機能安全（SIL）と機械部品：ケーブルグランドは安全度水準にどのように影響し、致命的な故障を防止するか？

ケーブルグランドの不具合は、SIL規格の安全システム全体を危険にさらす可能性があります。機械部品が機能安全にどのような影響を与えるかを理解することは、産業災害を防止するために非常に重要です。

ケーブルグランドは、その故障モード、環境保護能力、系統的能力レベルを通じて機能安全に影響を与えるため、適切なSIL評価、故障率データ分析、必要な安全インテグリティレベルを維持するための全体的な安全計装システム設計への統合が必要です。

先月、ハッサンは彼の石油化学工場から私に緊急電話をかけてきた。SIL 2緊急シャットダウンシステムがテスト中に故障したのです。ケーブルグランドからの水の浸入がセンサーの誤作動を引き起こしたからです。この事故は、なぜ機械部品が機能安全設計において同等の注意を払うに値するかを私に思い出させた。

目次

• 機能安全とは何か、機械部品はどのように適合するのか？
• ケーブル・グランドは安全計装システムの性能にどのように影響するか？
• 安全アプリケーションにおけるケーブルグランドのSIL要件とは？
• SIL規格システム用ケーブル・グランドの選定と仕様について

機能安全とは何か、機械部品はどのように適合するのか？

機能安全¹ は、セーフティクリティカルなシステムにおける危険な故障の防止に重点を置いています。電子部品が注目されがちですが、ケーブルグランドのような機械部品も同様に重要な役割を果たします。

機能安全では、環境保護、シグナル・インテグリティ、システム信頼性を提供する機械部品を含め、セーフティ・チェーン内のすべてのコンポーネントが、故障モード、メンテナンス要件、系統的な能力評価を通じて、指定されたインテグリティ・レベルを満たすことが要求される。

安全度水準（SIL）の理解

SILの定義と要件：

注： 安全度水準（SIL）² 安全機能が提供するリスク低減の目標レベルを定量化する。その オンデマンド故障確率（PFD）³ は、低需要モードで動作するシステムにとって重要な指標である。

機械部品の役割

安全システムにおける重要機能：

• 環境保護:危険な故障の原因となる侵入を防ぐ
• 信号の完全性:電気的導通と絶縁の維持
• 機械的信頼性:ストレス下でも接続の安全性を確保
• 組織的能力:システム全体のアーキテクチャ要件をサポート

デビッドは最近、次のように話しています：「チャック、適切な分析を行うまで、ケーブルグランドの選定がSIL計算にどれほどの影響を及ぼすか、まったく気付かなかったよ。その影響は大きかった。

IEC 61508 機械部品のフレームワーク

ライフサイクル要件：

1. コンセプト段階:機械的故障モードを含むハザード分析
2. 設計段階:機械部品の体系的能力評価
3. 実施:適切なインストールと設定手順
4. オペレーション:メンテナンスとテストのプロトコル
5. 廃止措置:安全な撤去と廃棄の手順

について IEC 61508⁴ 規格は、システムのライフサイクル全体を通じて機能安全を管理するための包括的な枠組みを提供する。

体系的な能力レベル：

• SC 1:基本設計の実践と文書化
• SC 2:品質管理と検証の強化
• SC 3:正式な開発プロセスと独立した評価
• SC 4:包括的なライフサイクル管理で最高レベル

ケーブル・グランドは安全計装システムの性能にどのように影響するか？

ケーブルグランドは、安全機能を損なう可能性のある複数の故障メカニズムを通してSISの性能に影響を与えます。これらの影響を理解することは、適切なシステム設計に不可欠です。

ケーブルグランドは、危険な未検出の故障（センサーのドリフトを引き起こす水の浸入）、危険な検出された故障（完全なシール不良）、安全な故障（明らかな漏れ）、および系統的な故障（不適切な設置または仕様）を通してSISの性能に影響を与え、それぞれ異なる緩和戦略を必要とする。

