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影響SIS安全完整性等級（SIL）的驗(yàn)證的主要因素

發(fā)布時間：

2024-07-09 09:51

按照原國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局文件《國家安全監(jiān)管總局關(guān)于加強(qiáng)化工安全儀表系統(tǒng)管理的指導(dǎo)意見》（安監(jiān)總管三［2014］116號）的規(guī)定，在建項(xiàng)目，在役生產(chǎn)裝置自2020年起均需開展安全完整性等級（SIL）的驗(yàn)證工作，在實(shí)施SIL驗(yàn)證工作中，很多驗(yàn)證問題均與GB/T 21109.1-2007《過程工業(yè)領(lǐng)域安全儀表系統(tǒng)的功能安全第1部分：框架、定義、系統(tǒng)、硬件和軟件要求》定義的安全生命周期活動緊密關(guān)聯(lián)，本文詳細(xì)闡述了SIL驗(yàn)證工作中遇到的各種問題及影響因素，希望對安全儀表系統(tǒng)（SIS）的設(shè)計(jì)、采購及施工、維護(hù)維修管理提供參考，本文出現(xiàn)大量專用術(shù)語及縮略語，限于篇幅不逐一詳解，請參考GB/T 21109.1-2007《過程工業(yè)領(lǐng)域安全儀表系統(tǒng)的功能安全》和GB/T 20438-2017《電氣/電子/可編程電子安全相關(guān)系統(tǒng)的功能要點(diǎn)》，IEC 61508及IEC 61511標(biāo)準(zhǔn)。

SIL驗(yàn)證

當(dāng)一個安全儀表功能（SIF）的SIL定級大于或等于1時，需要對該SIF進(jìn)行SIL的驗(yàn)證，要通過SIL驗(yàn)證，必需滿足架構(gòu)約束、SIF回路要求的平均失效概率（PFDavg）計(jì)算滿足SIL報(bào)告要求、系統(tǒng)能力達(dá)到SIL要求，此外，SIL驗(yàn)證還需檢查滿足誤停車率、滿足檢驗(yàn)測試周期等要求，這些因素與安全生命周期的各項(xiàng)活動都有緊密關(guān)聯(lián)。

影響SIL驗(yàn)證的主要因素

SIL驗(yàn)證需要的輸入數(shù)據(jù)及信息至少應(yīng)包含以下內(nèi)容：

SIL定級報(bào)告，需包含SIF回路的位號、功能描述，SIL等級及要求的PFDavg；

SIF回路的結(jié)構(gòu)及各個部件的表決架構(gòu)；

SIF回路各個部件選用廠家的具體型號及廠家針對型號提供的SIL證書及安全手冊；

以及測試檢驗(yàn)周期；

儀表故障模式設(shè)計(jì)；

儀表測量值在線比對診斷；

操作模式要求；

平均修復(fù)時間（MTTR）；

產(chǎn)品使用壽命或完美使用時間；

瞬變信號過濾；

測試覆蓋率及診斷覆蓋率（Dc）；

誤停車率；

事故安全型設(shè)計(jì)原則；

共因失效因子。

01 SIL定級報(bào)告對SIL驗(yàn)證的影響

SIF回路涉及的儀表數(shù)量及結(jié)構(gòu)如果在SIL報(bào)告中描述不清晰，驗(yàn)證工作很難準(zhǔn)確開展。例如：燃料氣壓力低低緊急停爐切斷燃料氣閥門XXXA，XXXB，打開放空閥XXXC，該描述僅重復(fù)了邏輯圖中的邏輯關(guān)系，但是對于是否所有的閥門的動作都屬于該SIF回路功能卻并沒有清晰界定。如果不了解工藝，將放空閥加入驗(yàn)算，將導(dǎo)致執(zhí)行元件的架構(gòu)變化。事實(shí)上，放空閥是否打開，對SIL定級時定義的特定的SIF危險(xiǎn)場景沒有影響，放空閥的動作不能阻止SIL定級時所分析的爐膛熄火燃料氣繼續(xù)進(jìn)入爐膛的危險(xiǎn)場景，而是作為切斷閥關(guān)閉后，防止閥門內(nèi)泄漏產(chǎn)生的燃料氣進(jìn)入爐膛的另一個特定的危險(xiǎn)場景，該閥不能算作該特定SIF最終執(zhí)行元件表決架構(gòu)中的一個組成部分，不能參加驗(yàn)算，否則將導(dǎo)致執(zhí)行元件的PFDavg值偏高，驗(yàn)證不容易通過，所以SIL分析報(bào)告中，一定要清晰辨識參與該特定SIF功能的各個部件。

