基于人因可靠性的間歇裝置SIL分析與改進*

池亞娟，付建民，李宏浩，甄　佳，商振東，袁　磊

(1.中國石油大學(華東) 海洋油氣裝備與安全技術研究中心，山東 青島 266580；2.東營石大勝華新能源有限公司，山東 東營 257000)

0　引言

風險辨識是降低風險水平的第一步。現有基本過程控制系統(Basic Process Control Systems，BPCS)、報警系統等安全屏障已不能滿足石化企業的安全要求，安全儀表系統作為一種實現易燃、易爆、有毒、有害等流程工業安全運行的重要措施，發揮著不可替代的作用[1]。國際電工委員會頒布的標準IEC 61508及IEC 61511均對安全儀表系統功能安全提出了要求，采用安全完整性水平術語表征其執行的安全儀表功能(Safety Instrumented Function, SIF)等級，同時建立相應的模型來評估SIS可靠性，運用的方法主要有定性、半定量和定量3類[2]。定性方法雖簡單省時，但主要依賴于人的主觀判斷和經驗，可能會造成評估誤差，因此SIL確定分析一般采用HAZOP結合LOPA的半定量方法，SIL驗證分析常用的定量分析方法，比如故障樹分析法、可靠性框圖和Markov建模方法等。對于人為干預的間歇生產裝置，部分SIS依賴于人員手動觸發，由人為失誤導致SIS可靠性降低，進而使其達不到需求SIL[3]，故需對人因可靠性進行研究。目前，國內外一些學者對受人因可靠性影響的系統SIL評估進行了研究，但對考慮人因因素影響SIL評估的定量分析較少，比如Schonbeck等[4]研究了SIS在運行過程中人員及組織因素的影響，提出了一套人員及組織因素對運行中SIL的量化程序，并依據專家經驗開發安全審計問卷來評估安全管理對安全屏障可靠性影響；Bevilacqua等[5]將人為因素整合到煉油廠風險管理系統中，開發了稱為人因風險管理(HFRM)的新程序，并且專家人員基于歷史事故數據定義了與風險相關的行為形成因子。一些人因可靠性分析(HRA)方法已經被開發用于各種行業，有超過50種不同類型的HRA方法，主要有THERP(Technique for Human Error Rate Prediction)，HCR(Human Cognitive Reliability)和CREAM(Cognitive Reliability and Error Analysis Method)等。一般而言，HRA對特定類型任務的人為失誤概率進行量化[3]，其中THERP結合HCR是目前評估人因可靠性廣泛接受的方法，THERP模型主要針對一系列與時間關聯性較小的行為，而HCR模型側重于與時間緊密相關的認知行為，兩者側重點不同，相互結合較好地克服了各自不足之處，更適合應用于工程實際[6]。

本文基于某LiPF6間歇生產裝置現有風險，采用HAZOP結合LOPA方法對其進行過程風險分析，并根據分析結果提出改進建議。選取間歇裝置典型SIS，根據風險分析結果對其進行SIL確定及驗證，同時建立人因可靠性模型來分析人為失誤對SIL影響水平，并提出相應優化方案來提高系統SIL。

1　間歇裝置風險分析與SIS安全功能確認

1.1　某LiPF6間歇裝置簡介

本文以某LiPF6間歇裝置為例，LiPF6作為含氟鋰鹽中的一種，與其他幾種用作鋰離子電池電解質的鋰鹽相比，LiPF6具有穩定性高、電導率高、離子間締合作用弱等優點，被人們公認為是目前最佳鋰離子電池電解質材料[7-10]。現階段，LiPF6制備方法包括3種：氣固直接反應法、HF溶劑法和離子交換法，其中研究最多、技術最為成熟、產業化應用最廣泛的工藝是HF溶劑法[11-12]。制備LiPF6時，裝置安全生產難以控制，合成難度較高，整個生產過程涉及高低溫、無水無氧操作、高純精制、強腐蝕，對設備和操作人員要求比較苛刻、工藝難度極大，產品極易吸潮、分解，會產生雜質，故LiPF6生產裝置風險較高[13-14]。

