儀表閥門對安全儀表系統可靠性的影響研究

［摘 要］儀表閥門作為安全儀表系統的重要組成部分，具有控制流體介質流動的關鍵作用，能夠調節壓力、流量和液位等參數，確保系統在正常工作范圍內運行，防止事故的發生。文章針對儀表閥門對安全儀表系統的可靠性進行研究，以期為工業生產安全提供參考。

［關鍵詞］新時期儀表閥門；安全儀表系統；可靠性影響

［中圖分類號］TP273 ［文獻標志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）03–0096–03

近年來，隨著工業生產的不斷發展和技術的進步，安全問題成為人們關注的焦點。安全儀表系統作為一種重要的安全控制手段，被廣泛應用于各行業。其通過對工藝參數和狀態的監測與控制，能夠及時發現并解決潛在的安全隱患，保障生產過程的安全穩定運行。

1 儀表閥門及安全儀表系統的作用

1.1 儀表閥門的作用

儀表是用于測量、監視或控制系統中的過程變量的一種設備或工具，旨在為高效運行和安全提供準確可靠的數據。儀表包括多種設備，如傳感器、發射器、控制器、分析儀和指示器，負責收集有關過程變量的信息，將其轉換為適當的信號，并將數據傳遞到控制系統。儀表的主要功能是測量和監測關鍵的過程變量，如壓力、溫度、液位、流量、pH 值、電導率等，提供實時數據，使操作員能夠有效地理解和控制工藝條件。儀表在保持過程的穩定性與防止可導致危險情況的偏差方面發揮著至關重要的作用。通過持續監測變量，儀表使操作人員能夠監測到異常情況，啟動糾正措施，并確保過程在安全范圍內運行。

閥門是用來通過打開、關閉部分阻塞通道來控制流體或氣體流動的機械裝置。閥門可調節流量、壓力和液位，以確保工藝系統正常運行，防止過壓或欠壓情況發生。控制閥通過響應來自儀表系統的控制信號，在維持所需的工藝條件方面起著至關重要的作用，根據控制算法調節介質流，以實現對過程變量的精確控制。

1.2 安全儀表系統的作用與構成

安全儀表系統（SIS）是工藝行業不可分割的組成部分，負責確保設施和人員的安全與完整性。SIS的主要功能是檢測過程中的危險條件或事件，并啟動響應，使過程處于安全狀態。在正常過程控制系統無法預防或減輕潛在風險的情況下，其作為一種故障安全機制。SIS 的組成可根據過程的復雜性和所需的安全水平而有所不同。

傳感器在SIS 中，通過持續監測過程參數如壓力、溫度、流量、液位等，將物理量轉換為可由SIS 處理的電信號。發射機接收來自傳感器的電信號，并將其轉換為標準化信號（如4～20 mA），以傳輸到控制邏輯。控制器接收來自發射機的信號，并執行必要的計算和邏輯，根據預定義的控制算法確定適當的響應，如可編程邏輯控制器（PLC）或基于微處理器的專用安全控制器。邏輯求解器是SIS 的中央處理單元，接收來自控制器的輸入，并執行復雜的邏輯操作，如比較、決策和排序，以確定要采取的適當操作。最終控制元件，如控制閥和緊急關閉閥，用于根據來自SIS 的控制信號來控制過程中的流量、壓力或液位，可啟動打開或關閉閥門等操作，以確保過程在安全范圍內運行。SIS 包括警報、跳閘和聯鎖，以提供異常情況的早期預警，啟動保護措施，防止危險事件發生。安全關閉系統是SIS 的關鍵組成部分，旨在在危險情況下迅速將過程帶到安全狀態，通常設計為冗余和不同的架構，以確保可靠性和可用性。

2 安全儀表系統的可靠性分析

SIS 被設計為一種故障安全機制，其可靠性對預防或減輕危險事件至關重要。PFD 是衡量SIS 在需要時無法執行其功能的可行性，表示一種危險的情況未被SIS 發現或不受控制的概率。可靠性標準和法規通常規定SIS 的不同安全完整性級別（SILs）的最大允許PFD（工程設計圖），需求范圍從可接受的失敗率到百萬需求事件中的一個失敗。SIL 是由SIS 提供的風險降低的一種措施，有不同的SIL 水平，從SIL1（最低）到SIL4（最高），SIL 水平越高對可靠性和風險降低的要求就越嚴格，為一個特定的應用程序選擇適當的SIL 水平取決于潛在危險的嚴重程度和組織的風險承受能力。MTBF（可靠性指標）是SIS 可靠性的度量，表示兩次故障之間的平均時間，表示系統在不發生任何嚴重故障的運行能力，MTBF 值越高說明可靠性越高。可用性是衡量SIS 運行和能夠執行其安全功能的時間百分比，高可用性可確保系統在異常情況或危險事件發生時隨時準備好做出響應。DC（故障覆蓋率）是衡量SIS 檢測和診斷內部故障的能力，表示系統通過持續的監控和自檢可檢測到的故障的百分比，高直流值體現在潛在故障導致危險條件之前檢測到潛在故障的概率。

