鄧曼（江蘇中安科技服務(wù)有限公司，江蘇南京210046）

于志鵬（中國中材國際工程股份有限公司（南京），江蘇南京 211100）

HAZOP、LOPA半定量風(fēng)險(xiǎn)評估方法及其在酚醛樹脂生產(chǎn)裝置上的應(yīng)用

鄧曼（江蘇中安科技服務(wù)有限公司，江蘇南京210046）

于志鵬（中國中材國際工程股份有限公司（南京），江蘇南京 211100）

對HAZOP分析、LOPA分析方法進(jìn)行了介紹，并說明其應(yīng)用范圍、意義，分析兩種方法之間的關(guān)聯(lián)。文章對目前國內(nèi)這兩種方法的應(yīng)用現(xiàn)狀及前景進(jìn)行了分析，并以某化工企業(yè)酚醛樹脂生產(chǎn)裝置為例，列舉其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了HAZOP分析和LOPA分析，說明LOPA分析在裝置SIL等級劃分方面的應(yīng)用，通過LOPA分析，可以得出在建或擬建裝置是否需要設(shè)置獨(dú)立的安全儀表系統(tǒng)（SIS）。

HAZOP分析；安全儀表系統(tǒng)；保護(hù)層分析

HAZOP分析與LOPA分析是一種對石油化工生產(chǎn)裝置進(jìn)行半定量風(fēng)險(xiǎn)評估的有效方法，但國內(nèi)一直以來只在大型石油化工企業(yè)，比如中石化、中石油等單位進(jìn)行了廣泛使用，在一般化工企業(yè)還未普及。隨著我國經(jīng)濟(jì)和科技水平飛速發(fā)展，在政府部門及化工企業(yè)對本質(zhì)安全高度重視的情況下，化工企業(yè)逐步樹立主動進(jìn)行工藝危險(xiǎn)分析及采取本質(zhì)安全技術(shù)防護(hù)措施的意識，積極配合設(shè)計(jì)單位進(jìn)行新建或在建裝置的工藝危險(xiǎn)分析及隱患自查活動。近兩年安監(jiān)部門開始要求化工企業(yè)危險(xiǎn)化工裝置進(jìn)行安全儀表系統(tǒng)改造，并進(jìn)行SIL等級劃分。而安全儀表系統(tǒng)SIL定級的一個(gè)很常用的方法就是利用LOPA分析進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估，在風(fēng)險(xiǎn)評估結(jié)果的基礎(chǔ)上確定裝置的安全儀表系統(tǒng)所需的等級要求。

1 HAZOP分析方法

1.1 HAZOP分析目的及適用范圍

HAZOP分析即危險(xiǎn)與可操作性分析，是一種用于石油化工生產(chǎn)裝置及工藝過程的風(fēng)險(xiǎn)評估方法。HAZOP分析方法是英國帝國化學(xué)工業(yè)公司（ICI）為解決除草劑制造過程中的危害，于1974年發(fā)展起來的一套以引導(dǎo)詞為主體的危害分析方法[1]。HAZOP分析的目的主要是識別系統(tǒng)中潛在的危險(xiǎn)及識別系統(tǒng)中潛在的可操作性問題，尤其是識別可能導(dǎo)致各種事故的生產(chǎn)操作失誤與設(shè)備故障[2]。

該方法可應(yīng)用于石油化工裝置整個(gè)生命周期，但最為有效以及最為普遍的是在裝置設(shè)計(jì)階段進(jìn)行，通過對裝置工藝流程及控制節(jié)點(diǎn)的分析，找出裝置擬采取的工藝自動控制及安全聯(lián)鎖系統(tǒng)的不足，提出改進(jìn)建議，在設(shè)計(jì)中落實(shí)，進(jìn)一步提高裝置的本質(zhì)安全水平。在生產(chǎn)裝置的在役期間，也可通過HAZOP分析方法對整個(gè)裝置進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估，分析裝置內(nèi)采取的所有安全措施的充分性及可靠性，從而判斷裝置采取的現(xiàn)有安全控制措施能否滿足安全需求及現(xiàn)有的法律法規(guī)及安全標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.2 HAZOP分析步驟

HAZOP分析是對危險(xiǎn)與可操作性問題進(jìn)行詳細(xì)識別的過程，由一個(gè)小組完成。HAZOP分析包括辨識潛在的偏離設(shè)計(jì)目的的偏差、分析其可能的原因并評估相應(yīng)的后果。

