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浙江工业大学硕士学位论文 安全联锁回路检修周期及可靠性计算方法研究 摘要 随着石油、化工装置的经济规模日趋大型化，生产装置的密集程度 越来越高，对操作、控制及安全的要求也越来越严格。石化装置的产品 一般都属于易燃、易爆或有毒介质，生产过程稍有闪失就会酿成灾难性 的事故，造成生产、设备、人员等方面的重大损失。作为过程工业安全 的重要保障，确保过程工业安全联锁系统本身的可靠性对于过程工业的 安全具有重要意义。 论文探讨使用马尔可夫过程法( m p a ) 来计算安全联锁可修复系 统在不同检测周期下的可靠性问题。把安全作为过程工业生产的前提 是大家的共识，因此，对石化生产装置控制与联锁系统的可靠设计，尤 其对装置的检测周期设计极为重要，既要使系统的可靠性达到i e c 6 1 5 1 1 标准规定，又要企业的经济效益最高。 本文提出了应用于安全联锁回路的安全等级计算的方法，建立了周 期性检修情况下的可修复安全联锁回路的马尔可夫模型，引入了安全失 效的概念，给出了具体的理论推导过程，编写了应用程序来实现运算。 着重讨论了使用马尔可夫过程法( m p a ) 对安全联锁系统进行可靠性计 算时，依据安全联锁系统内仪表的组成将失效分为安全失效和危险失 效，对系统不同结构建立马尔可夫模型进行运算。对安全联锁系统的可 靠性指标在不同检修周期下的计算结果进行比较，结合可靠性与经济性 浙江工业大学硕士学位论文 确定检修周期。使用了失效模式与影响分析和危害( f m e a ) 方法分析 产品中每一个潜在的失效模式并确定其对产品所产生影响，以及把每一 个潜在的失效模式按它的严重程度及其发生概率予以分类，设计产品失 效调查问卷，对产品的失效率进行统计分析。本文使用贝叶斯( b a y e s ) 理论结合文献数据和工程试验数据，增加样本容量，解决产品本身 可靠性高，试验时间长，试验样本不足造成可靠性指标估计不准确 的问题。最后用马尔可夫过程法( m p a ) 确定加氢裂化装置联锁回路的 安全等级。 关键词：安全联锁，安全等级，失效率，m a r k o v 模型，误跳车， 危险失效率 i i 浙江工业大学硕士学位论文 r e s e a r c ho np r o o ft e s t i n ga n di t se f f e c to nt h e r e l i a b i l l t yc a l c u l a t i o no fs a f e t yi n s t r u m e n t e d s y s t e m a b s t r a c t 1 n h et r e n do fe n l a r g e m e n to fm o d e mp e t r o c h e m i c a li n d u s t r yd e m a n d sm o r ea n d m o r es e v e r es a f e t yr e q u i r e m e n tf o ro p e r a t i o na n dc o n t r o l l i n go f p r o c e s sp l a n t s i n c em o s t m a t e r i a l si np e t r o c h e m i c a l 黜f l a m m a b l ea n de x p l o s i v e ，s e v e r el o s s ( h e a l t h ，e c o n o m i c a n de n v i r o n m e n ow a so c c u r r e do c c a s i o n a l l yd u et om a l o p e r a t i o no fp l a n t s a so n eo f m a i np r o t e c t i o nm e a s u r e sf o rp r o c e s ss a f e t y , t h er e l i a b i l i t yo fs a f e t yi n s t r u m e n t e ds y s t e m i so f g r e a ti m p o r t a n c e i nt h i st h e s i s ，t h et e c h n i q u eo ft h ec a l c u l a t i o no ft h es a f e t yl e v d so ft h es a f e t y i n s t r u m e n t e ds y s t e mi sp u tf o r w a r dw i t ht h ec o n c e p to ft h es a f ef a i l u r e t h ep r o g r a mi s c o m p i l e dt oa c h i e v et h er e s u l t sa c c o r d i n gt ot h ep r o c e s so ft h et h e o r yc a l c