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[讨论] SIL定级时如何提前判断SIF能否实现?分享实用简化的SIL预验算方法

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本帖最后由 biubiu0304 于 2022-2-28 13:52 编辑

前言
我们知道在进行危险与可操作性(HAZOP)分析和安全完整性等级(SIL)评估之后,如果确定需要增加安全仪表系统(SIS)降低风险,那么就需要对仪表安全功能(SIF)进行SIL验算。常规的SIL验算过程相对比较繁琐漫长,且常有验算结果无法满足目标SIL等级要求的情况(即无法通过SIL验证),这时候又要回过头分析各种可能原因,可能是SIF设计的问题,也可能是某个仪表设备的问题…这是目前SIL验算工作普遍存在的现象。
试想一下,如果SIL定级的时候我们把SIL验算流程简化,不需要提供设备的失效数据和复杂的计算,经过简单判断就能得到SIF大概的SIL等级,是不是就能大大提高工作效率,减少返工?我们称之为实用简化的SIL预验算:
1.一般情况下,单一执行动作(1oo1)的SIF,采用通用数据计算可以实现SIL1级别,但PFDavg很难达到1.00E-02(RRF=100)。如果都采用SIL2及以上的SIL认证设备,组成的SIF则可达到SIL2级别但PFDavg很难达到1.00E-03甚至2.50E-03这个数值,换言之在SIL定级的时候,若要求SIF的PFD小于2.50E-03或RRF超过400,则SIL验算的结果很难达到定级的要求(如某个SIL2的SIF定级时要求PFD小于1.00E-03,那么在SIL验算时注定失败!);
2.SIL验算过程中,传感器是否设置冗余对整个SIF的PFDavg影响较小,而要求同时执行的动作(关键动作)的增加却对整个SIF的PFDavg影响较大;
3.若所有设备均采用认证的失效数据计算,SIF的目标要求为SIL2时,关键动作不宜超过3个;随着关键动作的增加,SIF可以实现的SIL等级会出现降级趋势。
本文将根据实际项目中的失效数据并结合项目组成员的丰富经验,详细探讨上述SIL预验算的方法。
image.png
SIL验算方法概述
在确定SIL等级时,应考虑导致非安全状态的所有失效因素,如硬件随机失效、软硬件设计缺陷和环境干扰等。这些类型中的某些失效,特别是硬件随机失效,在低要求操作模式下可以使用要求时的平均失效概率(PFDavg)来量化。但SIF的安全完整性还取决于许多因素,它们不能精确量化,只能定性考虑。故常规的SIL验算,通过对SIF各组成部分的PFDavg计算分析,并综合结构约束、系统能力等方面来考量验证SIF的SIL等级,以确认其是否满足目标SIL等级要求。
由于化工行业中SIF的SIL等级要求主要集中在SIL1和SIL2级别,在SIL验算的时候结构约束和系统能力比较容易满足目标SIL等级要求,所以后文将假定只采用PFDavg来代表整个SIF的SIL等级。

image.png

PFDavg的值是由SIF中安全功能的子系统PFDavg加和得出,是在一定运行周期内要求时发生失效的平均概率,其中还受测试周期、测试覆盖率、共因失效等诸多参数影响。为了方便计算分析,提出以下前提:
1.将SIF划分为传感器(包括传感器和输入接口元件)、逻辑运算器(包括CPU、电源和各模块通道)和最终执行元件(包括最终执行元件和输出接口元件)三个部分,整个SIF的PFDavg计算如下:

image.png

PFDavg =PFDSE+ PFDLS + PFDFE
其中:
PFDavg 是整个SIF要求时的平均失效概率;
PFDSE是传感器要求时的平均失效概率;
PFDLS是逻辑运算器要求时的平均失效概率;
PFDFE是最终执行元件要求时的平均失效概率;

image.png

2.假设装置设计使用年限为15年,平均恢复时间(MTTR)为24小时,检验测试周期(TI)为12个月,功能测试覆盖率(CTI)为100%,共因失效因子(β)为5%,操作模式为低要求操作模式;
3.同类型设备分别采用通用失效数据和认证失效数据,仅考虑设备未检测到的危险失效(DU)。如表1-失效数据表:
表1-失效数据表
  
