可靠性系列讲座-22

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1、23续附表1正态分布函数表 u0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.0914仪器仪表标准化与计量 2010 . 4Control Tech of Safety & Security功能安全技术讲座【摘 要】【关键词】Abstract: The frequent accidents, such as fire, explosion, oil leakage, are threatening the existing of mankind. Risk analysis and safety assessment for process are

2、 becoming more and more important. The developed countries have widely adopted functional safety standards and carried out functional safety assessment in all areas, while the functional safety has just begun in our country. There has not been complete functional safety assessment system at present.

3、 The paper mainly describes the HAZOP analysis and SIL assessment which are the common international functional safety assessment methods. Key words: Functional Safety Assessment HAZOP Analysis SIL Assessment频频发生的火灾、爆炸、漏油事故威胁着人类的生存，对工艺过程进行风险分析与安全评估愈发的重要起来。目前工业发达国家已广泛采用功能安全标准并在各领域开展功能安全评估，而我国的功能安全事业才

4、刚刚起步，目前尚无完整的功能安全评估体系。本文介绍了一套国际标准的功能安全评估方法：危险与可操作性（HAZOP）分析和安全完整性等级（SIL）评估。功能安全评估 HAZOP分析 SIL评价编者按 本刊自2007年开设本专题讲座以来，至今已刊登了18讲。系统地介绍了功能安全的基本概念、方法与技术，认证与评估，得到了广大读者的广泛关注与积极回应。2010年，本讲座将从用户的角度详细介绍功能安全在各行业中的应用，强调功能安全的重要性，使读者从抽象的概念中获得一些感性的认识，以推广功能安全的应用。第二十二讲 功能安全评估的应用研究Chapter 22: Application and Research

5、 of Functional Safety Assessment 刘瑶 （机械工业仪器仪表综合技术经济研究所，北京市 100055） Liu Yao (Instrumentation Technology & Economy Institute, P.R.China, Beijing 100055)主讲人简介：刘瑶，女，工学学士，机械工业仪器仪表综合技术经济研究所功能安全技术研发中心工程师，参与功能安全标准IEC 61508（GB/T 20438）及IEC 61511（GB/T 21109）技术与应用研究、宣传和推广，功能安全HAZOP+SIL工程项目技术辅助与支持。15仪器仪表标准化与计量

6、2010 . 4安全控制技术1 引言 近几十年来，随着各行业的迅速发展，人们的 生活愈加的富裕便捷，伴随而来的却是一系列威胁人 类生存环境、健康安全的重大灾难，印度博帕尔毒气 泄漏事件、黄岛油库爆炸事故、墨西哥湾漏油事故、 大连漏油事故一件件触目惊心的安全事故接连发 生。如何在保证正常工艺运行的同时保障安全成为当 今社会的一大热点问题。安全相关系统即是用来保证 安全、降低风向的重要措施。 为保证安全相关系统能够正确行使其功能，功 能安全的研究应运而生。1996年，美国发布的ANSI/ ISA-S84.01标准中将“功能安全”概念纳入其中，从 而正式开启了功能安全理论研究的道路。2000年，国

7、际电工委发布了标准IEC 61508电气/电子/可编程电 子安全相关系统的功能安全，成为国际通行的各领 域功能安全研究的基础标准，在此基础上IEC相继发 布了针对过程工业、核工业、机械工业等各领域的功 能安全标准。2006年、2007年等同采用IEC 61508、 IEC 61511的国家标准GB/T20438、GB/T21109发布， 中国的功能安全理论研究开始走上轨道。 在国外，功能安全研究起步较早，目前很多工 业发达国家已广泛采用功能安全标准并在各领域开展 功能安全评估，而我国的功能安全事业才刚刚起步， 目前尚无完整的功能安全评估体系。本文将为大家介 绍目前国际上通行的功能安全评估方法：

8、危险与可操 作性(HAZOP)分析和安全完整性等级(SIL)评估。1 HAZOP分析 HAZOP（HAZard and OPerability）分析是一套 结构化、系统性的分析方法。它可以系统、详细地对 工艺过程和操作进行检查，识别出现有工艺系统的风 险点所在，保证操作的有效性。 其目的在于： * 系统、详细地对工艺过程和操作进行检查，识 别出系统中可能存在的设计缺陷、设备故障、操作过 程中的人员失误等可能带来的安全影响。 * 列出偏离正常工艺状态的偏差、导致偏差的原 因、可能出现的后果，以及针对这些偏差现有的安全 措施。 * 评估现有的工程和程序上的安全设施的适当 性，建议必要的附加安全设施

9、或操作程序，从而减少 事故发生的频率，减小事故可能的后果。 HAZOP分析是以组成HAZOP团队的各学科的工 作人员所累积的经验为基础。团队成员在评估过程中 应保证评估的客观性和专业性。 HAZOP分析的方法是：根据不同的工艺流程或 设备将系统分成几个节点，在每一个节点下列出可能导致工艺偏离于正常工作条件的偏差。此方法要求完 全考虑到工艺所有的活动细节，从而确定是否由于工 艺参数的偏差而导致安全和操作上的问题。HAZOP 分析只考虑在评估的节点范围内造成偏差的原因。 一旦所有原因被确认，则每一原因会造成的最 终结果也将被确认。此时不考虑任何可能存在的安全 设施。在考虑过所有可能发生的情况后，才

