王偉華 謝國山 韓志遠(yuǎn) 李 翔 景為科 史 進 杜晨陽

(中國特種設(shè)備檢測研究院)

小型氨制冷裝置風(fēng)險評估方法研究

王偉華*謝國山 韓志遠(yuǎn) 李 翔 景為科 史 進 杜晨陽

(中國特種設(shè)備檢測研究院)

根據(jù)小型氨制冷裝置的特點，以傳統(tǒng)風(fēng)險分析方法為基礎(chǔ)，開展了針對性的風(fēng)險評估方法研究，提出了小型氨制冷裝置基于區(qū)域劃分的風(fēng)險評價模型，其中包括基于專家評分系統(tǒng)的失效可能性評價方法、基于區(qū)域人口密度的失效后果評價方法和HAZOP風(fēng)險修正方法。

氨制冷裝置 風(fēng)險評估 失效可能性 失效后果

小型氨制冷裝置是冷庫主要的制冷設(shè)備，近年來氨泄漏事件頻繁發(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題，尤其是個體經(jīng)營的小型冷庫，有些工程甚至未經(jīng)正規(guī)設(shè)計和安裝，冷庫隔熱材料的施工、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，單一的檢驗檢測與巡查缺乏對裝置安全狀況全面、系統(tǒng)的評估，很難發(fā)現(xiàn)隱患。

風(fēng)險評估是一種基于數(shù)據(jù)資料、運行經(jīng)驗的科學(xué)方法,通過將風(fēng)險量化,便于進行分析、比較,為風(fēng)險管理的科學(xué)決策提供可靠的依據(jù),以能夠合理運用有限的人力和物力等資源、采取最適當(dāng)?shù)拇胧⑦_到最有效地減小風(fēng)險的目的[2]。風(fēng)險評估以及基于風(fēng)險的檢驗技術(shù)已經(jīng)在石化行業(yè)得到廣泛應(yīng)用[3]，并用來評估設(shè)備運行的潛在風(fēng)險，即失效可能性和失效后果。傳統(tǒng)風(fēng)險評估方法主要針對石化裝置在役期間的腐蝕、應(yīng)力腐蝕開裂和失效機理開展分析，并根據(jù)運行參數(shù)考慮設(shè)備使用過程中的風(fēng)險累積，確定失效可能性，并通過計算后果面積確定失效后果。然而這一評估模型直接應(yīng)用于氨制冷裝置并不能得到可靠結(jié)果，這是因為氨制冷裝置有其特殊性，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。余旭紅和周春香嘗試?yán)枚坑嬎阈孤┟娣e等方法開展氨制冷裝置管道失效后果分析工作，并確定一些危險設(shè)備[4]。但總的來看，目前國內(nèi)仍缺乏專門針對氨制冷裝置風(fēng)險評估方法的系統(tǒng)研究，也缺乏此方面的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)支持。為此，筆者針對氨制冷裝置風(fēng)險評估方法開展研究，并通過建立風(fēng)險評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)改造升級提供有效的建議措施，確保生產(chǎn)安全和社會穩(wěn)定。

1 風(fēng)險評價模型

根據(jù)風(fēng)險評估的基本原理[5]和小型氨制冷裝置的特點，采用半定量方法對裝置失效風(fēng)險，即失效可能性和失效后果進行評估，提出基于區(qū)域劃分的風(fēng)險評估模型。對于制冷機房內(nèi)的壓力容器和管道統(tǒng)一劃分為機房區(qū)域并作為單一評價單元。對于機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)域特征進行計算。失效可能性的計算采用專家評分系統(tǒng)，并考慮設(shè)計、制造、安裝、使用及檢驗等多方面影響因素，而失效后果則以區(qū)域人口密度ρ為基礎(chǔ)進行半定量計算評分，定量風(fēng)險水平與失效可能性和失效后果成正比。同時，考慮人員誤操作的影響，對每個區(qū)域進行HAZOP節(jié)點劃分, 通過識別工藝設(shè)計中關(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，并將HAZOP分析的節(jié)點風(fēng)險對區(qū)域風(fēng)險進行修正，得到各區(qū)域的最終風(fēng)險。提出的風(fēng)險評估模型中區(qū)域風(fēng)險計算公式為：VZ(區(qū)域風(fēng)險)=F(失效可能性)×CZ(區(qū)域后果)×ζ(HAZOP系數(shù))。風(fēng)險評估流程如圖1所示。

圖1 小型氨制冷裝置風(fēng)險評估流程

2 失效可能性評價

石化裝置風(fēng)險評估中對失效可能性的評價主要是針對在役損傷機理和損傷累積發(fā)展進行分析，如腐蝕減薄、環(huán)境開裂、材料裂化及機械損傷等。小型氨制冷裝置的設(shè)計、制造、安裝、使用管理及操作等環(huán)節(jié)與在役損傷相比，對設(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)險評估模型中，主要針對設(shè)計、制造、安裝、改造、使用管理、檢驗與監(jiān)察7個環(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)，通過專家判斷的評分系統(tǒng)，對各失效可能性因素分項分配權(quán)重并進行專家評分，得到失效可能性分值F：

