企业安全生产中仪表共性问题探讨

2018-07-05于世恒

石油化工自动化 2018年3期

关键词：机柜仪表密封

于世恒

(上海石油化工股份有限公司，上海 200540)

2017年9月笔者作为检查组成员参加了某集团公司的安全大检查，针对该集团公司下属企业中存在的仪表专业共性问题，进行了归纳、总结、分析、讨论，对照规范解读，给出了整改建议。

1 安全检查的必要性

1.1 当前形势

目前石化企业产能过剩，截止到2016年底，中国炼油能力已达750 Mt/a，占全球炼油能力的15%，居世界第二位。除中石化、中石油、中海油“三桶油”外，民营及地方炼油企业迅猛发展，已形成以山东地方炼油企业为龙头的“第四桶油”[1]。

由于竞争日益激烈，石化企业绩效增长愈发缓慢，安全生产形势严峻，环保压力巨大。目前，石化企业正处在转型升级时期，一方面是新技术的应用迅猛发展，另一方面是对技术管理的要求越来越高。

安全大检查作为管理手段和方法，可防患于未然，更好地促进企业之间的交流与学习。

1.2 检查依据及内容

本次检查主要依据《集团公司安全管理手册》、《化工企业工艺安全管理实施导则》、《设备管理制度》等，按照该集团公司《关于开展2017年度HSE大检查的通知》要求和领导的讲话精神，对企业的安全生产状况进行了检查。

2017年HSE检查(设备组)的内容包括：设备综合管理、转动设备管理、压力容器及压力管道管理、防腐管理、仪表管理、电气安全管理6个专项，其中包括设备故障管理、设备风险管理、设备培训、设备变更管理、可燃及有毒气体报警仪、联锁保护系统、SIL评估、“三三二五”制管理、电气安全管理等21个检查要点。

2 仪表专业共性问题分析

2.1 仪表接线保护管及接头密封问题

石化企业现场有严格的防爆等级划分，仪表设备有严格的防爆要求，如果仪表防爆密封达不到要求，现场仪表接线口的密封处理不规范，极易引发仪表故障，后果极其严重。

检查发现：仪表防爆接线盒使用挠性防爆软管接入仪表分支线缆，仪表挠性软管老化破损、防爆接头脱落不密封、Y型密封接头中没有密封填料等现象普遍存在，尤其是仪表防爆接口密封垫的选用及与电缆线径的匹配度等细节问题常被忽视。

仪表进线口密封不严，轻则腐蚀性气体侵入，重则进水，导致仪表接线端子腐蚀短路。笔者所在单位曾发生过电磁阀接线口密封渗漏进入雨水，造成装置联锁停车事故。

石化企业有关标准规范对仪表设备完好及仪表线缆敷设施工有明确要求：

1) 关于仪表完好。SHS 01001—2004《石油化工设备完好标准》第7.1.3条规定“包括检测元件、引线、仪表箱及附件等全套仪表的安装和维护应符合规范的要求”。

2) 关于仪表防爆挠性软管的使用。GB 50093—2013《自动化仪表工程施工及验收规范》第7.4.8条规定“电缆导线管与检测元件或现场仪表之间，宜用挠性管连接，应设防水弯，与现场仪表箱、接线箱、接线盒等连接时硬密封，并固定牢固”。SH 3521—1999《石油化工仪表工程施工技术规程》第6.5.4条第5款规定“保护管与现场仪表、检测仪表之间应按其所在危险区域的级别，选用隔爆型金属软管连接”。SH 3521—2013 《石油化工仪表工程施工技术规程》第8.8.5条b款“保护管与仪表、检测元件、接线箱、接线盒连接时，应安装防爆密封管件，并做好充填密封”。

由此可见，GB 50093—2013《自动化仪表工程施工及验收规范》中修改为“宜用挠性管连接”；SH 3521—1999《石油化工仪表施工技术规程》中规定“应选用隔爆型金属软管连接”；而该规范2013版中完全修改为“应安装防爆密封管件”，不再推荐挠性管连接。

GB 3836—2010《爆炸性环境用电气设备》(等同于IEC 60079-0—2007)中明确指出，隔爆电器电缆引入后不能改变隔爆外壳的隔爆性能。

因此，隔爆型防爆挠性管和隔爆密封头，选择其一即可，不一定非要选择隔爆型防爆挠性管[2]。建议仪表专业设计时，可以根据规范选用防爆格兰密封头，不用挠性保护管，避免仪表挠性保护管易出现橡胶管老化龟裂、接头破损现象。

