SIS 切断阀部分行程测试功能在FLNG 行业的应用

郝红领

惠生（南通）重工有限公司 江苏南通 226000

随着国际浮式液化天然气（FLNG）市场不断扩大，为提高FLNG 船的经济效益，应提高生产设备的可靠性，延长停产检修周期。但是延长停产检修周期会导致SIS（Safety Instrumentation System）系统中有SIL（Safety Integrity Level）等级要求的紧急切断阀一直处于“不动”状态，管道内的介质可能会腐蚀阀芯及阀座，杂质可能会堵塞阀门而影响其动作。FLNG 装置具有低温、高压、易泄露、易燃、易爆的特性，如果紧急切断阀在需要执行动作时因卡塞而无法动作，在一定概率下会导致严重危害生命的后果。

1 PST 的概念

PST（Partial Stroke Test）是1 种在线检测SIS紧急切断阀的可靠的方法，整个过程不影响装置正常运行。PST 通过阀门从初始（开启或关闭）位置运行10%～15%（可调节）行程，然后回到初始位置检查阀门故障情况，按一定时间间隔进行周期性动作。周期性PST 能够检出阀门存在的大部分故障，延长切断阀检修周期而不降低其SIL。

PST 能够智能检测出大部分的阀门故障，但有些故障如阀座的密封完整性只能依靠装置停车后的阀门全行程测试（Full Stroke Test，FST）检测。PST 只是FST 的有效补充，装置停车时必须对每一台切断阀做全面的FST，以确保整个SIS 系统的安全完整性。

2 PST 对SIL等级的影响

采用PST 可以延长大修周期，但不降低系统的SIL（Safety integrated Level），可以从工程设计的角度分析PST 对SIL 等级的影响。

根据标准IEC61508/ 61511 安全完整性理论，SIL与平均失效概率（Average Probability of Failure on Demand，PFDavg）存在线性关系。基于没有冗余和自诊断要求计算PFDavg。

在不改变SIL 的情况下，如果将PST 的测试间隔缩短，FST 的测试间隔相应延长。可以通过增加PST的测试频率保证切断阀的SIL 不降低。

全行程测试周期间隔为1 年，换算成约8760h，不使用PST 时，可得：

如果将测试方案改为每2 个月进行1 次PST，每隔3 年进行1 次全行程测试，则PST 间隔为2 个月，约1460h，全行程测试间隔为3 年，约26280h，根据式（2）可得：PFDavg=4453λD。

两种测试方案得出的PFDavg值相差不大，说明在维持阀门PFDavg值不变，即保持SIL 等级不变的情况下，通过执行PST 可以延长FST 的测试间隔，从而延长装置的运行周期，降低生产成本，提高企业效益。

3 PST 方法

3.1 人工法

在阀门PST 需求的初期阶段，一般通过人工法实现。人工法具有两种测试方式，第一种是电磁阀加检测模块和气动附件，通过就地手动按钮和远程信号操作，让电磁阀短时间断电，使阀门失气后关闭（假设阀门初始状态为开启），一旦阀门关闭到设定的位置（通常是15 度以内），通过检测模块反馈，使电磁阀上电，阀门全开。第二种是电磁阀加位置开关模式，也通过现场手动操作或远程操作，使电磁阀短时间断电，阀门开始动作，一旦到达设定点，位置开关检测到信号，人工重新给电磁阀上电。

人工法测试的优点是硬件投资成本较低；缺点是需要非常高的人力成本，而且测试过程只有电磁阀和阀位开关可以监测到阀门动作，在测试过程中具有人为因素影响和连锁回路暂时失效的风险。

3.2 额定阀门控制器法

将微处理器模块、接近式开关、电磁阀、阀位变送器及测试按钮等硬件集成阀门控制器，阀门控制器具有在线诊断和监视功能。PST 是嵌入在控制器中的一个标准功能块，可以把测试间隔和部分行程的设定值作为固定参数输入阀门控制器，选择模式，进行PST 调教。控制器提供了信号状态，配合相应的智能诊断系统使用，可以实现自动测试，向工程师提供实时阀门状态信息。额定阀门控制器PST 方式原理见图1。