在實(shí)際驗(yàn)證中也發(fā)現(xiàn)，有的SIF如果不通過現(xiàn)有手段找到更多的獨(dú)立保護(hù)層（IPL）來降低風(fēng)險(xiǎn)至足夠低的程度，則最終導(dǎo)致SIL等級或要求的風(fēng)險(xiǎn)降低因子（RRF）設(shè)定的偏高，例如SIL3的等級，當(dāng)需要滿足PFDavg的約束條件時：PFD檢測部件、PFD邏輯控制器、PFD執(zhí)行元件、PFD供電電源之和不大于SIL報(bào)告要求的該SIF的PFDavg。當(dāng)前儀表設(shè)備的SIL證書很少單臺使用能達(dá)到SIL3，大多數(shù)是SIL2或通過冗余架構(gòu)達(dá)到SIL3，對于PFDavg而言，特定SIL等級是一個相差10倍的范圍，關(guān)鍵是看SIL報(bào)告要求的PFDavg在該范圍的哪個區(qū)間，所有具有SIL3能力的子部件PFDavg的和仍然可能大于SIL報(bào)告中要求的SIL3的PFDavg，SIL2的情況也類似。所以當(dāng)發(fā)現(xiàn)定義為SIL3或要求高RRF的SIL2的SIF，一定要結(jié)合歷史及類似場景復(fù)核該風(fēng)險(xiǎn)等級、IPL和要求的PFD_avg，尤其注意排除連帶其他風(fēng)險(xiǎn)導(dǎo)致的各類經(jīng)濟(jì)損失擴(kuò)大化，如有必要，引入合理的點(diǎn)火概率及人員暴露因子進(jìn)行修正。很多場景僅僅通過儀表的手段來降低風(fēng)險(xiǎn)使剩余風(fēng)險(xiǎn)滿足要求是非常困難的，經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)要求的RRF＞200時，單閥普遍很難通過驗(yàn)證，即使通過，儀表的采購價(jià)格也沒有經(jīng)濟(jì)性，所以工藝的本質(zhì)安全設(shè)計(jì)及通過更多且合理的IPL降低SIL的定級或要求的RRF是通過SIL驗(yàn)證最優(yōu)的選擇。

02 SIF回路儀表結(jié)構(gòu)及表決架構(gòu)對SIL驗(yàn)證的影響

SIL驗(yàn)證中需滿足SIF回路中所有環(huán)節(jié)的PFDavg之和小于定級時要求的PFDavg，但是驗(yàn)證輸入資料中回路結(jié)構(gòu)的信息往往提供不全，例如檢測元件回路是否包含安全柵、隔離器、防雷柵等，如果為開關(guān)元件，回路是否有串聯(lián)、并聯(lián)等特殊接線結(jié)構(gòu)等；執(zhí)行元件回路的結(jié)構(gòu)是否包含安全柵、繼電器、防雷柵，是否有特殊接線結(jié)構(gòu)等，如果驗(yàn)算遺漏了某個環(huán)節(jié)，整個回路的失效率計(jì)算將偏小，誤認(rèn)為安全達(dá)到了要求。

實(shí)際工作中發(fā)現(xiàn)，驗(yàn)算不能通過，往往是由于某個容易被忽視的輔助設(shè)備的可靠性不高，產(chǎn)生了瓶頸效應(yīng)引起的，此時可通過簡化不必要的回路結(jié)構(gòu)來提高回路整體可靠性，例如電磁閥或測量元件通過修改為隔爆類型減少安全柵環(huán)節(jié)，超速保護(hù)模塊直接連接到現(xiàn)場停車速關(guān)閥，不通過機(jī)組保護(hù)系統(tǒng)去停車等。

在滿足架構(gòu)約束的前提下，設(shè)計(jì)的表決架構(gòu)如果不能通過驗(yàn)證，需根據(jù)結(jié)果調(diào)整架構(gòu)，設(shè)計(jì)架構(gòu)并非硬件故障裕度（HFT）越大越好，HFT越大，驗(yàn)證越容易通過，但誤停車率增加，要綜合兼顧誤停車率增加對經(jīng)濟(jì)效益的影響，合理設(shè)計(jì)表決架構(gòu)，例如同為HFT=1的架構(gòu)，“2oo3”比“1oo2”的誤停車率低.