1.2　基于HAZOP和LOPA分析的風險分析和SIS安全功能確認

研究采用危險和可操作性分析(Hazard and Operability Study, HAZOP)及LOPA分析方法開展該間歇裝置風險分析和SIS安全功能分析。HAZOP是一種用于辨識設計缺陷、工藝過程危險及操作性問題的結構化分析方法，應用廣泛。由于HAZOP分析識別的重大事故場景，分析人員難以準確地對其進行定量評價，故需進一步采取半定量的LOPA分析方法，以確定HAZOP分析中現有風險是否可以接受及安全保護措施是否合適有效，是否需要增加新的安全保護措施，從而為分析系統的安全設計及完善提供依據。LOPA分析是基于事故場景進行風險研究，故結合HAZOP與LOPA方法更有利于確保分析更準確、全面。

某LiPF6間歇生產裝置大量操作涉及人工手閥及人員確認，依賴人工完成，在運行過程中操作人員有中毒、窒息的危險，嚴重時會發生燃燒爆炸，按現行安全設計標準和風險管理經驗，部分風險控制所依賴保護層較弱，無法保證風險得到長期穩定控制，因此需要對裝置進行風險分析。應用HAZOP分析對LiPF6間歇裝置進行風險評估，根據ALARP原則(當前的技術條件和合理的費用下，對風險的控制要做到在合理可行的原則下“盡可能的低”)，經過對LiPF6間歇生產裝置進行風險分析，其中包括“低風險”111項，“中風險”91項，“高風險”8項，各風險所占比例如圖1所示。

圖1　風險比例分布Fig.1　The distribution of risk ratio

針對“中風險”、“高風險”全部提出參考建議，分別有122項、17項。其中將參考建議大致分為設備完整性管理、操作程序不完善、本質安全設計3類，各類建議所占比例如圖2所示。

圖2　各項建議分類比例分布Fig.2　The distribution of recommended classification

基于風險評估結果及當今過程風險控制和安全管理要求，對比該公司的風險可接受標準，針對某LiPF6間歇生產裝置提出一些宏觀建議和結論如下：

1)裝置工藝安全信息(Process Safety Information，PSI)工作需要加強

(1)加強P&ID圖、工藝操作規程等工藝過程基礎資料的信息化準確性和完整性確認工作；

(2)裝置絕大部分手閥和部分小型設備無位號，可能導致誤操作、維修或更換錯誤，嚴重時導致事故(如1998年美國路易斯安娜州的一家天然氣分離工廠閥門誤操作導致的爆炸事故)，建議考慮在設備臺賬、P&ID圖等資料中增加該方面信息；另外，管線上常關或常開的閥門應做出“常開”或“常關”的標識；

(3)建議進一步完善P&ID圖和管道單線圖、數據表中管線材質、壓力等級等分界點信息，完善部分變更和新增的保溫和伴熱信息等。

2)裝置部分風險依賴人工發現，主要包括以下3種情況：

(1)存在部分風險主要依賴人工巡檢和人工數據記錄發現和控制；

(2)部分重要的參數監測無報警提示；

(3)部分安全儀表依賴人工觸發才能發揮其安全功能。

3)裝置鎖定管理制度需要建立

生產裝置嚴重依賴人工操作，同時缺乏鎖定管理，建議增設閥門管線等鎖定管理，防止人員失誤。

4)安全儀表系統需要完善

SIS是過程工業受控設備的重要安全屏障。參考標準IEC 61508將SIS的可靠性要求規定為SIL[15]。現有SIS設計邏輯及功能不完整，其SIL不明確；部分SIS依賴于操作人員觸發才能實施安全功能，未考慮人為失誤對SIL的顯著影響；同時安全技術規格說明書對于不同安全儀表回路無明確要求。建議在對現有SIS進行完整性確認及驗證時，分析研究人因可靠性對SIL影響，作為提高安全儀表系統SIL依據。

