杨海河,刘朝霞

(1. 中国石化股份有限公司 济南分公司，济南 250101;

2. 国家发展和改革委员会大连培训中心,辽宁 大连 116013)



四类典型电磁阀组合的可靠性评估

杨海河1,刘朝霞2

(1. 中国石化股份有限公司 济南分公司，济南 250101;

2. 国家发展和改革委员会大连培训中心,辽宁 大连 116013)

作为用于执行“电/气”转换的关键部件，电磁阀由于具有很好的可靠性与安全性，被广泛地应用于石化装置中联锁阀的气源或液压源的控制。其动作原理非常简单，主要有两种动作模式： 开启电磁阀使阀门充气/液或在紧急情况下执行排气/液动作，即阀门开启或关闭[1]。

由于石化行业大多涉及易燃、易爆物料，因而联锁阀的安全与可靠性极其重要。电磁阀采用了较为安全的24V(DC)电压和较低的功耗进行驱动，非常适用于流程工业[2]。在电磁阀的工作中，无需较高的电流或电压即可实现对阀门的控制。

石化装置对阀门的性能要求十分严格，不但需考虑其安全性，而且对阀门的误跳车控制要求也十分高[3]。例如，用于对强放热反应进行系统泄压时，阀门执行反应飞温的泄放要求极高。而在另一些场合，如合成氨反应中，原料气/油与氧气的比例具有一个相对固定的数值，一旦控制原料油的联锁阀门由于误动作切断，将可能导致气化炉内气氛由富燃料转为富氧而发生爆炸。因此，如何针对不同的阀门配置不同的联锁阀，是提高电磁阀应用水平的关键。

近年来，随着石化行业的发展，特别是安全联锁系统完整性评估要求的提出，开展阀门安全与可靠性评估已越来越受到关注。采用多个电磁阀互联的方式提高联锁阀的安全与可靠性已越来越多地应用到流程工业中。依据文献[4-5]的要求，开展针对联锁阀的可靠性评估技术研究已迫在眉睫。笔者拟对不同形式的电磁阀组合方式进行研究，以评估各种电磁阀的结构及应用适用条件。

1电磁阀工作原理及失效模式分析

石化装置阀门用电磁阀的工作原理如图1和图2所示。电磁阀通常由三极管、二极管与线圈构成。对于设置成故障安全型、工作在反逻辑的电磁阀(控制端带电(表示为1)表示正常，控制端失电(表示为0)表示跳车)，联锁信号正常时为1，即正常工作时电磁阀线圈是带电的，三极管的集电极上通有24V的低电压[6-7]。紧急情况下，当基极电压接地或反相时，三极管截止，集电极电压降为0，此时线圈失电，由线圈控制的阀门开启或关闭，使得用于控制联锁阀的气源/液压源开启或中断。因而电磁阀的工作状态有两个： 正常情况下，A至B路导通，使受控的联锁阀处于励磁状态；紧急情况下，电磁阀由B至C路导通，联锁阀处于跳车状态。

图1　电磁阀结构及其失效模式示意

图 2　二位三通式电磁阀气路示意

依据结构及工作原理，电磁阀有两个基本的失效模式，即危险失效与误跳车(安全失效)。以联锁信号失电时跳车的电磁阀为例，其危险失效模式为三极管的短路(击穿)，此时控制气阀的线圈处于长期带电状态。由于正常情况下电磁阀均处于励磁状态(停电时动作)，短路时电磁阀处于长期带电状态，使基极的控制信号由1转为0时，线圈仍带电而无法切断气源或液压源[7]。此时电磁阀的A—B气路仍处于导通状态，而B—C路仍处于关闭状态。当三极管的短路不可检测时，这种失效是极其危险的。另一种失效模式是误跳车，当集电极由于某种原因开路时，电磁阀上的电压瞬间降为0，此时线圈处于失电状态，电磁阀的通路由A—B转为B—C，联锁阀排气或排液引起紧急动作，由此引起的失效类型即为误跳车。

2典型的联锁阀连接组合

2.1“1oo1”的电磁阀

通常情况下，“1oo1”的电磁阀应用最为普遍，其连接结构如图3a)所示。一般情况下该种类型的电磁阀构成的联锁阀最高能达到的安全完整性等级(SIL)不超过SIL2。由该种电磁阀构成的联锁阀通常应用于SIL等级要求不太高的场合，例如加热炉燃料气切断联锁阀或泵的最低流量保护联锁回路中。