u l a t i o n t h e m e t h o do f m a r k o vp r o c e s si su s e dt oe a l c u l m et h er e l i a b i l i t yi n d e xo f t h er e p a i r a b l es a f e t y i n s t r u m e n t e ds y s t e m 1 1 1 er e l i a b i l i t yd e s i g n so ft h ep e t r o c h e m i c a lp l a n ta n dt h es a f e t y i n s t r u m e n t e ds y s t e m ，e s p e c i a l l yt h ed e s i g no ft h ep r o o ft e s ti n t e r v a li r et h em o s t i m p o r t a n ta s p e c ti nt h ed e s i g no ft h es a f e t yo ft h ep r o c e s st oe n s u r et h mt h es y s t e m r e l i a b i l i t yi n d e xr e a c h e st h er e q u i r e m e n to f t h ei n t e r n a t i o n a ls t a n d a r di e c 6 1 5 1 la sw e l l a st h eb e n e f i to f t h ee c o n o m i ct a r g e t i nt h i sp a p e r , t h em e t h o do fm a r k o vp r o c e s si sm a i n l yd i s c u s s e dt oe v a l u a t et h e s a f e t yi n t e g r i t yo ft h es a f e t yi n s t r u m e n t e ds y s t e m t h ef a i l u r e sa r ec l a s s i f i e db yt h e s t r u c t u r eo ft h ei n s t r u m e n t si nt h es a f e t yi n s t r u m e n t e ds y s t e mi no r d e rt oc a l c u l a t et h e f a i l u r er a t e sw h i c ha r et h eb a s i so ft h ec a l c u l a t i o no ft h er e l i a b i l i t yi n d e xo ft h es a f e t y 1 1 1 浙江工业大学硕士学位论文 i n s t r u m e n t e ds y s t e m t h ep r o o ft e s ti n t e r v a li sd e t e r m i n e dc o n s i d e r i n gt h ee c o n o m i c p r o b l e ma n dt h es a f e t yi n t e g r i t yw h i c hi sb a s e do nt h ec a l c u l a t i o n so f t h er e l i a b i l i t yi n d e x i nd i f f e r e n tp r o o ft e s ti n t e r v a i i nt h i st h e s i s t h em e t h o do ff a i l u r em o d e sa n de f f e c t a n a l y s i s ( f m e a ) i su s e dt oa n a l y z et h ep o t e n t i a lf a i l u r em o d e so ft h ep r o d u c ta n dt h e e f f e c t st ot h ep r o d u c t e v e r yp o t e n t i a lf a i l u r ei sc l a s s i f i e db yt h es e v e r i t yi tc a u s e da n dt h e f r e q u e n c yi th a p p e n e d t h e n ，t h eq u e s t i o n n a i r ea b o u tt h ep r o d u c ti sd e s i g n e dt o i n v e s t i g a t et h ec u s t o m e r st og e tt h ed a t ao ff a i l u r em o d e sa n dt h ef a i l u r