03 儀表采購型號及證書對SIL驗(yàn)證的影響

SIL驗(yàn)證需要真實(shí)選型儀表的PFDavg數(shù)據(jù)，此時需要儀表廠家提供相關(guān)的SIL證書，如果沒有證書，一般都選用驗(yàn)證軟件庫中的通用數(shù)據(jù)來計(jì)算，通過的概率將大打折扣。

根據(jù)IEC 61508，SIL驗(yàn)證通過必需達(dá)到的架構(gòu)約束見表1所列。

A類元件的典型儀表類型為繼電器、閥門、開關(guān)類元件，B類元件的典型儀表類型為PLC、閥門定位器、智能變送器、內(nèi)置集成電路的元件。當(dāng)采購的儀表廠家不能提供很好的失效數(shù)據(jù)或SIL證書時，且不能按照IEC 61508的先驗(yàn)使用或IE C61511規(guī)定的早先使用通過Route2H來證明其可靠性時，該儀表的可靠性按照安全失效分?jǐn)?shù)SFF＜60%處理比較合理。如果檢測元件及執(zhí)行元件設(shè)計(jì)架構(gòu)都沒有考慮容錯時，即HFT=0時，檢測元件為電子元件類變送器時，對于SIL1回路，是不能通過架構(gòu)約束的。此時設(shè)計(jì)時，必需考慮設(shè)計(jì)檢測元件為表決架構(gòu)“1oo2”，“2oo3”，或“1oo3”才達(dá)到架構(gòu)約束。對于SIL2回路，單純架構(gòu)約束就需要檢測元件必需至少為“1oo3”或“2oo4”表決的架構(gòu)，閥門也必需至少2臺。

從以上分析可以看出，儀表廠家的質(zhì)量證明及SIL證書可以直接影響架構(gòu)設(shè)計(jì)，例如某浮筒變送器廠家的SIL證書信息為“Random Capability：Type B，SIL2＠HFT=0，Route1H Device。”

證書表明，該變送器單臺SIL等級可以達(dá)到SIL2，架構(gòu)約束單臺可以用于SIL1以及SIL2場合。

某閘閥廠家的證書部分內(nèi)容：“Safety IntegrityLevel：SIL2＠HFT=0；SIL3＠HFT=1 for Safety Functions；Open on demand or Close on demand”，證書表明，該閥單臺SIL等級也能夠達(dá)到SIL2，如果設(shè)計(jì)為“1oo2”使用時可以達(dá)到SIL3。

上述并非說明達(dá)到SIL2等級的該儀表回路肯定能通過驗(yàn)證，除架構(gòu)外，其他約束條件例如整體回路的PFDavg驗(yàn)算以及系統(tǒng)能力的約束仍然要滿足。

對于系統(tǒng)能力，GB/T 20438.5-2017及IEC 615082，3針對其術(shù)語有詳細(xì)解釋，主要是用于避免系統(tǒng)失效。典型的某電磁閥的SIL證書上標(biāo)明“Systematic Capability：SC3（SIL3Capable）”，表明該設(shè)備按照安全手冊規(guī)定應(yīng)用時，可最大程度避免除隨機(jī)失效以外的系統(tǒng)失效，滿足SIL3要求，系統(tǒng)能力體現(xiàn)在軟件、設(shè)計(jì)、安裝、使用、維護(hù)等需遵循產(chǎn)品安全手冊，安全手冊隨證書一起提供。