2.2“1oo2”的联锁阀

对于安全完整性等级要求较高的停车系统，特别是仅靠“1oo1”的电磁阀勉强可以达到要求的SIL等级的执行机构，采用“1oo2”的联锁阀无疑可以提高执行机构的安全性。在该类联锁阀结构中，2只电磁阀通常采用串联方式，任何1只电磁阀执行排气动作即可使联锁阀执行安全动作，如图3b)所示。然而由于采用串联方式，任何1只电磁阀的误排气都会导致联锁阀的误动作，因而“1oo2”的联锁阀的误跳车频率要高于“1oo1”的联锁阀。由于在误跳车方面存在不足，该类“1oo2”的联锁阀在实际中应用较少。

2.3“2oo2”的联锁阀

“2oo2”的电磁阀在实际联锁阀中应用较少，其结构如图3c)所示。该类电磁阀通常应用于阀门有快开或快关动作要求的联锁阀中，如低密度高压聚乙烯(LDPE)装置反应器的紧急泄压阀，由于发生乙烯自分解时，反应器内升压极为迅速，为避免引起安全问题，需要对紧急泄压阀进行快开。从阀门快开角度考虑，在“2oo2”的电磁阀的应用中，只有2只电磁阀同时排放才能满足安全要求，而当任1只电磁阀由于失效而开启时，联锁阀也会进行排气或排液导致阀门动作不稳，从而引起误动作。

2.4混联电磁阀

混联电磁阀广泛用于具有高可靠性的联锁阀中，其结构如图3d)所示。混联电磁阀中，就进气/液端而言，2只电磁阀入口采用并联方式；就排气/液端而言，2只电磁阀采用串联的连接方式。在混联电磁阀中，正常工作时，只有S2正常工作时联锁阀才能正常工作(对阀门进行正常充气/液)，而当紧急情况下需要进行紧急动作时，只有2只电磁阀均工作正常，联锁阀内的仪表风/液压油才能正常排出，因而发生单只电磁阀误跳车引发主阀误跳车的可能性显著降低。

a) “1oo1”电磁阀　　　　　　b) “1oo2”电磁阀　　　　　　c) “2oo2”电磁阀　　　　　　d) 混联电磁阀图3　四类典型的电磁阀连接示意

3可靠性分析

3.1失效模式及影响分析

依据IEC 61511标准的要求，在进行SIL评估中需要对构成联锁回路的各部分进行失效模式及影响分析(FMEA)[8-9]。为分析各种电磁阀连接方式的性能，对上述四类电磁阀连接结构进行了FMEA分析，结果见表1所列。

表1　四类典型的电磁阀结构的FMEA分析

注：1) 特定的失效模式发生；

2) 无此电磁阀；

3) 不论特定的失效模式是否发生。

3.2可靠性分析

从上述分析可以看出，由于逻辑结构及失效模式不同，不同结构的电磁阀连接方式其安全与可靠性各不相同，针对上述不同结构的电磁阀，所采用的可靠性计算方法见表2所列。

针对执行机构开展的大量的调查数据表明，通常情况下电磁阀的可靠性高于流程控制的主阀。依据ISA S84—2002提供的可靠性计算方法，若不可检测的危险失效率λDU与不可检测的安全失效率λSU均为770×10-9/h，则不同连接方式的电磁阀的可靠性可以通过下式进行计算：

(1)

(2)

(3)

式中：TI——测试周期；PFDavg——在测试周期内指令模式下的平均失效概率。利用式(1)～式(3)，可以计算出指令模式下平均失效概率与误跳车概率，见表3所列。

表2　不同逻辑结构的电磁阀的可靠性计算方法

表3　不同逻辑结构的电磁阀可靠性计算结果

3.3讨论

从上述的分析计算可知，“1oo2”的电磁阀安全性最高，其发生危险失效的概率远小于单电磁阀。但其发生一次误跳车的平均时间仅为单电磁阀的一半，即更容易发生误跳车。而“2oo2”的电磁阀发生危险失效的可能性是单电磁阀的2倍，而其误跳车的概率与“1oo2”电磁阀处于相同的水平。而对于混联结构而言，发生危险失效的可能性与“2oo2”结构相当，但由于排气采用串联结构，其发生误跳车的可能性大幅降低，因而具有更高的可靠性。