er a t e so fe v e r y f a i l u r em o d e sa r ec a l c u l a t e db yt h ed a t a i nt h i sp a p e r , e v a l u a t i o nm e t h o do fi n v a l i dn l t e s f o rt h ee x p o n e n t i a ld i s t r i b u t i o n sa 肥p r o p o s e d b a s e do nt h ee x a c tb a y e se s t i m a t o r s c o n s i d e r i n gt h ec o m b i n a t i o no f t h el i t e r a t u r ed a t aa n dt e s td a t a t h el i t e r a t u r ed a t aa n dt h e t e s td a t aa r ef u l l yc o m b i n e db yt h ep r o p o s e dm e t h o d w h i c hi m p r o v e st h ea c c u r a c yo f t h e e s t i m a t i o no ft h ei n v a l i dr a t e s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e dm e t h o di so fg o o d p r a c t i c a b i l i t ya n dg u i d a n c ei np r a c t i c e a tl a s t ，t h es a f e t yi n t e g r i t yo ft h es a f e t y i n s t r u m e n t e ds y s t e mo f t h eh y d r o c r a c k e ri sa c q u i r e db yt h em e t h o do f m a r k o v p r o c e s s k e yw o r d s ：s a f e t yi n s t r u m e n t e ds y s t e m ，s a f e t yi n t e g r i t y , f a i l u r er a t e s ，m a r k o v m o d e l ，m t t f s ，p f d 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研 究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包 含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业 大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名： 多正日期：矽年修月如e t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保姒 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：弓正 导师签名：膨 日期：矽年西月；d 日 日期：刀年，月；日 浙江工业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究的背景及意义 随着科技的发展，近年来安全联锁系统( s a f e t yi n s t r u m e n t e ds y s t e m ，s i s ) 在过 程工业的应用越来越广泛。安全联锁系统是石化企业安全生产的重要保障。石化行 业涉及的工艺过程十分复杂，不少设备运行在高温、高压、低温的工作条件下，对 装置的安全提出了很高的要求。特别是随着设备国产化、长周期运行等要求的提出， 更对安全联锁系统的可靠性提出了更高的要求。作为过程安全的最后屏障，装置正 常运行时，安全联锁系统作为后台监控系统不参与过程安全调节。仅当控制系统出 现异常时，为避免危险情况的发生，或减缓由于过程安全事故造成的后果，联锁系 统立即执行动作羽。 研究表明，对过程工业而言，发生安全事故时，往往表现为容器或设备损坏， 造成物料泄漏、可燃烧物燃烧或爆炸等，而引发容器或设备出现上述问题的原因往 往可以追溯到安全联锁系统的可靠性。据统计，容器设备( 包括容器、管道等) 的 失效概率为l 旷1 0 - 8 次年，而仪器仪表( 包括现场仪表及执行单元) 的失效概率 高达l o - 2 l f f 3 次年。可见，联锁系统的安全是过程安全的决定性因素。对一些重大 安全事故的调查发现，联锁系统安全性不足，往往直接导致严重的灾难性后果。2 0 0 5 年3 月2 3 日发生在b p 德州炼油厂的爆炸及火灾事故造成1 5 人死亡，1 7 0 多人重伤， 事故原因查明是联锁系统中的液位传感器失效造成的。