3) 仪表线缆接口密封及线缆线径匹配度问题。仪表设计及施工应重视仪表线缆接口密封及线缆线径匹配度问题，如匹配不好，则达不到密封效果。

2.2 压缩机仪表漏油问题

检查中发现，进口压缩机轴系仪表漏油的较少，而国产压缩机轴系仪表漏油较为普遍，主要是轴系温度仪表引线密封不好，使得润滑油通过芯线虹吸进入仪表接线箱内，导致漏油。

国内已有仪表厂家针对轴系温度仪表引线漏油问题，设计开发了专用密封接头，结构如图1所示，很好地解决了漏油问题。

图1 压缩机轴系测温仪表引线密封结构示意

2.3 仪表机柜间电缆进线及控制室防爆防火间距问题

仪表机柜间仪表线缆进线口不符合规范，存在线缆槽盒腐蚀破损、线缆井未进行黄沙封堵、未加装防雨盖板等现象；控制室为非抗爆设计，距离装置区太近，防爆、防火间距不符合规范要求，这些现象在一些老企业装置中普遍存在。

2.3.1仪表机柜间仪表线缆进线口设计

一般控制室，根据SH/T 3006—2012《石油化工控制室设计规范》要求，推荐采用架空进线方式，电缆穿墙入口处宜采用专用电缆穿墙密封模块，并满足抗爆、防火、防水、防尘要求。抗暴控制室，根据GB 50779—2012《石油化工控制室抗爆设计规范》有关条文规定，应满足以下要求：

1) 室外电缆进入室内应采用电缆沟进线方式，沟内需充沙；不得在室内地面以上的外墙上开电缆进线洞；基础墙体洞口应采用防火材料进行封堵。

2) 室内、外地面高度差应不小于600 mm，其中活动地板下的地坪与室外地坪的高度差应不小于300 mm。

3) 室外电缆进线口,位于室内活动地板下的地坪与室外地坪之间，如图2所示，电缆穿墙入口处洞底标高，应高于室外沟底标高300 mm以上，活动地板下地坪与室外地坪间的高度差应不小于300 mm。

4) 电缆进线口应采用防火材料隔气、防水，并做密封封堵处理；电缆进线口室外地面应设置抗爆围堰，底部须有排水设施，电缆敷设完毕后，围堰内应充沙做隔爆处理[3]。抗暴机柜间仪表线缆进线口结构，如图2所示。

图2 机柜间仪表线缆进线口结构示意

2.3.2控制室防爆防火间距设计规范及法规要求

根据GB 50160—2008《石油化工企业设计防火规范》第4.2.12条要求，石油化工企业总平面布置的防火间距除该规范另有规定外，不应小于30 m；第5.2.18 条要求化验室、办公室等面向有火灾危险性设备侧的外墙，宜为无门窗、洞口的不燃烧材料为实体墙；当确需设置门窗时应采取防火门窗。

国家安全监管总局安监总管三〔2017〕121号《化工和危险化学品生产经营单位重大生产安全事故隐患判定标准(试行)》文件中明确，涉及“两重点一重大”，即具有重点危险工艺、重点危险化学品、重大危险源等的生产装置及储存设施外部，如果安全防护距离不符合国家标准要求，将视为重大事故隐患。

2.4 控制室机柜散热问题

机柜内电源等大功率器件散热量大，检查中发现配置不合理，个别机柜内温度高达70～80 ℃，机柜门需要长期敞开散热。由于机柜门长期敞开，失去了对电磁干扰信号的屏蔽效果，存在安全隐患。尤其是电厂的机柜间，由于环境存在粉尘，机柜间以及机柜内一方面要求密封防尘，另一方面要求良好的通风散热。因此，在机柜设计配置时，机柜热负荷的核算需要考虑在内；并且热空气比冷空气轻，柜内空气流向应当是由下往上，只有在柜内温度高于环境温度时，使用过滤风扇才是有效，因而应将柜体的前门或者侧壁板的下方作为进气口，上方作为排气口[4]；如果工作现场的环境比较理想，没有粉尘、油雾、水汽等影响，柜内各元器件正常工作的，可采用轴流风机作为进气口风扇。

机柜间空调的选型应根据柜内温度与环境温度的差值以及机柜内的热损耗，从而确定空调所需要的制冷量来选取，目前一般是按照德国威图公司提供的经验公式进行选取，其计算如下：

PE=PV-KAΔt

(1)

