簡析化工工藝危害分析及其發展趨勢

文/王威揚

化工工藝危害分析（PHA）的簡介與發展趨勢——近年來，以江蘇省響水縣天嘉宜化工有限公司“3.21”特大爆炸事故為首的化工行業安全事故頻發，給人民的生命安全帶來極大威脅，對社會的穩定運行造成極大影響。在這一大背景下，國家應急局及其下屬機構開始對各類化工企業的工藝安全管理（Process Safety Management,簡稱PSM）體系的構建與運營進行徹底的排查，就其中的不正確、不完善、不合規和不落地等問題進行嚴格的糾正。在2019年8月出臺的應急[2019]78號文中，提出了《化工園區安全風險排查治理導則（試行）》和《危險化學品企業安全風險隱患排查治理導則》，并要求加以落實。而之前已經出臺的如安監總管三[2014] 116號文等，也被重新提上監管議程。一時間，整個化工行業掀起了對PSM的學習研究與落地執行的熱潮。

令人遺憾的是，即使在歐美發達國家，PSM的誕生也是由一系列嚴重的安全事故所推動的結果。追溯PSM的發展歷史，1976年意大利塞維索的二惡英泄露事故以及1984年美國印度波帕爾的甲基氰酸酯泄露事故直接導致了相關法規的出臺。1992年，美國職業安全健康署（簡稱OSHA）發布了《高危險化學品的工藝安全管理》，該法規也推動了我國對于PSM的標準化工作，并在2010年發布了AQ/T 3034-2010 《化工企業工藝安全管理實施導則》，其內容基本與OSHA保持了一致。

而在我國對PSM的啟蒙和導入的過程中，離不開美國杜邦公司的大力推廣普及，其通過各類培訓，把PSM的理念、體系和管理模型進行傳遞，為我國化工行業的健康發展做出了巨大的貢獻。

本文就杜邦PSM模型中的“工藝危害和風險分析”（Process Hazard Analysis，簡稱PHA）這一模塊進行展開，見圖1。本文將介紹PHA是什么，以及目前主要的PHA分析手法和其應用軟件。

圖1 PSM模型

什么是PHA？

Process Hazard Analysis，簡稱PHA，指：工藝危害和風險分析。

在化工企業中，其生產工藝的顯著特點為：高溫高壓、易燃易爆炸，從而帶來的典型危害有：火災、爆炸及有毒性氣體的釋放。

而PHA，即為：模擬化工生產過程，對可能引起的這幾類危害進行建模分析，將復雜的問題或現象用數字模型來描述，對于這些危害的類別、出現條件以及后果等進行概略性地分析并提出對策，從而使得危害發生的概率降低到預期的范圍。

PHA為PSM的核心要素，是通過一系列有組織的、系統性的以及徹底的分析活動來發現和評估一個工藝過程的潛在危害，并且提出降低危害發生的措施。

PHA的工作由一個小組完成，小組成員應具備工藝、設備、儀表以及電氣的工程設計和操作維護的經驗，以及需要有危害與風險評估、功能安全和HSE（Health、Safety、Environment）方面的知識。

PHA的流程其主要由如下的9個步驟組成：

1. 計劃與準備；

2. 危害識別；

3. 工藝危害評估；

4. 后果分析；

5. 其他需要考慮的因素；

6. 風險評估；

7. 建議措施與報告；

8. 記錄歸檔；

9. 管理層審核。

其中，工藝危害評估與風險評估為PHA的重中之重。

目前，國內所運用的主要的工藝危害評估的手法為：危害與可操作性分析（Hazard and Operability Analysis，簡稱 HAZOP）。

在完成HAZOP之后所進入的風險評估階段，主要所運用的手法為：保護層分析（Layer of Protection Analysis，下簡稱：LOPA），若分析后該危害的殘留風險的發生概率仍未達到預期，將通過追加安全儀表功能（Safety Instrument Function,下 簡 稱：SIF），并對安全完整性等級(Safety Integrated Level，下簡稱SIL)進行驗證，從而來確認殘留風險的發生概率是否降低至預期。

以下將會對上述的PHA分析手法進行簡要介紹。

主要的PHA分析手法

在適用于化工企業的GB/T 21109-2017 《過程工業領域安全儀表系統的功能安全》的標準中，定義了功能安全的全生命管理周期，見圖2而上章所提及的PHA分析手法也分別匹配在其中。