虽然事发前，相关机构已经 对该装置的联锁系统进行了安全评定并提出了相应的改进意见，但由于重视不够， 并未及时对上述传感器进行改进，导致了事故的发生1 3 1 。2 0 0 5 年1 1 月1 3 日发生于 吉林化工厂双苯厂车间的爆炸事故，造成6 人死亡、数十人受伤及松花江特大污染 事故，造成了巨额的经济损失，事故原因查明是由于操作工误操作引起。此类事故 中联锁系统的设置与否、设置后的安全等级是否合适都是导致此类事故的直接原因。 针对上述问题，为确保石化企业的安全生产，有必要对石化行业的安全联锁系 统开展定量评估。通过定量安全评估及时查找联锁系统中存在的问题，为石化企业 第一章绪论 的安全奠定基础。全程安全联锁系统定量安全评定对于装置的安全性十分重要。在 项目的建设阶段，通过对建设项目拟采用的安全联锁系统进行定量安全评定，可以 有效地发现联锁系统中存在的安全问题，从而为改进联锁系统提供科学建议。在装 置运行阶段，通过对安全联锁系统定量安全评定，可以及时发现系统中存在的联锁 过度或联锁不足的问题，从而为及时采取有效措施控制风险提供参考。 因此，要杜绝由于联锁系统不安全而造成的事故，必须对联锁系统的安全性进 行正确的认定。随着技术的发展，过程工业正日趋向规模化、复杂化方向发展，工 艺复杂程度的提高对过程工业的安全提出了更高的要求，作为过程安全的重要保障， 确保过程工业安全联锁系统本身的安全性对于过程工业的安全具有重要意义。开展 过程工业定量安全评定，其意义体现在： 安全联锁系统定量评定对于确保安全生产至关重要： 经安全联锁系统定量评定后，可有效防止因联锁过度和联锁不足所导致的安全 隐患： 通过对安全联锁系统进行失效模式及后果分析( f m e a ) ，对明确安全联锁系 统的安全要求，实现安全生产具有重要意义； 安全联锁系统定量评定正处于发展阶段，是过程工业安全研究的发展方向。 随着国内安全意识的提高，积极寻求有效措施控制生产过程的安全风险已逐渐 成为业内的共识。在装置安全性检查方面，现有的技术已经从最初的计划性维修， 预防性维修，发展到目前国内石化行业正在开展的基于风险的检验技术( r i s kb a s e d i n s p e c t i o n ，r b i ) ，这些安全检查与评定技术的开展为确保过程工业的安全起到了很 好的促进作用。作为一种最新的安全管理技术，过程工业安全联锁系统( s i s ) 定量安 全评价( s a f e t yi n t e g r a t e dl e v e l ，s 1 l ) 是在r b i 之上的基于风险的资产管理技术，可 以为提高企业安全水平及经济效益起到重要的促进作用。可见，接轨国际最新的安 全研究成果，在我国开展过程工业联锁系统定量安全评定，必将大大促进我国石化 行业安全生产水平的提高，是今后安全管理的发展方向。 在过程工业中，联锁系统的安全性对于事故的影响十分巨大，由于过程工业中 的安全事故通常会造成人员伤亡和巨额财产损失，因此开展过程工业联锁系统定量 安全评定对于确保过程工业安全具有重要作用。统计资料表明，过程工业中，由于 2 浙江工业大学硕士学位论文 对联锁系统的安全要求不合理以及投产后的项目改造过程中对联锁系统的改建不恰 当所造成的安全事故在全部事故中所占的比重最大【4 】。 国际上对安全联锁系统的安全评定近年来有了很大的发展，国际电工学会 ( i e c ) 在1 9 9 8 年制定了针对通用电子系统安全评定的i e c 6 1 5 0 8 系列标准，在此 标准基础上，因为过程工业的问题突出，在2 0 0 3 年i e c 又制定了i e c 6 1 5 1 1 系列标 准，专门针对过程工业仪表控制系统的安全评定【5 】l “。 在i e c 6 1 5 l1 中，不仅有理论方法的介绍，也有具体的计算方法和国际大厂多 年来实际运行获得的各种数据，可供用户采用标准并进行定量运算。i e c 6 1 5 1 l 的制 定，使得以往无法具体进行，或者只能凭经验定性估计的联锁系统的安全评定工作 上升到了可以定量计算，确定安全等级的程度。通过对联锁系统内的传感器，逻辑 运算器，执行器等设备可靠性的计算，然后根据联锁系统的逻辑运算图，就能对整 个联锁回路做进一步的计算，算出该联锁回路的安全等级。并可根据用户要求，针 对某个具体改进，定量算出它所能带来的整个联锁回路的安全等级的提高程度。 安全联锁系统定量安全评定自产生以来，由于其对过程工业安全所起的巨大作 用，已经成为确保过程工业安全必不可少的重要组成部分。通过安全联锁系统定量 安全评定评定，可以发现有许多装置存在着过度联锁或者联锁不足的问题，并针对 评定结论，提出各种有效的改进措施。一些国家的使用经验表明，通过采用国际先 进技术对装置的安全联锁系统进行评定，对于提高企业安全水平，减小和避免安全 事故的发生都具有十分重要的意义。 国际上对i e c 6 1 5 1 1 标准非常重视，欧盟已经完全采用了i e c 6 1 5 1l 标准对安全 联锁系统系统进行安全评定，美国在将它转化成美国标准后也将采用。在亚洲，新 加坡、日本等国已经采用了此标准。世界著名的公司，如壳牌石油、道化学公司、 美孚石油、新加坡石化公司等都通过应用该标准，取得了良好的社会、经济效益。 