式中：PE——总的制冷量，W；PV——柜内元器件总的热损耗，W；K——传热系数，W·(m2·℃)-1，其值根据柜体材料的不同而不同，一般来说，钢板为5.5 W·(m2·℃)-1，铝板为11 W·(m2·℃)-1，塑料为0.3 W·(m2·℃)-1；A——柜体实际散热面积，m2；Δt——柜体内外的温差，柜体内部的温度一般为35 ℃，减去柜体外面的温度，即工作现场的环境温度。

柜体的安装方式对柜体的散热有较大影响，德国威图机柜提供了几种典型安装方式的散热面积的计算，具体应用时可参考，本文不再赘述。

2.5 仪表配电规范理解与执行问题

检查中发现：机柜间仪表220 V供电的零线有些单位接地，有些没有接地；检测电源对地电压，会发现220 V火线对地电压是110 V，零线对地电压也是110 V 的状况。为什么机柜间仪表供电会存在较大的零线-地线电压(下文称零地电压)？

2.5.1仪表供电电源零线接地问题

按电气有关规范，220 V 供电零线浮空或接地均有道理[5]。GB 50303—2003《建筑电气工程施工质量验收规范》中要求零线接地，其中第9.1.4规定UPS输出侧中性点接地；GB 50303—2015《建筑电气工程施工质量验收规范》修订为接和不接都可以，其中第4.1.2中规定，UPS输出侧中性点是否接地按设计要求执行。

而SH/T 3082—2003《石油化工仪表供电设计规范》明确要求仪表的220 V零线应接地[6]，其中7.1.4规定仪表电源系统应采用TN-S或TN-C-S系统供电。

TN-S系统的零线(N)与保护接地线(PE)在变电所为1点接地，电源返出后，PE线和N线是分开的，不再有任何电气连接。PE线连接设备金属外壳，正常状态无电流，安全可靠，抗干扰性强，如图3的三相五线制。

图3 TN-S 接线示意

2.5.2220 V零线对地存在110 V电压问题

仪表配电设计也是TN-S供电，为什么有的机柜间220 V零线对地电压是110 V？机柜间仪表供电这种情况多是UPS 存在隔离引起的，UPS主电路有各种接法：

1) 当旁路带隔离时，进线N线与UPS输出N线电气隔离，因而输出N线应与PE线等电位连接并与共用接地系统相连，UPS之后仍为TN-S系统。

2) 当旁路无隔离时，进线N线与UPS输出N线直接金属连接，因而UPS输出N线不应再接地，UPS之后仍为TN-S系统。

除上述外，还有其他接法。总之，UPS输出N线是否需要接地，应根据UPS的接线形式决定，UPS的输出既不是IT系统，也不是TN-C-S系统，应该为TN-S系统。

2.5.3零地电压问题

220 V电源N线与PE线之间的电位差称为“零地电压”，零地电压的产生主要是零线上有电流，导致该现象的主要原因是：谐波干扰和电源的三相不平衡。谐波干扰是由使用的非线性负载设备产生的，由于非线性负载设备广泛存在，想要完全消除谐波是不可能的，只有采取各种技术措施来降低其危害。目前，电源的三相平衡在广泛使用双电源的供电方式中很难实现，由此三相不平衡造成的零线电流也一定会存在。

既然零地电压不可避免，该如何控制？一般认为当“零地电压”高于电子设备的允许值时，将引起硬件故障、烧毁设备，引发控制信号的误动作，影响通信质量，延误或阻止通信的正常进行。因此，当“零地电压”不满足负载的使用要求时，应采取措施，降低“零地电压”。

仪表机柜间供电一般执行GB 50174—2008《电子信息系统机房设计规范》，该规范中明确规定，零地电压应小于2 V[7]。

2.6 仪表防雷问题

2.6.1仪表防雷现状

检查时发现，各单位存在以下共性现象。

1) 防雷检测不规范。国家气象局2016年4月颁布第31号令《雷电防护装置检测资质管理办法》中明确规定，防雷接地检测需有资质的单位负责。检查中发现部分单位是由没有资质的电气检维修队伍进行测试，但无论谁检测，防雷检测必须按GB/T 21431—2015《建筑物防雷装置检测技术规范》要求进行。