设备/品牌型号
  
通用数据(DU)
认证数据(DU)
温度变送器/Rosemount 248RTD
3.00E-07
3.70E-08
输入安全隔离栅/浙江中控HD5542
3.50E-07
1.74E-08
逻辑运算器/浙江中控TCS-900
  
(2oo3D)
CPU/SCU9010
1.25E-07
7.67E-09
AI/SAI9010
1.00E-07
2.11E-08
DO/SDO9010
1.00E-08
1.95E-08
输出安全继电器/上海辰竹CZSR8401
6.00E-07
1.00E-09
电磁阀/ASCO 551
6.00E-07
1.98E-07
气动执行机构/无锡圣汉斯HPY
6.00E-07
2.23E-07
球阀/浙江中控SN5
8.00E-07
1.68E-07
SIF1:反应釜R101温度(TZS101,1oo1)高高联锁关闭进料阀XZV101(1oo1)
SIF2:反应釜R102温度(TZS102A,TZS102B,1oo2)高高联锁关闭进料阀XZV102(1oo1)
SIF3:反应釜R103温度(TZS103,1oo1)高高联锁关闭进料阀XZV103A和XZV103B(2oo2)
上述SIF将采用表1-失效数据表中的数据计算,计算结果如表2-各SIF计算表:
表2-各SIF计算表
  
组件
  
SIF
PFDavg(通用)
PFDavg(认证)
传感器
SIF1
2.87E-03
2.42E-04
SIF2
1.56E-04
2.42E-05
SIF3
2.87E-03
2.42E-04
逻辑运算器
SIF1
8.11E-05
1.64E-05
SIF2
8.11E-05
1.64E-05
SIF3
8.11E-05
1.64E-05
最终执行元件
SIF1
1.17E-02
2.61E-03
SIF2
1.17E-02
2.61E-03
SIF3
2.22E-02
5.05E-03
合计(SIF)
SIF1
1.47E-2
2.87E-03
SIF2
1.19E-02
2.65E-03
SIF3
2.52E-02
5.31E-03
说明:本文示例的PDFavg均采用豪鹏科技自主研发的SIL验算软件计算
将SIF各组件的PFDavg进行数据对比分析,如图1、图2、图3。
image.png
图1-SIF1的PFDavg占比分布

image.png
图2-SIF2的PFDavg占比分布

image.png
图3-SIF3的PFDavg占比分布
根据上图三个部分对SIF的PFDavg占比分析,我们可以初步得出以下结论:
1)无论采用通用失效数据还是认证失效数据,逻辑运算器部分的PFDavg对整个SIF的PFDavg几乎没有影响;
2)执行动作为阀门类的SIF,最终执行元件部分PFDavg占比远大于传感器部分PFDavg占比。A、当采用认证失效数据计算PFDavg,最终执行元件部分在PFDavg占比明显更大;B、当传感器设置冗余(如SIF2,传感器1oo2)或增加要求同时执行的动作(即关键动作,如SIF3,关键动作2oo2)时,最终执行元件部分在PFDavg占比非常明显。
通常条件下,上述情况是由以下原因造成的:
①从仪表设备未检测到的危险失效(DU)来说,阀门失效概率一般大于变送器;
②从装置复杂程度来说,执行开关阀动作涉及的设备个数多于传感器部分;
③从SIF设计来说,传感器可能会设置冗余,而关键动作的增加却会提高最终执行元件部分的PFDavg。
根据表2-各SIF计算表中各SIF的合计数据,即整个SIF的PFDavg,得到如图4-各SIF的PFDavg合计值:
image.png
图4-各SIF的PFDavg合计值
根据上图,可以得出以下结论:
3)单一执行动作的SIF,所有设备均采用通用数据计算可以实现SIL1级别,但PFDavg很难达到1.00E-02这个数值。所有设备均采用认证数据计算可以实现SIL2级别(如SIF1和SIF2),但PFDavg很难达到1.00E-03(RRF=1000)甚至2.50E-03(RRF=400)这个数值;
4)不论采用何种数据计算,传感器设置冗余对整个SIF的PFDavg影响较小(对比SIF2和SIF1),增加关键动作对整个SIF的PFDavg影响较大(对比SIF3和SIF1)。
目前为止,根据上述结论,在经过具体计算之前,我们已经对何种设计的SIF及采用何种数据去计算SIF,最终能实现对应的SIL等级有了大概判断。为了再进一步探讨关键动作的增加对整个SIF的PFDavg的影响关系,分别设置以下SIF:
SIF4:反应釜R104温度(TZS104,1oo1)高高联锁关闭进料阀XZV104A~C(3oo3)
SIF5:反应釜R105温度(TZS105,1oo1)高高联锁关闭进料阀XZV105A~D(4oo4)
SIF6:反应釜R106温度(TZS106,1oo1)高高联锁关闭进料阀XZV106A~E(5oo5)
SIF7:反应釜R107温度(TZS107,1oo1)高高联锁关闭进料阀XZV107A~F(6oo6)
上述SIF将采用表1-失效数据表中的数据计算,再结合之前SIF1和SIF3的数据,结果如图5-SIF的PFDavg合计值:
image.png
图5-SIF的PFDavg合计值
根据上图,可以得出以下结论:
5)若所有设备均采用认证数据计算,当SIF目标要求为SIL2时,关键动作不宜超过3个;
6)随着关键动作的增加,SIF可以实现的SIL等级会出现降级趋势。
最后,我们以一个简单的实际案例结束这篇文章,该案例只给出SIF描述和目标要求,请广大读者来预验算判断,不用经过具体验证计算,仅凭给定的SIF描述就能判断出能否达到目标要求,案例见表3-案例简析:

