SIL定級技術(shù)要求有哪些？我們該如何正確理解和應用？
導 讀
近年來(lái)，安全完整性等級(SIL)的評估工作在石化行業(yè)越來(lái)越受到重視。一般來(lái)說(shuō)，石油化工行業(yè)確定SIF的SIL等級的主流方法有兩種：保護層分析(LOPA)和風(fēng)險圖法，兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。風(fēng)險圖法相對LOPA更加簡(jiǎn)單，其優(yōu)點(diǎn)在于當SIF數量較多時(shí)，通過(guò)風(fēng)險圖法可以篩選所需SIF，但精確度較低。
近年來(lái)國際標準要求 01 SIF及其相關(guān)定義國際標準
IEC 61508對所有基于電子、電氣及可編程電子技術(shù)等相關(guān)的安全系統具有約束性，該標準作為非特定行業(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(zhuān)門(mén)針對功能安全：安全儀表系統屬于過(guò)程工業(yè)領(lǐng)域”，ANSI/ISA 84.00.01-2004在IEC 61511基礎上有小幅修改之后便完全采納其標準內容，一般來(lái)說(shuō)任何涉及IEC 61511的內容都等同于參考ISA84.00.01，反之亦然。
SIF是應用于安全儀表系統(SIS)的安全保護功能，由傳感器、邏輯解算器和終端元件組成，一個(gè)SIF必須能夠實(shí)現由SIL所代表的特定完整性等級，值得注意的是SIS或SIF均獨立于基本過(guò)程控制系統。
IEC 61511中規定，任何SIF必須是基于先前風(fēng)險評估確定的現行設備風(fēng)險等級，這個(gè)風(fēng)險等級會(huì )與可接受風(fēng)險等級進(jìn)行比較，設備真正的風(fēng)險與可接受風(fēng)險的比值即所需要降低風(fēng)險程度(見(jiàn)圖1)，又稱(chēng)風(fēng)險降低系數(RRF)?？山邮茱L(fēng)險等級作為風(fēng)險評估的基準線(xiàn)，需要具體到每個(gè)工藝或者設備，并設置為企業(yè)風(fēng)險標準。
02 SIF及定級方法
SIF是一種離散性能指標，用來(lái)表示SIF在執行預期功能時(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(lái)確定SIL，這些方法包含定量、半定量和定性等多種形式，其中最嚴謹復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)險評估(QRA)，然而這種方法并未廣泛使用，原因是定級過(guò)程過(guò)分復雜。目前使用較多的方法有LOPA、風(fēng)險圖法和風(fēng)險矩陣法。石油化工行業(yè)主流方法為L(cháng)OPA及風(fēng)險圖法。
01 風(fēng)險矩陣法 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)險矩陣法有詳細介紹，它是一種定性的方法，IEC 61511稱(chēng)之為安全層矩陣，而IEC 61508則將其命名為事件危害嚴重等級矩陣，這種方法基于針對危害事件定性的可能性和后果。風(fēng)險矩陣法假設每增加一個(gè)保護層，風(fēng)險就會(huì )降低一個(gè)數量級，圖2是矩陣圖。 02 保護層分析法 LOPA是一種相對簡(jiǎn)單的半定量風(fēng)險分析方法，由辨識評估的可能性(半定量)、初始事件的嚴重度等級(定性)、以及由現有的獨立保護層(IPL)失效概率所降低導致的危害事件可能性組成，LOPA將計算的事件可能性與企業(yè)風(fēng)險標準進(jìn)行對比，以確定由SIF能夠額外降低的風(fēng)險。 LOPA是從危害場(chǎng)景(表2中1~4)中初始事件的風(fēng)險(嚴重度和可能性)開(kāi)始，然后將事件的可能性乘以獨立保護層(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)險概率(即表2中11)與可接受風(fēng)險(表2中12)進(jìn)行對比，以確定是否需要額外的風(fēng)險降低措施，如果需要，則計算RRF(需要降低的風(fēng)險等級)(表2中13)。 