安全儀表系統(tǒng)的功能安全評(píng)估現(xiàn)狀

安全儀表系統(tǒng)的功能安全評(píng)估現(xiàn)狀楊沙沙;安吉;孫嘯;張思楊;吳鑫鑫;陳妍君【摘要】Throughcomparingthedevelopmentstatusoffunctionalsafetyassessmentofsafetyinstrumentedsystemathomeandabroad,thestudiesconcernedwerecarriedoutinfiveaspectsoffunctionalsafetystand-ards,HAZOPanalysis,SILrating,SILverificationandSILevaluationandcertification.ItisfoundthatChinalacksfunctionalsafetystandardswhichcoincidingwithactualsituationathome.IntheHAZOPanalysis,SILgradingandSILverification,itisstillinthestageofqualitativeresearchandlackstherelevantfailuredata-baseandtheresearchontheactualsituation;andbothcertificationandserviceagenciesrelatedtothefunctionsafetyassessmenthasnotbeenestablished.Theresultsofthestudyprovidetheguidanceforthefuturedevel-opmentoffunctionalsafetyassessment.%通過對(duì)比國內(nèi)外安全儀表系統(tǒng)功能安全評(píng)估的發(fā)展?fàn)顩r，從功能安全標(biāo)準(zhǔn)、HAZOP(HazardandOperability)分析、SIL(SafetyIntegrityLevel)定級(jí)、SIL驗(yàn)證和SIL評(píng)估與認(rèn)證5個(gè)方面進(jìn)行了研究.發(fā)現(xiàn)我國缺乏與自身實(shí)際情況相結(jié)合的功能安全標(biāo)準(zhǔn);在HAZOP、SIL定級(jí)和SIL驗(yàn)證方面,仍處在定性研究階段，缺乏相關(guān)的失效數(shù)據(jù)庫和與實(shí)際相結(jié)合的研究;還沒有建立與功能安全評(píng)估相關(guān)的認(rèn)證與服務(wù)機(jī)構(gòu).研究結(jié)果可為功能安全評(píng)估今后的發(fā)展提供一定的指導(dǎo)作用.【期刊名稱】《化工自動(dòng)化及儀表》【年(卷)，期】2017(044)009【總頁數(shù)】5頁(P813-817)【關(guān)鍵詞】安全儀表系統(tǒng);功能安全；HAZOP分析;SIL定級(jí);SIL驗(yàn)證;SIL評(píng)估與認(rèn)證【作者】楊沙沙;安吉;孫嘯;張思楊;吳鑫鑫;陳妍君【作者單位】中國石油大學(xué)(北京)油氣管道輸送安全國家工程實(shí)驗(yàn)室;中國石油天然氣股份有限公司西南管道分公司;中國石油天然氣股份有限公司西南管道分公司;中國石油天然氣股份有限公司西南管道分公司;中國石油天然氣股份有限公司西南管道分公司;中國石油天然氣股份有限公司西南管道分公司;中國石油天然氣股份有限公司西南管道分公司【正文語種】中文【中圖分類】X924安全儀表系統(tǒng)(SafetyInstrumentedSystem,SIS)是由傳感器、邏輯控制器和執(zhí)行器所組成的儀表系統(tǒng)，它能夠?qū)崿F(xiàn)一項(xiàng)或多項(xiàng)安全儀表功能［1］。而功能安全則是安全儀表系統(tǒng)的安全儀表功能能否被正確執(zhí)行的體現(xiàn)［2］。在IEC61508中，安全相關(guān)系統(tǒng)的安全完整性被分為4個(gè)不同的等級(jí)(SIL1~SIL4),等級(jí)越高，安全儀表的可靠性也就越高，則系統(tǒng)發(fā)生危險(xiǎn)失效的概率也就越低［3］。自20世紀(jì)70年代以來，在生產(chǎn)過程中，由于安全儀表系統(tǒng)失效，使得火災(zāi)爆炸等嚴(yán)重事故時(shí)有發(fā)生，這不但給企業(yè)帶來了巨大的財(cái)產(chǎn)損失，而且還導(dǎo)致了人員傷亡、環(huán)境污染等嚴(yán)峻的后果。例如，在1984年，由于安全設(shè)施失效等原因，導(dǎo)致印度博帕爾發(fā)生甲基異氰酸酯泄漏事故，造成2~4萬人死亡，另有6萬多人面臨需接受長期治療的慘重后果；在2005年，由于一個(gè)傳感器發(fā)生了失效，導(dǎo)致某煉油廠發(fā)生了火災(zāi)爆炸事故，造成了15人死亡、170多人重傷的嚴(yán)重后果。