SIL定級技術(shù)要求有哪些？我們該如何正確理解和應(yīng)用？
導(dǎo) 讀
近年來，安全完整性等級(SIL)的評估工作在石化行業(yè)越來越受到重視。一般來說，石油化工行業(yè)確定SIF的SIL等級的主流方法有兩種：保護(hù)層分析(LOPA)和風(fēng)險(xiǎn)圖法，兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。風(fēng)險(xiǎn)圖法相對LOPA更加簡單，其優(yōu)點(diǎn)在于當(dāng)SIF數(shù)量較多時(shí)，通過風(fēng)險(xiǎn)圖法可以篩選所需SIF，但精確度較低。
近年來國際標(biāo)準(zhǔn)要求 01 SIF及其相關(guān)定義國際標(biāo)準(zhǔn)
IEC 61508對所有基于電子、電氣及可編程電子技術(shù)等相關(guān)的安全系統(tǒng)具有約束性，該標(biāo)準(zhǔn)作為非特定行業(yè)通用文件，能夠廣泛用于不同的領(lǐng)域。IEC 61511是IEC 61508的延伸。IEC 61511“專門針對功能安全：安全儀表系統(tǒng)屬于過程工業(yè)領(lǐng)域”，ANSI/ISA 84.00.01-2004在IEC 61511基礎(chǔ)上有小幅修改之后便完全采納其標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容，一般來說任何涉及IEC 61511的內(nèi)容都等同于參考ISA84.00.01，反之亦然。
SIF是應(yīng)用于安全儀表系統(tǒng)(SIS)的安全保護(hù)功能，由傳感器、邏輯解算器和終端元件組成，一個(gè)SIF必須能夠?qū)崿F(xiàn)由SIL所代表的特定完整性等級，值得注意的是SIS或SIF均獨(dú)立于基本過程控制系統(tǒng)。
IEC 61511中規(guī)定，任何SIF必須是基于先前風(fēng)險(xiǎn)評估確定的現(xiàn)行設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)等級，這個(gè)風(fēng)險(xiǎn)等級會與可接受風(fēng)險(xiǎn)等級進(jìn)行比較，設(shè)備真正的風(fēng)險(xiǎn)與可接受風(fēng)險(xiǎn)的比值即所需要降低風(fēng)險(xiǎn)程度(見圖1)，又稱風(fēng)險(xiǎn)降低系數(shù)(RRF)?？山邮茱L(fēng)險(xiǎn)等級作為風(fēng)險(xiǎn)評估的基準(zhǔn)線，需要具體到每個(gè)工藝或者設(shè)備，并設(shè)置為企業(yè)風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)。
02 SIF及定級方法
SIF是一種離散性能指標(biāo)，用來表示SIF在執(zhí)行預(yù)期功能時(shí)可能失效的最大可接受范圍，SIL等級被定義成系統(tǒng)在操作需求模式時(shí)的平均需求失效概率(PFDavg)，如表1所示。
SIL的定級涉及到選擇SIF所需要的SIL等級，通常是在風(fēng)險(xiǎn)評估之后，并且要求對所需的SIF進(jìn)行定義。IEC 61511和IEC 61508中有多種建議方法來確定SIL，這些方法包含定量、半定量和定性等多種形式，其中最嚴(yán)謹(jǐn)復(fù)雜的方法是完全定量分析(參考IEC 61508第五部分的附錄D，以及IEC 61511第三部分附錄B)，如定量風(fēng)險(xiǎn)評估(QRA)，然而這種方法并未廣泛使用，原因是定級過程過分復(fù)雜。目前使用較多的方法有LOPA、風(fēng)險(xiǎn)圖法和風(fēng)險(xiǎn)矩陣法。石油化工行業(yè)主流方法為LOPA及風(fēng)險(xiǎn)圖法。
01 風(fēng)險(xiǎn)矩陣法 在IEC 61508第五部分附錄G以及IEC 61511第三部分附錄D中對風(fēng)險(xiǎn)矩陣法有詳細(xì)介紹，它是一種定性的方法，IEC 61511稱之為安全層矩陣，而IEC 61508則將其命名為事件危害嚴(yán)重等級矩陣，這種方法基于針對危害事件定性的可能性和后果。風(fēng)險(xiǎn)矩陣法假設(shè)每增加一個(gè)保護(hù)層，風(fēng)險(xiǎn)就會降低一個(gè)數(shù)量級，圖2是矩陣圖。 02 保護(hù)層分析法 LOPA是一種相對簡單的半定量風(fēng)險(xiǎn)分析方法，由辨識評估的可能性(半定量)、初始事件的嚴(yán)重度等級(定性)、以及由現(xiàn)有的獨(dú)立保護(hù)層(IPL)失效概率所降低導(dǎo)致的危害事件可能性組成，LOPA將計(jì)算的事件可能性與企業(yè)風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對比，以確定由SIF能夠額外降低的風(fēng)險(xiǎn)。 LOPA是從危害場景(表2中1~4)中初始事件的風(fēng)險(xiǎn)(嚴(yán)重度和可能性)開始，然后將事件的可能性乘以獨(dú)立保護(hù)層(IPLs)失效的概率(表2中5~8)，再乘以條件修改概率(表2中9~10)得到中間事件的發(fā)生概率(表2中11)，之后把殘余風(fēng)險(xiǎn)概率(即表2中11)與可接受風(fēng)險(xiǎn)(表2中12)進(jìn)行對比，以確定是否需要額外的風(fēng)險(xiǎn)降低措施，如果需要，則計(jì)算RRF(需要降低的風(fēng)險(xiǎn)等級)(表2中13)。 