4结论

1) 电磁阀的逻辑结构并不能完全用于可靠性分析；电磁阀的安全与可靠性评估必须依据其失效模式与影响进行确定。

2) “1oo2”的电磁阀安全性能最高，但其防误跳车的能力较差，因而不适合用于对可靠性要求较高的联锁回路。

3) “2oo2”组合的电磁阀主要用于对开启速度有特殊要求的场合，其安全性和防误跳车能力较低，实际装置中此类电磁阀的组合应用较少。因此，对阀门排气或排液速度有特殊要求的场合，建议优先选用流通能力大的电磁阀而非“2oo2”的电磁阀。

4) 混联电磁阀具有较好的防误跳车性能，但其安全性不佳，其拒动可能性是“1oo1”电磁阀的2倍，远高于“1oo2”组合的电磁阀。考虑到实际装置的执行机构中，电磁阀失效的可能性远低于主阀的失效可能性，因而一些对执行可靠性具有较高要求的场合，可以考虑选用混联的电磁阀以降低阀门误跳车的可能性。

参考文献：

[1]Center for Chemical Process Safety. Guidelines for Safe Process Operations and Maintenance [M]. New York： American Institute of Chemical Engineers, 1995： 221.

[2]Center for Chemical Process Safety. Guidelines for Safe Automation of Chemical Processes [M]. New York： American Institute of Chemical Engineers, 1993： 369.

[3]Center for Chemical Process Safety. Guidelines for Safe and Reliability Instrumented Protective Systems [M]. New York： American Institute of Chemical Engineers, 2007： 384.

[4]IEC. Functional Safety-safety Instrumented Systems for the Process Industry Sector — Part 1： Framework, Definitions, System, Hardware and Software Requirements [S]. IEC, 2003.

[5]State Bureau of Quality and Technical Supervision. GB/T 21109 Functional Safety — Safety Instrumented Systems for the Process Industry Sector： Framework, Definitions, System, Hardware and Software Requirements [S]. State Bureau of Quality and Technical Supervision, 2007.

[6]MACDONALD D. Practical Industrial Safety, Risk Assessment, and Shutdown Systems [M]. Netherlands： Elsevier Science & Technology Books, 2004： 152.

[7]GRUHN P, CHEDDIE H. Safety Instrumented Systems： Design, Analysis, and Justification [M]. North Carolina： ISA — the Instrumentation, Systems, and Automation Society.

[8]朱建新,王莉君,高增梁,等.基于失效模式的联锁系统安全与误跳车计算方法[J].压力容器，2007(07)： 12-16.

[9]李宝华.石油石化行业控制阀的技术现况和发展趋势[J].石油化工自动化，2013，49(03)： 1-5.

摘要：研究了石化联锁阀中四种典型的电磁阀的安全性与可靠性，并对其适用性进行了分析。通过对每一种逻辑结构及可能的失效模式的分析，利用基于Markov模型的安全与可靠性评估技术，对各逻辑结构在指令模式下的平均失效可能性(PFDavg)以及平均误跳车时间进行了分析与比较，总结了各种逻辑结构的特点及适应性。研究表明，“1oo2”模式的电磁阀具有最高安全性，但其误跳车最大；而电磁阀的混联方式可以提供较好的防误跳车性能，且具有较好的安全性。

关键词：安全可靠性电磁阀误跳车

Assessment on Reliability of 4 Types of Classic Solenoid Valve CombinationYang Haihe1, Liu Zhaoxia2

(1. Sinopec Jinan Branch, Jinan, 250101, China;2. Dalian Training Center of the National

Development and Reform Commission, Dalian, 116013， China)

Abstract：The safety and reliability of 4 types of classic solenoid valves in petrochemical interlock valves are studied in order to evaluate feasibility in application. The logical structure and failure modes of each configuration are discussed and analyzed. Through analysis of every kind of logistic configuration and possible failure modes, taking advantage of safety and reliability evaluation technology of Markov model, the average probability of failure on demand (PFDavg) and the mean time to failure spurious (MTTFs) for these configurations are studied and compared. The characteristics and applicability of each logistic configuration are summarized. The study shows that 1oo2 mode of solenoid valve can provide best safety performance and worst anti-spurious trip capability, while hybrid solenoids can provide both low nuisance trip and acceptable safety performance.

Key words：safety; reliability; solenoid valve; nuisance trip

中图分类号：TP214

文献标志码：B

文章编号：1007-7324(2015)03-0061-04

作者简介：杨海河，男，1989年毕业于山东工业大学工业自动化仪表专业，现就职于中国石油化工股份有限公司济南分公司，主要从事自控系统、仪表设备管理工作，任高级工程师、高级主管。

稿件收到日期： 2014-12-29，修改稿收到日期： 2015-03-17。