知安企業(yè)管理咨詢（上海）中心 孫洪｜文

1984年12月3日凌晨，印度中央邦首府博帕爾市美國聯(lián)合碳化物農藥廠40多噸劇毒的化學品甲基異氰酸酯（MIC）泄漏，事故造成了數千人迅速死亡和更多人受傷。事故調查揭示了該廠在過程安全管理體系的很多問題，如：工藝危害分析（Process Hazard Analysis,PHA）缺失、設備和安全系統(tǒng)維護不當、應急響應計劃不足和人員培訓不充分，等等。

但英國人特雷弗·克雷茲（Trevor Kletz）看到了更深層次的問題：甲基異氰酸酯既非原料，也非產品，而是一種中間體。儲存大量甲基異氰酸酯對生產而言很方便，但并不是必要的。該廠完全有可能在甲基異氰酸酯生產出來后馬上用掉，這樣最壞情況下泄漏也就幾公斤而已。為此，特雷弗·克雷茲在1977年首次提出了“本質安全”概念，本文將圍繞此概念，探討如何從源頭做好化工事故防范。

4種安全策略

本質安全（Inherently Safer）旨在消除或減少過程危害，而不是通過增加安全系統(tǒng)和程序來緩解過程事故的后果。本質安全原意是化工過程“本質上更安全”，并非指絕對安全（Absolute Safe）和固有安全（Inherently Safe），“本質安全”只是目前國內化工業(yè)界的習慣說法。

圖1 印度博帕爾災難現場（圖片源自 bhopal.org)

為了進一步討論本質安全，不妨回到過程風險管理。眾所周知，風險是不利事件后果和可能性的函數。在化工行業(yè)，通過設計、技術、程序和管理系統(tǒng)來消除/減少過程中的危害事故后果或降低事故發(fā)生可能性，或同時降低這兩者。美國化學過程安全中心（Center for Chemical Process Safety, CCPS）相關指南書籍之一的《本質安全化學過程——一個生命周期方法》介紹了以下4類策略：

1.本質策略。通過使用更溫和的材料和工藝條件來消除危害。例如，用水代替易燃溶劑，即使發(fā)生溢流也不會造成火災事故。

2.被動策略。利用過程和設備設計功能最大限度地降低危害，從而降低危害發(fā)生的頻率或后果。比如，高位槽的溢流管，使過多物料可以流回儲罐；此外，儲罐區(qū)的圍堰也是一種安全防護措施；但此兩者均為被動策略。

3.主動策略。通過使用儀表控制、報警、安全儀表系統(tǒng)和緩解系統(tǒng)來檢測和響應正常運行中的過程偏離。例如，當高位槽液位達到85%時，液位控制回路會自動停進料泵。

圖2 分析、降低和管理風險的順序

4.程序策略。利用操作程序、管理檢查、應急響應和其他管理辦法來預防事故的發(fā)生或盡量減小事故產生的后果。例如，要求員工檢查高位槽液位，并在液位高時停泵，這也常被稱為管理控制措施。

以上4種類型的措施都有助于過程安全。在理想情況下，分析、降低和管理風險可按圖2的順序考慮。

本質安全是通過利用材料特性或過程自身來消除或降低危害。本質安全與其他3種類型策略之間的根本區(qū)別在于本質安全旨在從源頭上消除危害，而不是被動的接受危害后再試圖緩解其后果。如果單獨采取本質安全措施來實現項目風險目標是可行的，則可能不需要其他保護層，也就減少了其相關時間、資產和費用。有時本質安全設計領域習慣性提法也可能造成一些誤解。例如：容器設計壓力高于可能內部爆炸最大壓力可被稱為本質安全策略；溢流管有時被稱為本質安全策略，而儲罐區(qū)圍堰則不被稱為本質安全策略，但設計圍堰顯然比程序策略本質上更為安全。上文提到“本質上更安全”概念本來是相對的，稍有不同理解并不會給化工過程設計帶來困擾；筆者認為多數讀者大可不必在定義上糾結。