2　考慮人因因素的間歇裝置系統SIL確定及驗證

SIS在保證系統安全運行的同時存在一些問題，主要包括：拒動作、誤跳車、故障率過高及缺乏合理的維護手段[16]。拒動作或誤跳車使得SIS失去其SIF，不能發揮恰當的安全功能或執行不需要的安全功能，可能會造成重大經濟損失[17]。為保證SIS正確發揮其安全功能，需要對其進行SIL確認及驗證分析，并執行合理的維護手段。其中安全完整性量化指標為需求時失效概率(Probability of Failure on Demand,PFD)。

2.1　間歇裝置系統SIL確定分析方法

功能安全標準GB/T 20438要求為每個SIF選擇一個目標SIL，并通過定量的分析驗證SIS是否達到目標SIL，即必須的風險降低量是系統現有的過程風險與可容忍的風險之差。相應的SIL確認和SIL驗證流程如圖3所示。

圖3　SIL評估流程Fig.3　The SIL evaluation process

合理確認SIL等級是SIF完整性研究的第一步，也是避免SIS拒動作首要工作。目前國際上通用的SIL確認方法有風險圖、風險矩陣等，但LOPA應用越來越廣泛。LOPA是將現有風險與風險承受能力標準相比較，來確定SIS的SIL[18]。

2.2　間歇裝置系統SIL驗證分析方法

合理驗證SIL等級是SIF完整性研究的第二步，也是決定能否避免SIS拒動作關鍵一步。SIL驗證必須建立在合理確認SIL等級的基礎上[19]。本次SIL驗證計算采用故障樹模型。以1oo2冗余結構的危險失效為例，構建故障樹模型見圖4。

圖4　1oo2結構故障樹模型Fig.4　FTA model of 1oo2 voting architecture

t時刻危險失效概率計算公式為：

PFD(t)=λDUC×t+λDDC×MTTR+

(λDDN×MTTR+λDUN×t)2

(1)

化簡后可得：

(2)

式中：λD為危險失效率；λDUC為未檢測到的共因失效導致的危險失效率；λDDC為檢測到的共因失效導致的危險失效；λDDN為檢測到的普通失效導致的危險失效率；λDUN為未檢測到的普通失效導致的危險失效率；MTTR為平均修復時間，h；β為未檢測到的共因失效因子；TI為周期性功能測試時間間隔，h；PFDavg為平均危險失效概率。

對于間歇裝置安全儀表系統，其成功執行安全功能不僅取決于自身的結構設計和硬件可靠性，更重要的是人員介入對其產生重要影響，可能會降低系統SIL。故在SIL驗證時不僅需采用故障樹模型計算安全儀表系統元件PFD，還需重點考量人因因素對安全儀表系統SIL的影響。

2.3　間歇裝置人因PFD分析模型

對間歇裝置的重要影響因素開展人因可靠性分析(Human Reliability Analysis，HRA)，通過分析比較量化分析結論，找出系統可靠性影響最嚴重的或最容易改善的薄弱環節，并依據這些事件提出適當的改善措施。目前應用最廣泛、最有效的分析方法為THERP結合HCR方法，THERP模型主要用來計算操縱人員進行某項操作時發生失誤的概率，與時間序列無關；HCR模型著眼點在時間上，關注與時間密切相關的認知行為上，兩種方法相互補充。人因可靠性分析基于圖5所示的人因事件樹，設P1，P2和P3分別為感知階段、診斷階段和操作階段的失敗概率，且P表示整個響應行動的失敗概率，則應有：

P=P1+P2+P3=P1+P2(1-P1)+

P3(1-P1)(1-P2)

(3)