ケーブルグランドの故障モード解析

危険な未検出の故障（DU）：

• 水分の浸入を許すシールの緩やかな劣化
• 干渉の原因となるEMCシールドの部分的な損失
• 内部部品の腐食が遅い
• 断続的な接続を引き起こす微小な動き

危険な検出故障（DD）：

• 明らかな漏れを伴う完全なシール不良
• 適切な密閉を妨げる機械的損傷
• 目に見える腐食や劣化
• ケーブルの引き抜きまたは変位

安全な失敗（S）：

• 過度の締め付けによる明らかな損傷
• 環境格付けの完全喪失
• 機械的な故障により設置ができない
• 明確な妥協の意思表示

安全機能性能への影響

シグナルインテグリティの影響：

• 水の浸入はセンサーの測定ドリフトの原因となる
• 腐食は接触抵抗を増加させる
• EMC劣化による干渉の可能性
• 温度サイクルは校正に影響する

ハッサンはこう言った：「ケーブルグランドから侵入した水分が、圧力トランスミッターを2%ドリフトさせていることがわかりました。

定量的影響評価

故障率の貢献：

• ケーブルグランド故障率：10-⁶から10-⁴故障/時
• 環境要因：2倍から10倍の倍率
• 設置品質：1.5倍から5倍の倍率
• メンテナンス効果：0.5倍から2倍の倍率

PFDの計算例：
SIL 2 圧力安全弁システム用：

• センサーPFD: 1×10-³
• ロジックソルバー PFD: 5×10-⁴
• 最終要素PFD: 2×10-³
• ケーブルグランドの寄与：1×10-⁴
• システム全体のPFD: 3.6×10-³ (まだSIL 2の範囲内）

よくある失敗の原因

環境ストレス要因：

• 複数の腺に影響を及ぼす温度サイクル
• 系統的劣化を引き起こす化学物質への暴露
• 振動でシステム全体の接続が緩む
• シーリング材を劣化させる紫外線

緩和戦略：

• 多様化するケーブルグランドの種類と材質
• 冗長な密閉方法
• 定期点検とメンテナンス・プログラム
• 環境保護対策

Beptoでは、SIL計算をサポートするために、すべてのケーブルグランドについて詳細な故障モード解析と信頼性データを提供しています。当社のエンジニアリングチームは、お客様の安全システム設計を最適化するお手伝いをいたします。

安全アプリケーションにおけるケーブルグランドのSIL要件とは？

SIL規格のシステムで使用されるケーブルグランドは、システマチックな能力、故障率、文書化に関する特定の要件を満たさなければならない。これらの要件は、SILレベルとアプリケーションによって異なります。

ケーブルグランドのSIL要件には、系統的能力認証（SIL 2アプリケーションの場合は最低SC 2）、文書化された故障率データ、証明試験手順、保守間隔、および全体的な安全ライフサイクル管理プロセスへの統合が含まれる。

体系的な能力要件

SC 2 要件（SIL 2 の最小値）：

• 品質マネジメントシステム（ISO9001または同等のもの）
• 構成管理手順
• 検証と妥当性確認プロセス
• ドキュメンテーションとトレーサビリティ・システム
• 人材の能力管理

SC 3 の要件（SIL 3 に推奨）：

• 正式な開発ライフサイクル
• 独自の検証活動
• 高度な品質保証対策
• 包括的な検査プロトコル
• 第三者評価と認証

必要書類

エッセンシャル・ドキュメンテーション・パッケージ：

• 故障モード解析付き安全マニュアル
• インストールとメンテナンスの手順
• プルーフテストの指示と間隔
• 環境制限とディレーティング要因
• 体系的能力証明書

故障率データの要件：

• 故障モード別のラムダ（λ）値
• 環境ストレス要因
• 信頼区間とデータソース
• ミッション時間と消耗の考慮
• 共通原因故障分析

デビッドは次のように語っています：「Beptoから適切なSIL文書を入手したことで、TÜVの審査が非常にスムーズになりました。審査員は、セーフティケースの完成度の高さに感心していました」。