表3-案例简析
  
SIF描述
  
目标SIL等级
目标PFDavg
氨基氰釜R-0106A温度(TZT-01130A,1oo1)高高联锁关闭夹套热水进口开关阀XV-01140A,出口开关阀XV-01141A和膦醛进口开关阀XV-01136A,同时打开夹套低温水进口开关阀XV-01138A,出口开关阀XV-01139A。
SIL1
1.00E-02
该SIF能否达到目标要求?
A、既能达到目标SIL等级要求,又能达到目标PFDavg要求
B、能达到目标SIL等级要求,但达不到目标PFDavg要求
C、既达不到目标SIL等级要求,又达不到目标PFDavg要求

参与本帖回复后可查看正确答案正确答案:B
注:本文转载自微信公众号:豪鹏科技

 

发表于 2022-2-28 13:51:30

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发表于 2022-3-7 20:52:58

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耳朵眼VIP会员 VIP会员 | 显示全部楼层       最后访问IP广东省
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10年大修和以年大修差很多,中间的其他维修方式、方法都对SIL的计算有很大的影响。
没有考虑大修周期、维修检测周期、方法。所以计算只停留在简单的加加减减上。
建议看一下PFD的计算公式,看一下如何选择好的PFD、好的检维修方法。

 

发表于 2022-3-8 09:43:22

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quenyVIP会员 VIP会员 | 显示全部楼层       最后访问IP广东省
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发表于 2022-3-8 09:59:16

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化工江湖VIP会员 VIP会员 | 显示全部楼层       最后访问IP天津市
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楼主够用心的。IEC标准中已经谈到A类器件和B类器件的区别。使用的SFF表也不一样。传感器,逻辑器,执行器三者的占比是可以分配的。但是每个公司的器件的SFF不一样,所以你根据什么预估的。必须知道购买哪个厂家的。 所以基本在HaZOP分析的时候确定了表决方式也是预想的,应该由仪表工程师根据实际器件的Du或SFF确定,HAZOP给出的只能是RFF和SIL等级。

 

发表于 2022-3-8 14:35:43

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biubiu0304楼主 VIP会员 VIP会员 | 显示全部楼层       最后访问IP浙江省
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化工江湖 发表于 2022-3-8 14:35
楼主够用心的。IEC标准中已经谈到A类器件和B类器件的区别。使用的SFF表也不一样。传感器,逻辑器,执行器三 ...

您谈到的A类和B类器件区别,是为了从各自架构约束表格中结合HFT和SFF得到架构约束等级,当然这种是route1的架构约束等级计算方法。而本篇文章开头说过了,因为架构约束等级而达不到要求的情况很少见,所以为了更贴近实际仅探讨PFDavg。建议您有空的时候可以翻一下GB/T20438和GB/T21109,如果没有的话我这边有最新的GB/T20438-2017和GB/T21109-2016.

