王偉華 謝國(guó)山 韓志遠(yuǎn) 李 翔 景為科 史 進(jìn) 杜晨陽(yáng)

(中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院)

小型氨制冷裝置風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法研究

王偉華*謝國(guó)山 韓志遠(yuǎn) 李 翔 景為科 史 進(jìn) 杜晨陽(yáng)

(中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院)

根據(jù)小型氨制冷裝置的特點(diǎn)，以傳統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)分析方法為基礎(chǔ)，開(kāi)展了針對(duì)性的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法研究，提出了小型氨制冷裝置基于區(qū)域劃分的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，其中包括基于專家評(píng)分系統(tǒng)的失效可能性評(píng)價(jià)方法、基于區(qū)域人口密度的失效后果評(píng)價(jià)方法和HAZOP風(fēng)險(xiǎn)修正方法。

氨制冷裝置 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估 失效可能性 失效后果

小型氨制冷裝置是冷庫(kù)主要的制冷設(shè)備，近年來(lái)氨泄漏事件頻繁發(fā)生，且氨介質(zhì)毒性危害較高，事故經(jīng)常造成人員傷亡。小型氨制冷裝置設(shè)備失效原因復(fù)雜多樣，并且存在較多的歷史遺留問(wèn)題，尤其是個(gè)體經(jīng)營(yíng)的小型冷庫(kù)，有些工程甚至未經(jīng)正規(guī)設(shè)計(jì)和安裝，冷庫(kù)隔熱材料的施工、設(shè)備材料的選用以及管道焊接等方面存在先天性缺陷[1]。因此，單一的檢驗(yàn)檢測(cè)與巡查缺乏對(duì)裝置安全狀況全面、系統(tǒng)的評(píng)估，很難發(fā)現(xiàn)隱患。

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是一種基于數(shù)據(jù)資料、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的科學(xué)方法,通過(guò)將風(fēng)險(xiǎn)量化,便于進(jìn)行分析、比較,為風(fēng)險(xiǎn)管理的科學(xué)決策提供可靠的依據(jù),以能夠合理運(yùn)用有限的人力和物力等資源、采取最適當(dāng)?shù)拇胧?、達(dá)到最有效地減小風(fēng)險(xiǎn)的目的[2]。風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估以及基于風(fēng)險(xiǎn)的檢驗(yàn)技術(shù)已經(jīng)在石化行業(yè)得到廣泛應(yīng)用[3]，并用來(lái)評(píng)估設(shè)備運(yùn)行的潛在風(fēng)險(xiǎn)，即失效可能性和失效后果。傳統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法主要針對(duì)石化裝置在役期間的腐蝕、應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂和失效機(jī)理開(kāi)展分析，并根據(jù)運(yùn)行參數(shù)考慮設(shè)備使用過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)累積，確定失效可能性，并通過(guò)計(jì)算后果面積確定失效后果。然而這一評(píng)估模型直接應(yīng)用于氨制冷裝置并不能得到可靠結(jié)果，這是因?yàn)榘敝评溲b置有其特殊性，包括使用環(huán)節(jié)損傷累積不顯著，設(shè)備多處于室內(nèi)且與區(qū)域人口密度相關(guān)性較大等特點(diǎn)。余旭紅和周春香嘗試?yán)枚坑?jì)算泄漏面積等方法開(kāi)展氨制冷裝置管道失效后果分析工作，并確定一些危險(xiǎn)設(shè)備[4]。但總的來(lái)看，目前國(guó)內(nèi)仍缺乏專門(mén)針對(duì)氨制冷裝置風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法的系統(tǒng)研究，也缺乏此方面的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)支持。為此，筆者針對(duì)氨制冷裝置風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法開(kāi)展研究，并通過(guò)建立風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型為整治治理提供技術(shù)基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)，也為企業(yè)改造升級(jí)提供有效的建議措施，確保生產(chǎn)安全和社會(huì)穩(wěn)定。

1 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型

根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的基本原理[5]和小型氨制冷裝置的特點(diǎn)，采用半定量方法對(duì)裝置失效風(fēng)險(xiǎn)，即失效可能性和失效后果進(jìn)行評(píng)估，提出基于區(qū)域劃分的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型。對(duì)于制冷機(jī)房?jī)?nèi)的壓力容器和管道統(tǒng)一劃分為機(jī)房區(qū)域并作為單一評(píng)價(jià)單元。對(duì)于機(jī)房外的其他制冷管道，按照涉氨區(qū)域的人員密度特征ρ和后果減緩措施特征S進(jìn)行區(qū)域劃分。劃分后屬于區(qū)域Zi(ρi,Si)的設(shè)備即具有人員密度特征ρi和后果減緩措施特征Si。區(qū)域劃分后設(shè)備失效可能性和失效后果將依據(jù)區(qū)域特征進(jìn)行計(jì)算。失效可能性的計(jì)算采用專家評(píng)分系統(tǒng)，并考慮設(shè)計(jì)、制造、安裝、使用及檢驗(yàn)等多方面影響因素，而失效后果則以區(qū)域人口密度ρ為基礎(chǔ)進(jìn)行半定量計(jì)算評(píng)分，定量風(fēng)險(xiǎn)水平與失效可能性和失效后果成正比。同時(shí)，考慮人員誤操作的影響，對(duì)每個(gè)區(qū)域進(jìn)行HAZOP節(jié)點(diǎn)劃分, 通過(guò)識(shí)別工藝設(shè)計(jì)中關(guān)鍵參數(shù)可能存在的偏差，分析偏差可能導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)，并將HAZOP分析的節(jié)點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)對(duì)區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行修正，得到各區(qū)域的最終風(fēng)險(xiǎn)。提出的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型中區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算公式為：VZ(區(qū)域風(fēng)險(xiǎn))=F(失效可能性)×CZ(區(qū)域后果)×ζ(HAZOP系數(shù))。風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估流程如圖1所示。

