化工過程定量風險評價進展及風險準則比較分析*

魏利軍，王如君，多英全，胡馨升

(1.中國安全生產科學研究院，北京 100012；2. 重大危險源監控與事故應急技術國家安全監管總局 安全生產重點實驗室，北京 100012；3. 中國礦業大學(北京) 資源與安全工程學院，北京 100083)

0 引言

風險分析方法廣泛應用于各種工業領域，如航空航天，電子和核能。化工過程定量風險評價(Quantitative Risk Assessment，QRA)是一種對化工企業潛在火災、爆炸及毒氣泄漏的風險進行量化的評估方法。定量風險評價的主要目的是根據風險分析結果，采取適當可行的風險管控措施降低風險等級。它可以應用于化工廠的初始選址和設計階段，也可以應用于裝置設備的整個生命周期[1]。

定量風險評價是組織中總體風險管理的重要組成部分，它可以確定危險物質在使用、儲存和運輸等環節存在的潛在風險。并以此為依據，為組織決策層提供合理可靠的風險管理計劃，進而對減少風險的資源分配做出更明智，更具成本效益的決策，以確定現場開發、運輸路線周圍風險的可接受性。

定量風險評價主要包括危險辨識、失效概率分析、失效后果分析、風險計算及風險評價5大步驟。其中，風險評價是將計算結果與風險準則相比較，持續改進風險減緩措施直至風險值滿足要求。我國將定量風險評價方法應用于危險化學品領域，用于評估化工裝置及化工園區的危險性，具體稱為化工過程定量風險評價。本文從定量風險評價方法起源入手，著重介紹化工過程定量風險評價進展。并將我國的風險可接受準則與世界發達國家，如荷蘭、英國等進行比較，分析各國可接受風險準則的差異，同時介紹德國和日本的風險準則。

1 化工過程定量風險評價進展

1.1 定量風險評價方法起源

1974年，美國原子能委員會對民用核電站的安全性進行評估，麻省理工大學Norman Rasmussen教授領導的團隊成功運用事故樹和事件樹分析方法，對核電站的風險進行了定量分析和計算[2]。1975年，該項目的研究結果《WASH-1400報告》正式出版，是定量風險評價在工業領域應用的里程碑。

20世紀60年代末期和70年代初期，雖然科學技術的發展推動了石化企業生產規模的擴大，但風險管控的缺失卻造成了重大化工事故的頻發。1974年6月1日，英國弗里克斯鎮附近發生化工廠爆炸案，導致28人死亡。1976年7月10日，意大利塞維索的伊克梅薩化工廠逸出三氯苯酚，其中含有劇毒化學品二惡英(簡稱TCDD)，造成嚴重的環境污染[3]。1968年和1975年，荷蘭的佩爾尼斯鎮和比克均發生了蒸氣云爆炸災難事故[4]。

這些火災、爆炸和毒氣泄漏等重大事故的發生，造成了巨大的財產損失和人員傷亡，引起了社會輿論的廣泛關注。因此，20世紀70年代以來，世界各國和一些國際組織都高度重視對化工事故的管控，相繼開展重大危險源技術研究工作，促進了定量風險評價技術的發展。最有代表性的項目就是英國Canvey島的石油化工企業和荷蘭Rijnmond地區的石油化工設施的定量風險評價。

1976年，應英國環境與就業大臣的要求，英國衛生與安全管理局對(Health and Safety Executive，HSE)Canvey Island的Thurrock地區工業設施的危險性進行了評價。主要目的是評估擴建煉油廠對當地居民安全的影響，并評估現有工業設施及建成煉油廠的危險性。該研究分析了可能發生的38種主要事故機理，計算出了該島現有工業設施以及擴建后的工業設施在改善前后的風險[5]。

1979年，應荷蘭居民安全委員會要求，英國倫敦的Cremer & Warmer公司對Rijnmond地區的6個工業設施進行了風險評估。Rijnmond地區位于從鹿特丹到北海的萊茵河三角洲，共有居民10萬人。此項目的研究目的是探究對工業設施進行風險分析的可行性，并為實際應用積累經驗[6]。