圖5　人因事件樹Fig.5　Human event tree

1)量化觀測信息失誤概率

一般情況下，系統發生異常事件時，在監控室或者操作現場有緊急報警，故P1實際上可以認為其失效概率非常低，一般取P1=1.0×10-4；

2)量化操作人員響應失誤概率

操作人員察覺到系統失常信息后，系統允許操作人員有一定時間做出響應，此時操作人員不響應概率為[20]：

P2=P(Tr)=1-φ[ln(Tr/T0.5)/σ]

(4)

式中：Tr表示系統允許人員響應時間，即異常狀態信號出現到人員執行相應的動作時間T與觀測信息時間T0、人員操作處理時間Ta之差，min；P(Tr)表示不響應概率；T0.5表示操作人員中值響應時間，min；時間數據可結合實際情況依據歷史事故數據、模擬機實驗、操作規程及人員訪談等方式確定；φ()表示標準正態函數。σ表示對數標準偏差，表示對應對不同具體應急事件時的差異，取決于任務難度及操作人員經驗等，其取值假設如下：

(1)若操作人員經過定期培訓且應急操作程序為操作人員熟練掌握，此時σ=0.4；

(2)若操作人員在發生緊急事件需要按照應急規程操作，此時σ=0.6；

(3)若操作人員進行培訓但無相應的應急規程操作，此時σ=0.8；

(4)若操作人員未進行培訓且無相應的應急規程操作，僅憑工作經驗操作，此時σ=1.0。

3)量化操作處理失誤概率

計算P3時，通過查閱NURGE/CR標準采用THERP方法進行計算，確定操作人員基本失誤概率及可能的恢復因子，確定最終人員操作處理失誤概率，即P3=PBHEP×PNRA，其中，PBHEP為人員基本失誤概率，PNRA為恢復因子。

2.4　LiPF6間歇裝置SIL分析實例研究

選取具有代表性的AHF中間罐液位聯鎖控制系統為例進行SIL分析與改進。AHF中間罐V104液位聯鎖功能：液位計LIT104監測AHF原料罐V104液位，當AHF中間罐V104液位超過設定值時(≥3 599.7 mm)，液位計將信號傳給DCS104系統，操作人員在監控室觀察到液位計發出的信號，控制按鈕聯動HV104-1切斷自罐區打料泵AHF來液，同時停AHF罐區打料泵PV104A/B(一備一用)，使其恢復到正常工作液位，起到保護作用。系統聯鎖回路見圖6。其中，V104液位系統SIS聯鎖觸發過程不會自動執行，需要操作人員協助動作才能發揮其功能，SIS與操作員可近似構成一串聯型的安全控制系統，如圖7所示。此時，由于操作人員誤動作的存在，可能會降低SIS的整體可靠性。