プルーフテスト要件

プルーフテストの目的

• 未検出の危険な故障を検出する
• 安全機能の継続性を確認する
• システムを既知の安全な状態に戻す
• 経験に基づいて故障率データを更新

ケーブルグランドプルーフ試験手順：

1. 損傷や劣化の目視検査
2. 指定範囲内のトルク検証
3. 絶縁抵抗試験
4. 密閉アプリケーションの圧力試験
5. EMCアプリケーションの継続性検証

安全ライフサイクルとの統合

設計段階の統合：

• ケーブルグランド HAZOPスタディ⁵
• FMEA分析における故障モードの検討
• 体系的な能力要件を特定する
• プルーフテスト戦略の定義

オペレーションフェーズの要件：

• 定期点検スケジュール
• 予防保全プログラム
• インシデントの報告と分析
• パフォーマンスの監視と傾向分析

ハッサンは最近私にこう言った：「ケーブルグランド要件を安全ライフサイクル管理システムに統合することで、問題になる前に潜在的な問題を特定することができました。

SIL規格システム用ケーブル・グランドの選定と仕様について

SILアプリケーションのためのケーブルグランドの適切な選択と仕様には、安全要件、環境条件、およびライフサイクルを考慮した体系的な評価が必要です。

SILシステム用のケーブルグランド選定には、システム能力レベル、安全ターゲットとの故障率データの互換性、環境適合性、プルーフテストの実行可能性、システムのライフサイクル要件をサポートする長期可用性の評価が必要である。

選考基準マトリックス

安全要件：

• 要求されるSILレベルとシステム能力
• 故障率の目標と配分
• プルーフテスト間隔の互換性
• よくある故障の原因
• メンテナンス・アクセシビリティ要件

技術仕様：

• ケーブルの種類とサイズ範囲
• 環境保護等級（IP、NEMA）
• プロセス流体との材料適合性
• 温度および圧力定格
• EMCおよび接地の要件

ライフサイクルに関する考察：

• 期待耐用年数（通常20年以上）
• スペアパーツの供給
• サプライヤーの安定性とサポート
• 陳腐化管理
• アップグレードと変更の柔軟性

仕様策定プロセス

ステップ1：安全要件分析

• SIS設計と安全要求仕様のレビュー
• ケーブルグランドの位置と機能を特定する
• 故障率配分の決定
• 体系的な能力要件を特定する

ステップ2：環境アセスメント

• 設置環境条件の分析
• 化学的適合性の要件を考慮する
• 機械的ストレス要因を評価する
• メンテナンスのしやすさを評価する

ステップ3：技術仕様

• パフォーマンス要件の定義
• 試験と認証のニーズを特定する
• 品質および文書化要件を確立する
• ライフサイクル・サポート条項を含む

サプライヤー評価基準

技術力：

• SIL認証と体系的能力
• 故障率データの質とソース
• テストと検証能力
• 技術サポートとエンジニアリング・リソース

品質システム：

• ISO 9001認証取得以上
• 構成管理プロセス
• 変更管理手順
• トレーサビリティと文書化システム

ビジネスに関する考察：

• 経済的安定と長寿
• グローバル・サポート能力
• スペアパーツの供給
• 技術ロードマップの調整

デビッドは私にこう言った：「御社の体系的な選定プロセスを使用することで、現在のSIL要件を満たすだけでなく、将来の変更にも柔軟に対応できるケーブルグランドを選択することができました。

ベプトのSILサポートサービス

当社はSILアプリケーションの複雑さを理解し、包括的なサポートを提供しています：

• SIL認証 体系的な能力レベル
• 詳細な故障率データ 信頼区間付き
• 安全マニュアルの作成 用途に合わせた
• 技術トレーニング SILの要件と実施について
• ライフサイクル・サポート 陳腐化管理を含む

よくある仕様の間違い

テクニカルエラー：

• システマティックな能力要件が過小評価されている
• 環境ストレス要因の無視
• 不適切なプルーフテスト手順
• 共通原因解析の欠落

商業上の過ち：

• イニシャルコストだけに注目
• ライフサイクルサポート要件の無視
• サプライヤーの資格認定が不十分
• 不足するスペアパーツ戦略

ドキュメンテーションの問題

• 不完全なセーフティケースの開発
• 故障モード解析の欠落
• 不適切なメンテナンス手順
• 不十分な変更管理プロセス

ハッサン氏は次のように語っています：「適切なSIL規格のケーブルグランドへの投資は、工場全体をシャットダウンしかねない重大な安全システムの不具合を回避したことで報われました。

結論

ケーブルグランドは機能安全システムにおいて重要な役割を担っており、安全インテグリティレベルを維持するために適切なSIL評価、体系的な能力認証、ライフサイクル管理が必要です。

SILおよびケーブルグランドに関するFAQ