本質安全設計方法

本質安全概念關鍵在于設計一個本質上更為安全的化工廠，特雷弗·克雷茲在1984年提出的化工廠本質安全設計策略主要包括4方面：

1.最小化，使用更少的危害物質

“最小化”就是盡量減少化工過程或工廠中有害物質或能量的存量。最小化通常通過應用新技術減小設備尺寸來實現存量減少。例如使用連續(xù)反應器、管式反應器甚至微反應器而非間歇反應器，如此將大大減少在高溫高壓下處理的有害化學品的量。又如：離心蒸餾技術或高表面積換熱器同樣可以減少有害物質在化工過程中的存量。值得一提的是，簡單地將本質安全原則應用于傳統(tǒng)技術，也可以大大減少過程庫存。就上文提到的印度博帕爾災難而言，聯(lián)合碳化物農藥廠管理層即使不依靠技術進步，如果能直接將甲基異氰酸酯庫降低存至數噸，而非以60多噸（當然這對甲基異氰酸酯維護保養(yǎng)要求會高一些）保持下游裝置生產穩(wěn)定性或連續(xù)性，也可提高本質安全水平。況且，事故發(fā)生時工廠處于待工狀態(tài)，完全可以在基本用完甲基異氰酸酯后停工。

2.替代，使用危害較小的物質代替原來危害較大的物質

“替代”是指用危害較小的物質/工藝來替代有害物質或工藝，以減少或消除過程危害。研發(fā)人員、設計人員、項目經理、運營經理和生產技術人員可以不斷尋求是否有危害較小的物質或工藝路線能替代現有過程危險性高的物質和工藝。替代策略應該在項目初期應用，在項目建成或運營后，想要替代將變得非常困難。回到博帕爾災難案例，可以看到，聯(lián)合碳化物公司在選擇農藥產品西維因（化學名：甲萘威）合成路線時，并沒有選擇選擇本質上更安全的工藝路線，而是選擇了以反應性和毒性化合物甲基異氰酸酯為中間體的工藝路線。也許是光氣危害已經廣為人知，甲基異氰酸酯裝置的光氣儲罐較?。ㄔ诓┡翣枮碾y相關視頻可以看到）?？上У氖?，比光氣更毒的甲基異氰酸酯并沒有得到應有的重視。

3.緩和，在危害較小的條件或材料形態(tài)來運行，或設施設計能減小危害物料和能量釋放的影響

“緩和”是指在危險較小的過程條件下使用物質。可以通過降低溫度或稀釋的物理方法來調節(jié)過程條件，也可以開發(fā)反應溫度和壓力較低的化學工藝，來達到緩和過程條件的目的。當年聯(lián)合碳化物公司確實應用了冷凍系統(tǒng)來降低甲基異氰酸酯儲存溫度，并用來消除可能有少量水汽和甲基異氰酸酯反應產生的熱量。但是，博帕爾工廠管理層在實施解決儲罐區(qū)輸送泵甲基異氰酸酯泄漏問題設施變更后停用了冷凍系統(tǒng)。在博帕爾災難案例中，降低溫度雖屬本質安全策略，但是冷凍系統(tǒng)本身能力和可靠性未必能預防或有效緩解災難的發(fā)生。當然，在精細化工行業(yè)，使用降低反應物濃度等方法成功降低工藝危險度還是很常見的。

4.簡化，設計避免不必要的復雜性以減少操作失誤可能性或允許失誤

簡單的流程通常比復雜的流程更安全。例如，按較高壓力設計一個常壓中間儲罐，就不必擔心可能出現的真空條件損壞儲罐，也可省掉相關真空保護設備費用、安全系統(tǒng)維護費用和操作程序相關要求。但在平衡考慮安全性和經濟性時，較大常壓儲罐未必適用上述方案。筆者在過程安全咨詢實踐中還看到，有些工廠使用同一套間歇反應釜生產不同配方產品，這樣流程復雜性加大了操作人員失誤的可能性。頻繁產品切換時，設備和流程設備配置需要多個安全防護層（Protection Layer），并依賴于產品切換開工前檢查，從而造成整個系統(tǒng)安全水平下降。對此，工廠可以考慮通過合理安排生產計劃來消除或減少這樣的復雜性。過程安全工程師們相信：越簡單，越安全。

