前言

我們知道在進(jìn)行危險(xiǎn)與可操作性（HAZOP）分析和安全完整性等級（SIL）評估之后，如果確定需要增加安全儀表系統(tǒng)（SIS）來降低風(fēng)險(xiǎn)，那么就需要對儀表安全功能（SIF）進(jìn)行SIL驗(yàn)算。常規(guī)的SIL驗(yàn)算過程相對比較繁瑣漫長，且常有驗(yàn)算結(jié)果無法滿足目標(biāo)SIL等級要求的情況（即無法通過SIL驗(yàn)證），這時(shí)候又要回過頭分析各種可能原因，可能是SIF設(shè)計(jì)的問題，也可能是某個(gè)儀表設(shè)備的問題……這是目前SIL驗(yàn)算工作普遍存在的現(xiàn)象。

試想一下，如果SIL定級的時(shí)候我們把SIL驗(yàn)算流程簡化，不需要提供設(shè)備的失效數(shù)據(jù)和復(fù)雜的計(jì)算，經(jīng)過簡單判斷就能得到SIF大概的SIL等級，是不是就能大大提高工作效率，減少返工？我們稱之為實(shí)用簡化的SIL預(yù)驗(yàn)算：

1.一般情況下，單一執(zhí)行動作（1oo1）的SIF，采用通用數(shù)據(jù)計(jì)算可以實(shí)現(xiàn)SIL1級別，但PFDavg很難達(dá)到1.00E-02（RRF=100）。如果都采用SIL2及以上的SIL認(rèn)證設(shè)備，組成的SIF則可達(dá)到SIL2級別但PFDavg很難達(dá)到1.00E-03甚至2.50E-03這個(gè)數(shù)值，換言之在SIL定級的時(shí)候，若要求SIF的PFD小于2.50E-03或RRF超過400，則SIL驗(yàn)算的結(jié)果很難達(dá)到定級的要求(如某個(gè)SIL2的SIF定級時(shí)要求PFD小于1.00E-03，那么在SIL驗(yàn)算時(shí)注定失敗！)；

2.SIL驗(yàn)算過程中，傳感器是否設(shè)置冗余對整個(gè)SIF的PFDavg影響較小，而要求同時(shí)執(zhí)行的動作（關(guān)鍵動作）的增加卻對整個(gè)SIF的PFDavg影響較大。

3.若所有設(shè)備均采用認(rèn)證的失效數(shù)據(jù)計(jì)算，SIF的目標(biāo)要求為SIL2時(shí)，關(guān)鍵動作不宜超過3個(gè)；隨著關(guān)鍵動作的增加，SIF可以實(shí)現(xiàn)的SIL等級會出現(xiàn)降級趨勢。

本文將根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目中的失效數(shù)據(jù)并結(jié)合項(xiàng)目組成員的豐富經(jīng)驗(yàn)，詳細(xì)探討上述SIL預(yù)驗(yàn)算的方法。

SIL驗(yàn)算方法概述

在確定SIL等級時(shí)，應(yīng)考慮導(dǎo)致非安全狀態(tài)的所有失效因素，如硬件隨機(jī)失效、軟硬件設(shè)計(jì)缺陷和環(huán)境干擾等。這些類型中的某些失效，特別是硬件隨機(jī)失效，在低要求操作模式下可以使用要求時(shí)的平均失效概率（PFDavg）來量化。但SIF的安全完整性還取決于許多因素，它們不能精確量化，只能定性考慮。故常規(guī)的SIL驗(yàn)算，通過對SIF各組成部分的PFDavg計(jì)算分析，并綜合結(jié)構(gòu)約束、系統(tǒng)能力等方面來考量驗(yàn)證SIF的SIL等級，以確認(rèn)其是否滿足目標(biāo)SIL等級要求。

由于化工行業(yè)中SIF的SIL等級要求主要集中在SIL1和SIL2級別，在SIL驗(yàn)算的時(shí)候結(jié)構(gòu)約束和系統(tǒng)能力比較容易滿足目標(biāo)SIL等級要求，所以后文將假定只采用PFDavg來代表整個(gè)SIF的SIL等級。