圖6　V104液位系統聯鎖回路Fig.6　The V104 liquid level system interlocking circuit

圖7　人員參與下的SISFig.7　SIS with staff participation

2.4.1SIL確定分析

對整個工藝裝置進行HAZOP分析，選取AHF罐區打料泵經AHF中間罐V104至蒸發罐、母液罐、AHF罐以及合成槽為節點進行LOPA分析，分析過程如下：

2)初始事件：AHF原料罐打料泵來液流量過大；

3)事故后果：AHF中間罐冒罐，嚴重時造成人員中毒，風險等級為高風險；

4)獨立保護層(IPLs)：關鍵報警及人員響應(人員現場觀察液位計)，頻率為0.1；

5)考慮IPLs后的事故后果：AHF中間罐冒罐，嚴重時造成人員中毒，頻率為0.01，風險等級為高風險；

6)需求的SIL：AHF中間罐V104液位高低聯鎖控制開關LIT104，頻率為0.01，即SIL2；

7)減緩后的后果：AHF中間罐冒罐，嚴重時造成人員中毒，頻率為1.0×10-5，風險等級為低風險。

LOPA分析結果表明，該場景為高風險場景，需完整性等級為SIL2的SIS來降低系統風險，即該SIS確定為SIL2。

2.4.2SIL驗證分析

采用TBL、CBL、PBL融合教學法在病理實習課中能夠很好調動八年制醫學生對病理實習課的熱情，克服病理形態學教學固有弊端，加強了學生對臨床病理知識的理解，提高了學生學習的主動性，使課堂的氣氛變得活躍起來，激發對未知事物的探索心理，培養了學生的科研興趣[8]，這也是在傳統病理學基礎上的一種改革創新，對培養學生臨床思維能力和良好的職業素養，終身學習的綜合能力，提供了有力支撐，同時也為尋求病理學實習課及教師實施新的教學方法展現其教學的科學性和藝術性搭建了良好的平臺。

2.4.2.1SIL人因可靠性分析

依據上述，可得：

1)觀測信息失誤概率：P1=1.0×10-4。

2)操作人員響應失誤概率：依據操作規程可知，T規定為78 min；T0為0，V104系統一旦異常，立即傳入DCS系統，不存在時間延遲；Ta為5 min；即Tr=T-T0-Ta=73 min；T0.5=15 min，該數據通過對操作人員訪談獲得；V104系統操作人員定期進行應急操作培訓，此時σ=0.6；依據以上可以確定P2=4.1×10-3。

3)操作處理失誤概率

V104液位系統處于正常運行時，氣動閥HV104-1與泵PV104A/B處于“開”狀態，查閱NURGE/CR標準取PBHEP為0.03，且報警器為顯示在主控室屏幕上，低于一類報警器，取PNRA為0.1，故可得P3=0.003。

4)V104液位聯鎖系統人因失誤概率為

P=P1+P2+P3=P1+P2(1-P1)+

P3(1-P1)(1-P2)=0.0719

2.4.2.2SIL可靠性驗證分析

依據現場SIS聯鎖結構，相關失效數據參考國外通用OREDA和PDS數據庫，建立故障樹模型進行SIL驗證，并結合人因可靠性對SIL影響，計算系統安全性指標PFD。SIL驗證結果見表1，系統各部分PFD比重見圖8。

表1　V104液位控制系統SIL驗證結果

其中，PFD表示不考慮人因可靠性影響時傳感器、控制器及執行器失效概率之和；P表示人因失效概率；PFDsis表示考慮人因可靠性影響的整個SIS失效概率。

圖8　各部分PFD比例分布Fig.8　The PFD distribution of components

由以上分析可知，V104液位聯鎖系統SIL需求為SIL2，但現有SIS為SIL1，故不滿足SIL需求。其中，傳感器、執行器、人因的PFD比重分別為26.19%，42.8%，30.17%，對系統影響較為顯著，故可從這3個角度來提高系統可靠性，以滿足系統需求。

2.4.3SIS改進分析

1)容錯性及測試策略優化分析

系統冗余性是指系統出錯時，在錯誤影響到系統輸出之前，系統利用冗余部件代替故障部件工作，以確保系統仍能正常工作，給出正確輸出結果[23]，以此來提高系統安全性。由于SIS自診斷測試無法檢測并修復所有的危險失效，即存在未檢測到的系統失效，因此，需定期對系統進行功能測試，從而提高系統SIL。

對于V104液位聯鎖系統，可分別選用1oo2冗余結構傳感器或氣動閥進行優化研究，同時此裝置為間歇生產，結合改變系統功能測試周期(分別為0.083，0.25，0.5和1.0 a)來提高系統SIL，可靠性評估指標為PFD，優化分析敏感性趨勢見圖9。也可同時選用1oo2冗余結構傳感器和執行器，并結合改變系統功能測試周期(分別為0.083，0.25，0.5和1.0 a)來提高系統SIL，優化分析敏感性趨勢見圖10。

圖9　優化敏感性趨勢Fig.9　The sensitivity trend of optimization

圖10　傳感器及執行器優化敏感性趨勢Fig.10　The sensitivity trend of sensor and final element optimization

