HAZOP、LOPA半定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法及其在酚醛樹(shù)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(guó)中材國(guó)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(píng)估方法及其在酚醛樹(shù)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(guó)中材國(guó)際工程股份有限公司（南京），江蘇南京 211100）

對(duì)HAZOP分析、LOPA分析方法進(jìn)行了介紹，并說(shuō)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(duì)目前國(guó)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(shù)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(shuō)明LOPA分析在裝置SIL等級(jí)劃分方面的應(yīng)用，通過(guò)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(duì)石油化工生產(chǎn)裝置進(jìn)行半定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的有效方法，但國(guó)內(nèi)一直以來(lái)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(guó)經(jīng)濟(jì)和科技水平飛速發(fā)展，在政府部門(mén)及化工企業(yè)對(duì)本質(zhì)安全高度重視的情況下，化工企業(yè)逐步樹(shù)立主動(dòng)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(shí)，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(dòng)。近兩年安監(jiān)部門(mén)開(kāi)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(jí)劃分。而安全儀表系統(tǒng)SIL定級(jí)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(píng)估，在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)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(jí)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(guò)程的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法。HAZOP分析方法是英國(guó)帝國(guó)化學(xué)工業(yè)公司（ICI）為解決除草劑制造過(guò)程中的危害，于1974年發(fā)展起來(lái)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(shí)別系統(tǒng)中潛在的危險(xiǎn)及識(shí)別系統(tǒng)中潛在的可操作性問(wèn)題，尤其是識(shí)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(guò)對(duì)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(dòng)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(guò)HAZOP分析方法對(duì)整個(gè)裝置進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)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(mǎn)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(duì)危險(xiǎn)與可操作性問(wèn)題進(jìn)行詳細(xì)識(shí)別的過(guò)程，由一個(gè)小組完成。HAZOP分析包括辨識(shí)潛在的偏離設(shè)計(jì)目的的偏差、分析其可能的原因并評(píng)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(zhǎng)在HAZOP分析團(tuán)隊(duì)會(huì)議之前選定，節(jié)點(diǎn)是在工藝流程圖中所對(duì)應(yīng)實(shí)際過(guò)程的一個(gè)位置，在該位置上可以通過(guò)施加偏離進(jìn)行安全分析，比如從一個(gè)過(guò)程向另一個(gè)過(guò)程輸送物料的管道或一個(gè)儲(chǔ)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(guò)應(yīng)用一系列引導(dǎo)詞來(lái)系統(tǒng)地辨識(shí)各種潛在的偏差，比如增加＋溫度＝溫度過(guò)高；減少＋流量＝流量過(guò)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(jí)。（4）提出建議措施。通過(guò)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(jí)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(jiǎn)稱(chēng)LOPA）是在HAZOP或PHA等定性危害分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步評(píng)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(guò)程風(fēng)險(xiǎn)滿(mǎn)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(píng)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(jí)大小來(lái)近似表征事故的風(fēng)險(xiǎn)[3]。一個(gè)典型的化工過(guò)程包含各種保護(hù)層，如本質(zhì)安全設(shè)計(jì)、基本過(guò)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(lái)表示，目前先進(jìn)的、具有國(guó)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(chǎng)景識(shí)別與篩選。場(chǎng)景信息來(lái)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(chǎng)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(píng)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(píng)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(chǎng)景風(fēng)險(xiǎn)評(píng)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(chǎng)景風(fēng)險(xiǎn)；根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果，對(duì)照被評(píng)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(chǎng)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(chǎng)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(guó)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(guó)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(guó)家越來(lái)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(guó)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(píng)估的應(yīng)用。

2013年我國(guó)安監(jiān)總局發(fā)布的《國(guó)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(zhuān)篇編制導(dǎo)則的通知》（安監(jiān)總廳管三〔2013〕39號(hào)）以及《國(guó)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(hào)）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(zhuān)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(guó)家安監(jiān)總局組織開(kāi)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(guó)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(shù)立主動(dòng)進(jìn)行工藝危險(xiǎn)分析的意識(shí)，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(dòng)。但相對(duì)于HAZOP分析方法的使用及認(rèn)識(shí)程度，對(duì)利用LOPA分析方法進(jìn)行SIL定級(jí)的使用，國(guó)內(nèi)一般化工生產(chǎn)企業(yè)還未全面開(kāi)展起來(lái)。近年來(lái)安監(jiān)部門(mén)開(kāi)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(jí)。而SIL定級(jí)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(píng)估，因此，今后LOPA分析方法將在政府部門(mén)的推動(dòng)下得到廣泛使用。

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

本文以某化工廠酚醛樹(shù)脂裝置（以甲醛與苯酚縮聚反應(yīng)生產(chǎn)酚醛樹(shù)脂）為例，在HAZOP分析的基礎(chǔ)上，應(yīng)用LOPA分析法進(jìn)一步評(píng)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(guò)保護(hù)層分析（LOPA），可以辨識(shí)出酚醛樹(shù)脂裝置中的安全聯(lián)鎖及其需求的SIL等級(jí)，對(duì)LOPA分析中未分配其安全完整性等級(jí)的聯(lián)鎖回路，即無(wú)SIL等級(jí)需求，定為SIL0，此類(lèi)SIF通過(guò)配置獨(dú)立的SIS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)或通過(guò)DCS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)均可。

通過(guò)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(chǎng)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(shù)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(guò)快樹(shù)脂溢至V-A115，可能堵塞管線(xiàn)，造成裝置停工2～3天”這一事故場(chǎng)景進(jìn)行分析。HAZOP分析及LOPA分析過(guò)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(mén)誤關(guān)，導(dǎo)致無(wú)法正常冷卻反應(yīng)釜物料的情況下，酚醛樹(shù)脂反應(yīng)釜內(nèi)溫度升高會(huì)過(guò)快，導(dǎo)致管線(xiàn)堵塞，可能導(dǎo)致裝置意外停車(chē)，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(dòng)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(duì)照該化工廠設(shè)定的不同事故嚴(yán)重性級(jí)別對(duì)應(yīng)的可容許的風(fēng)險(xiǎn)頻率，嚴(yán)重性等級(jí)為4級(jí)的事故，該廠可容許的風(fēng)險(xiǎn)頻率為＜10-3，因此，酚醛樹(shù)脂反應(yīng)釜溫度升高事故的風(fēng)險(xiǎn)在現(xiàn)有自動(dòng)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(jí)定為SIL0，該回路的安全儀表功能SIF可以通過(guò)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(duì)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(shù)脂裝置已采取的DCS控制系統(tǒng)已能滿(mǎn)足安全需求，無(wú)需再設(shè)置獨(dú)立的安全儀表系統(tǒng)（SIS）。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）HAZOP分析與LOPA分析是一種有效的對(duì)化工生產(chǎn)工藝系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別以及進(jìn)行半定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)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(cè)、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(shù)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(píng)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(mǎn)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(dòng)以及化工生產(chǎn)企業(yè)對(duì)裝置本質(zhì)安全水平越來(lái)越重視的情況下，越來(lái)越多的化工生產(chǎn)企業(yè)已逐步開(kāi)始將HAZOP分析方法應(yīng)用于裝置的整個(gè)生命周期。在國(guó)家安監(jiān)部門(mén)對(duì)企業(yè)化工生產(chǎn)裝置自動(dòng)化控制水平越來(lái)越高的要求下，LOPA分析作為對(duì)HAZOP分析的補(bǔ)充，可評(píng)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(jí)是否能滿(mǎn)足需求，可為安全監(jiān)管部門(mén)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(guó)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(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2010.7.