（遼寧石油化工大學(xué)， 遼寧 撫順 113001）

FMEA、HAZOP和LOPA三種方法的信息共享研究

曾宏宇，王 偉

（遼寧石油化工大學(xué)， 遼寧 撫順 113001）

隨著國(guó)內(nèi)石油化工行業(yè)的蓬勃發(fā)展，安全事故頻頻發(fā)生，顯然人們的安全意識(shí)和防范措施跟不上生產(chǎn)的步伐。因此對(duì)石油化工行業(yè)進(jìn)行安全評(píng)價(jià)是必要的。作為產(chǎn)品故障與風(fēng)險(xiǎn)分析的重要手段之一的FMEA，其工作核心價(jià)值在于找出潛在故障模式，并預(yù)防不良后果。HAZOP分析是在危險(xiǎn)識(shí)別方面最全面、最有效的評(píng)價(jià)方法，而LOPA分析方法則是在HAZOP分析基礎(chǔ)上作進(jìn)一步半定量分析，從而提出更全面的安全措施，通過(guò)總結(jié)三種評(píng)價(jià)方式在不正常表現(xiàn)，產(chǎn)生原因，不良后果，安全措施等方面的信息共享，提高了化工企業(yè)安全評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性和客觀性。

FMEA；HAZOP；LOPA；信息共享；安全評(píng)價(jià)

信息是人們對(duì)事物的了解的不確定性的減少或消除，其功能是表征物質(zhì)客體成分，結(jié)構(gòu)，狀態(tài)，特性等屬性。信息共享的目的在于減少或消除信息源所需的不確定性[1]。石油化工行業(yè)由于設(shè)備多，生產(chǎn)過(guò)程復(fù)雜，危險(xiǎn)元素眾多，因而事故風(fēng)險(xiǎn)高，在生產(chǎn)過(guò)程中設(shè)備出現(xiàn)故障是不可避免的，因此對(duì)設(shè)備進(jìn)行故障模式與影響分析（FMEA），找出潛在故障，對(duì)于預(yù)防不良后果有重要意義。危險(xiǎn)與可操作性分析(HAZOP)是識(shí)別危險(xiǎn)最全面有效的安全評(píng)價(jià)方法。它通過(guò)假定生產(chǎn)工藝的每一個(gè)部分都有可能發(fā)生不正常的偏差，并分析偏差產(chǎn)生原因和不利后果，從而為提出安全措施提供信息。保護(hù)層分析法（LOPA）是分析由HAZOP分析所得原因-后果對(duì)所描述的危險(xiǎn)場(chǎng)景，通過(guò)危險(xiǎn)場(chǎng)景發(fā)生頻度、不利后果嚴(yán)重度以及獨(dú)立保護(hù)層的有效性來(lái)綜合評(píng)定危險(xiǎn)場(chǎng)景的風(fēng)險(xiǎn)程度。三種分析方法所提供和所需要的信息之間存在許多聯(lián)系，因此三者之間的信息共享能夠提高安全評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性與客觀性。

1 三種評(píng)價(jià)方法簡(jiǎn)介

FMEA，故障模式和影響分析，最早始應(yīng)用于戰(zhàn)斗機(jī)的操作系統(tǒng)分析，其主要目的在于識(shí)別已知或潛在的失效模式，分析所有可能的后果，評(píng)估其嚴(yán)重度并預(yù)先采取有效措施，從而降低故障發(fā)生概率，加強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，同時(shí)也為管理層做出風(fēng)險(xiǎn)管理決定提供詳細(xì)信息。FMEA的另一個(gè)核心價(jià)值在于積累信息，有益于產(chǎn)品的改進(jìn)或再設(shè)計(jì)[2]。危險(xiǎn)與可操作性分析（HAZOP）是英國(guó)帝國(guó)化學(xué)工業(yè)公司針對(duì)化工裝置而開(kāi)發(fā)的一種危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方法，既可以用于設(shè)計(jì)階段，又適用于現(xiàn)有裝置。其基本過(guò)程是不同背景的專家小組利用頭腦風(fēng)暴方式，以關(guān)鍵詞為引導(dǎo)，尋找出系統(tǒng)中工藝過(guò)程的狀態(tài)參數(shù)的變化，然后進(jìn)一步分析偏差的原因、后果與措施。保護(hù)層分析法（LOPA）可看做是一種改進(jìn)的事件樹(shù)分析方法，是對(duì)HAZOP得出的結(jié)果做半定量深入分析。其目的在于量化場(chǎng)景的風(fēng)險(xiǎn)度，并檢查安全措施是否能滿足要求?？偟亩?，F(xiàn)MEA始于故障原因，HAZOP始于偏差，LOPA始于結(jié)果，由于分析順序存在差異，故而在各分析階段所需和所提供的信息就會(huì)有所互補(bǔ)[3],如圖1所示。