根據以上分析，可選擇1oo2冗余結構傳感器或執行器，同時改變功能測試周期為0.25 a來提高系統SIL至SIL2。但由于該系統SIL介于SIL1—SIL2之間，雖改變元件冗余結構與縮短功能測試周期都會產生較高經濟成本，但為確保系統可靠性，可進一步將功能測試周期改為0.083 a來提高系統SIL至SIL2；也可同時選用1oo2傳感器與執行器，改變功能測試周期為0.5 a來提高系統SIL至SIL2。

2)人因可靠性優化分析

進行SIL驗證時，人因失誤導致系統發生失效的概率比重較大，因此對提高人因可靠性提出以下建議：

(1)依據歷史事故以及專家風險分析，針對已經發生的事故或者可能發生的潛在事故，明確書面操作程序，加強操作人員行為觀察，保證操作人員能夠嚴格按照操作程序進行操作，進入減少人為失誤，保證SIS能夠正常發揮其安全功能；

(2)企業員工進行定期技能培訓、應急與安全培訓，并進行能力評估，確保其掌握操作技能與應急規程；

(3)改善操作環境，保持操作環境處于最佳狀態，最適宜操作人員進行操作；

(4)生產企業營造良好安全氛圍，增加操作人員安全意識，將安全放在第一位。

2.5　LiPF6間歇生產裝置SIL分析及改進結論

按上述SIL評估技術方法對整個LiPF6裝置13個安全控制聯鎖系統進行SIL評估及改進研究，評估結果匯總見表2。

表2　SIL分析統計表

對于整個裝置13個SIS聯鎖系統回路，SIS聯鎖功能安全完整性等級需求SIL1為12個，需求SIL2為1個；SIS聯鎖功能安全完整性等級驗證SIL1為12個，驗證SIL2為0個；即SIS聯鎖功能的安全完整性等級達標率為92.3%。

雖SIS聯鎖功能的SIL達標率為92.3%，為其達到應有的安全功能，防止意外危險情況的發生，提出以下建議措施：

1)本裝置傳感器和執行器可靠性較低，故可通過提高傳感器或執行器可靠性提高整個系統可靠性；

2)增加DCS系統軟件與硬件測試，嚴格確保DCS系統運行環境要求，避免DCS與執行器之間兼容性差問題；嚴格執行日常巡檢并及時報修、維修和更換失效元件，確保“被動”元件在發生故障時正常動作；增加執行器(閥門)部分行程測試，發現未檢測出的危險失效并及時維修，提高其可靠性；

3)對比容錯性與測試策略研究分析，從成本、系統實際工程設計角度考慮，可通過將傳感器、執行器1oo1冗余結構改為1oo2冗余結構以及改變功能測試周期來提高系統SIL；由于LiPF6裝置屬于間歇生產，與連續生產裝置相比，改變功能測試周期可在不影響系統正常生產的情況下提高系統可靠性，故可選擇改變功能測試周期來提高系統完整性等級。

4)由LiPF6間歇裝置人員操作依賴性較高，部分SIS需要人員觸發動作(操作人員干預SIS動作)，人因失效對SIS失效影響較大，故可結合提高人因可靠性來提高系統SIL，防止意外危險事故發生。

3　結論

1)依據IEC 61508和IEC 61511功能安全標準，針對某LiPF6間歇生產裝置應用HAZOP結合LOPA法進行風險分析，辨識了LiPF6間歇生產裝置風險現狀與需降低風險量，并提出了相關建議來降低風險水平。

2)鑒于LiPF6間歇生產裝置部分SIS依賴于人工觸發其保護功能的特點，建立了人因可靠性模型，可對其進行影響分析，并確定人因失效對安全儀表系統SIL影響水平。

3)根據風險分析結論，從系統硬件、設備管理及人因管理等方面提出了降低LiPF6間歇生產裝置風險的優化建議，比如可從SIS冗余配置、測試策略以及改善人因管理等方面來提高SIL以滿足系統需求，從而確保SIS功能安全可靠。

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