SIS 切斷閥部分行程測試功能在FLNG 行業的應用

郝紅領

惠生（南通）重工有限公司 江蘇南通 226000

隨著國際浮式液化天然氣（FLNG）市場不斷擴大，為提高FLNG 船的經濟效益，應提高生產設備的可靠性，延長停產檢修周期。但是延長停產檢修周期會導致SIS（Safety Instrumentation System）系統中有SIL（Safety Integrity Level）等級要求的緊急切斷閥一直處于“不動”狀態，管道內的介質可能會腐蝕閥芯及閥座，雜質可能會堵塞閥門而影響其動作。FLNG 裝置具有低溫、高壓、易泄露、易燃、易爆的特性，如果緊急切斷閥在需要執行動作時因卡塞而無法動作，在一定概率下會導致嚴重危害生命的后果。

1 PST 的概念

PST（Partial Stroke Test）是1 種在線檢測SIS緊急切斷閥的可靠的方法，整個過程不影響裝置正常運行。PST 通過閥門從初始（開啟或關閉）位置運行10%～15%（可調節）行程，然后回到初始位置檢查閥門故障情況，按一定時間間隔進行周期性動作。周期性PST 能夠檢出閥門存在的大部分故障，延長切斷閥檢修周期而不降低其SIL。

PST 能夠智能檢測出大部分的閥門故障，但有些故障如閥座的密封完整性只能依靠裝置停車后的閥門全行程測試（Full Stroke Test，FST）檢測。PST 只是FST 的有效補充，裝置停車時必須對每一臺切斷閥做全面的FST，以確保整個SIS 系統的安全完整性。

2 PST 對SIL等級的影響

采用PST 可以延長大修周期，但不降低系統的SIL（Safety integrated Level），可以從工程設計的角度分析PST 對SIL 等級的影響。

根據標準IEC61508/ 61511 安全完整性理論，SIL與平均失效概率（Average Probability of Failure on Demand，PFDavg）存在線性關系。基于沒有冗余和自診斷要求計算PFDavg。

在不改變SIL 的情況下，如果將PST 的測試間隔縮短，FST 的測試間隔相應延長。可以通過增加PST的測試頻率保證切斷閥的SIL 不降低。

全行程測試周期間隔為1 年，換算成約8760h，不使用PST 時，可得：

如果將測試方案改為每2 個月進行1 次PST，每隔3 年進行1 次全行程測試，則PST 間隔為2 個月，約1460h，全行程測試間隔為3 年，約26280h，根據式（2）可得：PFDavg=4453λD。

兩種測試方案得出的PFDavg值相差不大，說明在維持閥門PFDavg值不變，即保持SIL 等級不變的情況下，通過執行PST 可以延長FST 的測試間隔，從而延長裝置的運行周期，降低生產成本，提高企業效益。

3 PST 方法

3.1 人工法

在閥門PST 需求的初期階段，一般通過人工法實現。人工法具有兩種測試方式，第一種是電磁閥加檢測模塊和氣動附件，通過就地手動按鈕和遠程信號操作，讓電磁閥短時間斷電，使閥門失氣后關閉（假設閥門初始狀態為開啟），一旦閥門關閉到設定的位置（通常是15 度以內），通過檢測模塊反饋，使電磁閥上電，閥門全開。第二種是電磁閥加位置開關模式，也通過現場手動操作或遠程操作，使電磁閥短時間斷電，閥門開始動作，一旦到達設定點，位置開關檢測到信號，人工重新給電磁閥上電。

人工法測試的優點是硬件投資成本較低；缺點是需要非常高的人力成本，而且測試過程只有電磁閥和閥位開關可以監測到閥門動作，在測試過程中具有人為因素影響和連鎖回路暫時失效的風險。

3.2 額定閥門控制器法

將微處理器模塊、接近式開關、電磁閥、閥位變送器及測試按鈕等硬件集成閥門控制器，閥門控制器具有在線診斷和監視功能。PST 是嵌入在控制器中的一個標準功能塊，可以把測試間隔和部分行程的設定值作為固定參數輸入閥門控制器，選擇模式，進行PST 調教。控制器提供了信號狀態，配合相應的智能診斷系統使用，可以實現自動測試，向工程師提供實時閥門狀態信息。額定閥門控制器PST 方式原理見圖1。