图1 额定阀门控制器PST方式原理

以艾默生公司的TopWorx D- ESD 阀门控制器为代表介绍测试步骤：

将额定阀门控制器装配到阀门上，接通24VDC 电源，PST 位置在分度凸轮上被设置为从全开位置起的10%～20%。按下传感器控制模块上的按钮保持5s，即可以标定阀门。标定期间自动执行PST，在非易失性存储器中记录行程时间。此时，阀门即已完成标定。

测试时，按下外部的PST 测试按钮或通过控制系统的远程脉冲DO，电磁阀的供电被瞬间中断，电磁阀关闭紧急切断阀门至设定部分行程位置（PST 位置），然后电磁阀得电，通过接近开关向控制系统输出阀门位置信号。若测试期间没能够在标定的记录时间内达到预先设定的测试位置，电磁阀会重新得电，阀门回到原始状态，消除所有空气从执行机构排出的风险。若PST 失败，反馈到控制系统的DI 将显示开路报警，此时可以通过传输到控制系统的脉冲DI 信号提供错误编码，将自诊断信息提供给工程人员，实现预测性维护和预警报警。在这种情况下，必须对切断阀进行计划维护，以确保安全仪表系统的SIL。若PST 期间收到系统紧急切断信号，以系统紧急切断信号优先，确保阀门在紧急情况下正常切断。

额定阀门控制器法测试的优点是阀门控制器一体化配置、占用空间小、测试流程简单、具备自诊断功能、成本较低；缺点是不具备HART 通讯功能、没有配套的诊断软件、诊断列表相对简单、智能化程度不高。

3.3 数字式阀门控制器

数字式阀门控制器（智能型阀门定位器）通常采用模块设计，集成多种传感器，自带HART 协议功能。数字式阀门控制器可以模拟紧急连锁测试，通过内部程序设定部分行程点。通过PST 功能，数字式阀门控制器可以计算弹簧范围、膜头压力、压力差以及响应时间，检测阀门的摩擦力大小并计算具体的数值。在整个测试过程中，可以以编程的方式输入控制器，在无须操作人员关注的情况下自动进行PST。通过与其配套的智能软件，可以得到阀门PST 测试的阀位- 压力变化曲线，根据曲线进行阀门性能退化分析，分析结果通过Hart 传输到控制系统进行分析和诊断，为阀门维修提供依据。数字式阀门控制器PST 方式原理见图2。

图2 数字式阀门控制器PST 方式原理

带有PST 功能的数字式阀门控制器品牌很多，如Fisher 的DVC6200SIS 系列、美卓的NG800 系列、Samson 的 3730- ESD 系列以及 Mosoneilan 的SVIIESD 系列等。

下面以Fisher 的DVC 6200SIS 为例介绍：

工程师可以通过遥控的方式远程进行DVC6200SIS 的PST 功能测试，使阀门运动到一个预先设定的开度值。设定开度值可调，最多为全行程的30%。利用DVC6200SIS 进行阶跃响应测试和阀门性能测试，阀门的运行状况和自身的健康状况均可以被测试出来。

定位器的PST 功能参数可以通过Valve link 软件和HART 手操器进行组态。

（1）PST 开度变化设定值默认为15%，可以选择1%～30%。

（2）测试速度默认为0.25%，可以选择1.00%、0.50%、0.25%、0.12%和0.06%。

（3）间歇时间（阀门关到设定值后，开始开启阀门时的间隔值）默认为5s，可以选择5、10、15、20、30s。

（4） Loop+ 和Loop- 连接控制系统来的4 ～20mA 信号，Aux+ 和Aux- 连接PST 测试按钮。

（5）闭合Aux+ 和Aux- 端子3～5 s，断开，启动PST 功能测试。

此方法的优点是操作简单，可以实现远程触发PST 功能借助软件进行阀门性能评估，及时报告现有或潜在的阀门故障；缺点是带有此功能的定位器价格较高，调试难度较大。惠生海洋工程2017 年交付给比利时某船东的FLNG 船项目成功应用该测试方法。

4 结语

PST 能够在不降低整个切断阀SIL 等级的情况下延长全行程测试的间隔，对生产安全及企业效益具有非同寻常的意义。在实际项目应用中，设计人员应根据项目投资情况及对工艺流程的安全分析，确定SIS 系统紧急切断阀的PST 方式，并在确定SIL 等级的基础上确定PST 间隔。