2) 防雷检测台账不健全。防雷接地点没有编号，每个防雷接地点应有编号，要有检测记录及检测报告。

3) 仪表外壳接地问题。进口撬装成套设备的仪表外壳都是可靠接地的，但是国内仪表外壳大都不接地，而仪表外壳接地将有利于防雷保护。

4) 控制系统点检，缺接地检查项。点检报告中接地电阻没有检查测试记录，控制系统接地电阻检查应列入点检必查项目。

5) 大量使用玻璃钢汇线槽。有些石化企业，为避免金属仪表汇线槽盒腐蚀问题，大量使用了玻璃钢汇线槽，这对仪表线缆的干扰屏蔽防护及防雷非常不利。

6) 机柜间仪表屏蔽线问题。仪表信号线进入控制室后，在中间接线柜过早地分离了屏蔽层，中间接线柜到信号端子柜之间大段线缆失去了屏蔽保护。

2.6.2仪表防雷措施

雷电的本质是带电积雨云的放电，云对地放电叫“地闪”，云和云之间放电叫“云闪”，雷电对仪表的影响在于雷电释放产生的耦合感应电流会干扰仪表回路，严重的会造成仪表误动作影响生产。对仪表危害最大是“地闪”[8]。

1) 仪表防雷的核心是等电位，建筑物避雷针、避雷网、雷电栅都不能做到全面保护，处理好接地系统，尽量做到等电位连接才是根本[9]。

2) 传统避雷针的保护作用是有选择性的，对感应雷沿着架空导线侵入产生的高压电磁波，它是无能为力的。即使是对直击雷的防护，由于避雷针的“尖端引电”作用，对于钢筋水泥结构的控制室及金属管架、塔器等装置，如接地线断开或接点虚焊等造成的接地系统不良，雷电流不能顺利向大地泄放，则控制室钢筋及装置的金属结构就会带电，有时甚至高达几万伏，从而发生雷击事故。

3) 采用消雷器避雷是一种新趋势。消雷器是一种新型防雷装置，由设置在被保护物上方的电离装置、设置在地表层内的地电流收集装置及接通这两种装置的连接线构成。电离装置在雷云强电场中大致保持着大地电位，它和附近空气的电位差随雷云电场强度的激增而促使场强区内针尖附近的空气电离，形成大量空间电荷。电离的负电荷为地电流收集装置所吸收，电离的正电荷为雷云负电荷所吸引和中和，从而发生消雷作用。

有数据表明消雷器效果要好于传统的避雷针，能避免避雷针在引雷的过程中,尤其是二次雷电效应对仪表电子设备和易燃易爆品所造成的危害，目前石化企业已有使用案例。

2.7 可燃及有毒气体报警仪问题

检查时发现，各单位存在以下共性现象。

1) 可燃及有毒气体报警仪检查不规范。检查时发现，没有详细的检查记录，更换探头也没有按要求进行标定。对可燃、有毒气体报警仪，应进行月度检查、季度检测、年度标定，更换探头时应重新标定[10]。

2) 属于“两重点一重大”项目，没有按要求独立设置可燃及有毒气体检测系统(GDS)，报警声音没有辨识度。许多企业的GDS和DCS共用1个控制器，报警声音没有辨识度，大修期间DCS停车检修时，GDS无法正常工作。

3) 报警仪现场仪表没有声光报警功能，一些老型号的可燃及有毒气体报警仪的现场仪表没有声光报警功能，不能及时提醒现场人员，存在着安全隐患。

4) 报警仪设置不合理。酸性水泵附近没有设置报警仪，测氢气管线氢气泄漏的探头高度不够，探头设置数量不够等现象，在检查的时候经常发现。

2.8 安全仪表系统管理问题

安全仪表系统(SIS)的管理存在以下现象。

1) 重可用性、轻安全性，变更没有评估。如某企业乙二醇装置压缩机组温度联锁方案变更如下：

a) 原压缩机组温度联锁方案：高速轴瓦、低速轴瓦、压缩机径向轴瓦、止推轴瓦温度，共计14点温度联锁，设计以上各部位的轴向温度、径向温度分别为“1oo1”联锁。

b) 根据生产要求，变更为轴向与径向温度为“2oo2”联锁。变更理由是1个月内停车3次，生产装置要求变更，虽然有签字手续，但缺乏深入评估。轴向和径向是不同的部位，改为“2oo2”联锁是否合适，值得商榷。

2) 联锁解除随意。某企业催化装置富气压缩机汽轮机排气压力低低“2oo3”联锁，由于联锁设定值卡边频繁报警而长期解除。如此作法带来很大的安全隐患，具体作法是应进行评估，如评估认为不重要，就解除该联锁；如重要，则修改联锁条件，再投用。