圖1 額定閥門控制器PST方式原理

以艾默生公司的TopWorx D- ESD 閥門控制器為代表介紹測試步驟：

將額定閥門控制器裝配到閥門上，接通24VDC 電源，PST 位置在分度凸輪上被設置為從全開位置起的10%～20%。按下傳感器控制模塊上的按鈕保持5s，即可以標定閥門。標定期間自動執行PST，在非易失性存儲器中記錄行程時間。此時，閥門即已完成標定。

測試時，按下外部的PST 測試按鈕或通過控制系統的遠程脈沖DO，電磁閥的供電被瞬間中斷，電磁閥關閉緊急切斷閥門至設定部分行程位置（PST 位置），然后電磁閥得電，通過接近開關向控制系統輸出閥門位置信號。若測試期間沒能夠在標定的記錄時間內達到預先設定的測試位置，電磁閥會重新得電，閥門回到原始狀態，消除所有空氣從執行機構排出的風險。若PST 失敗，反饋到控制系統的DI 將顯示開路報警，此時可以通過傳輸到控制系統的脈沖DI 信號提供錯誤編碼，將自診斷信息提供給工程人員，實現預測性維護和預警報警。在這種情況下，必須對切斷閥進行計劃維護，以確保安全儀表系統的SIL。若PST 期間收到系統緊急切斷信號，以系統緊急切斷信號優先，確保閥門在緊急情況下正常切斷。

額定閥門控制器法測試的優點是閥門控制器一體化配置、占用空間小、測試流程簡單、具備自診斷功能、成本較低；缺點是不具備HART 通訊功能、沒有配套的診斷軟件、診斷列表相對簡單、智能化程度不高。

3.3 數字式閥門控制器

數字式閥門控制器（智能型閥門定位器）通常采用模塊設計，集成多種傳感器，自帶HART 協議功能。數字式閥門控制器可以模擬緊急連鎖測試，通過內部程序設定部分行程點。通過PST 功能，數字式閥門控制器可以計算彈簧范圍、膜頭壓力、壓力差以及響應時間，檢測閥門的摩擦力大小并計算具體的數值。在整個測試過程中，可以以編程的方式輸入控制器，在無須操作人員關注的情況下自動進行PST。通過與其配套的智能軟件，可以得到閥門PST 測試的閥位- 壓力變化曲線，根據曲線進行閥門性能退化分析，分析結果通過Hart 傳輸到控制系統進行分析和診斷，為閥門維修提供依據。數字式閥門控制器PST 方式原理見圖2。

圖2 數字式閥門控制器PST 方式原理

帶有PST 功能的數字式閥門控制器品牌很多，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 為例介紹：

工程師可以通過遙控的方式遠程進行DVC6200SIS 的PST 功能測試，使閥門運動到一個預先設定的開度值。設定開度值可調，最多為全行程的30%。利用DVC6200SIS 進行階躍響應測試和閥門性能測試，閥門的運行狀況和自身的健康狀況均可以被測試出來。

定位器的PST 功能參數可以通過Valve link 軟件和HART 手操器進行組態。

（1）PST 開度變化設定值默認為15%，可以選擇1%～30%。

（2）測試速度默認為0.25%，可以選擇1.00%、0.50%、0.25%、0.12%和0.06%。

（3）間歇時間（閥門關到設定值后，開始開啟閥門時的間隔值）默認為5s，可以選擇5、10、15、20、30s。

（4） Loop+ 和Loop- 連接控制系統來的4 ～20mA 信號，Aux+ 和Aux- 連接PST 測試按鈕。

（5）閉合Aux+ 和Aux- 端子3～5 s，斷開，啟動PST 功能測試。

此方法的優點是操作簡單，可以實現遠程觸發PST 功能借助軟件進行閥門性能評估，及時報告現有或潛在的閥門故障；缺點是帶有此功能的定位器價格較高，調試難度較大。惠生海洋工程2017 年交付給比利時某船東的FLNG 船項目成功應用該測試方法。

4 結語

PST 能夠在不降低整個切斷閥SIL 等級的情況下延長全行程測試的間隔，對生產安全及企業效益具有非同尋常的意義。在實際項目應用中，設計人員應根據項目投資情況及對工藝流程的安全分析，確定SIS 系統緊急切斷閥的PST 方式，并在確定SIL 等級的基礎上確定PST 間隔。