LOPA由危害場景的每個(gè)組成簡單假設(shè)得來，而這種簡化相對偏向保守，這種方法能識別現(xiàn)有的保護(hù)層，并且能確定是否需要增加額外的保護(hù)層。 03 風(fēng)險(xiǎn)圖法 風(fēng)險(xiǎn)圖法在某些標(biāo)準(zhǔn)里是定性的方法(IEC2010b)，而在其他的標(biāo)準(zhǔn)里是半定量的方法(IEC2003b)，但實(shí)際上并沒有本質(zhì)的變化。風(fēng)險(xiǎn)圖法對SIL等級的選擇是一種基于對風(fēng)險(xiǎn)因素與工藝及其控制系統(tǒng)知識的簡單分析，這種方法是由樹狀圖組成，樹的每個(gè)階段代表一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素，分支代表每個(gè)因素所取的不同值，風(fēng)險(xiǎn)圖的目的是對風(fēng)險(xiǎn)場景進(jìn)行分級評估。在風(fēng)險(xiǎn)場景內(nèi)沒有SIF的情況下，風(fēng)險(xiǎn)因素組成的一系列參數(shù)通過預(yù)先確定的值來確定，圖3是從IEC 61511第三部分選出的風(fēng)險(xiǎn)圖的例子。 IEC 61511定義的風(fēng)險(xiǎn)圖法的因素為： a) 后果因子C(嚴(yán)重度)。這個(gè)參數(shù)是該區(qū)域內(nèi)潛在死亡和重傷人數(shù)，它考慮了該區(qū)域受危害程度以及人員脆弱性(C=人員的數(shù)目×人員脆弱性)。 b) 占有率因子F(頻率和暴露時(shí)間)。區(qū)域暴露在占危險(xiǎn)事件的發(fā)生時(shí)間概率(基于時(shí)間的分?jǐn)?shù))，典型的值有： ①小于10%的時(shí)間； ②10%的時(shí)間或者更大。 c) 避免危害的概率P。P為假設(shè)所有保護(hù)系統(tǒng)響應(yīng)失效，個(gè)人能夠避免危害的可能性。P取決于可用的IPLs能警示暴露區(qū)域的人員、能關(guān)斷工藝使得危害可以避免或者人員撤離到安全區(qū)域、逃生途徑的可行性。參數(shù)P實(shí)際上是沒有受到危害的概率。 d) 需求率W。W是指在沒有SIF的情況下危險(xiǎn)條件發(fā)生的可能性，單位為每年。W的確定是由所有能導(dǎo)致危險(xiǎn)事件的失效和風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生的可能性共同決定的。 圖3中的參數(shù)包括數(shù)值因子或定性的值，在任何情況下，參數(shù)的值應(yīng)該來自于風(fēng)險(xiǎn)圖與企業(yè)風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)的對照，對照涉及到風(fēng)險(xiǎn)圖每個(gè)參數(shù)的分配過程。因此企業(yè)風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)能夠顯示風(fēng)險(xiǎn)可接受等級嵌入到參數(shù)校準(zhǔn)圖中。一般來說定性參數(shù)比較主觀，還需要適當(dāng)考慮調(diào)整，當(dāng)一個(gè)數(shù)值因子被分配到風(fēng)險(xiǎn)圖的參數(shù)中時(shí)，此時(shí)的校準(zhǔn)為半定量的方法(校準(zhǔn)風(fēng)險(xiǎn)圖)。DeSalis認(rèn)為風(fēng)險(xiǎn)圖只有在被合適的設(shè)計(jì)和校準(zhǔn)時(shí)才為半定量，表3是IEC 61511提供的風(fēng)險(xiǎn)圖校準(zhǔn)實(shí)例。 04 分段SIL定級法 SIL的定級其實(shí)并不適合只用單一方法進(jìn)行，有專家提出分階段方法，即“利用簡單技術(shù)篩選，之后系統(tǒng)地逐步運(yùn)用更加復(fù)雜的技術(shù)選出最優(yōu)SIL”。這種方法運(yùn)用了三種理念的篩選，即分別從定性、半定量到完全定量?？蛇\(yùn)用每種方法的定量程度及安全保障措施的完整性評價(jià)程度來度量每種方法的嚴(yán)謹(jǐn)程度。 通過定性方法(如風(fēng)險(xiǎn)矩陣、風(fēng)險(xiǎn)圖法)計(jì)算得到的結(jié)果相對更加保守。定性的方法能得出可接受風(fēng)險(xiǎn)等級，但是它們之間關(guān)系并不是很清楚，這些方法可能“使得分析更簡單；但是當(dāng)SIL僅僅增加一個(gè)等級時(shí)，SIF的優(yōu)化成本卻明顯增加；而使用更加復(fù)雜的分析方法卻可節(jié)省更多成本”。 當(dāng)使用分階段方法時(shí)，風(fēng)險(xiǎn)圖法可以對大量安全功能的初步篩選進(jìn)行第一階段分析，第二階段中與SIL相關(guān)的安全功能以選擇更加嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆椒?，然而某些專家指出在石油化工行業(yè)更適合使用LOPA，由于企業(yè)管理和監(jiān)管人員等利益相關(guān)方對可辯證的數(shù)值方法的需求逐漸增加，風(fēng)險(xiǎn)圖法在石油化工行業(yè)中已經(jīng)落后，而LOPA相對更加適用。在SIL定級中的不準(zhǔn)確性“通常來源于缺乏對初始原因頻率和對可接受風(fēng)險(xiǎn)減緩頻率的明確分類”。