圖1 FMEA、HAZOP與LOPA的分析順序?qū)Ρ菷ig.1 The analysis sequence of three methods

2 三種方法分析的關(guān)系

三種分析方法主要的關(guān)系是:運(yùn)用FMEA對(duì)設(shè)備進(jìn)行分析，并綜合該設(shè)備運(yùn)行歷史記錄，得到故障模式庫(kù)等記錄信息；運(yùn)用HAZOP對(duì)設(shè)備之間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析，得到所有可能的偏差，原因，后果等經(jīng)驗(yàn)信息；運(yùn)用LOPA對(duì)前兩者分析所得結(jié)果進(jìn)行深入研究，得到分析信息。三種評(píng)價(jià)方法彼此之間提供著不同的信息[4],如圖2所示。

圖2 FMEA、HAZOP和LOPA分析關(guān)系圖Fig.2 The analysis relationship of three methods

3 FMEA、HAZOP與LOPA信息共享

3.1 現(xiàn)象-原因-后果層面信息共享

在石油化工企業(yè)中，設(shè)備故障是致使危險(xiǎn)場(chǎng)景產(chǎn)生的一個(gè)主要因素。常見(jiàn)的設(shè)備故障有管路堵塞，管線破裂，閥門故障，泵故障，換熱管破裂，容器故障等等。這些故障也是導(dǎo)致HAZOP分析中偏差產(chǎn)生的直接原因。以流量為例[5]，如表1所示。

故障的產(chǎn)生原因可分為內(nèi)因和外因，內(nèi)因指的是產(chǎn)品固有可靠性方面的原因，例如產(chǎn)品本身設(shè)計(jì)缺陷、材質(zhì)選用不當(dāng)、安裝有誤等等。而故障外因是使用可靠性方面原因，如使用環(huán)境和使用條件。故障產(chǎn)生原因也是偏差產(chǎn)生的根本原因。充分了解故障產(chǎn)生的內(nèi)因與外因，考察故障發(fā)生的機(jī)理能夠?qū)⑹及l(fā)事件描述得更加詳盡全面。在進(jìn)行HAZOP分析時(shí)，考慮故障和偏差的關(guān)系能夠更加準(zhǔn)確全面的列舉所有可能的偏差。在計(jì)算始發(fā)事件發(fā)生概率的時(shí)候，已有的設(shè)備故障歷史記錄和發(fā)生幾率可以提供有力的數(shù)據(jù)。故障所帶來(lái)的影響可能是對(duì)鄰部件、對(duì)子系統(tǒng)和對(duì)整個(gè)系統(tǒng)，而在考察偏差所帶來(lái)的后果時(shí)，由于分析角度不一樣，所得的結(jié)果就和故障所帶來(lái)的結(jié)果不一樣，因此兩者綜合能使后果描述更加全面。兩者分析所得到的結(jié)果恰是LOPA分析所需的素材，素材內(nèi)容越詳細(xì)，分析結(jié)果越準(zhǔn)確。