PFDavg的值是由SIF中安全功能的子系統(tǒng)PFDavg加和得出，是在一定運(yùn)行周期內(nèi)要求時(shí)發(fā)生失效的平均概率，其中還受測試周期、測試覆蓋率、共因失效等諸多參數(shù)影響。為了方便計(jì)算分析，提出以下前提：

1.將SIF劃分為傳感器（包括傳感器和輸入接口元件）、邏輯運(yùn)算器（包括CPU、電源和各模塊通道）和最終執(zhí)行元件（包括最終執(zhí)行元件和輸出接口元件）三個(gè)部分，整個(gè)SIF的PFDavg計(jì)算如下：

PFDavg=PFD+ PFD+ PFD

其中：

PFDavg 是整個(gè)SIF要求時(shí)的平均失效概率；

PFD是傳感器要求時(shí)的平均失效概率；PFD是邏輯運(yùn)算器要求時(shí)的平均失效概率；PFD是最終執(zhí)行元件要求時(shí)的平均失效概率；

2.假設(shè)裝置設(shè)計(jì)使用年限為15年，平均恢復(fù)時(shí)間（MTTR）為24小時(shí)，檢驗(yàn)測試周期（TI）為12個(gè)月，功能測試覆蓋率（CTI）為100%，共因失效因子（β）為5%，操作模式為低要求操作模式；

3.同類型設(shè)備分別采用通用失效數(shù)據(jù)和認(rèn)證失效數(shù)據(jù)，僅考慮設(shè)備未檢測到的危險(xiǎn)失效（DU）。如表1-失效數(shù)據(jù)表：

表1-失效數(shù)據(jù)表

SIF1:反應(yīng)釜R101溫度(TZS101,1oo1)高高聯(lián)鎖關(guān)閉進(jìn)料閥XZV101(1oo1)

SIF2:反應(yīng)釜R102溫度(TZS102A,TZS102B,1oo2)高高聯(lián)鎖關(guān)閉進(jìn)料閥XZV102(1oo1)

SIF3:反應(yīng)釜R103溫度(TZS103,1oo1)高高聯(lián)鎖關(guān)閉進(jìn)料閥XZV103A和XZV103B(2oo2)

上述SIF將采用表1-失效數(shù)據(jù)表中的數(shù)據(jù)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表2-各SIF計(jì)算表：

表2-各SIF計(jì)算表

將SIF各組件的PFDavg進(jìn)行數(shù)據(jù)對比分析，如圖1、圖2、圖3:

圖1-SIF1的PFDavg占比分布

圖2-SIF2的PFDavg占比分布

圖3-SIF3的PFDavg占比分布

根據(jù)上圖三個(gè)部分對SIF的PFDavg占比分析，我們可以初步得出以下結(jié)論:

1)無論采用通用失效數(shù)據(jù)還是認(rèn)證失效數(shù)據(jù)，邏輯運(yùn)算器部分的PFDavg對整個(gè)SIF的PFDavg幾乎沒有影響；

2)執(zhí)行動作為閥門類的SIF，最終執(zhí)行元件部分PFDavg占比遠(yuǎn)大于傳感器部分PFDavg占比。A、當(dāng)采用認(rèn)證失效數(shù)據(jù)計(jì)算PFDavg，最終執(zhí)行元件部分在PFDavg占比明顯更大；B、當(dāng)傳感器設(shè)置冗余（如SIF2，傳感器1oo2）或增加要求同時(shí)執(zhí)行的動作（即關(guān)鍵動作，如SIF3，關(guān)鍵動作2oo2）時(shí)，最終執(zhí)行元件部分在PFDavg占比非常明顯。