LOPA由危害場(chǎng)景的每個(gè)組成簡(jiǎn)單假設得來(lái)，而這種簡(jiǎn)化相對偏向保守，這種方法能識別現有的保護層，并且能確定是否需要增加額外的保護層。 03 風(fēng)險圖法 風(fēng)險圖法在某些標準里是定性的方法(IEC2010b)，而在其他的標準里是半定量的方法(IEC2003b)，但實(shí)際上并沒(méi)有本質(zhì)的變化。風(fēng)險圖法對SIL等級的選擇是一種基于對風(fēng)險因素與工藝及其控制系統知識的簡(jiǎn)單分析，這種方法是由樹(shù)狀圖組成，樹(shù)的每個(gè)階段代表一個(gè)風(fēng)險因素，分支代表每個(gè)因素所取的不同值，風(fēng)險圖的目的是對風(fēng)險場(chǎng)景進(jìn)行分級評估。在風(fēng)險場(chǎng)景內沒(méi)有SIF的情況下，風(fēng)險因素組成的一系列參數通過(guò)預先確定的值來(lái)確定，圖3是從IEC 61511第三部分選出的風(fēng)險圖的例子。 IEC 61511定義的風(fēng)險圖法的因素為： a) 后果因子C(嚴重度)。這個(gè)參數是該區域內潛在死亡和重傷人數，它考慮了該區域受危害程度以及人員脆弱性(C=人員的數目×人員脆弱性)。 b) 占有率因子F(頻率和暴露時(shí)間)。區域暴露在占危險事件的發(fā)生時(shí)間概率(基于時(shí)間的分數)，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為假設所有保護系統響應失效，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域、逃生途徑的可行性。參數P實(shí)際上是沒(méi)有受到危害的概率。 d) 需求率W。W是指在沒(méi)有SIF的情況下危險條件發(fā)生的可能性，單位為每年。W的確定是由所有能導致危險事件的失效和風(fēng)險事件發(fā)生的可能性共同決定的。 圖3中的參數包括數值因子或定性的值，在任何情況下，參數的值應該來(lái)自于風(fēng)險圖與企業(yè)風(fēng)險標準的對照，對照涉及到風(fēng)險圖每個(gè)參數的分配過(guò)程。因此企業(yè)風(fēng)險標準能夠顯示風(fēng)險可接受等級嵌入到參數校準圖中。一般來(lái)說(shuō)定性參數比較主觀(guān)，還需要適當考慮調整，當一個(gè)數值因子被分配到風(fēng)險圖的參數中時(shí)，此時(shí)的校準為半定量的方法(校準風(fēng)險圖)。DeSalis認為風(fēng)險圖只有在被合適的設計和校準時(shí)才為半定量，表3是IEC 61511提供的風(fēng)險圖校準實(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(zhuān)家提出分階段方法，即“利用簡(jiǎn)單技術(shù)篩選，之后系統地逐步運用更加復雜的技術(shù)選出最優(yōu)SIL”。這種方法運用了三種理念的篩選，即分別從定性、半定量到完全定量?？蛇\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(lái)度量每種方法的嚴謹程度。 通過(guò)定性方法(如風(fēng)險矩陣、風(fēng)險圖法)計算得到的結果相對更加保守。定性的方法能得出可接受風(fēng)險等級，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(jiǎn)單；但是當SIL僅僅增加一個(gè)等級時(shí)，SIF的優(yōu)化成本卻明顯增加；而使用更加復雜的分析方法卻可節省更多成本”。 當使用分階段方法時(shí)，風(fēng)險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謹的方法，然而某些專(zhuān)家指出在石油化工行業(yè)更適合使用LOPA，由于企業(yè)管理和監管人員等利益相關(guān)方對可辯證的數值方法的需求逐漸增加，風(fēng)險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定級中的不準確性“通常來(lái)源于缺乏對初始原因頻率和對可接受風(fēng)險減緩頻率的明確分類(lèi)”。