1.2 法律法規進展

隨著QRA技術深入的發展，各國成立了相關部門，同時也出臺了一系列法規。

英國是最早系統地研究重大危險源控制技術的國家。1974年6月，英國衛生與安全管理局設立的重大危險源咨詢委員會(Advisory Committee on Major Hazards，ACMH)，負責研究重大危險源的辨識、評價技術和控制措施。隨后，重大危險源咨詢委員會于1976年首次向英國衛生與安全管理局提交了重大危險源建議標準[7]。

歐盟在1982年6月頒布了《Seveso條例》。該法令列出了180種物質及其臨界量標準。責成歐盟的所有成員國要明確考慮工業活動的危險，并向歐盟匯總風險信息[8]。1996年12月，歐盟頒布了《Seveso II條例》，擴大了指令的適用范圍，尤其強調對危險物質的倉儲要予以約束[9]。2015年，歐盟《Seveso III條例》正式出臺，并于2015年6月1日開始實施[10]。

國際勞工組織于1993年6月第80屆聯合國國際勞工大會通過了《預防重大工業事故公約》，為建立國家重大危險源控制系統奠定了基礎[11]。此外，在其支持下，印度[12]、馬來西亞[13]等建立了國家重大危險源監控系統。

美國政府于1992年頒布了《高度危險化學品處理過程的安全管理》標準。該標準提出了130多種化學物質及其臨界量。美國勞工部職業安全衛生管理局估計符合標準要求的重大危險源達10萬個左右，并要求相關部門必須對危險源進行評價。

中國于1992年將“重大危險源的評價與宏觀控制技術研究”列入了國家“八五”科技攻關計劃的內容。提出了易燃、易爆和有毒重大危險源危險性評價方法。隨后，國家經貿委安全科學技術研究中心于2000年提出了《重大危險源辨識》標準[14]。2011年和2014年，中國國家安全生產監督管理總局也相繼出臺了40號令《危險化學品重大危險源監督管理暫行規定》和13號公告《危險化學品生產、儲存裝置個人可接受風險標準和社會可接受風險標準》，分別制定了危險化學品重大危險源及危險化學品生產、儲存裝置的個人及社會可接受風險標準[15]。

1.3 軟件發展

計算機技術的不斷發展，推動了定量風險評價軟件的發展。

英國Technica Ltd.公司于1982年首先開發了SAFETI軟件，用于化工及交通運輸行業定量風險分析。隨后于1985年開發了WHAZAN軟件，用于石油、化工、天然氣等行業的工業危險性的定量風險評價。1989年，在SAFETI系統的基礎上開發了PHAST軟件。該軟件目前仍然是化工制造業應用最廣泛的風險評估工具。

荷蘭應用科學研究院在1991年開發的EFFECTS軟件也是一種定量風險分析軟件，具有危險辨識功能。1992年，開發了SAVE軟件，可用于火災、爆炸、毒物泄露等模型的風險分析。

意大利TEMA公司1984年開發了SIGEM軟件，適用于風險管理者和應急計劃制定者。除此之外，歐共體聯合研究中心于1986年開發了IRIMS軟件，擁有一系列與風險管理有關的數據庫和模擬模型。

中國安全生產科學研究院于2007年開發了區域定量風險評價軟件?？捎糜诨馂?、爆炸、毒物泄露等模型的風險分析，并繪制個人風險等值線和社會風險曲線[16]。

這些軟件為工廠選址與設計、區域和土地使用決策、運輸方案確定、危險源辨識和評價提供了有力的支撐。

2 風險準則比較分析

2.1 可接受風險準則

風險準則是用來衡量定量風險評價結果的重要依據。制定風險準則時，應充分考慮安全投入的最大收益，而不應該不計成本地降低風險。此外，考慮到風險評估結果的不確定性，單點目標是沒有意義的。因此，可接受風險準則(As low As Reasonably Practicable，ALARP)作為能夠滿足上述要求的風險評價依據，廣泛應用于英國、荷蘭等國家。