HAZOP分析的主要步驟:(1)劃分節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)一般由分析組長在HAZOP分析團(tuán)隊(duì)會議之前選定，節(jié)點(diǎn)是在工藝流程圖中所對應(yīng)實(shí)際過程的一個(gè)位置，在該位置上可以通過施加偏離進(jìn)行安全分析，比如從一個(gè)過程向另一個(gè)過程輸送物料的管道或一個(gè)儲罐。（2）選擇工藝參數(shù)，確定偏差。選擇適用于所有節(jié)點(diǎn)的工藝參數(shù)，一般選擇系統(tǒng)的溫度、壓力、流量、液位等參數(shù)。偏差是指設(shè)計(jì)目的的偏離，通過應(yīng)用一系列引導(dǎo)詞來系統(tǒng)地辨識各種潛在的偏差，比如增加＋溫度＝溫度過高；減少＋流量＝流量過小。（3）確定風(fēng)險(xiǎn)矩陣，分析偏差的原因和后果。根據(jù)各公司事故統(tǒng)計(jì)情況及可接受的風(fēng)險(xiǎn)程度，制定該公司適用的風(fēng)險(xiǎn)矩陣。分析每個(gè)節(jié)點(diǎn)的偏差發(fā)生的原因及可能導(dǎo)致的后果，根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)矩陣，確定風(fēng)險(xiǎn)等級。（4）提出建議措施。通過HAZOP分析，審查設(shè)計(jì)的安全措施或現(xiàn)有的安全措施是否足夠，若風(fēng)險(xiǎn)等級高，可提出合理可行的控制和降低危害后果的建議措施。

2 LOPA分析方法

2.1 LOPA分析目的

保護(hù)層分析（Layer of protection analysis，簡稱LOPA）是在HAZOP或PHA等定性危害分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步評估保護(hù)層的有效性，并進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)決策的系統(tǒng)方法，其主要目的是確定是否有足夠的保護(hù)層使過程風(fēng)險(xiǎn)滿足企業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)可接受標(biāo)準(zhǔn)。LOPA是一種半定量的風(fēng)險(xiǎn)評估技術(shù)，通常使用初始事件頻率、后果嚴(yán)重程度和獨(dú)立保護(hù)層（IPL）失效概率的數(shù)量級大小來近似表征事故的風(fēng)險(xiǎn)[3]。一個(gè)典型的化工過程包含各種保護(hù)層，如本質(zhì)安全設(shè)計(jì)、基本過程控制系統(tǒng)（BPCS）、報(bào)警與人員干預(yù)、安全儀表系統(tǒng)（SIS）、安全泄放設(shè)施（安全閥）、物理保護(hù)、應(yīng)急響應(yīng)等，可用圖2-1的洋蔥模型來表示，目前先進(jìn)的、具有國際水平的工藝裝置基本上采用了洋蔥模型的防護(hù)策略。

2.2 LOPA分析步驟及與HAZOP分析的關(guān)聯(lián)

圖2 -1洋蔥模型圖【4】

LOPA分析的基本步驟包括：（1）場景識別與篩選。場景信息來源于HAZOP分析方法進(jìn)行危害分析的結(jié)果，一般為HAZOP分析結(jié)果中的偏差及導(dǎo)致的后果，即事故場景。（2）初始事件（IE）確認(rèn)及發(fā)生頻率確定。IE一般包括外部事件、設(shè)備故障和人員失誤，IE的選擇一般與HAZOP分析結(jié)果表中導(dǎo)致偏差的原因一致，一般選取導(dǎo)致偏差的發(fā)生概率最大的原因事件。初始事件的發(fā)生頻率可采用行業(yè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)以及其他一些評價(jià)方法計(jì)算得出的數(shù)據(jù)。目前最常用的方法是參考《保護(hù)層分析方法應(yīng)用導(dǎo)則》（AQ/T3054-2015）附錄E中列舉的數(shù)值。（3）獨(dú)立保護(hù)層（IPL）評估。IPL一般為HAZOP分析結(jié)果中，裝置采取的現(xiàn)有安全保護(hù)措施，即洋蔥模型中的各種保護(hù)層。選取的保護(hù)層應(yīng)具有獨(dú)立性，若保護(hù)層失效與導(dǎo)致事故的初始事件一樣，則不能作為保護(hù)層。獨(dú)立保護(hù)層的失效概率（PFD）為現(xiàn)有各個(gè)獨(dú)立保護(hù)層的失效概率的乘積。（4）場景風(fēng)險(xiǎn)評估與決策。將后果、IE頻率和IPL的PFD等相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，確定場景風(fēng)險(xiǎn)；根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)評估結(jié)果，對照被評估企業(yè)所預(yù)先設(shè)定的可接受風(fēng)險(xiǎn)值，確定是否還需要采取相應(yīng)措施降低風(fēng)險(xiǎn)。若計(jì)算出的風(fēng)險(xiǎn)值大于企業(yè)預(yù)選設(shè)定的可接受風(fēng)險(xiǎn)值，則需要提出可行的措施即附加保護(hù)層（比如獨(dú)立的安全儀表系統(tǒng)SIS），直至將剩余風(fēng)險(xiǎn)降低至可接受水平[5]。