3 儀表閥門對安全儀表系統可靠性的影響體現

3.1 技術先進性影響

由于技術的進步，儀表閥門對SIS 可靠性的影響意義重大。智能閥門、自診斷能力、無線通信和改進的耐久性都有助于提高SIS 的可靠性。

采用具有智能技術和自我診斷能力的先進儀表閥門，可幫助盡量減少計劃外的關閉和系統故障，可顯著減少停機時間，可使整體系統可用性大幅提高。通過持續監測系統參數和自動調節閥門設置，高級儀表閥門有助于提高系統正常運行時間，提供更高的整體運行效率，可使正常運行時間大幅增加。儀表閥門的自我診斷能力可幫助在早期階段識別潛在的問題或故障，允許主動維護，并降低昂貴的維修或部件更換的概率，可大幅減少維護成本。通過防止故障和確保對流體流動的適當控制與調節，先進的儀表閥門的實施可有助于建立一個更安全的工作環境和減少安全事故，可大幅減少安全事故。

在儀表閥門中使用數字組件和先進材料，可提高對惡劣環境、腐蝕和磨損的抵抗力，提高閥門的耐久性和可靠性，確保其在SIS 內的長期性。

3.2 故障預警和自診斷功能

3.2.1 減少停機時間

在儀表閥門中實現故障早期預警和自我診斷功能，可幫助在早期階段識別潛在的故障或故障，允許及時的維護和維修，減少SIS 的整體停機時間，促使工業生產停機時間大幅減少。儀表閥門具有故障預警和自診斷功能，可防止安全儀表系統的災難性故障，提高系統的整體可靠性，確保其在關鍵情況下有效地運行，自我診斷功能可幫助識別故障的根本原因，允許有針對性的故障排除和修復，進一步提高系統的可靠性。

3.2.2 提高安全性

早期發現和診斷儀表閥門的故障可顯著提高工業過程的安全性，通過及時發出警報或信號，操作員可立即采取行動，防止發生事故或出現安全風險，可大幅減少安全事故。通過集成儀表閥的故障預警和自診斷功能，全面提高安全儀表系統的安全性，故障的早期檢測允許操作人員立即采取行動，如隔離故障閥門或啟動緊急停機程序，以防止危險情況升級。

3.2.3 降低維護成本

儀表閥門自我診斷功能能夠及早發現潛在的故障或故障跡象，使維修人員能夠及時采取行動，防止故障的升級，從而減少緊急維修的需要，自我診斷功能允許進行有針對性的修復，識別和解決故障的具體原因，從而避免不必要的維護工作。

3.2.4 提高系統的可靠性

儀表閥門中故障預警和自我診斷功能的結合，有助于提高安全儀表系統的整體可靠性，如通過及時檢測和處理潛在的故障，提高系統的性能和可用性，可大幅增加系統的可靠性。

3.3 防誤操作功能

3.3.1 事故預防

實施密碼鎖、指紋識別等防錯誤操作功能，可顯著降低人為操作失誤發生事故的可能性。增強的安全協議、防止錯誤的操作功能可強制執行嚴格的安全協議和程序。通過要求用戶輸入密碼或使用生物識別技術，對關鍵系統或流程的訪問只能限于經過培訓和授權的人員，有助于防止未經授權的個人發生錯誤操作。實施錯誤預防操作功能促進操作程序的標準化，通過為執行某些操作設定預定義的步驟或要求，減少出現偏差或錯誤的風險，確保一致性，并減少可能危及安全的錯誤發生的機會。

3.3.2 設備故障預防

防錯誤操作功能旨在防止未經授權的訪問和對儀表閥門的不當調整，從而減少因人為失誤造成的設備故障，延長儀表閥門和其他設備的壽命。未經授權的篡改或不正確的調整可能會導致機械應力、磨損或對關鍵部件的損壞。具有適當的訪問限制和保障措施后，此類事故的風險可大幅降低，從而延長設備壽命，降低故障頻率。設備的故障預防功能有助于提高設備的可靠性。通過防止未經授權的訪問，操作人員無法做出未經授權可能影響設備性能或可靠性的更改或調整。這確保了設備保持正常的工作狀態，并減少運行過程中發生故障的風險。

3.4 數據采集和分析功能

新時期，儀表閥門通常具有數據收集和分析功能，允許對設備和工藝參數進行實時的數據采集、分析和評估，有助于更好地了解設備的運行狀態，預測設備故障，并實施適當的措施，以提高SIS 的可靠性和穩定性。例如，在某制造工廠中，安裝具有數據收集和分析功能的儀表閥門，作為安全儀表系統升級的一部分。這些閥門不斷地收集有關壓力、溫度和流量等參數的數據。使用先進的算法對收集到的數據進行分析，并與歷史趨勢進行比較。6 個月的時間里，數據收集和分析功能成功地確定其中一個閥門的壓力波動逐漸增加，通過預測分析，確定該閥門正在接近一個臨界閾值，表明其即將失效，這些信息促使維修團隊在閥門可能發生安全事件或生產中斷之前，安排主動維修和更換閥門。通過監測和分析收集的數據的時間變化，發現一個特定的閥門在特定的工藝條件下表現出異常的流量變化。通過進一步分析，確定該閥門需要調整，以優化其性能，確保一致運行。

4 結束語

儀表閥門對SIS 可靠性有十分重要的影響，所以要重視可提升儀表閥門精確度的先進技術。儀表閥門精確度越高，降低SIS 發生泄漏風險的可能性就越高，從而可提升SIS 的可靠性，這對于保障工業過程的安全性和穩定性具有重要意義。

參考文獻

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