作為重要的安全保障措施，安全儀表系統(tǒng)應(yīng)能在生產(chǎn)過程出現(xiàn)危險(xiǎn)時(shí)準(zhǔn)確地執(zhí)行自身的安全功能，從而避免事故的發(fā)生或減輕事故帶來的影響。然而由于系統(tǒng)自身的結(jié)構(gòu)、硬件或軟件的特性以及周圍環(huán)境的影響等因素，安全儀表系統(tǒng)存在著潛在的安全隱患。因此，提高管道等流程行業(yè)安全生產(chǎn)水平的重要方法就是確保安全儀表系統(tǒng)的功能安全，對(duì)安全儀表系統(tǒng)展開功能安全評(píng)估具有十分重要的意義［4］。筆者將從功能安全標(biāo)準(zhǔn)、HAZOP(HazardandOperability)分析、SIL(SofetyIntegrityLevel)定級(jí)、SIL驗(yàn)證、SIL評(píng)估與認(rèn)證5個(gè)方面進(jìn)行國內(nèi)外對(duì)比研究。1.1國外功能安全標(biāo)準(zhǔn)1994年，德國率先頒布了首個(gè)關(guān)于安全儀表系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)一一DINV19250，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了具有保護(hù)功能的設(shè)備必須滿足獨(dú)立性要求。隨后，德國又頒布了一個(gè)功能安全標(biāo)準(zhǔn)一一DINVVDE0801,該標(biāo)準(zhǔn)主要是針對(duì)以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心的安全相關(guān)系統(tǒng)。1996年，美國發(fā)布了《安全儀表系統(tǒng)在過程工業(yè)中的應(yīng)用》，即ANSI/ISA-S84.01-1996，該標(biāo)準(zhǔn)定義了安全生命周期，第一次明確地提出了安全儀表系統(tǒng)的概念，具有劃時(shí)代的指導(dǎo)意義，直到現(xiàn)在仍被許多國家所采用［5］。自2000年以來，國際電工委員會(huì)(InternationalElectrotechnicalCommission,IEC)接連發(fā)布了安全相關(guān)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)IEC61508、流程工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)IEC61511、機(jī)械工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)IEC62061以及核工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)IEC61513等，在功能安全方面，逐步建立了國際標(biāo)準(zhǔn)體系［6］。作為基礎(chǔ)通用性標(biāo)準(zhǔn)，IEC61508為其他行業(yè)或部門標(biāo)準(zhǔn)的制定提供了一定的指導(dǎo)作用。而在IEC61511標(biāo)準(zhǔn)頒布之后，各個(gè)國家與世界著名石油公司都將它與自身的實(shí)際情況相結(jié)合，制定出了該標(biāo)準(zhǔn)相應(yīng)的應(yīng)用指南來指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。例如：在挪威，海上石油開采業(yè)就^將IEC61511標(biāo)準(zhǔn)與自身的情況相結(jié)合，在進(jìn)行了一定的修改之后，對(duì)海洋平臺(tái)的安全生產(chǎn)進(jìn)行指導(dǎo)。1.2國內(nèi)功能安全標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于功能安全的研究，我國仍然處在初級(jí)階段，一系列相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)還處于形成的過程之中。在國家標(biāo)準(zhǔn)方面，2006年，我國頒布了采標(biāo)IEC61508的GB/T20438《電氣/電子/可編程電子安全相關(guān)系統(tǒng)的功能安全》；緊接著，2007年，頒布了采標(biāo)IEC61511的、適用于過程工業(yè)領(lǐng)域的GB/T21109《過程工業(yè)領(lǐng)域安全儀表系統(tǒng)的功能安全》；2013年，我國頒布了GB/T50770《石油化工安全儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》；2015年又接連頒布了GB/T32202《油氣管道安全儀表系統(tǒng)的功能安全評(píng)估規(guī)范》和GB/T32203《油氣管道安全儀表系統(tǒng)的功能安全驗(yàn)收規(guī)范》。