圖1 小型氨制冷裝置風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估流程

2 失效可能性評(píng)價(jià)

石化裝置風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中對(duì)失效可能性的評(píng)價(jià)主要是針對(duì)在役損傷機(jī)理和損傷累積發(fā)展進(jìn)行分析，如腐蝕減薄、環(huán)境開(kāi)裂、材料裂化及機(jī)械損傷等。小型氨制冷裝置的設(shè)計(jì)、制造、安裝、使用管理及操作等環(huán)節(jié)與在役損傷相比，對(duì)設(shè)備失效可能性有更重要的影響。因此，小型氨制冷裝置風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型中，主要針對(duì)設(shè)計(jì)、制造、安裝、改造、使用管理、檢驗(yàn)與監(jiān)察7個(gè)環(huán)節(jié)中的失效可能性因素，以現(xiàn)有法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，通過(guò)專家判斷的評(píng)分系統(tǒng)，對(duì)各失效可能性因素分項(xiàng)分配權(quán)重并進(jìn)行專家評(píng)分，得到失效可能性分值F：

F=fd+ff+fi+fr+fu+ft+fs

其中，設(shè)計(jì)因素失效可能性因子fd∈(0,18)，制造因素失效可能性因子ff∈(0,20)，安裝因素失效可能性因子fi∈(0,41)，改造因素失效可能性因子fr∈(0,5)，使用管理因素失效可能性因子fu∈(0,44)，檢驗(yàn)因素失效可能性因子ft∈(0,26)，監(jiān)察因素失效可能性因子fs∈(0,6)，則F∈(0,160)且F越大代表失效可能性越大。各失效可能性因素專家評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1，分級(jí)權(quán)重如圖2所示。

表1 失效可能性評(píng)價(jià)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)(以設(shè)計(jì)制造為例)

圖2 各失效可能性因素專家評(píng)分分級(jí)權(quán)重

3 失效后果評(píng)價(jià)

小型氨制冷裝置風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型中失效后果C總分為100分，失效后果評(píng)價(jià)方法的評(píng)分項(xiàng)包括本質(zhì)后果嚴(yán)重程度和后果減緩措施。本質(zhì)后果嚴(yán)重程度由涉氨區(qū)域Zi的人口密度特征ρi決定，結(jié)合《特種設(shè)備安全監(jiān)察條例》事故分類所涉及的人員傷亡數(shù)量，以及小型氨制冷裝置通常情況下冷凍設(shè)備所在加工車間的建筑面積，人口密度特征分?jǐn)?shù)Cρ配比(表2)。后果減緩措施Si可細(xì)分為：氨氣濃度報(bào)警裝置、緊急切斷裝置、事故排風(fēng)及噴淋、逃生通道、消防設(shè)施和應(yīng)急預(yù)案。根據(jù)后果減緩措施特征分?jǐn)?shù)CS之和確定人口密度特征分?jǐn)?shù)Cρ的修正因子αS，CS權(quán)重分?jǐn)?shù)配比和αS確定方法見(jiàn)表3、4。氨泄漏擴(kuò)散影響面積也將作為修正系數(shù)對(duì)失效后果總分進(jìn)行修正，參考API581并結(jié)合國(guó)內(nèi)RBI經(jīng)驗(yàn)，考慮連續(xù)泄漏和瞬時(shí)泄漏兩種泄漏類型，對(duì)不同外徑的管道選取不同的泄漏孔直徑進(jìn)行計(jì)算，而毒性擴(kuò)散面積CA則根據(jù)室內(nèi)氨氣擴(kuò)散進(jìn)行修正[6]，毒性面積無(wú)量綱修正系數(shù)αCA=CA/1000。則最終的區(qū)域后果面積計(jì)算方法為：

CZ=αCA×αS×Cρ

表2 人口密度特征分?jǐn)?shù)配比評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

表3 后果減緩措施特征分?jǐn)?shù)配比評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

表4 后果減緩措施修正系數(shù)配比標(biāo)準(zhǔn)