HAZOP分析

HAZOP分析誕生在英國，由化學工程師T.克萊茲在41歲時發明。1963年，HAZOP分析首次在帝國蒙德化學公司（ICI）新建苯酚工廠被應用，在公司內部摸索和應用了10年之后才在英國普及推廣，并延續到全球。

HAZOP分析以小組討論會的方式對危害與可操作性問題進行詳細研究。由小組長（也稱作HAZOP主席）主導分析過程，并安排一位記錄員做記錄。它首先把P&ID圖樣劃分成若干節點，之后針對每個節點采用一系列的引導詞，系統性地辨識出與設計意圖的潛在偏差，并圍繞著這些偏差，來探尋導致偏差的原因及其后果，以及已使用的安全裝置。當小組確信這些裝置的保護措施不當時，將提出相應的建議措施。

圖2 基于GB/T 21109-2017的安全生命周期

圖3 HAZOP應用示例

圖4 SIF基本構成

關于HAZOP分析的具體實施方法與示例，見圖3，可參考AQ/T 3049-2013 《危險與可操作性分析（HAZOP分析）應用導則》。

LOPA分析

LOPA分析是一種半定量的分析評估技術，它以HAZOP的報告作為基礎，對所辨識出的危害用圖表列出其觸發原因，防護措施（保護層），或者抑制其危險后果的減災措施（抑制減輕層）。通過這些表格，確定總體上需要哪些風險降低措施，揭示是否需要額外的風險降低手段，確定所需要的SIF，以及SIF應該滿足的SIL等級。

關于LOPA分析的具體實施方法與示例，可參考AQ/T 3054-2015 《保護層分析（LOPA分析）應用導則》。

SIL驗算

根據LOPA分析的結果，若要追加相應SIL等級的SIF，則通過組建安全儀表系統，把系統中所劃分出的SIF適用到HAZOP分析中所要求的危害保護措施中去。一個SIF由3部分組成，分別為：傳感器部分、邏輯控制器部分和執行機構部分，見圖4。每部分中所用到的儀器儀表可按照結構約束進行冗余配置，并運用馬爾可夫模型，來算出SIF的SIL等級。把算出的SIL等級與LOPA分析所要求的SIL等級進行對比，若達成，則選用儀器儀表組成的SIF能夠適用。

關于SIL驗算的具體實施方法與實例，可參考：

GB/T 20438.5-2017 《電氣/電子/可編程電子安全相關系統的功能安全 第5部分：確定安全完整性等級的方法示例》

GB/T 20438.6-2017 《電氣/電子/可編程電子安全相關系統的功能安全 第6部分：GB/T 20438.2和GB/T 20438.3 的應用指南》。

國內主流的PHA分析軟件

圖5 安全繼電器

早在1990年時，就有學者開始研究PHA分析軟件。而1990年，Windows3.0才剛剛開始問世，那時的Windows功能很弱，所以軟件的功能也非常的簡單。后來隨著Windows操作系統不斷成熟，陸續地PHA分析軟件也逐漸的發展了起來。

目前在國內市場上主流的PHA分析軟件有3款，分別 為：PHA-Pro、exSILentia和RiskCloud。

PHA的發展趨勢

未來的PHA分析及管理將往著一體化和平臺化的方向發展。特別是在SIS系統導入之后的運營和維護管理，變更管理，行動跟蹤管理，以及儀表和各控制元件的失效數據管理等，將由統一的軟件平臺進行統計和匯總，從而形成并達到如GB/T 21109-2017中所構筑的功能安全全生命周期的數字化、可視化以及網絡化安全體系。目前，像HIMA、Honeywell、以及歌略等廠家已經開始著力開發并陸續推出類似的一體化安全管理平臺，相信在不久的將來，其會進一步的普及，來使得安全風險的管理變得更加的規范，并具有可落地、可執行性。

小結

本文對化工工藝危害分析（PHA）及其應用軟件進行了簡要分析，就PHA的分析過程和主要分析手法進行了說明，并對PHA分析軟件以及其未來的發展趨勢進行了介紹。相信通過以上內容，可以使初入門的安全工程師了解和掌握PHA的基礎知識，根據本文所梳理的標準、所列舉的步驟以及所介紹的分析軟件，能夠形成思維框架，并逐步地開展PHA的工作。