在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方面，2003年，我國頒布了SH3018《石油化工安全儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》和《工業(yè)生產(chǎn)過程中安全儀表系統(tǒng)的應(yīng)用》；2013年，又發(fā)布了SY/T6966《輸油氣管道工程安全儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》和AQ/T:3049《危險(xiǎn)與可操作性分析（HAZOP分析）應(yīng)用導(dǎo)則》。在IEC61508的基礎(chǔ)上，國外已經(jīng)形成了比較完善的功能安全標(biāo)準(zhǔn)體系，并且能夠?qū)ο嚓P(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行熟練地應(yīng)用。而在國內(nèi)，大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)都直接由國外標(biāo)準(zhǔn)采標(biāo)得來，沒有根據(jù)我國不同部門、不同行業(yè)的特點(diǎn)進(jìn)行修改，也沒有形成相應(yīng)的應(yīng)用指南，因而標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo)意義沒能得到很好的發(fā)揮，并且國內(nèi)頒布的標(biāo)準(zhǔn)大多數(shù)都只是推薦性的，沒有要求強(qiáng)制實(shí)施，這都給我國功能安全評(píng)估工作的展開帶來了困難。英國帝國化學(xué)工業(yè)公司（ICI）在20世紀(jì)60年代提出了一種安全分析方法——危險(xiǎn)與可操作性分析（HAZOP分析）。在歷經(jīng)了五十多年的改進(jìn)與完善之后，HAZOP分析已經(jīng)在國內(nèi)夕卜工程項(xiàng)目上得到了廣泛的應(yīng)用，成為了一種被各行各業(yè)所采納的通用安全分析方法［7］。2.1國外卜HAZOP分析在2001年，國際電工委員會(huì)發(fā)布了IEC61882，指導(dǎo)了各個(gè)行業(yè)對(duì)HAZOP分析的應(yīng)用。HAZOP分析方法由于其全面性、系統(tǒng)性和結(jié)構(gòu)性的特點(diǎn)，在工藝危害分析技術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，被許多知名公司采用，如：陶氏化學(xué)、拜爾、羅迪亞、BP及賽科等。具體應(yīng)用情況見表1［8］。近年來，HAZOP方法正在逐漸地向量化的方向發(fā)展，主要的方法是將HAZOP方法與風(fēng)險(xiǎn)矩陣、LOPA及SIL等定量評(píng)價(jià)方法相結(jié)合，進(jìn)而更好地評(píng)估系統(tǒng)的安全性。2005年，SvandovaZ等提出將靜態(tài)/動(dòng)態(tài)模擬與HAZOP方法相結(jié)合［9］。2006年，EizenbergS等成功地將HAZOP方法與Matlab動(dòng)態(tài)模擬相結(jié)合［10］。2.2國內(nèi)HAZOP分析我國對(duì)于HAZOP分析方法的應(yīng)用相對(duì)較晚，一直到21世紀(jì)，我國學(xué)者才廣泛地開始對(duì)HAZOP方法進(jìn)行研究。張東升將HAZOP分析方法應(yīng)用于LNG接收站的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中，辨別出了現(xiàn)有裝置存在的風(fēng)險(xiǎn)［11］。李娜等概括介紹了HAZOP、LOPA和SIL3種分析方法的特點(diǎn)，并總結(jié)出了它們之間的關(guān)系［12］。李秋娟等對(duì)輸油泵進(jìn)行了HAZOP分析，并總結(jié)出了在對(duì)油氣管道系統(tǒng)進(jìn)行HAZOP分析時(shí)需要注意的核心內(nèi)容［13］。馮文興等詳細(xì)介紹了HAZOP分析的具體過程，并運(yùn)用該方法對(duì)輸油管道站場(chǎng)進(jìn)行了分析，提出了風(fēng)險(xiǎn)降低的措施［14］。張志勝等對(duì)西氣東輸?shù)牡湫驼緢?chǎng)、復(fù)雜工藝等進(jìn)行HAZOP分析，找出當(dāng)前設(shè)備設(shè)施存在的缺陷，為今后的改造提供依據(jù)［15］。王厚尚開發(fā)了HAZOP在線分析系統(tǒng)，提高了HAZOP分析方法的靈活性與實(shí)用性。