便于工程技术人员理解和使用。基于可靠性框图的SIL验证步骤如图3所示[7-8]。

安全仪表系统作为保护操作人员以及生产设施安全不可或缺的一部分，在设置检测仪表、控制器和执行机构时，充分考虑到可靠性的需要，对一些元件会采用冗余的设计方式。因此，在确定SIF以后，应判断检测仪表、控制器以及执行机构的逻辑关系，安全仪表系统的反应失效概率为其各组成元件的反应失效概率相加。

对ESD系统所有安全仪表功能SIL验证结果进行分析，影响安全仪表系统SIL目标的主要因素是执行机构的PFD。因此，对于SIL不满足要求的安全仪表系统，只有通过降低执行机构的PFD，安全仪表系统的SIL才最有可能符合设计目标。

关断阀是ESD系统最多的执行机构，通过改进冗余配置或缩短测试周期均可以使PFD减小。但是，关断阀大部分都安装在生产系统的主工艺管线和关键设备上，如果缩短测试周期，则直接导致平台停产周期变短，大大影响经济效益；而增加关断阀的冗余配置，一方面增加了生产成本，另一方面，在没有安全措施的情况下在线操作关断阀容易发生危险。可见，缩短测试周期和改进冗余配置都不是使关断阀满足SIL等级的最佳方法。

图3 SIL验证步骤

3 部分行程测试应用

目前，关断阀的部分行程测试(partial stroke test,PST)主要有机械式、气动回路式和定位器式，表1是对三种部分行程测试方式的综合比较。

表1 部分行程测试方式比较

根据海洋平台的独特工况和应急关断系统的设计要求，我们在对关断阀设计部分行程测试功能时，主要研究应用气动回路式和定位器式两种方案。

3.1 气动回路式

正常情况下，过滤减压阀①调节后的仪表气，一路通过手动阀③、PST电磁阀④、紧急关断电磁阀⑤控制气动先导阀⑦导通，另一路通过调速装置⑥和快速泄放阀⑨与关断阀执行机构连通。在弹簧作用力下，关断阀处于打开状态。在过滤减压阀后设置安全阀②，ESD系统通过接线箱为紧急关断电磁阀和PST电磁阀供电。

部分行程测试时，ESD系统给PST电磁阀通电。手动按下PST测试按钮⑧，PST电磁阀得电，1、3端导通，气动先导阀1、3端导通，关断阀开始关闭。当阀门关闭20% 后，触发与PST电磁阀连锁的限位开关动作，PST电磁阀失电复位，1、2端导通，气动先导阀1、2端导通，关断阀复位，部分行程测试完成。

对于尺寸较大的阀门，为减小阀门关闭时间，通常在执行机构端设置快速泄放阀;同时，对于扭矩较大的阀门设置手动液压泵⑩，克服手动关阀的困难。

气动回路式行程测试在海洋平台上已成功应用。气动回路式的部分行程测试原理如图4所示。

图4 气动回路式测试原理

3.2 定位器式

定位器式是目前比较新的方法，图5是阀门定位器式的测试原理。

正常情况下，经过滤减压阀①调节的仪表气进入阀门定位器④，阀门定位器I/P调节后经紧急关断电磁阀②、手动阀③、快速泄放阀⑤与关断阀执行机构⑦连通。

部分行程测试时，ESD系统给出一个对应阀门80%开度的4～20 mA信号，电流信号经过阀门定位器的I/P转成对应的压力信号。阀门定位器开始调节与执行机构连通的气压，关断阀开始关闭，行程传感器⑥实时向定位器④提供用于控制算法的行程反馈信号。当关闭20%行程后，阀门定位器复位，关断阀恢复初始状态，部分行程测试完成。

图5 定位器式测试原理

对于尺寸较大的阀门，为缩短阀门关闭时间而设置快速泄放阀，采用阀门定位器式的部分行程测试已成功应用在中国东海某项目上。

由于定位器式相比另外两种方式具有“智能”的优点，因此其在海洋平台上必将具有广阔的应用前景。

3.3 SIL影响

ESD系统只有在基本工艺控制系统和人员干预无效时，才会执行紧急关断，因此，在计算关断阀的PFD时，应采用IEC 61508标准中的低要求操作模式。对于1oo1结构的关断阀，其PFD为[8-9]：