 

发表于 2022-3-8 16:09:14

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biubiu0304楼主 VIP会员 VIP会员 | 显示全部楼层       最后访问IP浙江省
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耳朵眼 发表于 2022-3-8 09:43
10年大修和以年大修差很多,中间的其他维修方式、方法都对SIL的计算有很大的影响。
没有考虑大修周期、维 ...

建议您再理解一下本文的中心思想,是在不进行任何计算的情况下大概判断SIF能不能实现对应的SIL。使用年限、检维修周期、方法等对PFDavg的计算有很大影响是相对的,在PFDavg很大的时候,无论怎么去调整这些影响都不大。再一个建议您了解一下PFDavg的计算,特别是马尔科夫模型的,并不是简单的加加减减

 

发表于 2022-3-8 16:22:28

点评

SIL离开了维修和可靠性保证时间,就是单纯数字,没有意义。  详情 回复 发表于 2022-3-9 06:46
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biubiu0304楼主 VIP会员 VIP会员 | 显示全部楼层       最后访问IP浙江省
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由于很少发帖,导致本文格式有点问题,大家有兴趣的可以移步:豪鹏科技或者中国化学品安全协会等公众号

 

发表于 2022-3-8 16:25:05

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化工江湖VIP会员 VIP会员 | 显示全部楼层       最后访问IP天津市
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我真地觉得你的逻辑有些本末倒置。 从工作程序上来讲,先是HAZOP,然后对于危险场景用LOPA给SIF回路确定SIL等级,但记住!此时SIF回路原则上是没搭建呢!!! 因为很多项目在基础设计时借用了以前的详细设计的图纸,所以图纸上会有搭建的回路,但是记住!理论上这些表决回路应该根据新的LOPA分析重新搭建,而不是根据原来的图纸上的回路验算,充其量那是个参考。所以应该重头来,自己根据新的RFF重新构架,有经验好,没经验根据厂家数据搭建。 算的项目多了,一看RFF大概就心里有数了。   

 

发表于 2022-3-8 17:08:39

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biubiu0304楼主 VIP会员 VIP会员 | 显示全部楼层       最后访问IP浙江省
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化工江湖 发表于 2022-3-8 17:08
我真地觉得你的逻辑有些本末倒置。 从工作程序上来讲,先是HAZOP,然后对于危险场景用LOPA给SIF回路确定SIL ...

正常的SIL验证流程文章开头那里写了的,建议您再仔细阅读,理一下思绪。

 

发表于 2022-3-8 17:14:26

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耳朵眼VIP会员 VIP会员 来自手机版 | 显示全部楼层       最后访问IP广东省
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biubiu0304 发表于 2022-3-8 16:22
建议您再理解一下本文的中心思想,是在不进行任何计算的情况下大概判断SIF能不能实现对应的SIL。使用年限 ...

SIL离开了维修和可靠性保证时间,就是单纯数字,没有意义。

 

发表于 2022-3-9 06:46:22

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biubiu0304楼主 VIP会员 VIP会员 | 显示全部楼层       最后访问IP浙江省
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耳朵眼 发表于 2022-3-9 06:46
SIL离开了维修和可靠性保证时间,就是单纯数字,没有意义。

所以建议您还是去了解一下马尔科夫算法,人家专门弄了一个维修矩阵的

 

发表于 2022-3-9 10:45:47

点评

研究过。没有故障模式,没有时间的变化,没有Matlab,马尔科夫就是个soso。  详情 回复 发表于 2022-3-9 14:54
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耳朵眼VIP会员 VIP会员 | 显示全部楼层       最后访问IP广东省
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biubiu0304 发表于 2022-3-9 10:45
所以建议您还是去了解一下马尔科夫算法,人家专门弄了一个维修矩阵的

研究过。没有故障模式,没有时间的变化,没有Matlab,马尔科夫就是个soso。

 

发表于 2022-3-9 14:54:44

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芥末辣椒VIP会员 VIP会员 | 显示全部楼层       最后访问IP辽宁省
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楼主讲的很细很全面,SIS是现在乃至长期存在的不可避免的项目前期过程项

 

发表于 2022-3-9 14:55:43

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