i e c 6 1 5 1 1 在很多国家已经成为或者即将成为强制性标准，要想和国际接轨，就 必须尽早采用该标准。目前，国内在过程工业开展针对安全联锁系统进行的定量评 定的工作正处于起步阶段。如果能根据国际标准，对过程装置的联锁系统进行评定 和提出改进意见，一方面能提高过程工业安全联锁系统的安全性，提高企业经济效 益；另一方面通过开展此类研究，取得的成果还能填补国内空白，并为其他装置的 3 第一章绪论 联锁系统的安全评定提供经验。 1 2 安全评定目标与内容 过程工业安全联锁系统定量安全评定的目标主要是通过对安全联锁系统的定量 安全评定，掌握安全联锁系统及其子系统的安全等级，依据安全等级的实现程度确 定是否需要对联锁系统进行改进。改进过程分为两个方面，对于安全联锁系统未达 到安全等级要求的联锁回路增加必要的联锁系统，以提高系统的安全性：对于评定 结果已经达到安全等级要求，但存在过度联锁的回路，按要求拆除部分过度联锁的 回路，以提高系统的可靠性，减小系统误跳车概率。 评定内容主要包括对安全联锁系统内硬件、软件的安全功能实现情况作出定量 的评定结果；在安全联锁系统的生命周期内，评定内容包括过程工业存在的风险分 析、失效模式及后果分析( f a i l u r em o d ea n de f f e c ta n a l y s i s ，f m e a ) ，联锁系统综合 安全等级要求，联锁系统安全功能的分配、联锁系统软硬件功能安全性评定、联锁 系统设计、安装、改造及处置过程中的安全性评定、操作规程、文档的安全检查、 人员配置安全检查等方面。 1 3 安全评定程序 安全联锁系统的定量安全评定依据其评定阶段不同，可分为设计阶段定量安全 评定、运行过程中的定量安全评定以及改扩建过程的安全评定等几个方面。在进行 安全联锁系统定量安全评定工作后，依据安全联锁系统本身的定量安全评定结果， 可对存在潜在安全问题的设备进行失效模式及失效后果的定量分析。总的评定程序 如图卜1 所示。 4 浙江工业大学硕士学位论文 图卜1 安全联锁系统定量安全评定流程图 1 4 安全评定技术 安全评定技术中，如专家打分法( e x p e r t a n a l y s i sm e t h o d ) 、事故树分析( f a u r t r e 它a n “y s i s ，f t a ) 、可靠性框图( r e l i a b i l i t yb l o c kd i a g ，r b d ) 、失效模式及后果 分析( f m e a ) 、马尔科夫过程( m a r k o v ) 及增强型马尔科夫过程( e n h a n c e dm a r k o v ) 等方法均可以用于系统的安全评定。但在过程工业中，定性或半定量的安全评定技 术，如专家分析法、事故树分析法等已不能满足过程工业联锁的安全评定。在大量 的安全评定方法中，一些使用过程相对简单，但只能提供定性的结论，如专家打分 法等。而有些则相对复杂，但却可以提供更加定量的结果，如马尔科夫模型等 7 1i s 。 关于安全评定技术的分类如图l - 2 所示，分为定性安全评定和定量安全评定技术。 图1 2 安全评定技术分类 第一章绪论 定性安全评定技术：专家打分法，失效模式及后果分析( f 巳a ) 定量安全评定技术：事故树分析( f t a ) ，部件数分析( p a r t sc o u n ta n a l y s i s ) ， 可靠性框图( r b d ) ，马尔科夫过程( m a r k o v ) 增强型马尔科夫过程( e n h a n c e dm a r k o v ) 在进行联锁系统的定量安全评定时，为将传统的定性评定升级为更加精确的定 量评定，相关国家或国际组织制定了联锁系统定量安全评定标准应运而生，专门用 于联锁系统的定量安全评定。 依据i e c 6 1 5 1 l 标准规定，对于一般的安全联锁系统，不同安全等级对应的失 效概率如表1 1 所示： 表1 1i e c 6 1 5 1i 标准规定的联锁安全等级及失效概率 指令操作模式 安全等级( s i l )指令模式下的平均失效概率风险降低目标 41 0 _ 5 1 0 4l o o o 啦l o o o o o 31 0 4 1 0 - 31 0 0 0 1 0 0 0 0 2 1o 3 1 0 - 2l o o l o o o l1 0 - 2 1 0 11 队1 0 0 依据联锁系统所具有的失效概率，即可确定联锁系统所具有的安全等级。当联 锁系统的安全等级为s i l l 级时，表明联锁系统至少具有将风险降低l 肌1 0 0 倍才能 便装置达到自然人可接受的风险水平【9 】。 危险失效率( p r o b a b i l i t yo f f a i l u r eo nd e m a n d ，p f d ) 及误跳车( m e a nt i m et o f a i l u r es p u r i o u s ，m t t f s ) 是联锁系统定量安全评定中两个重要指标【l o j 。随着科学技 术的发展，系统的复杂程度越来越高，并且系统的构成也发生了很大的变化，使得 系统可靠性和可用性分析面临着巨大的挑战。在安全联锁系统的运行过程中，使用 不同的检修周期对于该系统的可靠性指标有明显的影响。