保護層分析方法在丙烯酸樹脂生產工藝中的應用

樊俊鋒

上海緯縱化工工程咨詢有限公司（上海　200235）

化工管理

保護層分析方法在丙烯酸樹脂生產工藝中的應用

樊俊鋒

上海緯縱化工工程咨詢有限公司（上海200235）

介紹了保護層分析（LOPA）方法，闡述了利用LOPA方法對事故場景進行半定量分析的步驟。以丙烯酸樹脂生產工藝中的事故場景為例，利用LOPA方法進行了擬采用措施實施前后事故要求失效概率（PFD）的分析，據此進行安全改造工作決策并落實改造措施。

保護層分析事故場景丙烯酸樹脂要求失效概率

0　前言

化工項目往往具有工藝流程復雜、介質危險、易燃易爆等特點。為保障安全運行，需系統地識別工藝裝置中的各種潛在風險和危害，并提出切實可靠的措施以達到降低事故發生的可能性及減輕事故后果的目的。

作為一種工藝安全分析方法，危險與可操作性研究（HAZOP）近年來在化工領域得到了廣泛的應用[1]。HAZOP是一種定性的分析方法，不能解決風險發生的概率以及采取措施后發生概率降低多少的問題。為此，在化工項目安全分析中引入了保護層分析（LOPA）方法。LOPA方法是基于事故場景進行風險研究的半定量分析方法，因其客觀、可靠且高效，近年來在國際石化企業中得到越來越廣泛的應用。

本文以丙烯酸樹脂安全改造項目為例，通過LOPA方法的應用，采取針對性的安全措施并將風險降低至可接受的程度。

1　LOPA簡介

LOPA是在定性危害分析的基礎上，進一步評估保護層的有效性，并進行風險決策的系統方法。其主要目的是確定是否有足夠的保護層使得事故發生的風險降低到可接受的范圍內[2]。

LOPA方法的操作主要是通過量化事故發生的頻率和事故發生后可能導致的后果的嚴重程度來表征事故的風險程度，分析事故場景下各個保護層的失效概率，通過計算確定該風險事故發生的近似概率，從而決定是否需要增加保護層，直至該風險發生的概率降低至可接受程度。

在化工項目中，通常有7個保護層：（1）本質安全的化工工藝設計；（2）基本過程控制系統（BPCS），是執行持續監測和控制日常生產過程的控制系統，由傳感器、邏輯控制器和最終執行元件組成，通過響應過程或者操作人員的輸入信號產生輸出信息，使過程以期望的方式運行；（3）關鍵報警和操作人員干預，操作人員應能夠得到采取行動的指示和報警，并能夠完成報警所要求的操作任務；（4）安全儀表功能，通過檢測超限（異常）條件使控制過程進入功能安全狀態，由傳感器、邏輯控制器和最終執行元件組成并具有一定的安全完整水平且獨立于基本過程控制系統；（5）物理保護（安全閥、爆破片等）；（6）釋放后保護（防火堤、防爆墻等）；（7）工廠和社區應急響應[3]。

2　保護層分析步驟

利用LOPA方法進行風險評價分析的步驟一般分為以下6步：

（1）將工藝過程中所有可能的事故場景及其發生的后果和可能性進行識別和篩選，事故場景通常可以通過HAZOP等工藝安全分析方法獲得[5]。

（2）在識別和篩選后的事故場景中進行初始事件的確認以及獲取該事件發生的頻率。

（3）列出所有的獨立保護層（IPL）措施，IPL要能夠有效阻止后果的發生，需要滿足獨立性、有效性、安全性、變更管理和可審查性的要求[4]。上文提到的7個保護層，除工廠和社區應急響應以外，其他保護層可單獨或組合成為IPL。但如果某IPL失效本身為初始事件，那么該IPL就不能作為保護層予以考慮。例如，某溫度聯鎖控制失效為初始事件，那么該溫度聯鎖所產生的報警就不能作為保護層考慮并參與第4步的計算。

（4）利用初始事件發生的概率和各個IPL失效的概率計算出該風險事故發生的近似概率。計算中所選用的數據可采用行業統計數據、企業歷史統計數據或供應商提供的廠商數據等。

（5）根據風險發生概率的計算結果和后果等級，使用定量數值風險標準、風險矩陣等形式進行風險評估和決策。

（6）對分析結果的執行情況進行后續跟蹤，對提出的降低風險的行動的實施情況進行落實。

3　LOPA方法的實際運用

在丙烯酸樹脂聚合工藝的安全改造中，利用LOPA方法進行了風險分析并提出了有效的安全改造建議。

3.1丙烯酸樹脂生產工藝過程

丙烯酸樹脂合成反應是聚合反應，各類單體（苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙稀酸羥乙酯、甲基丙稀酸羥丙酯等）在溶劑中經引發發生聚合反應，生成聚合物。該反應為放熱反應，在常壓、一定溫度下進行，反應過程包括鏈的引發、增長和終止。