10、能识别出 潜在的风险，从而确定现有安全设施是否足够。最 后，HAZOP团队对问题的严重性和现有安全设施的 充分性进行评估，提出合理的改进建议。 传统HAZOP评估操作如下： (1) 在工艺流程图或P&ID上划分节点； (2) 选择一个节点； (3) 定义设计意图和正常操作条件； (4) 选择一个工艺参数； (5) 应用引导词和工艺参数建立有意义的偏差； (6) 确认造成偏差的相关原因； (7) 确认可能导致的最终结果(不考虑安全设施)； (8) 确认现有安全设施； (9) 在发现提供的安全设施不够充分时，确认所 提改进建议及其操作方； (10) 进入下一个节点，循环以上过程。 HAZOP分析流

11、程如图1所示。图1 HAZOP分析流程16仪器仪表标准化与计量 2010 . 4Control Tech of Safety & Security2 SIL选择 SIL评估是在HAZOP分析的基础上，确定SIS的 安全功能和合理的SIL指标，以实现安全和成本的最 佳平衡。不同的SIL等级，为用户单位的管理、人员 配备、操作规程和维护周期等提出不同的要求。SIL 选择的定性的方法有风险矩阵和风险图，定量方法则 有故障树、LOPA等。本文主要介绍风险矩阵法。其 方法如下： 1） 根据国际惯例及企业相关标准确定过程可接 受风险； 2） 根据用户单位相关要求确定风险矩阵的两大 参数：后果严重性和要求率

12、，并将其定量描述在工作 组会议上进行讨论，以取得来自现场和各方专家的一 致认同； 3） 结合可接受风险，根据国际标准IEC 61511确 定两大参数（后果严重性和要求率）的各种组合所对 应的SIL，建立用户单位认可的风险评价矩阵表； 4） 根据HAZOP分析结果辨识出需要由安全仪表 系统实现的安全仪表功能； 5） 选取一个待分析的安全仪表功能； 6） 根据现场调研、现场人员经验及用户单位相 关的安全评价资料估算该安全仪表功能要求的动作率 及拒动后果严 重性； 7） 依 据 风险评价矩阵 表选定该仪表 功能所需达到 的PIL（人身 安 全 完 整 性 等级）、AIL（经济安全完整性等级）、EIL

13、（环境安全完整性等 级）、RIL（声誉安全完整性等级），并确定该系统 必须达到的综合的安全完整性等级（SIL）； 8） 进入下一个安全仪表功能的SIL分析。 表1为风险矩阵的一个例子。3 SIL验证 SIL验证目的是通过可靠性建模证实现有安全仪 表功能的安全完整性是否满足在SIL评估中提出的目 标，若未满足则提出相关的意见与建议。常用的方法 有：可靠性框图、故障树、马尔可夫模型。本文主 要介绍用可靠性框图的方法进行SIL验证。其方法如 下： 1） 确定每个安全功能回路的结构，及各组成部 分的操作模式、连锁逻辑以及检验测试间隔等信息。 2） 查找安全回路中包含的传感器、逻辑控制 器、执行部分等器

14、件相关的型号、规格，根据国际 上可信的数据库确定各器件检测到的危险失效率 （DD）、未检测到的危险失效率（DU）、检测到的安全失效率（SD）以及未检测到的安全失效率 （SU）。 3） 画出各个安全功能对应的可靠性框图。（图 2为某功能回路的可靠性框图）后果频率（/年）等 级人员伤亡 （P）直接经济损失（A）环境影响 （E）声誉影响 （R）ABCDE 行业内从 未发生行业内曾 经发生国内曾 经发生公司内曾 经发生装置内曾 经发生 0.0001次 0.001次 0.01次 0.1次 1次0无人员伤亡无破坏无影响无影响-aa 1轻伤经济损失1万元以下轻微影响轻微影响-a11 2重伤经济损失1-10万

15、元较小影响较小影响-a122 31-2人死亡经济损失 10-30万元局部影响严重影响a1233 43-9人死亡经济损失30-100万元重大影响 国家性影响1234b 510人以上死亡 经济损失100-300万元 特大影响 国际性影响234bb 注： - 代表不需要SIS a 代表DCS报警或连锁 1 代表SIL12 代表SIL2 3 代表SIL3 4 代表SIL4 b 代表单独一个SIS不够表1 风险矩阵（下转第21页）21仪器仪表标准化与计量 2010 . 4安全控制技术1 IEC 61508 - Functional safety of electronic/electrical/prog

16、rammable electronic Safety-Related Systems2 IEC 61511 - Functional safet - Safety instrumented systems for the process sector3 Stuart Nunns，曾硕巍. 功能安全评估. 仪表仪器标准化与计量，2009(3)、(4)4 Stuart Nunns，一个用于取得符合IEC 61508组织性功能安全认证的方法论. 仪表仪器标准化与计量，2008(3)、(4)、(5)、(6)、5 IET Competence criteria for safety-related system practitioners6 IET/BCS Competency Framework for Independent Safety Assessors (ISAs)7 HSE Managing competence for safe