对于联锁系统中危险失效 率和误跳车的计算，需要联锁系统中各元件的失效率的数据，通过对失效记录资料 进行统计分析，获取有价值的信息，从中发现规律。失效率是基于大量的数据基础 上的，如没有对数据的收集规定统一的格式要求以使数据反映出基本的共性特征和 个性特征，这样的数据就难以借鉴应用，由此得到的失效率会有较大误差。因此， 6 浙江工业大学硕士学位论文 必须重视失效数据的记录完整性和准确性。为了获得必要的数据，验证试验工作量 非常大，而根据现有数据库的数据、现有的工程报告和技术资料推算零件的基本失 效率，难度很大，以前的数据，很多仅限于说明失效，而没有失效模式和失效判据， 这使数据的分析产生误差，失去意义1 1 1 】【1 2 】。因此，为了得到产品失效数据，本文使 用失效模式与影响分析( f m e a ) 方法对某件产品进行分析，设计了产品失效调查 闯卷。随着科技的发展，在对产品的可靠性指标进行估计时，由于产品本身可靠性 高、试验时间长和试验样本少，往往遇到试验样本不足的问题，有时甚至造成可靠 性指标无法估计，而经典的可靠性指标估计方法仅仅利用当前的可靠性试验数据， 由于贝叶斯理论能够充分结合历史数据和工程数据，因此，本文采用贝叶斯( b a y e s ) 理论对产品元件的失效率进行计算，解决样本容量不足的问题【】。 1 4 1 失效模式与影响分析( f m e a ) 概述 失效模式与影响分析( f m e a ) ：分析产品中每一个潜在的失效模式并确定其对 产品所产生影响，以及把每一个潜在的失效模式按它的严重程度予以分类的一种分 析技术【1 4 】| 1 5 】。 失效模式与影响分析( f m e a ) 主要用于分析研究产品使用过程中实际发生的 失效、原因及其影响，为评估论证、研制、生产各阶段的f m e a 的有效性和进行产 品的改进、改型或新产品的研制提供依据【1 6 】。 1 4 2 马尔可夫过程分析( m p a ) 概述 马尔科夫模型用于安全联锁系统可靠性计算时，依据联锁系统内仪表的组成， 通过对各种失效可能进行分析，绘制出相应的马尔科夫模型。在模型中一般应对联 锁系统内仪表或设备的可检测失效、不可检测失效、安全失效及危险失效进行分类。 对于可检测失效，依据联锁系统的检修策略，还应对由于检修发现的失效率进行相 应处理。马尔科夫模型提供的最终结果包括系统发生安全失效的概率( 误跳车概率) 、 系统发生可检测危险失效的概率及不可检测的危险失效的概率等。利用马尔科夫过 程提供的状态转移矩阵，还可以计算出联锁系统发生一次误跳车的周期【1 7 1 1 5 o 7 第一章绪论 1 4 3 元件失效数据采集和失效率计算概述 可靠性现场数据贯穿于产品设计、制造到使用维修的全过程。其中，来自于产 品使用现场的数据，是用来分析可靠性的主要资料。现场数据中来自对用户进行抽 样调查的，为较能准确反映实际情况，数据应尽量真实可靠，需要对现场数据进行 统计分析，确定元器件的失效率，才能进一步计算系统的失效率。对系统元件进行 失效率数据统计分析的方法有乘积限法、“随机截尾”观测的参数方法、蒙特卡洛 ( m o n t e - c a r l o ) 随机模拟方法1 1 9 】等，但以上方法只以失效率的工程试验数据为基础 进行计算，没有考虑文献中的数据或文献中关于某类元件的失效率的经验值。 1 5 存在问题 过程工业中所用的安全联锁系统都是可修复系统，并且在实际应用中，为了提 高安全联锁系统的可靠性，往往采取了维修手段。以往在使用马尔可夫模型进行系 统可靠性指标的运算时，并没有将检修周期的情况考虑进去，但是，在实际工程中， 系统的周期性检修是常用的维护手段。石化行业联锁系统的安全评定中，误跳车是 一个非常重要的指标，依据联锁内设备的安全故障率进行计算，但在原有的马尔可 夫模型中并没有将系统危险失效与安全失效的情况区分开，导致无法准确计算系统 的可靠性指标。 由于对联锁系统的安全性考虑的不多，对于产品元件的失效率的文献资料极其 匮乏，对于失效记录资料的记录不太重视，因此，以前的数据，常常是仅仅说明失 效，而没有失效模式和失效判据，这使数据的分析产生误差，失去意义。 经典的可靠性指标估计方法仅利用当前的可靠性试验数据，对一些高可靠性、 长寿命的产品利用古典的统计方法对其进行抽样检验和估计，往往不能使人信服。 1 6 论文的主要内容 本文重点用马尔可夫过程( m p a ) 来分析可修系统在不同检测周期下的可靠性 指标，对安全联锁系统的可靠性指标在不同检修周期下的计算结果进行比较，结合 可靠性与经济性确定检修周期，提出了安全联锁系统的从数据收集、数据分析和安 8 浙江工业大学硕士学位论文 全等级确定的具体方法，对工程实际有较好的指导作用。 论文的第二章应用失效模式与影响分析和危害( f m e a ) 对系统进行分析，确 定系统内发生失效的各元件的失效模式，设计了系统中各元件失效调查问卷。第三 章介绍了贝叶斯理论( b a y e s ) 在产品失效率计算中的应用，推导了贝叶斯理论 ( b a y e s ) 在产品失效率计算中的公式，具有较好的实用价值。第四章使用马尔可夫 过程法( m p a ) 对可修系统进行可靠性计算时，检修周期对系统可靠性指标的影响， 对安全联锁系统的可靠性指标在不同检修周期下的计算结果进行比较，结合可靠性 与经济性确定检修周期。