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

其中，設(shè)計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分標(biāo)準(zhǔn)見表1，分級權(quán)重如圖2所示。

表1 失效可能性評價評分標(biāo)準(zhǔn)(以設(shè)計制造為例)

圖2 各失效可能性因素專家評分分級權(quán)重

3 失效后果評價

小型氨制冷裝置風(fēng)險評估模型中失效后果C總分為100分，失效后果評價方法的評分項包括本質(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確定方法見表3、4。氨泄漏擴散影響面積也將作為修正系數(shù)對失效后果總分進行修正，參考API581并結(jié)合國內(nèi)RBI經(jīng)驗，考慮連續(xù)泄漏和瞬時泄漏兩種泄漏類型，對不同外徑的管道選取不同的泄漏孔直徑進行計算，而毒性擴散面積CA則根據(jù)室內(nèi)氨氣擴散進行修正[6]，毒性面積無量綱修正系數(shù)αCA=CA/1000。則最終的區(qū)域后果面積計算方法為：

CZ=αCA×αS×Cρ

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

表3 后果減緩措施特征分?jǐn)?shù)配比評分標(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)險分析

小型氨制冷裝置HAZOP分析是通過分析制冷和融霜過程中工藝狀態(tài)參數(shù)的變動，人為操作控制中可能出現(xiàn)的偏差，以及這些變動與偏差對可能導(dǎo)致的后果，查找出現(xiàn)變動和偏差的原因，明確制冷系統(tǒng)內(nèi)存在的主要危險和危害因素，并針對變動與偏差的后果提出應(yīng)采取的措施。HAZOP不僅關(guān)心設(shè)計問題，更關(guān)心操作問題，對于小型氨制冷裝置來說，人為的操作失誤是帶來災(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)、 流程說明、生產(chǎn)計劃、生產(chǎn)目標(biāo)、設(shè)備臺賬、設(shè)備布置圖、公共及支援設(shè)施說明、操作步驟及維修計劃等。

HAZOP風(fēng)險等級為后果嚴(yán)重性與發(fā)生后果可能性的乘積。以機房內(nèi)壓縮機將低溫低壓氨氣吸入壓縮機，將高壓氨氣排至蒸發(fā)冷凝器(節(jié)點1)為例，HAZOP分析見表5。

表5 機房內(nèi)壓縮機吸入/排出氨氣HAZOP分析表 (以壓力和流量為例)

5 風(fēng)險表征和應(yīng)用案例

小型氨制冷裝置風(fēng)險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)險評估模型和公式可得風(fēng)險分?jǐn)?shù)VZ，并最終根據(jù)VZ表征為以下4個風(fēng)險等級：

低風(fēng)險VZ∈[0，3200)

中風(fēng)險VZ∈[3200，8000)

中高風(fēng)險VZ∈[8000，16000)

高風(fēng)險VZ∈[16000，32000)

以某冷庫的小型氨制冷裝置為例對風(fēng)險評估模型進行說明，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房區(qū)、冷藏區(qū)、單凍機區(qū)和速凍間區(qū)4個區(qū)域，風(fēng)險評估結(jié)果VZ得分依次為：4 154、640、8 320、5 334分?？梢钥闯?，單凍機區(qū)為4個區(qū)域中風(fēng)險最高的區(qū)域，其中可能性得分F=64分(設(shè)計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)險得分VZ=8320分，定義為中高風(fēng)險，建議進行整改。

6 結(jié)束語

以我國小型氨制冷裝置特點為基礎(chǔ)，并根據(jù)傳統(tǒng)風(fēng)險評估原理，提出了一套針對我國小型氨制冷裝置的風(fēng)險評估模型。該模型引入基于區(qū)域劃分的風(fēng)險評價模型，并包括基于專家評分系統(tǒng)的失效可能性評價方法，基于區(qū)域人口密度及后果減緩措施的失效后果評價方法，以及HAZOP風(fēng)險修正方法。通過這一風(fēng)險評估模型，可為國家開展冷庫治理提供技術(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，2013，(2)：205～206.

[2] 劉穎,劉長林,周巍. 油氣管道的風(fēng)險評價方法[J]. 焊管，2008，31(1)：36～39.

[3] 陳學(xué)冬，王冰，楊鐵成，等. 基于風(fēng)險的檢測(RBI)在中國石化企業(yè)的實踐及若干問題討論[J].壓力容器，2004，21(8)：39～45.

[4] 余旭紅，周春香. 在用氨制冷管道風(fēng)險分析[J]. 化學(xué)工程與裝備，2011，(4)：152～156.

[5] API 581-2008，Risk based inspection[S]. Wadhington：American Petroleum Institute，2008.

[6] 韓志遠(yuǎn)，王偉華，謝國山. 室內(nèi)氨泄漏擴散后果面積評價模型[J]. 中國特種設(shè)備安全，2015，31(z1)：41～45.

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)