由上可見，產(chǎn)品的SIL證書及配套安全手冊信息豐富，對于證明該設(shè)備滿足SIL驗(yàn)證的3個條件非常重要。

但是實(shí)際驗(yàn)證過程中卻發(fā)現(xiàn)，有些特殊產(chǎn)品，廠家沒有SIL證書，例如蒸汽透平機(jī)的速關(guān)閥，催化及MTO裝置的滑閥及主風(fēng)阻尼單項(xiàng)閥等，由于歷史的原因，特閥或機(jī)械保護(hù)裝置在特定的場合使用非常成熟，此時驗(yàn)證時，因?yàn)檫@些SIF回路往往比較重要，SIL定級比較苛刻，如果采用數(shù)據(jù)庫中通用的電液執(zhí)行機(jī)構(gòu)或類似執(zhí)行機(jī)構(gòu)驗(yàn)算PFDavg時，往往因?yàn)槿≈挡缓猛ú贿^驗(yàn)算，但是該類執(zhí)行元件價(jià)格很高，冗余配置也不合理。此時，可以根據(jù)IEC61508關(guān)于“Proven in use，使用證明”及IEC61511關(guān)于“prior use，先驗(yàn)使用”的相關(guān)規(guī)定，針對該設(shè)備進(jìn)行文件化評估，即根據(jù)設(shè)備以往的使用情況，提供該同型號設(shè)備成熟用于類似場合的證據(jù)，例如提供該型號的滑閥已經(jīng)用過多少實(shí)例，至少多少小時安全運(yùn)行，對于幾套類似裝置使用，多少個用戶。通過該方式，該設(shè)備可以取到滿意的PFDavg的參數(shù)使PFDavg驗(yàn)算通過，計(jì)算示例如下：

假設(shè)某廠某型號設(shè)備某裝置已使用200臺，5a內(nèi)僅2臺發(fā)生故障，則危險(xiǎn)失效率λD依據(jù)小時為單位可計(jì)算為：λD=2/（200×5×8760）=2.28×10-7。

類似無證書設(shè)備可參考該計(jì)算方法取值。

04 其他因素對SIL驗(yàn)證的影響

根據(jù)ISATR84.00.02：2002規(guī)定，PFDavg的計(jì)算是一個非常復(fù)雜的函數(shù)，與測試間隔時間、維修周期、共因失效等諸多因素有關(guān)，限于篇幅，僅摘選部分主要因素分析如下：

1）測試檢驗(yàn)周期。工藝設(shè)計(jì)之初已結(jié)合業(yè)主的要求確定停工大修周期，全廠停工時，檢維修人員手動測試各個安全儀表的功能并進(jìn)行維護(hù)。SIL驗(yàn)算時，該周期按照大修周期例如48個月來驗(yàn)算，驗(yàn)算不過的大部分原因，是因?yàn)殚y門失效率過高，當(dāng)可以附加部分行程測試裝置（PST）時，可按照驗(yàn)算建議的周期測試而不影響工藝。國外也有設(shè)計(jì)帶切斷閥的旁路備用聯(lián)鎖閥的方式，測試時，打開旁路切斷閥，投用備用閥門，關(guān)閉測試閥門前后切斷閥進(jìn)行測試。通過各種技術(shù)手段，測試間隔時間可按要求降低，當(dāng)只采用1臺閥門執(zhí)行SIF功能時，該閥的PFDavg當(dāng)僅考慮隨機(jī)失效時，可簡化計(jì)算如式（1）所示：

式中:λ_Du-未檢測到的危險(xiǎn)失效,產(chǎn)品證書上的值,對應(yīng)證書上固定的檢測周期,一般為1 a;

T_i-測試檢驗(yàn)間隔時間,當(dāng)閥門配 PST 時,原大修周期4a可根據(jù)計(jì)算縮短，當(dāng)取6個月時，閥門的 PFD_avg。可降低為原來4a的8倍,很多情況驗(yàn)證就通過了，該指標(biāo)對驗(yàn)證影響很大。

2）儀表故障模式設(shè)計(jì)。當(dāng)儀表故障模式符合MAMURNE43標(biāo)準(zhǔn)時，智能儀表檢測到儀表故障時根據(jù)預(yù)先設(shè)定的故障模式，決定儀表信號的走向及旁路開關(guān)的設(shè)計(jì)方式是觸發(fā)聯(lián)鎖還是避免聯(lián)鎖，架構(gòu)是否降級等，控制系統(tǒng)組態(tài)以及現(xiàn)場儀表的配置都需要相互匹配，當(dāng)按照觸發(fā)聯(lián)鎖實(shí)施時，容易通過驗(yàn)證，但是誤停車率增加。