1974年，英國的衛生與安全管理局頒布的勞動健康與安全法(Health and Safety at Work Act)，首次提出“ 可接受風險準則”。法案中指出，如果風險的管控與時間和金錢的投入不成比例，這是不合理的。同時，英國衛生與安全管理局還制定了適用于個人和社會風險的三角形模型，如圖1所示[17]。

圖1 可接受風險準則Fig.1 As low as reasonably practicable

隨著個人和社會關注度的增加，三角形模型從下至上可以分成3個區域。廣泛可接受區的風險應該繼續保持并持續改進。合理可行的最低限度區的風險應遵循至低合理可行的原則，當降低風險所需成本與獲得的改善不成比例時，應該停止降低風險的措施。風險不可接收區的風險必須采取措施，至少降低至可接受的風險。該模型還說明了2種風險標準，一種定義廣泛可接受風險水平的較低風險下限，以及確定不可容忍風險水平的較高風險上限。 2個界限之間的風險落在可接受的范圍內，超出上限是不可接受的。除此之外，有些國家和組織將這一模式修改為僅包含上限風險水平的“兩區域、一標準”，這意味著只將風險劃分為不可接受和可接受。

本文將各國與土地利用規劃有關的風險可接受準則進行比較，即各國用于限制防護目標與化工裝置等危險源距離的風險標準。分析英國、荷蘭、美國、中國風險標準與防護目標的異同。同時雖然德國和日本并沒有制定相關的風險可接受準則，但是考慮到他們先進的行業技術水平，也對其化工行業風險標準進行介紹。

2.2 個人可接受風險準則比較

根據上述三角形模型的概念，比較英國，荷蘭和美國加利福尼亞州的圣巴巴拉縣(Santa Barbara County, California, USA)與中國的上、下限風險水平。1978年以來，英國衛生與安全管理局一直在引導定量風險評價的監管方法[18]；美國化工過程安全(Center for Chemical Process Safety，CCPS)中心和荷蘭災害預防委員會(Committee for the Prevention of Disasters，CPR)分別出版了一系列工程師指導書籍[19-20]。這些國家在化工監管領域，應用定量風險評價的技術水平相對成熟。此外，由于美國不同地區和機構的風險標準并不統一，如核管理委員會(Nuclear Regulatory Commission，NRC)和能源部(Department of Energy，DOE)更多關注核電，因此選擇風險標準適用于化工行業的圣巴巴拉縣作為代表。

將各國的個人可接受風險標準與中國進行比較，結果如表1所示[21]。首先，比較各國的風險標準值。英國制定了風險上限和下限，即廣泛可接受和不可接受的風險值分別為1×10-6到1×10-4，則合理可行的最低限度區在此區間內。按照風險值由低至高對各國的風險上限進行排序，依次為英國，荷蘭，圣巴巴拉縣和中國，結果如圖2所示。其次，比較各國的防護目標類型。荷蘭和中國將風險受體，即防護目標分別劃分為2大類別，其余國家則沒有進行區分。中國的特殊高密度場所可以視為荷蘭的脆弱目標，通過數值比較可以看出中國的個人風險標準更為嚴苛。

表1 英國、荷蘭、美國圣巴巴拉縣和中國個人風險標準值比較

圖2 英國、荷蘭、美國圣巴巴拉縣和中國個人風險標準值比較Fig.2 Comparison of individual risk criteria between U K, Netherlands, USA (Santa Barbara County of California) and China

2.3 社會可接受風險準則比較

社會風險值可以用公式(1)表示。

F=f(N，F，S)

(1)

式中：N是X軸上死亡人數的對數值；F是Y軸上預計發生N人及以上死亡事件對應的累積頻率的對數值；S是對數圖中的曲線斜率，為負數。

指定F-N曲線上的可接受風險區間，需要錨點(N，F)和斜率2個數值。將各國的社會可接受風險標準與中國進行比較，結果如表2所示。

從表2中可以明顯看出，英國和中國具有相同的斜率-1，荷蘭和美國圣巴巴拉縣具有相同的斜率-2。斜率值反應了對重大事故的風險規避程度，斜率-2比-1更關心重大事故的發生。這意味著對于斜率為-2的國家來說，相比死亡1人的100件事故，導致100人死亡的單一事件將引發更多的社會關注。通常斜率為-1被認為風險規避程度適中[22]。各國F-N曲線趨勢如圖3所示，從圖3中可以看出荷蘭和美國圣巴巴拉縣的F-N曲線重疊在一起，這說明它們的社會風險標準相同。

