仪表阀门对安全仪表系统可靠性的影响研究

［摘 要］仪表阀门作为安全仪表系统的重要组成部分，具有控制流体介质流动的关键作用，能够调节压力、流量和液位等参数，确保系统在正常工作范围内运行，防止事故的发生。文章针对仪表阀门对安全仪表系统的可靠性进行研究，以期为工业生产安全提供参考。

［关键词］新时期仪表阀门；安全仪表系统；可靠性影响

［中图分类号］TP273 ［文献标志码］A ［文章编号］2095–6487（2024）03–0096–03

近年来，随着工业生产的不断发展和技术的进步，安全问题成为人们关注的焦点。安全仪表系统作为一种重要的安全控制手段，被广泛应用于各行业。其通过对工艺参数和状态的监测与控制，能够及时发现并解决潜在的安全隐患，保障生产过程的安全稳定运行。

1 仪表阀门及安全仪表系统的作用

1.1 仪表阀门的作用

仪表是用于测量、监视或控制系统中的过程变量的一种设备或工具，旨在为高效运行和安全提供准确可靠的数据。仪表包括多种设备，如传感器、发射器、控制器、分析仪和指示器，负责收集有关过程变量的信息，将其转换为适当的信号，并将数据传递到控制系统。仪表的主要功能是测量和监测关键的过程变量，如压力、温度、液位、流量、pH 值、电导率等，提供实时数据，使操作员能够有效地理解和控制工艺条件。仪表在保持过程的稳定性与防止可导致危险情况的偏差方面发挥着至关重要的作用。通过持续监测变量，仪表使操作人员能够监测到异常情况，启动纠正措施，并确保过程在安全范围内运行。

阀门是用来通过打开、关闭部分阻塞通道来控制流体或气体流动的机械装置。阀门可调节流量、压力和液位，以确保工艺系统正常运行，防止过压或欠压情况发生。控制阀通过响应来自仪表系统的控制信号，在维持所需的工艺条件方面起着至关重要的作用，根据控制算法调节介质流，以实现对过程变量的精确控制。

1.2 安全仪表系统的作用与构成

安全仪表系统（SIS）是工艺行业不可分割的组成部分，负责确保设施和人员的安全与完整性。SIS的主要功能是检测过程中的危险条件或事件，并启动响应，使过程处于安全状态。在正常过程控制系统无法预防或减轻潜在风险的情况下，其作为一种故障安全机制。SIS 的组成可根据过程的复杂性和所需的安全水平而有所不同。

传感器在SIS 中，通过持续监测过程参数如压力、温度、流量、液位等，将物理量转换为可由SIS 处理的电信号。发射机接收来自传感器的电信号，并将其转换为标准化信号（如4～20 mA），以传输到控制逻辑。控制器接收来自发射机的信号，并执行必要的计算和逻辑，根据预定义的控制算法确定适当的响应，如可编程逻辑控制器（PLC）或基于微处理器的专用安全控制器。逻辑求解器是SIS 的中央处理单元，接收来自控制器的输入，并执行复杂的逻辑操作，如比较、决策和排序，以确定要采取的适当操作。最终控制元件，如控制阀和紧急关闭阀，用于根据来自SIS 的控制信号来控制过程中的流量、压力或液位，可启动打开或关闭阀门等操作，以确保过程在安全范围内运行。SIS 包括警报、跳闸和联锁，以提供异常情况的早期预警，启动保护措施，防止危险事件发生。安全关闭系统是SIS 的关键组成部分，旨在在危险情况下迅速将过程带到安全状态，通常设计为冗余和不同的架构，以确保可靠性和可用性。

2 安全仪表系统的可靠性分析

SIS 被设计为一种故障安全机制，其可靠性对预防或减轻危险事件至关重要。PFD 是衡量SIS 在需要时无法执行其功能的可行性，表示一种危险的情况未被SIS 发现或不受控制的概率。可靠性标准和法规通常规定SIS 的不同安全完整性级别（SILs）的最大允许PFD（工程设计图），需求范围从可接受的失败率到百万需求事件中的一个失败。SIL 是由SIS 提供的风险降低的一种措施，有不同的SIL 水平，从SIL1（最低）到SIL4（最高），SIL 水平越高对可靠性和风险降低的要求就越严格，为一个特定的应用程序选择适当的SIL 水平取决于潜在危险的严重程度和组织的风险承受能力。MTBF（可靠性指标）是SIS 可靠性的度量，表示两次故障之间的平均时间，表示系统在不发生任何严重故障的运行能力，MTBF 值越高说明可靠性越高。可用性是衡量SIS 运行和能够执行其安全功能的时间百分比，高可用性可确保系统在异常情况或危险事件发生时随时准备好做出响应。DC（故障覆盖率）是衡量SIS 检测和诊断内部故障的能力，表示系统通过持续的监控和自检可检测到的故障的百分比，高直流值体现在潜在故障导致危险条件之前检测到潜在故障的概率。