表1 故障導(dǎo)致的流量偏差圖Table 1 The deviation of flow caused by equipment failure

3.2 安全措施層面信息共享

在現(xiàn)階段的石油化工企業(yè)中，故障與偏差完全不產(chǎn)生是不可能的，因此列舉并考察安全措施是三種方法結(jié)合非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，也是信息共享的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在FMEA評(píng)價(jià)中，風(fēng)險(xiǎn)順序數(shù)RPN（Risk Priority Number）是對(duì)失效模式的風(fēng)險(xiǎn)大小的綜合評(píng)定，其值為故障嚴(yán)重度、發(fā)生度和難檢度三者的乘積[6]。故障嚴(yán)重度是指故障產(chǎn)生時(shí)對(duì)人員、設(shè)備等方面的影響程度，發(fā)生率是指故障發(fā)生的可能性，難檢度是指故障發(fā)生時(shí)，現(xiàn)有的檢測(cè)手段能將其準(zhǔn)確檢測(cè)出來(lái)的概率指標(biāo),，三者取值范圍均為1～10，故RPN的取值范圍是1～1 000，其數(shù)值越大，存在的問(wèn)題越嚴(yán)重。通常HAZOP分析在判斷分析對(duì)象風(fēng)險(xiǎn)大小的時(shí)候是憑借參與者的經(jīng)驗(yàn)，而風(fēng)險(xiǎn)順序數(shù)則能定量準(zhǔn)確的將系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)設(shè)備進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)排序，這無(wú)疑給HAZOP提供了強(qiáng)有力的信息，從而將有限的人力物力資源，按照輕重緩急分配到各項(xiàng)目上去。LOPA是HAZOP分析的延續(xù)，主要是針對(duì)較復(fù)雜嚴(yán)重的節(jié)點(diǎn)[7]。在確定這些節(jié)點(diǎn)的時(shí)候，風(fēng)險(xiǎn)順序數(shù)同樣能提供有力的信息。安全措施的最終目的在于降低RPN值，減小發(fā)生率，降低嚴(yán)重度，提高檢測(cè)度都能減小RPN值，所以在制定安全措施的時(shí)候可以從這三個(gè)方面入手。例如定期檢查可以減少發(fā)生率，增加更精確的流量計(jì)和壓力計(jì)等可以提高檢測(cè)度，設(shè)置抑爆裝置能減輕嚴(yán)重度，從而降低損失。HAZOP分析在制定安全措施的時(shí)候，根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)順序表所提供的信息，若其中某項(xiàng)數(shù)值過(guò)高，則采取對(duì)應(yīng)的措施。FMEA和HAZOP所制定的措施是否已足夠安全？憑借經(jīng)驗(yàn)判斷是完全不夠的。LOPA能夠?qū)⑦@些措施半定量化分析，從而判斷這些措施是否已經(jīng)達(dá)到要求[8]。LOPA分析所得能夠豐富FMEA故障模式庫(kù)和HAZOP案例。具體信息共享如圖3所示[9]。

4 三種評(píng)價(jià)方法信息共享的優(yōu)點(diǎn)

三種評(píng)價(jià)方法信息共享主要具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)[10]：

（1）可使三種評(píng)價(jià)方法都能分析得更加全面到位;

（2）可為公司員工提供詳細(xì)可靠的操作、維護(hù)和培訓(xùn)資料；

（3）通過(guò)信息共享后所提供的安全措施將更加可靠；

（4）對(duì)公司產(chǎn)品改進(jìn)和創(chuàng)新提供有利信息。

圖3 FMEA、HAZOP與LOPA信息共享關(guān)系圖Fig.3 The information sharing of three methods

5 結(jié) 語(yǔ)

從三種安全評(píng)價(jià)方法各自所提供和所需要的信息出發(fā)，探討了三者之間在不正?，F(xiàn)象，產(chǎn)生原因，后果以及相對(duì)應(yīng)安全措施等幾個(gè)方面的信息共享。實(shí)際上在具體的評(píng)價(jià)過(guò)程中還有著更多細(xì)節(jié)方面的信息共享，由于篇幅緣故，僅從幾個(gè)大方面進(jìn)行淺顯的挖掘。實(shí)現(xiàn)信息共享是需要一定成本和技術(shù)的支持。只有在收益大于成本時(shí)，共享才有意義。而先進(jìn)的技術(shù)能夠降低信息共享的成本，所以如果能夠借助軟件和網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)各類似石油化工企業(yè)的信息共享，則能大大改善評(píng)價(jià)質(zhì)量和力度。

［1］李干瓊.食物安全信息共享系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì)[D].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院，2006．

［2］唐環(huán)，李明利，謝逸欽，等. FMEA工作原則及基礎(chǔ)工作的重要性[J]. 儀器儀表標(biāo)準(zhǔn)化與計(jì)量,2011（02）.

［3］張斌.HAZOP技術(shù)在丁辛醇裝置上的應(yīng)用研究[D]. 華東：中國(guó)石油大學(xué)，2008.