表2 英國、荷蘭、美國圣巴巴拉縣和中國社會風險標準值比較

圖3 英國、荷蘭、美國圣巴巴拉縣和中國社會風險標準值比較Fig.3 Comparison of societal risk criteria between U K, Netherlands, USA (Santa Barbara County of California) and China

2.4 德國和日本風險準則

雖然德國和日本并沒有制定相關的可接受風險準則，但是由于在化學工藝安全發展史上發揮的關鍵作用，本文也介紹其化工行業風險準則。德國事故委員會(St?rfallKommission)于2005年制定了《Seveso II土地利用規劃條例第12條準則》，并得到了德國環境保護法的授權[23]。該準則確定了危險源與防護目標之間的必要距離，但并不適用于已經頒布環境許可證或已經遵守當前環境規定的企業。對于信息不完整的企業，可以根據儲存或使用的物質進行距離要求，具體分為4大類，如表3所示。

日本職業安全與健康研究所(JNIOSH)于2016年7月發布了《化學工業事故風險評估指導手冊》，將風險分為3個層次，分為半定量風險矩陣，如表4所示。手冊附錄中給出了危害程度和頻率的等級劃分依據。按照設施恢復時間的長短12個月、6個月、1個月，將危害程度分為3類。按照事故發生頻率1，30～40，100 a，將危害頻率分為3類[24]。

表3 德國推薦距離要求

表4 日本風險等級

3 結論

1)大型化工事故頻發促進了各國的風險管控意識，科學技術的進步完善了定量風險評價的理論體系。20世紀60年代，英國和荷蘭已經率先開展了工業設施定量風險評價，這標志著定量風險評價在化工領域的應用。隨后各國法律法規體制的健全及軟件技術的不斷開發，都為化工過程定量風險評價的廣泛應用奠定了基礎。

2)雖然我國化工過程定量風險評價技術起步相對較晚，但是經過十幾年的發展目前也已形成相對完整的理論體系?！痘て髽I定量風險評價導則》、國家安全生產監督管理總局“個人風險和社會風險標準”的發布，以及中國安全生產科學研究院“區域定量風險評價軟件”的開發，均標志著我國定量風險評價體系的不斷完善。

3)我國個人風險和社會風險準則的制定參考發達國家的制定方法，但是風險值的選擇并不相同。個人風險的防護目標參照荷蘭進行劃分，但是對應的風險上限值低于荷蘭，即風險上限標準比荷蘭更為嚴格。社會風險斜率的選擇與英國相同，選擇風險規避程度適中的斜率值-1，但是社會風險可接受區域比英國嚴格。這主要是由于科技水平的發展，推動了裝置設備本質安全水平的提高，風險準則也隨之提高。

4)德國和日本并沒有制定相關的風險可接受準則，但是對化工行業安全性的評估也制定了相應的準則要求。德國規定不同危險物質與防護目標之間的安全距離，日本則采用半定量風險矩陣評價化工廠的安全性。這些準則要求都是基本量化風險的角度，便于實施操作。

[1] 吳宗之. 面向2020年我國安全生產的若干戰略問題思考 [J]. 中國安全生產科學技術, 2007, 3(1): 3-7.

WU Zongzhi. Study on some strategy problems of China's work safety by 2020 [J]. Journal of Safety Science and Technology, 2007, 3(1): 3-7.

[2] Keller W, Modarres M. A historical overview of probabilistic risk assessment development and its use in the nuclear power industry: a tribute to the late Professor Norman Carl Rasmussen [J]. Reliability Engineering & System Safety, 2005, 89(3): 271-285.

[3] Bertazzi P A. Long-term effects of chemical disasters. Lessons and results from Seveso [J]. Science of the total environment, 1991, 106(1): 5-20.