3) 储运罐区未设置SIS。没有按要求开展风险分析(HAZOP)及安全完整性等级(SIL)评估，应按要求进行评估后，根据评估等级，合理设置SIS。

4) 有些企业属于“两重大一重点”的储运罐区，SIS是和DCS设置在一起的，没有按要求独立设置SIS。

2.9 其他问题

1) 控制系统改造升级面临巨大压力。企业大量基于WIN-XP操作系统的控制系统仍在运行，而控制系统厂家已不再提供技术支持，企业控制系统升级压力巨大，一旦发生基于WIN-XP 操作站的故障，市面上现有的操作站将无法替代。目前除系统升级外，比较可行的做法是收集升级后退下来的同型号电脑，重新整理后用作应急。

2) 工控网络安全基本处于空白状态。国家已经颁布网络安全法，工控系统的网络安全问题纳入了国家监管，目前各地已经开始由地方公安局及“网信办”主导的工控系统网络安全等级确认以及保护方案的制订工作。石化企业在役的控制系统在网络安全防护方面基础薄弱，如何尽快适应工控网络安全法的要求，还有许多工作要做。

3) SIS的评估整改存在难度。2014年国家安全监管总局颁布了安监总管三〔2014〕116号《关于加强化工安全仪表系统管理的指导意见》(下文称116号文)中明确要求2019年12月31日前，在役装置完成SIS的评估和完善工作。石化企业连续长周期生产，要在一年多时间内完成评估并停车整改有相当大的难度。

3 感悟及思考

1) 仪表管理上重设计、轻维护。现在实行设计终身负责制，在项目设计阶段，设计院都能严格按规范设计，但在施工环节上，由于施工单位技术力量参差不齐，业主方面监管不力，问题较多，在使用维护过程中更是要求不严、做不到位。

应牢固树立仪表设备全生命周期管理理念。全生命周期管理的核心是消除系统性失效因素，在仪表控制系统设计、施工、维护的各个环节，应严格按规范要求去做，尤其在日常维护管理中要定期实施预防性维护，及时发现问题消除隐患。

2) 仪表维护方面重室内、轻室外。目前企业仪表控制系统已全部采用DCS，可靠性大幅提高，日常维护方面，DCS要好于室外现场仪表部分，DCS部分故障会有报警提示，室外部分仪表问题的发现要凭经验和责任心。

未来应该有仪表设备预防性维护系统做技术支撑，随着智能仪表设备自诊断技术的提高，故障信息会更加详实精准，预防性维护更加有的放矢。

3) 仪表故障分析及风险评估缺乏基础数据。目前中国仪表行业还没有建立自己的仪表设备失效数据库，在HAZOP及SIL评估方面，大多凭经验，需要进行定量分析，验算时使用的数据也大多是参考国外的仪表失效数据，应及早建立中国自己的失效数据库。

企业内部对仪表故障的分析不够重视，部分企业仪表维保工作外包给第三方，仪表故障维修信息缺乏系统的回收积累统计分析。未来该问题的解决可以通过智能仪表内置芯片自动记录故障，定期导出上传，可以排除人为因素，故障信息更加真实可信。

4) HAZOP及SIL评估还没有成为工作习惯。目前“功能安全”的理念还没有做到完全普及，按照“功能安全”的规范要求进行HAZOP及SIL评估，来进行SIS设置及维护管理，还没有成为工作习惯。国家安监局颁布了116号文来强化安全仪表的管理工作，但是企业大都是把评估工作委托第三方做，企业内部真正掌握评估技术，按“功能安全”理念指导日常工作的不多。

应大力推广普及有关“功能安全”的标准规范，如GB/T 20438/21109(等同IEC 61508/61511)《电气/电子/可编程电子安全相关系统的功能安全》等。

5) 提高自控率，提升控制系统的使用管理水平。目前还有许多企业仪表自控率不能达标，仪表控制系统不断升级，而仪表自控率却上不去。因为会参数整定的人越来越少，传统单回路控制之间存在相互耦合，单靠PID参数整定无法投用，应该对工艺过程全面深入了解，找到主要干扰因素，对DCS自带的一些高级算法进行透彻理解掌握，利用好DCS自身的性能。DCS自控率的提高，也是提高装置操作稳定性、安全性的主要手段。

6) 全面透彻理解掌握技术规范。仪表自控技术更新发展非常快，有关仪表自控专业的技术规范更新也非常快，作为仪表技术管理人员应及时了解、掌握仪表新技术及规范。企业应为基层技术人员多提供学习的机会，学习了解新技术、新规范。