4 HAZOP風(fēng)險(xiǎn)分析

小型氨制冷裝置HAZOP分析是通過(guò)分析制冷和融霜過(guò)程中工藝狀態(tài)參數(shù)的變動(dòng)，人為操作控制中可能出現(xiàn)的偏差，以及這些變動(dòng)與偏差對(duì)可能導(dǎo)致的后果，查找出現(xiàn)變動(dòng)和偏差的原因，明確制冷系統(tǒng)內(nèi)存在的主要危險(xiǎn)和危害因素，并針對(duì)變動(dòng)與偏差的后果提出應(yīng)采取的措施。HAZOP不僅關(guān)心設(shè)計(jì)問(wèn)題，更關(guān)心操作問(wèn)題，對(duì)于小型氨制冷裝置來(lái)說(shuō)，人為的操作失誤是帶來(lái)災(zāi)難性后果的重要因素。HAZOP分析所需技術(shù)資料包括：裝置流程圖(PFD)、管線及儀表圖(P&ID)、 流程說(shuō)明、生產(chǎn)計(jì)劃、生產(chǎn)目標(biāo)、設(shè)備臺(tái)賬、設(shè)備布置圖、公共及支援設(shè)施說(shuō)明、操作步驟及維修計(jì)劃等。

HAZOP風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為后果嚴(yán)重性與發(fā)生后果可能性的乘積。以機(jī)房?jī)?nèi)壓縮機(jī)將低溫低壓氨氣吸入壓縮機(jī)，將高壓氨氣排至蒸發(fā)冷凝器(節(jié)點(diǎn)1)為例，HAZOP分析見(jiàn)表5。

表5 機(jī)房?jī)?nèi)壓縮機(jī)吸入/排出氨氣HAZOP分析表 (以壓力和流量為例)

5 風(fēng)險(xiǎn)表征和應(yīng)用案例

小型氨制冷裝置風(fēng)險(xiǎn)表征的失效可能性和失效后果均為打分制原則，基于前述風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型和公式可得風(fēng)險(xiǎn)分?jǐn)?shù)VZ，并最終根據(jù)VZ表征為以下4個(gè)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)：

低風(fēng)險(xiǎn)VZ∈[0，3200)

中風(fēng)險(xiǎn)VZ∈[3200，8000)

中高風(fēng)險(xiǎn)VZ∈[8000，16000)

高風(fēng)險(xiǎn)VZ∈[16000，32000)

以某冷庫(kù)的小型氨制冷裝置為例對(duì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型進(jìn)行說(shuō)明，該裝置始建于20世紀(jì)80年代。

按人員密度和管道布置劃分為機(jī)房區(qū)、冷藏區(qū)、單凍機(jī)區(qū)和速凍間區(qū)4個(gè)區(qū)域，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果VZ得分依次為：4 154、640、8 320、5 334分?？梢钥闯觯瑔蝺鰴C(jī)區(qū)為4個(gè)區(qū)域中風(fēng)險(xiǎn)最高的區(qū)域，其中可能性得分F=64分(設(shè)計(jì)因素失效可能性因子fd=12，制造因素失效可能性因子ff=8，安裝因素失效可能性因子fi=10，改造因素失效可能性因子fr=1，使用管理因素失效可能性因子fu=16，檢驗(yàn)因素失效可能性因子ft=13，監(jiān)察因素失效可能性因子fs=4)，后果得分CZ=65分(人口密度特征分?jǐn)?shù)Cρ=65，后果減緩措施修正系數(shù)αS=1、毒性面積修正系數(shù)修正系數(shù)αCA=1)，HAZOP系數(shù)ζ=2。最終風(fēng)險(xiǎn)得分VZ=8320分，定義為中高風(fēng)險(xiǎn)，建議進(jìn)行整改。

6 結(jié)束語(yǔ)

以我國(guó)小型氨制冷裝置特點(diǎn)為基礎(chǔ)，并根據(jù)傳統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估原理，提出了一套針對(duì)我國(guó)小型氨制冷裝置的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型。該模型引入基于區(qū)域劃分的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，并包括基于專家評(píng)分系統(tǒng)的失效可能性評(píng)價(jià)方法，基于區(qū)域人口密度及后果減緩措施的失效后果評(píng)價(jià)方法，以及HAZOP風(fēng)險(xiǎn)修正方法。通過(guò)這一風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，可為國(guó)家開(kāi)展冷庫(kù)治理提供技術(shù)基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)。

[1] 柴軍輝. 淺談小型制冷裝置用壓力容器的安全管理[J]. 科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2013，(2)：205～206.

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ResearchofRiskEvaluationMethodforSmallAmmoniaRefrigerationDevice

WANG Wei-hua, XIE Guo-shan, HAN Zhi-yuan, LI Xiang, JING Wei-ke, SHI Jin, DU Chen-yang
(ChinaSpecialEquipmentInspectionandResearchInstitute,Beijing100029,China)

Considering characteristics of small-size ammonia refrigeration devices and basing on traditional risk analysis methods, a specific risk evaluation method was investigated and a risk evaluation model based on regional division of small ammonia refrigeration device was proposed, including the failure possibility evaluation method based on the expert scoring system and the population density-supported failure consequence evaluation method as well as the HAZOP risk correction method.

ammonia refrigeration device, risk evaluation, failure possibility, failure consequence

* 王偉華，男，1982年4月生，工程師。北京市，100029。

TQ021.2

A

0254-6094(2016)02-0137-04

2015-07-22)