［4］張悅，石超，方來(lái)華. 基于FMEA和HAZOP的綜合分析方法及應(yīng)用研究[J].中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2011，7(7).

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［6］王高峰.FMEA在質(zhì)量管理中的應(yīng)用[J].質(zhì)量工程卷，2002（11）:60-63.

［7］管杰，廖海燕.保護(hù)層分析(LOPA)在煉化生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].安全、健康和環(huán)境，2010,10(1):36-38.

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［9］張其立，邱彤，趙勁松，等.3種安全評(píng)價(jià)方法的集成研究[J]. 計(jì)算機(jī)與化學(xué)應(yīng)用， 2009,26(8) :961-965．

［10］許芝瑞，孫文勇，趙東風(fēng).HAZOP和LOPA兩種安全評(píng)價(jià)方法的集成研究[J].安全與環(huán)境工程，2011,18（5）．

二氧化鈦表面光催化產(chǎn)氫研究獲進(jìn)展

中科院大連化物所楊學(xué)明院士領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)，近期在二氧化鈦表面光催化產(chǎn)氫研究中獲得新進(jìn)展。相關(guān)成果發(fā)表于最新一期的《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》。

據(jù)了解，甲醇能提高二氧化鈦光催化分解水的產(chǎn)氫效率，而甲醇本身也能光催化產(chǎn)氫。銳鈦礦(anatase)是由二氧化鈦組成的三種礦物之一，另外兩種是金紅石(rutile)和板鈦礦。目前，科學(xué)家普遍認(rèn)為，銳鈦礦表面的光催化產(chǎn)氫效率要高于金紅石表面，但其產(chǎn)氫反應(yīng)機(jī)理仍未完全明晰。如果能從分子水平上理解二氧化鈦不同表面的產(chǎn)氫機(jī)理，可為發(fā)展高效催化劑提供新思路。

楊學(xué)明團(tuán)隊(duì)利用自行研制的基于高靈敏度質(zhì)譜的表面光化學(xué)裝置，系統(tǒng)研究了單分子層甲醇覆蓋的rutile-TiO2(110)表面在紫外光照射后的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過(guò)程。此次他們深入研究了甲醇分子在anatase-TiO2(101)表面的光化學(xué)反應(yīng)。結(jié)果表明，甲醇分子在anatase-TiO2(101)表面的光化學(xué)行為和在rutile-TiO2(110)表面很相似。但是，由于anatase-TiO2(101)表面結(jié)構(gòu)的特異性，橋氧原子比rutile-TiO2(110)表面更穩(wěn)定。在升溫過(guò)程中，甲醇解離產(chǎn)生的橋氧氫原子不會(huì)奪取橋氧原子生成水從表面脫附出來(lái)。分析表明，大約有40%左右的橋氧氫原子以氫氣形式脫附出來(lái)，這也解釋了anatase-TiO2(101)表面產(chǎn)氫效率較高的原因。

Study on Information Sharing of FMEA,HAZOP and LOPA

ZENG Hong-Yu，WANG Wei
（Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China）

The information sharing of three approaches was summarized through overview on the characteristics of Failure Mode and Effects Analysis (FMEA), Hazard and Operability Analysis (HAZOP) and Layers of Protection Analysis (LOPA) as well as on the information they provided. As one of the most important methods of failure and risk analysis, the core value of FMEA is to find out the potential failure modes and prevent terrible results. HAZOP is recognized as the most comprehensive and efficient method in safety evaluation. Based on it, the semi quantitative LOPA analysis got further study and more control measures were proposed. After summarizing the information sharing of three methods on abnormal performance, causes, terrible results and control measures, the accuracy and objectivity of safety evaluation were improved.

FMEA; HAZOP; LOPA; Information sharing; safety evaluation

TE 687

A

1671-0460（2014）02-0210-03

2013-07-14

曾宏宇（1988-），男，湖南長(zhǎng)沙人，遼寧石油化工大學(xué)安全技術(shù)及工程專業(yè)碩士：E-mail：zhy779866212@163.com。

指導(dǎo)教師： 王偉（1974-），男，山東費(fèi)縣人，遼寧石油化工大學(xué)安全工程系副教授，研究方向: 結(jié)構(gòu)性安全評(píng)價(jià)，疲勞斷裂理論研究。