該項目中丙烯酸樹脂合成的工藝流程如圖1所示。將苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯等單體以及引發劑按配料要求加入單體罐中并攪拌混合均勻，利用冷凍水進行冷卻以防止溫度過高引發聚合；溶劑按配料要求加入聚合反應釜內，利用導熱油加熱，攪拌升溫至回流溫度；在溶劑回流狀態下，勻速滴加已預先配置好的混合單體，同時關導熱油、開冷卻水，邊攪拌邊滴加，控制溫度低于回流溫度；混合單體滴加完畢后，進行保溫反應；保溫完畢后，將產物放入兌稀釜中，取樣分析并進行稀釋；對達標成品進行過濾、包裝。

3.2定義風險矩陣

在開始保護層分析之前先與建設單位討論并確定風險矩陣，如表1所示，根據事故每年發生的頻率和事故后果的嚴重程度分級確定該風險事故的等級，其中事故后果的嚴重程度分級如表2所示。

圖1　丙烯酸樹脂合成工藝流程

表1　風險矩陣示意

表2　事故后果等級劃分

3.3保護層分析過程

3.3.1場景識別和篩選

根據HZAOP分析結果，得到事故場景以及工藝安全分析結果，在此以其中1個事故場景舉例，如表3所示。

表3　事故場景分析

該事故場景為冷凍水回路失效導致溫度升高引發單體聚合，造成單體罐中超溫超壓引發爆炸。

3.3.2初始事件確認

初始事件為冷凍水回路失效，初始事件每年發生的頻率（fi）為10-1。

3.3.3列出保護層措施

基本過程控制系統報警和人員響應：溫度超過35℃即產生報警，提醒生產人員采取行動，關閉單體進料并開啟抑制劑閥門將抑制劑放至單體罐中，可有效阻止單體進一步聚合。該基本過程控制系統與初始事件無關，故可作為獨立保護層考慮，其失效概率PFD1為10-1。

爆破片：單體罐中單體聚合引發壓力上升，壓力升至45 kPa時爆破片破裂泄放物料，可有效阻止進一步超壓乃至爆炸的發生。爆破片獨立于初始事件和其他保護層,故可作為IPL考慮，其失效概率PFD2為10-3。

3.3.4失效概率（fc）的計算

3.3.5風險分析和決策

該事故場景可能導致超壓爆炸，后果等級為5級，跟據表1風險矩陣得出該事故風險等級為中。

建議在基本過程控制系統中增加SIL2回路，即增加SIL2的溫度檢測儀表，聯鎖SIL2的開關閥，將該保護層失效的概率從10-1降低至10-3。

重新計算失效概率為：

計算顯示，通過增加SIL回路降低保護層失效的概率可以將場景失效概率從10-5降低至10-7。對應表1風險矩陣，得出該事故風險等級為低。

3.3.6后續跟蹤和措施落實

根據風險分析結果和決策，進一步落實了該安全改造項目的安全儀表采購、安裝、測試的負責人以及進度安排。安裝測試完成后工藝完全小組到現場進行了SIL回路的現場確認和驗證。

4　結語

丙烯酸樹脂合成是一種風險較大的化學反應過程，在工藝安全分析的基礎上，采用LOPA方法半定量地分析了事故發生的風險，通過計算事件失效概率，更加準確地定量預測事故可能發生的風險，為安全小組人員進行安全決策提供了判據。

LOPA應用過程中需要有相關硬件（閥門、儀表等）的可靠廠商實驗數據（主要為故障率）。我國在產業結構調整和快速發展過程中，目前這方面仍需加強，建議由產業協會牽頭，在生產過程中加強監管，幫助各生產企業建立可靠的數據庫，使得LOPA方法更好地發揮作用，從而幫助化工企業降低事故風險，更加健康地發展。

[1]廖學品.化工過程危險性分析[M].北京：化學工業出版社，2000.

[2]周榮義,李石林,劉何清.HAZOP分析中LOPA的應用研究[J].中國安全科學學報,2010,20(7)：76-81.

[3]DowellⅢA M.Layer of protection analysis for determining safety integrity level[J].ISA Transactions,1998,37(3)：155-165.

[4]管杰,廖海燕.保護層分析（LOPA）在煉化生產中的應用[J].安全、健康和環境,2010,10(1)：36-38,41.

[5]吳重光,張貝克,馬昕.過程工業安全設計的防護層分析（LOPA）[J].石油化工自動化,2007(4)：1-3,28.

The Application of Layer of Protection Analysis in Acrylic Resin Manufacturing Process

Fan Junfeng

Layer of protection analysis(LOPA)method is introduced,and the steps of how to use LOPA method to perform the semi-quantitative analysis of accident scenario are illustrated.Taking the accident scenario of acrylic resin manufacturing process as an example and by utilizing the LOPA method,the probabilities of failure on demand before and after the safety measure implementation are analyzed separately.The analysis results serve as the basis of decision making that whether and how to implement safety improvement measures.

Layer of protection analysis;Accident scenario;Acrylic resin;Probability of failure on demand

TP 202.1

樊俊鋒男1980年生工程師碩士研究方向為化工工藝安全

2015年7月