PFD=λDtCE

(1)

(2)

(3)

式中：λ为失效率；λD为危险失效率；λDU为未检测到的危险失效率；λDD为检测到的危险失效率；T为检测测试时间间隔；MTTR为平均恢复时间；tCE为等效平均停止工作时间。

部分行程测试(PST)不能检测到关断阀的全部故障。假设部分行程测试的诊断覆盖率(diagnosticcoverage,DC)为70%，则剩余的30%的故障必须通过完全行程测试(fullstroketest,FST)来检测[10]。

对于没有冗余和自诊断要求的关断阀，其PFD近似为：

(4)

而完全行程测试的PFD近似为：

(5)

式中：T1为部分行程测试的时间间隔；T2为完全行程测试的时间间隔。

从式(4)和式(5)可以看出，通过增加部分行程测试的测试频率，可以在保证关断阀安全完整性等级(SIL)的前提下，完全行程测试的周期延长为原来的3倍，从而为延长海洋平台的停产检修周期提供保障。

4 结束语

综上所述，通过为关断阀设置部分行程测试功能，降低了关断阀的测试风险和测试失效可能性，在保证关断阀SIL等级的前提下，延长了关断阀的检修周期和海洋平台的停产检修周期，从而使经济效益最大化。

但是，部分行程测试不能测出全部的阀门故障模式，例如阀座的密封状态等。部分行程测试只是完全行程测试的有效补充，平台停产检修时必须对关断阀做完全行程测试，以确保整个系统的安全完整性。

[1] 海洋石油工程设计指南编委会.海洋石油工程设计指南(第3册)(海洋石油工程电气、仪控、通信设计)[M].北京：石油工业出版社，2009：315-316.

[2] 董海杰.浮式生产储油轮应急关断系统的设计[J].自动化仪表，2012，33(7)：75-78.

[3] 林斌，刘赟.海洋工程平台应急关断系统安全完整性分析[J].船舶与海洋工程，2014(1)：53-55.

[4] 黄文君，何伟挺，边俊.安全仪表系统的功能安全设计[J].自动化仪表，2010，31(7)：25-28.

[5] 李俊，刘鸿雁.SIL方法比较及LOPA在海洋平台的应用[J].自动化与仪表，2013(7)：5-7.

[6] 朱春丽，洪毅，丁传晖.海洋石油平台安全仪表系统安全完整性等级评估[J].化工自动化及仪表，2014，41(4)：410-413.

[7] ISA.ISA-TR84.00.02 Safety instrumented functions(SIF)-safety integrity level(SIL)[S].Instrumentation,Systems,and Automation Society,2002.

[8] International Electrotechnical Commission.IEC 61508-6 Functional safety of electrical/electronic/programmable electronic safety-related systems, part 6: guidelines on the application of IEC 61508-2 and IEC 61508-3[S].International Electrotechnical Commission,2010.

[9] ISA.ANSI/ISA-TR96.05.01 Partial stroke testing of automated block valves[S].Instrumentation,Systems,and Automation Society,2008.

[10]王立奉.第十七讲 安全仪表系统中紧急切断阀的部分行程测试[J].仪器仪表标准化与计量，2009(5):9-14.

Application Research on the Partial Stroke Test for Offshore Platform

Aiming at the problem that the safety integrity level (SIL) of shutdown valve decreased because of extending the repair cycle, the methods for improving SIL of the shutdown valve are analyzed and researched. Through comprehensive comparison of existing partial stroke test (PST) methods and combining with the design requirements of offshore emergency shutdown system, the application schemes of the pneumatic loop type PST and positioner type PST for shutdown valve in offshore platform are proposed. In addition, the SIL of shutdown valve before and after PST is calculated. The result of verification shows that the PST can increase the SIL of shutdown valve; this is helpful for extending the repair cycle and enhancing the production capability.

Partial stroke test(PST) Offshore platform Emergency shutdown system(ESD) Shutdown valve Safety integrity level(SIL)

王乃民(1980-)，男，2008年毕业于中国石油大学(华东)信号与信息处理专业，获硕士学位，工程师；主要从事仪表控制、火气探测及安全仪表系统的设计与研究。

TP277

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201504009

修改稿收到日期：2014-09-19。