綜上所述，國內(nèi)對(duì)于HAZOP方法的研究大多都還處在定性的層面，雖然也有學(xué)者已經(jīng)開始對(duì)HAZOP方法進(jìn)行定量分析研究，但是還處于起步階段。SIL定級(jí)是指將工業(yè)過程的原始風(fēng)險(xiǎn)與可容忍風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)比，以確定安全儀表系統(tǒng)所能實(shí)現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)降低能力，即SIS所要求的SIL等級(jí)。SIL定級(jí)的定性方法主要有風(fēng)險(xiǎn)矩陣法、風(fēng)險(xiǎn)圖法和校正風(fēng)險(xiǎn)圖法；定量方法主要有故障樹法、事件樹法和LOPA分析法；或者是將定性與定量方法相結(jié)合的方法。3.1國外SIL定級(jí)早在1996年，SummersAE就總結(jié)出了企業(yè)授權(quán)的SIL、后果分析、風(fēng)險(xiǎn)矩陣、改良的HAZOP、風(fēng)險(xiǎn)圖及定量評(píng)估6種SIL定級(jí)方法［16］。2002年，MarszalEM提出在采用保護(hù)層分析法進(jìn)行功能安全評(píng)估時(shí)，需要將人員對(duì)評(píng)估結(jié)果的影響考慮在內(nèi)，這樣能夠提高SIL定級(jí)的準(zhǔn)確性［17］。2004年，BinghamK和GotetiP提出，在對(duì)SIL定級(jí)之前，要先建立起相應(yīng)的失效數(shù)據(jù)庫［18］。DejmekKA和WehrmanKA指出，在確定SIL等級(jí)時(shí)，要合理地確定初始事件的可容忍發(fā)生的頻率，采用定量風(fēng)險(xiǎn)分析法（如LOPA分析法）來使風(fēng)險(xiǎn)后果量化，以得到直觀、可靠的分析結(jié)果［19］。2006年，GowlandPA等詳細(xì)闡述了保護(hù)層分析法的原理，并將它應(yīng)用于歐洲工業(yè)意外風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中［20］。3.2國內(nèi)SIL定級(jí)劉永和分別采用了半定量評(píng)估法與定性風(fēng)險(xiǎn)圖法對(duì)天然氣裝置的安全完整性等級(jí)進(jìn)行評(píng)估，并得到了相同的結(jié)果［21］。汪應(yīng)紅等利用HAZOP方法對(duì)天然氣脫水撬進(jìn)行危險(xiǎn)與風(fēng)險(xiǎn)分析，接著確定了裝置的SIL等級(jí)，最后提出建議來降低脫水裝置的風(fēng)險(xiǎn)［22］。靳江紅等根據(jù)重大危險(xiǎn)源的安全儀表分類，歸納了不同SIL等級(jí)的常用場(chǎng)合，為SIL定級(jí)提供了新的方向［23］。西南石油大學(xué)呂路對(duì)校正風(fēng)險(xiǎn)圖法和HAZOP/LOPA法進(jìn)行了比選，并用第2種方法對(duì)輸氣站場(chǎng)進(jìn)行了SIL定級(jí)。國外很早就開始對(duì)SIL定級(jí)方法進(jìn)行研究，并且已經(jīng)建立起了初始事件發(fā)生頻率和獨(dú)立保護(hù)層失效頻率等相關(guān)數(shù)據(jù)庫，邁入了定量分析的階段。而我國學(xué)者大多仍采用較為簡(jiǎn)單的定性方法來進(jìn)行SIL定級(jí)，仍然處在初級(jí)階段。雖然目前國內(nèi)已有不少學(xué)者正在嘗試進(jìn)行定量評(píng)估，但由于缺乏失效數(shù)據(jù)庫，定量方法的應(yīng)用還有一定的難度。4.1國外SIL驗(yàn)證1998年，GobleWM總結(jié)歸納了完整性等級(jí)的驗(yàn)證方法，并對(duì)可靠性框圖法、故障樹法、馬爾可夫模型以及失效模式與影響分析法進(jìn)行了詳細(xì)地介紹［24］。2000年，SummersAE對(duì)比分析了可靠性框圖法和故障樹法，發(fā)現(xiàn)采用故障樹法對(duì)較為復(fù)雜的系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估，得到的結(jié)果將更加準(zhǔn)確［25］。2010年，OliveiraLF和AbramovitchRN針對(duì)一些不確定問題提出了用FMEDA法來驗(yàn)證SIL等級(jí)，得到的結(jié)果更為保守［26］。由于可靠性框圖法計(jì)算公式中有個(gè)別參數(shù)的取值難以獲得，CatelaniM等認(rèn)為對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)應(yīng)該用失效模式與影響分析法來驗(yàn)證SIL等級(jí)［27］。