表3 -1 HAZOP分析結(jié)果表（以其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)的場景為例）

表3 -2 LOPA分析結(jié)果表（以其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)的場景為例）

3 HAZOP、LOPA分析的應(yīng)用

3.1 HAZOP及LOPA分析方法的應(yīng)用現(xiàn)狀

我國HAZOP分析方法的研究及使用起步較晚，最初只廣泛應(yīng)用于中石化及中石油等大型石油化工生產(chǎn)裝置。但是隨著我國經(jīng)濟(jì)和科技水平飛速發(fā)展，以及石油化工生產(chǎn)行業(yè)的安全事故頻發(fā)，國家越來越重視安全生產(chǎn)，促進(jìn)了安全科學(xué)研究水平的快速發(fā)展，目前國內(nèi)在逐步普及HAZOP分析法在新建及已建化工生產(chǎn)裝置風(fēng)險(xiǎn)評估的應(yīng)用。

2013年我國安監(jiān)總局發(fā)布的《國家安全監(jiān)管總局辦公廳關(guān)于印發(fā)危險(xiǎn)化學(xué)品建設(shè)項(xiàng)目安全設(shè)施設(shè)計(jì)專篇編制導(dǎo)則的通知》（安監(jiān)總廳管三〔2013〕39號）以及《國家安全監(jiān)管總局住房城鄉(xiāng)建設(shè)部關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)危險(xiǎn)化學(xué)品建設(shè)項(xiàng)目安全設(shè)計(jì)管理的通知》（安監(jiān)總管三〔2013〕76號）文中，明確要求設(shè)計(jì)單位在項(xiàng)目的安全設(shè)施設(shè)計(jì)專篇編制中采用HAZOP分析等方法進(jìn)行內(nèi)部安全設(shè)計(jì)審查。近兩年，國家安監(jiān)總局組織開展了一系列工作，如中央企業(yè)HAZOP試點(diǎn)工作，HAZOP培訓(xùn)、HAZOP調(diào)研交流等，極大的促進(jìn)了HAZOP在我國的推廣應(yīng)用。

目前HAZOP分析方法的應(yīng)用已基本在建設(shè)項(xiàng)目安全設(shè)施設(shè)計(jì)報(bào)告審查階段得以實(shí)施，企業(yè)也逐步樹立主動進(jìn)行工藝危險(xiǎn)分析的意識，積極配合設(shè)計(jì)單位進(jìn)行新建或在建裝置的工藝危險(xiǎn)分析及隱患自查活動。但相對于HAZOP分析方法的使用及認(rèn)識程度，對利用LOPA分析方法進(jìn)行SIL定級的使用，國內(nèi)一般化工生產(chǎn)企業(yè)還未全面開展起來。近年來安監(jiān)部門開始要求化工企業(yè)危險(xiǎn)化工裝置進(jìn)行安全儀表系統(tǒng)改造，并進(jìn)行SIL定級。而SIL定級的一個(gè)很常用的方法就是利用LOPA分析進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估，因此，今后LOPA分析方法將在政府部門的推動下得到廣泛使用。

3.2 HAZOP及LOPA分析方法在酚醛樹脂生產(chǎn)裝置上的應(yīng)用

本文以某化工廠酚醛樹脂裝置（以甲醛與苯酚縮聚反應(yīng)生產(chǎn)酚醛樹脂）為例，在HAZOP分析的基礎(chǔ)上，應(yīng)用LOPA分析法進(jìn)一步評估裝置保護(hù)層的有效性，并進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)決策，確定是否有足夠的保護(hù)層使風(fēng)險(xiǎn)降低到企業(yè)可接受標(biāo)準(zhǔn)。另外，通過保護(hù)層分析（LOPA），可以辨識出酚醛樹脂裝置中的安全聯(lián)鎖及其需求的SIL等級，對LOPA分析中未分配其安全完整性等級的聯(lián)鎖回路，即無SIL等級需求，定為SIL0，此類SIF通過配置獨(dú)立的SIS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)或通過DCS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)均可。