通常條件下，上述情況是由以下原因造成的：

①從儀表設(shè)備未檢測到的危險(xiǎn)失效（DU）來說，閥門失效概率一般大于變送器；

②從裝置復(fù)雜程度來說，執(zhí)行開關(guān)閥動作涉及的設(shè)備個(gè)數(shù)多于傳感器部分;

③從SIF設(shè)計(jì)來說，傳感器可能會設(shè)置冗余，而關(guān)鍵動作的增加卻會提高最終執(zhí)行元件部分的PFDavg。

根據(jù)表2-各SIF計(jì)算表中各SIF的合計(jì)數(shù)據(jù)，即整個(gè)SIF的PFDavg，得到如圖4-各SIF的PFDavg合計(jì)值:

圖4-各SIF的PFDavg合計(jì)值

根據(jù)上圖，我們可以得出以下結(jié)論：

3)單一執(zhí)行動作的SIF，所有設(shè)備均采用通用數(shù)據(jù)計(jì)算可以實(shí)現(xiàn)SIL1級別，但PFDavg很難達(dá)到1.00E-02這個(gè)數(shù)值。所有設(shè)備均采用認(rèn)證數(shù)據(jù)計(jì)算可以實(shí)現(xiàn)SIL2級別（如SIF1和SIF2），但PFDavg很難達(dá)到1.00E-03（RRF=1000）甚至2.50E-03（RRF=400）這個(gè)數(shù)值；

4)不論采用何種數(shù)據(jù)計(jì)算，傳感器設(shè)置冗余對整個(gè)SIF的PFDavg影響較小（對比SIF2和SIF1），增加關(guān)鍵動作對整個(gè)SIF的PFDavg影響較大（對比SIF3和SIF1）。

目前為止，根據(jù)上述結(jié)論，在經(jīng)過具體計(jì)算之前，我們已經(jīng)對何種設(shè)計(jì)的SIF及采用何種數(shù)據(jù)去計(jì)算SIF，最終能實(shí)現(xiàn)對應(yīng)的SIL等級有了大概判斷。為了再進(jìn)一步探討關(guān)鍵動作的增加對整個(gè)SIF的PFDavg的影響關(guān)系，分別設(shè)置以下SIF:

SIF4:反應(yīng)釜R104溫度(TZS104,1oo1)高高聯(lián)鎖關(guān)閉進(jìn)料閥XZV104A~C(3oo3)

SIF5:反應(yīng)釜R105溫度(TZS105,1oo1)高高聯(lián)鎖關(guān)閉進(jìn)料閥XZV105A~D(4oo4)

SIF6:反應(yīng)釜R106溫度(TZS106,1oo1)高高聯(lián)鎖關(guān)閉進(jìn)料閥XZV106A~E(5oo5)

SIF7:反應(yīng)釜R107溫度(TZS107,1oo1)高高聯(lián)鎖關(guān)閉進(jìn)料閥XZV107A~F(6oo6)

上述SIF將采用表1-失效數(shù)據(jù)表中的數(shù)據(jù)計(jì)算，再結(jié)合之前SIF1和SIF3的數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖4-SIF的PFDavg合計(jì)值：

圖4-SIF的PFDavg合計(jì)值

根據(jù)上圖，我們可以得出以下結(jié)論：

5)若所有設(shè)備均采用認(rèn)證數(shù)據(jù)計(jì)算，當(dāng)SIF目標(biāo)要求為SIL2時(shí)，關(guān)鍵動作不宜超過3個(gè)；

6)隨著關(guān)鍵動作的增加，SIF可以實(shí)現(xiàn)的SIL等級會出現(xiàn)降級趨勢。

最后，我們以一個(gè)簡單的實(shí)際案例結(jié)束這篇文章，該案例只給出SIF描述和目標(biāo)要求，請廣大讀者來預(yù)驗(yàn)算判斷，不用經(jīng)過具體驗(yàn)證計(jì)算，僅憑給定的SIF描述就能判斷出能否達(dá)到目標(biāo)要求，案例見表3-案例簡析：

表3-案例簡析

審核編輯 ：李倩