本質上更安全的化工廠使用更少、更低危害化學物質，操作條件更為溫和，流程也更為簡單；應用本質安全設計工廠將變得更為高效、更為節(jié)能和成本更低。

本質安全宜早行

綜觀化工廠從研究開發(fā)、工藝開發(fā)、詳細設計和建設、運營維護和變更到退役的整個生命周期，應用本質安全概念越早越能更大程度地獲得安全和經濟效益的提升。

2017年國家安全監(jiān)管總局發(fā)布的《國家安全監(jiān)管總局關于加強精細化工反應安全風險評估工作的指導意見》（安監(jiān)總管三〔2017〕1號）對于工藝危險度較高但必須實施產業(yè)化的項目提出很高的要求，應用本質安全的價值顯而易見。隨著生命周期發(fā)展，本質安全設計實施難度和成本會急劇增長。

在確定生產化工產品所需化學品和合成路線后，工藝設計人員需要選擇工藝流程、單元操作和工藝設備；然后工程設計人員進行詳細設計。本質安全評審是在建設項目不同階段開展的主要本質安全活動。工藝設計的本質安全評審可以是獨立的安全評審，也可以是工藝危害分析一部分，常用危險和可操作性研究（Hazard and Operability Study，HAZOP）、“如果……就（What—If）”和檢查表（Checklist），檢查表方法還可以和HAZOP及“如果……就”結合起來使用。筆者使用較多的是《本質安全化學過程——一個生命周期方法》一書中提供的“本質安全技術檢查表”，該檢查表分為最小化、替代、緩和、簡化和選址/定點/運輸共5個部分，計42個問題。該表使用方法簡單，通過回答表中問題，即可檢視本質安全設計改善情況。在一些國內工藝危害或HAZOP相關著作中也采用了該檢查表的部分或全部內容。國際化學工程師協(xié)會(Institution of Chemical Engineers, IChemE)在1998年INSIDE項目開發(fā)了本質安全評審工具箱（INSET Toolkit），讀者可以從中獲得有益資料。

筆者的經驗是，即使工廠沒有計劃開展獨立本質安全評審或工藝危害分析本質安全補充評審，本質安全概念對工藝設計人員、工藝危害分析小組依然有很大幫助。即使錯過了很多應用本質安全設計的機會，在工藝危害分析（或HAZOP）小組發(fā)現某個事故場景需要增加多個安全防護或無法降低剩余風險到可接受程度時，往往是重新考慮本質安全設計的機會。

必須要注意的是，應用本質安全設計并不總是降低化工廠總體安全風險，比如：某個大量使用氯氣的化工企業(yè)試圖降低大型液氯儲罐可能失效的重大安全風險，轉而使用很多個液氯鋼瓶供氣。相比之下，本質安全設計最小化策略降低了液氯儲罐可能失效的后果嚴重程度，但液氯鋼瓶失效的可能性大大增加了，液氯運輸和卸料操作風險也隨之增加。實際上，目前很多化工企業(yè)反其道而行，通過大型儲罐、封閉式卸料站、緊急切斷安全儀表系統(tǒng)、泄漏處理設施和其他安全措施，來降低液氯操作相關工廠風險和社會風險。本質安全設計應用還往往是本質安全策略的組合，如氨/二氧化碳覆疊制冷系統(tǒng)就是一個很好的例子，在滿足供冷需求的同時，大大減少了危害性較高的液氨的存量，并在人員可能暴露的區(qū)域使用危害較低的二氧化碳來取代液氨。

應用本質安全概念從來不會太晚。在工藝裝置運營、維護、變更和退役階段也不應該放棄追問：危害流程/產品是否必須？危害材料庫存是否可以減少？是否可以降低操作壓力……等等。總之，通過向本質安全努力，化工廠可以變得更為安全。安