[4] Pasman H, Reniers G. Past, present and future of Quantitative Risk Assessment (QRA) and the incentive it obtained from Land-Use Planning (LUP) [J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2014, 28: 2-9.

[5] Health and Safety Executive. Canvey: An Investigation of Potential Hazards from Operations in the Canvey Island/Thurrock Area [R]. London: Her Majesty’s Stationery Office, 1978.

[6] COVO Commission. Risk analysis of six potentially hazardous industrial objects in the Rijnmond area, a pilot study [R]. The Netherlands: Dordrecht, 1982.

[7] Health and Safety Commission. Advisory Committee on Major Hazards, First Report [R]. London: Health and Safety Commission, 1976.

[8] Marchi B D. The Seveso Directive: an Italian pilot study in enabling communication [J]. Risk Analysis, 1991, 11(2): 207-215.

[9] Salvi O, Debray B. A global view on ARAMIS, a risk assessment methodology for industries in the framework of the SEVESO II directive [J]. Journal of hazardous materials, 2006, 130(3): 187-199.

[10] The Control of Major Accident Hazards Regulations [R]. London: The Stationery Office Limited under the authority and superintendence of Carol Tullo, 2015.

[11] International Labor Organization. C174-prevention of major industrial accidents convention (no. 174) [R]. Geneva: ILO, 1993.

[12] Khan F I, Abbasi S A. Major accidents in process industries and an analysis of causes and consequences [J]. Journal of Loss Prevention in the process Industries, 1999, 12(5): 361-378.

[13] Rampal K G, Nizam J M. Developing regulations for occupational exposures to health hazards in Malaysia [J]. Regulatory Toxicology and Pharmacology, 2006, 46(2): 131-135.

[14] 吳宗之. 論重大危險源監控與重大事故隱患治理[J]. 中國安全科學學報, 2003, 13(9): 23-26.

WU Zongzhi. Discussion on control of major hazards and of major accident potential [J]. China Safety Science Journal, 2003, 13(9): 23-26.

[15] 吳宗之, 魏利軍, 王如君, 等. 化工園區安全規劃方法與應用研究[J]. 中國安全生產科學技術，2012, 9(8): 46-51.

WU Zongzhi，WEI Lijun，WANG Rujun, et al. Methods and applications of safety planning for chemical industrial parks [J]. Journal of Safety Science and Technology, 2012, 9(8): 46-51.

[16] 許銘, 多英全, 吳宗之. 化工園區安全規劃方法綜述[J]. 中國安全生產科學技術, 2008, 4(4):55-59.

XU Ming, DUO Yingquan, WU Zongzhi. A summary of safety planning methods in chemical industry parks [J]. Journal of Safety Science and Technology, 2008, 4(4): 55-59.

[17] Health and safety executive. Reducing risks, protecting people-HSE’s decision-making process [M]. London: Her Majesty’s Stationery Office, 2001.

[18] Pasman H, Reniers G. Past, present and future of Quantitative Risk Assessment (QRA) and the incentive it obtained from Land-Use Planning (LUP) [J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2014, 28: 2-9.

[19] Center for Chemical Process Safety. Guidelines for chemical process quantitative risk analysis [M]. New York: American Institute of Chemical Engineering, 2000.

[20] CPR. Guidelines for quantitative risk assessment [M]. The Netherlands: The Hague, 1999.

[21] Frank W, Farquharson J. Guidelines for developing quantitative safety risk criteria [M]. New York: American Institute of Chemical Engineers, 2009.

[22] Evans A W, Verlander N Q. What is wrong with criterion FN-lines for judging the tolerability of risk [J]. Risk Analysis, 1997, 17(2): 157-168.

[23] Duijm N J, Universitet D T. Acceptance criteria in Denmark and the EU [R]. Denmark: Danish Environmental Protection Agency, 2009.

[24] Japan organization of occupational health and safety. Risk assessment manual and tutorial for process accidents in chemical industries [R]. Japan: National Institute of Occupational Safety and Health, 2016.