第五章使用马尔可夫过程方法分析某加氢裂化装置连锁回 路事故概率，包括联锁系统的误跳车有关结论。第六章给出了进行周期性检修的可 修复安全联锁系统可靠性指标计算的结论以及对安全联锁系统的展望。 9 浙江工业大学硕士学位论文 第二章安全联锁回路中机械元件失效数据的采集 阀门是安全联锁系统不可缺少的控制元件，其可靠性对保障系统的安全可靠运 行极为重要。大量使用和试验数据表明，机械产品及其零部件的失效，一般服从威 布尔分布，或者可以用威布尔分布来拟合。目前对已给出的寿命试验或现场观测的 数据进行可靠性分析与评估时，多采用简单易行的二参数威布尔分布，常用的方法 是概率纸描点法。相对于安全联锁回路中电子元件，阀门属于较为复杂的机械元件， 因此，有必要对阀门进行失效模式与影响分析( f m e a ) ，将阀门内部元件发生失效 的情况进行分析，根据阀门在安全联锁系统中所发挥的作用、对整个系统所造成的 影响，将阀门内部元件发生失效的情况进行分类统计，以便于对阀门分类失效的失 效率进行计算，进一步计算整个联锁系统的可靠性指标。因此，本章选用失效模式 与影响分析( f m e a ) 方法，对安全联锁系统中的阀门进行分析，设计阀门失效调 查问卷，得到阀门失效数据获取方法。 2 1 失效模式与影响分析方法( f m e a ) 2 1 1 失效模式与影响分析方法( f m e a ) 根据产品在系统中的功能，失效模式与影响分析方法( f m e a ) 能够确定产品 失效所造成的系统失效的失效模式，因此，使用失效模式与影响分析方法( f m e a ) 分析研究产品使用过程中实际发生的失效、原因及其影响，根据失效模式、失效判 据和失效影响等计算产品的失效率，并按产品的失效后果分别计算安全失效率和危 险失效率，为系统可靠性指标的计算奠定基础。 2 1 2 失效模式与影响分析方法( f m e a ) 的形式 在产品寿命周期的各个阶段虽然有不同形式的f m e a 2 0 1 ，其目的为从产品设计、 生产和产品使用角度发现各种缺陷与薄弱环节，从而提高产品的可靠性水平。但在 i o 第二章安全联锁回路中机械元件失效数据的采集 本文中，仅仅使用统计f m e a 对产品进行分析，确定产品的失效模式、失效判据和 失效影响等，特别是将产品分为安全失效和危险失效；可检测的失效和不可检测的 失效。联锁系统的失效包括危险失效( f a i ld a n g e r o u s ) 与安全失效( f a i ls a f e ) 。危险 失效指联锁系统发生失效时可能导致危险的后果。而安全失效指联锁系统在未出现 危险情况时系统的误报，造成联锁系统的误跳车。对安全而言，危险失效直接与安 全有关，而误跳车只可能导致装置或设备重启时带来的潜在安全问题。 表2 1 失效模式与影响分析( f m e a ) 的形式 阶段方案阶段 研制阶段生产阶段使用阶段 硬件f m e a工艺f m e a 方法功能f m e a统计f 伍a 软件f m e a设备f m e a 分析研究系分析研究系统分析研究所设计的分析研究产品使用 统功能设计硬件、软件设计生产工艺过程的缺过程中实际发生的 的缺陷与薄的缺陷与薄弱陷和薄弱环节及其失效、原因及其影 弱环节，为环节，为系统的对产品的影响，为生响，为评估论证、研 系统功能设硬件、软件设计产工艺的设计改进制、生产各阶段的 目的 计的改进和改进和方案权提供依据。分析研究f m e a 的有效性和进 方案的权衡衡提供依据生产设备的失效对 行产品的改进、改型 提供依据产品的影响，为生产或新产品的研制提 设备的改进提供依供依据 据 2 1 3 失效模式与影响分析方法( f m e a ) 分析步骤 失效模式与影响分析( f m e a ) 分析的具体步骤如图2 - 1 所示： 1 ) 明确分析范围：根据系统的复杂程度、重要程度、技术成熟性、分析工作的 进度和费用约束等，确定系统中进行f m e a 的产品范围。 2 ) 系统任务分析：描述系统的任务要求及系统在完成各种任务时所处的环境条 件。系统的任务分析结果一般用任务剖面来描述。 3 ) 系统功能分析：分析明确系统中的产品在完成不同的任务时所应具备的功能、 工作方式及工作时间等。 4 ) 确定失效判据：制定与分析判断系统及系统中的产品正常与失效的准则 浙江工业大学硕士学位论文 5 ) 选择分析方法：根据分析的目的和系统的研制阶段，选择相应的f m e a 方法， 制定f m e a 的实施步骤及实施规范。 6 ) 实施分析。 7 ) 给出分析结论。 明系系确选给 确统统 定择 实 出 分- -任 功 _ 失 _ -分- 旅 分 析 务能效 析 分 析 范分分判方 析 结 围析析据 法论 图2 - 1 失效模式与影响分析( f m e a ) 分析步骤 2 2 失效模式与影响分析方法( n 诬a ) 的应用 根据失效模式与影响分析方法( f m e a ) 的分析步骤，对产品实施f m e a 分析， 确定产品失效数据的采集内容，失效数据的分类。 2 2 1 明确分析范围 阀门是联锁系统不可缺少的控制元件，其可靠性对保障系统的安全可靠运行极 为重要。