4.2國內(nèi)SIL驗(yàn)證GuoHT和YangXH對(duì)IEC61508標(biāo)準(zhǔn)里提出的可靠性框圖模型的計(jì)算公式進(jìn)行了詳細(xì)推導(dǎo)［28］。西南石油大學(xué)的楊藝針對(duì)輸氣站場(chǎng)的具體情況，建立了一套適用于站場(chǎng)的SIL驗(yàn)證流程，并編寫了驗(yàn)證軟件。蘆媛建立了SIL驗(yàn)證所需的可靠性框圖模型，并對(duì)SIL驗(yàn)證模型進(jìn)行了軟件編程［29］。基于白盒測(cè)試思想，沈?qū)W強(qiáng)和白焰對(duì)失效模式與影響分析、可靠性框圖、故障樹以及馬爾可夫模型進(jìn)行分析比較，總結(jié)了各評(píng)估方法的適用范圍及其在特定環(huán)境下的置信度［30］。雖然國內(nèi)學(xué)者對(duì)于SIL驗(yàn)證方法已經(jīng)展開了研究，但在針對(duì)我國具體行業(yè)實(shí)際情況的應(yīng)用上研究較少，尚未有一套結(jié)合具體行業(yè)具體情況建立的驗(yàn)證流程。5.1國外SIL評(píng)估與認(rèn)證在國外，與功能安全評(píng)估相關(guān)的商業(yè)軟件較多，大多數(shù)都已經(jīng)具備SIL定級(jí)與SIL驗(yàn)證的功能。當(dāng)前，比較有名的軟件有德國的exSILentia軟件、HIMA公司的SILence軟件以及西門子公司的SET軟件等。在國外，功能安全相關(guān)的認(rèn)證服務(wù)發(fā)展較早，第三方認(rèn)證機(jī)構(gòu)也得到了生產(chǎn)商、承包商以及廣大用戶的認(rèn)可，目前比較著名的認(rèn)證評(píng)估機(jī)構(gòu)有美國的EXIDA和德國的TUVO5.2國內(nèi)SIL評(píng)估與認(rèn)證在國內(nèi)，目前還沒有比較成熟的SIL評(píng)估軟件，大多都只能實(shí)現(xiàn)一部分功能，還不夠完善，如浙江大學(xué)的吳寧寧等將VB6.0與Matlab相結(jié)合，利用馬爾可夫模型，開發(fā)了可對(duì)不同冗余表決結(jié)構(gòu)的PFD值進(jìn)行計(jì)算的驗(yàn)證軟件［31］。國外在產(chǎn)品、認(rèn)證以及應(yīng)用軟件等方面已經(jīng)形成了一個(gè)良好的功能安全評(píng)估系統(tǒng)。而國內(nèi)發(fā)展相對(duì)較晚，目前尚無成熟的評(píng)估認(rèn)證機(jī)構(gòu)，也沒有建立自己的失效數(shù)據(jù)庫。6.1在功能安全標(biāo)準(zhǔn)方面，國外已經(jīng)形成了完備的標(biāo)準(zhǔn)體系，而我國還沒有建立符合自身實(shí)際情況的標(biāo)準(zhǔn)指南，需要加快立法的腳步。6.2在HAZOP分析方面，我國的學(xué)者大多數(shù)還停留在定性的層面上，需要繼續(xù)加深對(duì)于定量層面上的研究。6.3在SIL定級(jí)與驗(yàn)證方面，由于缺乏失效數(shù)據(jù)庫，我國的研究還處于基礎(chǔ)階段，并且缺乏結(jié)合行業(yè)實(shí)際情況的研究。6.4在SIL評(píng)估與認(rèn)證方面，我國還沒有相應(yīng)的評(píng)估軟件與認(rèn)證機(jī)構(gòu)，需要盡快建立?！鞠嚓P(guān)文獻(xiàn)】張怡.分散控制系統(tǒng)I/O模件的可靠性分析及安全評(píng)估[D].北京:華北電力大學(xué),2011.龍飛.安全儀表系統(tǒng)及其SIL評(píng)估技術(shù)在歧化裝置中的應(yīng)用[D].上海:華東理工大學(xué),2014.姜巍巍,李玉明，王春利，等.石化行業(yè)安全儀表系統(tǒng)及其安全完整性等級(jí)確定方法[J].安全、健康和環(huán)境,2009,9(6):18~20.呂路.基于SIL的玉成輸氣站場(chǎng)儀表功能安全評(píng)價(jià)[D].成都:西南石油大學(xué),2013.楊藝.輸氣站場(chǎng)控制系統(tǒng)SIL分析與應(yīng)用研究[D].成都:西南石油大學(xué),2015.李園園.海洋平臺(tái)安全監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)安全完整性評(píng)估技術(shù)研究[D].青島:中國石油大學(xué)(華東),2011.王厚尚.HAZOP在線分析系統(tǒng)開發(fā)研究[D].青島:中國石油大學(xué)(華東),2013.王力勇.CNG加氣母站HAZOP分析技術(shù)研究[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