3 仪表阀门对安全仪表系统可靠性的影响体现

3.1 技术先进性影响

由于技术的进步，仪表阀门对SIS 可靠性的影响意义重大。智能阀门、自诊断能力、无线通信和改进的耐久性都有助于提高SIS 的可靠性。

采用具有智能技术和自我诊断能力的先进仪表阀门，可帮助尽量减少计划外的关闭和系统故障，可显著减少停机时间，可使整体系统可用性大幅提高。通过持续监测系统参数和自动调节阀门设置，高级仪表阀门有助于提高系统正常运行时间，提供更高的整体运行效率，可使正常运行时间大幅增加。仪表阀门的自我诊断能力可帮助在早期阶段识别潜在的问题或故障，允许主动维护，并降低昂贵的维修或部件更换的概率，可大幅减少维护成本。通过防止故障和确保对流体流动的适当控制与调节，先进的仪表阀门的实施可有助于建立一个更安全的工作环境和减少安全事故，可大幅减少安全事故。

在仪表阀门中使用数字组件和先进材料，可提高对恶劣环境、腐蚀和磨损的抵抗力，提高阀门的耐久性和可靠性，确保其在SIS 内的长期性。

3.2 故障预警和自诊断功能

3.2.1 减少停机时间

在仪表阀门中实现故障早期预警和自我诊断功能，可帮助在早期阶段识别潜在的故障或故障，允许及时的维护和维修，减少SIS 的整体停机时间，促使工业生产停机时间大幅减少。仪表阀门具有故障预警和自诊断功能，可防止安全仪表系统的灾难性故障，提高系统的整体可靠性，确保其在关键情况下有效地运行，自我诊断功能可帮助识别故障的根本原因，允许有针对性的故障排除和修复，进一步提高系统的可靠性。

3.2.2 提高安全性

早期发现和诊断仪表阀门的故障可显著提高工业过程的安全性，通过及时发出警报或信号，操作员可立即采取行动，防止发生事故或出现安全风险，可大幅减少安全事故。通过集成仪表阀的故障预警和自诊断功能，全面提高安全仪表系统的安全性，故障的早期检测允许操作人员立即采取行动，如隔离故障阀门或启动紧急停机程序，以防止危险情况升级。

3.2.3 降低维护成本

仪表阀门自我诊断功能能够及早发现潜在的故障或故障迹象，使维修人员能够及时采取行动，防止故障的升级，从而减少紧急维修的需要，自我诊断功能允许进行有针对性的修复，识别和解决故障的具体原因，从而避免不必要的维护工作。

3.2.4 提高系统的可靠性

仪表阀门中故障预警和自我诊断功能的结合，有助于提高安全仪表系统的整体可靠性，如通过及时检测和处理潜在的故障，提高系统的性能和可用性，可大幅增加系统的可靠性。

3.3 防误操作功能

3.3.1 事故预防

实施密码锁、指纹识别等防错误操作功能，可显著降低人为操作失误发生事故的可能性。增强的安全协议、防止错误的操作功能可强制执行严格的安全协议和程序。通过要求用户输入密码或使用生物识别技术，对关键系统或流程的访问只能限于经过培训和授权的人员，有助于防止未经授权的个人发生错误操作。实施错误预防操作功能促进操作程序的标准化，通过为执行某些操作设定预定义的步骤或要求，减少出现偏差或错误的风险，确保一致性，并减少可能危及安全的错误发生的机会。

3.3.2 设备故障预防

防错误操作功能旨在防止未经授权的访问和对仪表阀门的不当调整，从而减少因人为失误造成的设备故障，延长仪表阀门和其他设备的寿命。未经授权的篡改或不正确的调整可能会导致机械应力、磨损或对关键部件的损坏。具有适当的访问限制和保障措施后，此类事故的风险可大幅降低，从而延长设备寿命，降低故障频率。设备的故障预防功能有助于提高设备的可靠性。通过防止未经授权的访问，操作人员无法做出未经授权可能影响设备性能或可靠性的更改或调整。这确保了设备保持正常的工作状态，并减少运行过程中发生故障的风险。

3.4 数据采集和分析功能

新时期，仪表阀门通常具有数据收集和分析功能，允许对设备和工艺参数进行实时的数据采集、分析和评估，有助于更好地了解设备的运行状态，预测设备故障，并实施适当的措施，以提高SIS 的可靠性和稳定性。例如，在某制造工厂中，安装具有数据收集和分析功能的仪表阀门，作为安全仪表系统升级的一部分。这些阀门不断地收集有关压力、温度和流量等参数的数据。使用先进的算法对收集到的数据进行分析，并与历史趋势进行比较。6 个月的时间里，数据收集和分析功能成功地确定其中一个阀门的压力波动逐渐增加，通过预测分析，确定该阀门正在接近一个临界阈值，表明其即将失效，这些信息促使维修团队在阀门可能发生安全事件或生产中断之前，安排主动维修和更换阀门。通过监测和分析收集的数据的时间变化，发现一个特定的阀门在特定的工艺条件下表现出异常的流量变化。通过进一步分析，确定该阀门需要调整，以优化其性能，确保一致运行。

4 结束语

仪表阀门对SIS 可靠性有十分重要的影响，所以要重视可提升仪表阀门精确度的先进技术。仪表阀门精确度越高，降低SIS 发生泄漏风险的可能性就越高，从而可提升SIS 的可靠性，这对于保障工业过程的安全性和稳定性具有重要意义。

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