因此，本文以3 0 0 m w 锅炉一级过热器减温器喷水调节阀d n l 0 0 - p n 3 2 ( 气 动) 作为研究对象瞄1 1 2 3 1 。 2 2 2 系统任务分析 产品定义：能够根据温度高低调节喷水量 规定时间：大修周期2 年，寿命2 0 年 规定条件：介质参数，接口 第二章安全联锁回路中机械元件失效数据的采集 规定功能：调节喷水量 2 2 3 系统功能分析 艇函h l 甄) 图2 - 2 阀门的内部结构图 a i 过滤器减压阀：提供压缩空气； a 2 阀位器：控制压力输出； a 3 气动执行机构：势能转变动能： a 4 与外部接口：与外界兼容； a 5 可调通道：调节流量； a 6 密封：保证介质不漏； a 7 传递力：把气动执行机构的力传给阀瓣： a 8 壳体：包容功能并是其他零件的支撑。 2 2 4 确定失效判据 建立阀门的系统可靠性框图 浙江工业大学硕士学位论文 图2 - 3 阀门的系统可靠性框图 从功能框图上分析得到，a i 、a 2 、a 3 、a 4 、a 5 、a 6 、a 7 和a 8 等8 个单元 都正常工作时，阀门才能正常工作，或者说任何一个单元失效时系统就失效，属于 串联系统。图中r i 、r 2 r 8 分别是8 个单元的可靠性。 设a s 为阀门系统可靠性，则a s = a 1 n a 2 n a 8 ，在研究中假设a i 相互独 立，则有p ( a s ) = p ( a i ) x p ( a 2 ) x x p ( a 8 ) s r s ( t ) = 兀r i ( t ) 2 2 4 1 安全失效与危险失效的判别 由于在安全联锁回路中，一般选择阀门作为最终执行元件。在本文分析的系统 中，在实际工程中使用该调节阀作为最终执行元件，其主要作用是根据温度传感器 的反馈值调节喷水量。在系统运行的情况下，该阀门处于全部开启的状态，若此时， 阀门出现不能开启的失效，则该失效为危险失效；若出现阀门不动作的情况，由于 此时阀门本身仍然处于开启的状态，阀门仍然能够完成需要其执行的功能，则该失 效为安全失效。因此，对于安全联锁回路中主要使用的最终执行元件一阀门，判断 其危险失效及安全失效时，需要首先确定阀门在系统运行过程中其开启或闭合的状 态、阀门在系统中的作用。 在本章中，仅仅指出了在某特定情况下的阀门的失效分类。在不同情况下的阀 门，即使是同一种阀门，其失效模式有可能发生转换，安全失效有可能转换为危险 失效，危险失效有可能转换成安全失效，需要根据阀门在系统中的具体情况来具体 分析：不同的阀门由于组件的不同，也需要重新进行f m e a 分析，重新确定其失效 模式。 2 2 4 2 可检测与不可检测的判别 失效检测方法分析是针对分析找出的每一个失效模式，分析其失效检测方法， 以便为系统的维修性、测试性设计以及系统的维修工作提供依据。在本文中，主要 用于区分每一种失效模式的失效分类，确定失效数据的分类，以便于阀门分类失效 1 4 第二章安全联锁回路中机械元件失效数据的采集 数据的统计和分类失效率的计算。失效检测方法一般包括耳视检查、离机检测、原 位测试等手段，如b i t ( 机内测试) 、自动传感装置、传感仪器、音响报警装置等。 2 2 5 选择分析方法 由于在本文中，失效模式与影响分析方法( f m e a ) 的应用主要是为了在产品 的使用或试验过程中失效数据的采集，采用统计f m e a 的方法。 2 2 6 实施分析 根据对阀门的整体结构的分析以及阀门失效的判据，建立阀门失效模式的表格 表2 - 2 阀门失效模式分析 口3 一o no 一凸 寸3 n 凸 n 懈 一鼙 裂 一文 一嚣 翅 趟 2 嚣 掣 。裂 碍 较 水 倒 程 艮 m 蒌 区 ”鬟 水 t 羹 n 墓 。塞 一棰 坤 翅雩(世蒋k厦 蛳峰荨f 螭 嘿畚 单雌髓司gv 堆啾 螂谢世需恃lj整 超迸重 缸旱 乓套宾 坦静锰群塔蜒躐相始删袢忭档乏 蜒卿牮 塑嫂 噻畚蟮畚 蜂罪越剥蜂辑霉野 曙去 骧乓峰畚嘲卷 口 匣辐襁 笾嫂仁器拦专瓤嫱 删啦世臀乓【j匿 蜂帑宜离獭 k趋毯童髑坶斌# 瑶霞 丑刘引郝 喊臻# 器 2 毅赠器詹 剞淑 匠掣拦专 晕卿器帮右魁 嚣糕乓匠胛 肄糕昧交岬 t 丁辎话畚 盟挺 穹土f 专【j 霆 蜂辎职霰 臀蜒辖 拦臀斟睾毒拦寐 n霉暴。幂蒋圹 臀靼水颦瓤 篮嫫站蒋簧lj爨 嘿瓤醒 艄姆彗螫 r 丑舞雄耱 习舞r 鹾磊瓤 n 稚牮匿 理艘 峰爱世6 鲁 旱8 专餐畚 确鲆置曙 盟拱 崾耱世需 蜂辑嗣蒋枣芒鲻誉 赡式 扩制鬻鹾毯吾丰 lv蜃鹾鳝黎嚣嚣 甜谢 世臀专霆 碟卧艄峨罂 蛐酶神 颦僻v丑荟v嚣求蛋舔岬锚辎较水n僻 班馔击芒+t蝠纠铡袋姆嚣娘丑船n 状错晕扑书隧扑k爿h埘嶷 第二章安全联镄回路中机械元件失效数据的采集 2 3 统计f m e a 调查问卷 本调查问卷以喷水调节阀d n l 0 0 p n 3 2 ( 气动) 为调查对象 1 阀门投入使用的时间，阀门出现失效的时间 2 阀门失效造成的后果 a 灾难的b 致命的 3 阀门失效的影响 a 阀门不动作b 阀门不开启 4 阀门失效的部件 c 临界的d 一般的 c 阀门动作滞后d 流量不能调节e 介质外漏 a 过滤器减压阀b 阀位器c 气动执行机构d 外部接口e 可调通道f 密 封圈g 传递