3）儀表測量值在線比對診斷。是指安全儀表獨(dú)立配置后，仍然需要在同樣的工藝場合設(shè)計(jì)一塊進(jìn)DCS的儀表與安全儀表測量值實(shí)時比對，針對測量值的偏差進(jìn)行診斷報(bào)警，如果安全儀表容錯設(shè)計(jì)，同時也相互比對，及時發(fā)現(xiàn)每塊安全儀表的失效，除儀表自身診斷以外的基于偏差的診斷設(shè)計(jì)理念，將利于驗(yàn)證通過。

4）操作模式要求。按照GB/T 20438.4-2017中第3.5.16條要求，一般石油化工都取低要求模式，1a最多聯(lián)鎖動作一次，對應(yīng)國標(biāo)，SIL等級的PFDavg取值才有依據(jù)。

5）MTTR。該術(shù)語的含義是設(shè)備發(fā)生故障到重新恢復(fù)正常工作的時間期望值，其值需依據(jù)業(yè)主維護(hù)維修力量，采購備品、備件情況，廠家售后服務(wù)地點(diǎn)及服務(wù)合同，交通狀況等綜合決定，一般國內(nèi)現(xiàn)場儀表按照良好條件可定義為24h，即該設(shè)備如果發(fā)生故障，24h后可重新投用如初，對于邏輯控制器，大多數(shù)故障為軟件故障，修復(fù)可采用重新啟動或使用通信手段與廠家咨詢解決，一般可取4h。MTTR值對驗(yàn)證有一定影響，時間越短，設(shè)備可靠性保障越好，驗(yàn)證越容易通過。

6）產(chǎn)品使用壽命或完美使用時間。“完美”是指使用的產(chǎn)品性能與新產(chǎn)品基本無差異，產(chǎn)品使用壽命在儀表的安全手冊中有闡述。根據(jù)該產(chǎn)品的可靠性，在安全手冊指導(dǎo)使用方法及定期維護(hù)前提下，推薦使用于安全場合45a，當(dāng)然也要綜合考慮備件供應(yīng)時間及廠家技術(shù)支持服務(wù)，一般取最小值。該值越大表明產(chǎn)品質(zhì)量越好，越容易通過驗(yàn)證。

7）瞬變信號過濾。指控制系統(tǒng)對輸入瞬變信號是否過濾不響應(yīng)，例如對于壓力高高聯(lián)鎖，瞬間超壓是否立即動作或延時動作，需業(yè)主、設(shè)計(jì)、廠家三方共同商議，結(jié)合儀表響應(yīng)時間、歷史事件及誤停車率綜合分析決定，過于敏感對驗(yàn)證容易但是誤停車率將增加。

8）測試覆蓋率及診斷覆蓋率。根據(jù)GB/T 20438.4-2017規(guī)定，測試覆蓋率指通過可靠性測試的手段能檢測出的危險(xiǎn)失效占總失效數(shù)量的比例，該值越高，表明業(yè)主的維護(hù)維修能力越高；該值越低，設(shè)備的不間斷使用周期要求越高。該測試也分在線與離線，在線測試與旁路的設(shè)計(jì)、容錯的架構(gòu)等有關(guān)，很多廠家的安全手冊包含常見失效的測試方法，該測試為人工測試與自動診斷測試不同，自動診斷不能檢測的失效要通過人工檢測方法實(shí)現(xiàn)，該值越高，驗(yàn)證越容易通過。