通過分析，該裝置工藝流程主要分為入料、聚合、脫水、成型、廢水提濃等，目前采用的是DCS控制系統(tǒng)，部分節(jié)點(diǎn)設(shè)置了安全聯(lián)鎖控制。該裝置的分析節(jié)點(diǎn)一共選取16個(gè)，事故場景110個(gè)。本文選擇其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)的進(jìn)行分析，即液體酚醛樹脂反應(yīng)釜R-A110升溫作業(yè)這個(gè)節(jié)點(diǎn)，并選取“升溫過快樹脂溢至V-A115，可能堵塞管線，造成裝置停工2～3天”這一事故場景進(jìn)行分析。HAZOP分析及LOPA分析過程及結(jié)果表格如下：（表3-1、表3-2所示）

根據(jù)上表中的LOPA分析結(jié)果，可以看出，在冷卻水閥門誤關(guān)，導(dǎo)致無法正常冷卻反應(yīng)釜物料的情況下，酚醛樹脂反應(yīng)釜內(nèi)溫度升高會過快，導(dǎo)致管線堵塞，可能導(dǎo)致裝置意外停車，造成財(cái)產(chǎn)損失。該事故發(fā)生的可能性，在采取了溫度報(bào)警以及溫度高高聯(lián)鎖啟動純水真空泵（該裝置采取的緊急冷卻措施）的安全措施后，可以消減為1E-3/yr（10-3）。對照該化工廠設(shè)定的不同事故嚴(yán)重性級別對應(yīng)的可容許的風(fēng)險(xiǎn)頻率，嚴(yán)重性等級為4級的事故，該廠可容許的風(fēng)險(xiǎn)頻率為＜10-3，因此，酚醛樹脂反應(yīng)釜溫度升高事故的風(fēng)險(xiǎn)在現(xiàn)有自動控制措施條件下，即在現(xiàn)有保護(hù)層的保證下，可以降低到企業(yè)可接受標(biāo)準(zhǔn)。該聯(lián)鎖控制回路需要的安全完整性等級定為SIL0，該回路的安全儀表功能SIF可以通過DCS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)即可。按以上單個(gè)節(jié)點(diǎn)及聯(lián)鎖控制回路的分析的方法，對該裝置的其他節(jié)點(diǎn)及聯(lián)鎖控制回路進(jìn)行分析，結(jié)果顯示，酚醛樹脂裝置已采取的DCS控制系統(tǒng)已能滿足安全需求，無需再設(shè)置獨(dú)立的安全儀表系統(tǒng)（SIS）。

4 結(jié)語

（1）HAZOP分析與LOPA分析是一種有效的對化工生產(chǎn)工藝系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)識別以及進(jìn)行半定量風(fēng)險(xiǎn)評估的方法，能指導(dǎo)工藝裝置在設(shè)計(jì)階段在哪些控制節(jié)點(diǎn)采取合理有效的監(jiān)測、控制方式，提高系統(tǒng)的本質(zhì)安全水平，降低事故發(fā)生的概率。

（2）本文列舉了某化工廠酚醛樹脂生產(chǎn)裝置進(jìn)行HAZOP分析及LOPA分析的結(jié)果，表明在基于風(fēng)險(xiǎn)評估以及保護(hù)層分析的基礎(chǔ)上，該裝置現(xiàn)有DCS控制系統(tǒng)已能滿足企業(yè)設(shè)定的風(fēng)險(xiǎn)可接受水平，不需要再設(shè)置獨(dú)立的安全儀表系統(tǒng)（SIS）。

（3）在政府的推動以及化工生產(chǎn)企業(yè)對裝置本質(zhì)安全水平越來越重視的情況下，越來越多的化工生產(chǎn)企業(yè)已逐步開始將HAZOP分析方法應(yīng)用于裝置的整個(gè)生命周期。在國家安監(jiān)部門對企業(yè)化工生產(chǎn)裝置自動化控制水平越來越高的要求下，LOPA分析作為對HAZOP分析的補(bǔ)充，可評估企業(yè)現(xiàn)有裝置或擬建裝置是否需要設(shè)置獨(dú)立的安全儀表系統(tǒng)或者需設(shè)置的安全儀表系統(tǒng)等級是否能滿足需求，可為安全監(jiān)管部門提供一定的技術(shù)支持。

[1]李娜,孫文勇,寧信道.HAZOP、LOPA和SIL方法的應(yīng)用分析[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2012.5.

[2]AQ/T3049-2013《危險(xiǎn)與可操作性（HAZOP）分析應(yīng)用導(dǎo)則》[S].

[3]AQ/T3054-2015《保護(hù)層分析（LOPA）方法應(yīng)用導(dǎo)則》[S].

[4]IEC61511-2003，F(xiàn)unctional safety-safety instrumented systems for the process industry sector[S]，2003.

[5]周榮義，李石林，劉何清.HAZOP分析中LOPA的應(yīng)用研究[J].中國安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2010.7.