當(dāng)元件為智能儀表時，可通過自動自診斷的方式來檢測危險(xiǎn)失效占總失效比例，稱為診斷覆蓋率Dc，Dc不包含通過人工手段檢測到的任何故障。

Dc與設(shè)備失效率之間的關(guān)系如式（2）所示：

式中:λ_S--安全失效率;λ_D--危險(xiǎn)失效率

Dc越高，SFF值越大，設(shè)備越可靠，PFDavg值就越小，通過PFDavg驗(yàn)證的概率就越大。Dc適用于邏輯控制器以及智能變送器，對于SIL3的邏輯控制器，根據(jù)IEC615082，可取99%或更好，對于智能變送器本身就具有很強(qiáng)的自診斷功能，絕大多數(shù)的危險(xiǎn)失效可以通過儀表本身的自診斷得到，依據(jù)IEC61508及IEC61511標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)檢測元件的診斷由DCS實(shí)現(xiàn)時，最高也不能達(dá)到90%，因?yàn)镈CS本身也會失效，最大的風(fēng)險(xiǎn)降低因子就是10。另外該診斷與上述儀表故障模式設(shè)計(jì)及故障發(fā)生后旁路設(shè)計(jì)有很大關(guān)系，該關(guān)系較為復(fù)雜，限于篇幅，這里不加以贅述。根據(jù)IEC615082規(guī)定，當(dāng)設(shè)備為TypeB類電子元件時，當(dāng)證書使用Route2H方式認(rèn)證時，Dc不得低于60%，說明有證書的儀表可靠性及智能化程度高，驗(yàn)證更容易通過。

對于執(zhí)行元件不是智能儀表，無法實(shí)施在線診斷測試時，一般閥門的SIL證書都會寫明失效率的對應(yīng)條件是Dc=0，并給出可靠性測試間隔要求，大多為1a，驗(yàn)算不通過時，如果因?yàn)楦鞣N原因不容易改變架構(gòu)時，此時最合理的選擇就是加PST將測試間隔降低。加PST后，可檢測出大部分危險(xiǎn)失效，甚至配合先進(jìn)的診斷軟件也可以實(shí)現(xiàn)在線診斷，但也不能達(dá)到100%的故障全部診斷出來，鑒于閥門的故障復(fù)雜性及業(yè)主的維護(hù)隊(duì)伍的技術(shù)實(shí)力，加PST后的測試覆蓋率常選擇75%～80%，加PST更利于通過SIL驗(yàn)證。

9）誤停車率。該數(shù)據(jù)需要業(yè)主結(jié)合經(jīng)濟(jì)效益來給定，有時候SIL驗(yàn)證計(jì)算可以通過，但是如果誤停車率高于業(yè)主的要求，經(jīng)濟(jì)效益將大幅降低，此時需要采取各種手段，例如調(diào)整測量元件“1oo2”架構(gòu)為“2oo3”架構(gòu)，同時滿足可靠性及可用性要求，該數(shù)據(jù)對驗(yàn)證、采購、設(shè)計(jì)都有一定的影響。

10）事故安全型設(shè)計(jì)原則。如果設(shè)計(jì)按照事故安全性原則設(shè)計(jì)，驗(yàn)證計(jì)算時，將不考慮電源故障的失效率，對于驗(yàn)證通過很有幫助。

11）共因失效因子。共因失效定義詳見GB/T 20438.4-2017中3.6.10條規(guī)定：對于有表決架構(gòu)設(shè)計(jì)的儀表，應(yīng)合理設(shè)計(jì)降低共因失效來提高SIL驗(yàn)證通過的可能性，例如：表決的儀表設(shè)計(jì)為不同測量或執(zhí)行動作原理的儀表，即便是原理相同，要選擇不同的廠家產(chǎn)品等。按照《中國石化安全儀表系統(tǒng)安全完整性等級評估管理辦法（試行）的通知》（中國石化安［2018］150號）要求，PFDavg計(jì)算應(yīng)當(dāng)考慮共因失效，共因失效因子β選取可采用GB/T 20438-2017《電氣/電子/可編程電子安全相關(guān)系統(tǒng)的功能安全》規(guī)定的方法、經(jīng)過認(rèn)證的數(shù)據(jù)、利用專家經(jīng)驗(yàn)確定。

典型儀表的設(shè)備β參考值見表2所列。

表決架構(gòu)選用的儀表的β值越大，越不利于SIL驗(yàn)證通過，β值與接線獨(dú)立性設(shè)計(jì)及施工也有關(guān)系，表決架構(gòu)的安全儀表電纜的敷設(shè)路徑分開，接線箱的獨(dú)立接線，進(jìn)入SIS的控制器及卡件的獨(dú)立設(shè)計(jì)，儀表電源的獨(dú)立設(shè)計(jì)，都對降低β值通過SIL驗(yàn)證有一定的幫助。

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2021-09-15

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2021-09-15