鄧曼（江蘇中安科技服務(wù)有限公司，江蘇南京210046）

于志鵬（中國中材國際工程股份有限公司（南京），江蘇南京 211100）

HAZOP、LOPA半定量風險評估方法及其在酚醛樹脂生產(chǎn)裝置上的應用

鄧曼（江蘇中安科技服務(wù)有限公司，江蘇南京210046）

于志鵬（中國中材國際工程股份有限公司（南京），江蘇南京 211100）

對HAZOP分析、LOPA分析方法進行了介紹，并說明其應用范圍、意義，分析兩種方法之間的關(guān)聯(lián)。文章對目前國內(nèi)這兩種方法的應用現(xiàn)狀及前景進行了分析，并以某化工企業(yè)酚醛樹脂生產(chǎn)裝置為例，列舉其中一個節(jié)點進行了HAZOP分析和LOPA分析，說明LOPA分析在裝置SIL等級劃分方面的應用，通過LOPA分析，可以得出在建或擬建裝置是否需要設(shè)置獨立的安全儀表系統(tǒng)（SIS）。

HAZOP分析；安全儀表系統(tǒng)；保護層分析

HAZOP分析與LOPA分析是一種對石油化工生產(chǎn)裝置進行半定量風險評估的有效方法，但國內(nèi)一直以來只在大型石油化工企業(yè)，比如中石化、中石油等單位進行了廣泛使用，在一般化工企業(yè)還未普及。隨著我國經(jīng)濟和科技水平飛速發(fā)展，在政府部門及化工企業(yè)對本質(zhì)安全高度重視的情況下，化工企業(yè)逐步樹立主動進行工藝危險分析及采取本質(zhì)安全技術(shù)防護措施的意識，積極配合設(shè)計單位進行新建或在建裝置的工藝危險分析及隱患自查活動。近兩年安監(jiān)部門開始要求化工企業(yè)危險化工裝置進行安全儀表系統(tǒng)改造，并進行SIL等級劃分。而安全儀表系統(tǒng)SIL定級的一個很常用的方法就是利用LOPA分析進行風險評估，在風險評估結(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)裝置及工藝過程的風險評估方法。HAZOP分析方法是英國帝國化學工業(yè)公司（ICI）為解決除草劑制造過程中的危害，于1974年發(fā)展起來的一套以引導詞為主體的危害分析方法[1]。HAZOP分析的目的主要是識別系統(tǒng)中潛在的危險及識別系統(tǒng)中潛在的可操作性問題，尤其是識別可能導致各種事故的生產(chǎn)操作失誤與設(shè)備故障[2]。

該方法可應用于石油化工裝置整個生命周期，但最為有效以及最為普遍的是在裝置設(shè)計階段進行，通過對裝置工藝流程及控制節(jié)點的分析，找出裝置擬采取的工藝自動控制及安全聯(lián)鎖系統(tǒng)的不足，提出改進建議，在設(shè)計中落實，進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HAZOP分析方法對整個裝置進行風險評估，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足安全需求及現(xiàn)有的法律法規(guī)及安全標準要求。

1.2 HAZOP分析步驟

HAZOP分析是對危險與可操作性問題進行詳細識別的過程，由一個小組完成。HAZOP分析包括辨識潛在的偏離設(shè)計目的的偏差、分析其可能的原因并評估相應的后果。

HAZOP分析的主要步驟:(1)劃分節(jié)點。節(jié)點一般由分析組長在HAZOP分析團隊會議之前選定，節(jié)點是在工藝流程圖中所對應實際過程的一個位置，在該位置上可以通過施加偏離進行安全分析，比如從一個過程向另一個過程輸送物料的管道或一個儲罐。（2）選擇工藝參數(shù)，確定偏差。選擇適用于所有節(jié)點的工藝參數(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)計目的的偏離，通過應用一系列引導詞來系統(tǒng)地辨識各種潛在的偏差，比如增加＋溫度＝溫度過高；減少＋流量＝流量過小。（3）確定風險矩陣，分析偏差的原因和后果。根據(jù)各公司事故統(tǒng)計情況及可接受的風險程度，制定該公司適用的風險矩陣。分析每個節(jié)點的偏差發(fā)生的原因及可能導致的后果，根據(jù)風險矩陣，確定風險等級。（4）提出建議措施。通過HAZOP分析，審查設(shè)計的安全措施或現(xiàn)有的安全措施是否足夠，若風險等級高，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

保護層分析（Layer of protection analysis，簡稱LOPA）是在HAZOP或PHA等定性危害分析的基礎(chǔ)上，進一步評估保護層的有效性，并進行風險決策的系統(tǒng)方法，其主要目的是確定是否有足夠的保護層使過程風險滿足企業(yè)的風險可接受標準。LOPA是一種半定量的風險評估技術(shù)，通常使用初始事件頻率、后果嚴重程度和獨立保護層（IPL）失效概率的數(shù)量級大小來近似表征事故的風險[3]。一個典型的化工過程包含各種保護層，如本質(zhì)安全設(shè)計、基本過程控制系統(tǒng)（BPCS）、報警與人員干預、安全儀表系統(tǒng)（SIS）、安全泄放設(shè)施（安全閥）、物理保護、應急響應等，可用圖2-1的洋蔥模型來表示，目前先進的、具有國際水平的工藝裝置基本上采用了洋蔥模型的防護策略。

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）場景識別與篩選。場景信息來源于HAZOP分析方法進行危害分析的結(jié)果，一般為HAZOP分析結(jié)果中的偏差及導致的后果，即事故場景。（2）初始事件（IE）確認及發(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)果表中導致偏差的原因一致，一般選取導致偏差的發(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)計數(shù)據(jù)、歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)以及其他一些評價方法計算得出的數(shù)據(jù)。目前最常用的方法是參考《保護層分析方法應用導則》（AQ/T3054-2015）附錄E中列舉的數(shù)值。（3）獨立保護層（IPL）評估。IPL一般為HAZOP分析結(jié)果中，裝置采取的現(xiàn)有安全保護措施，即洋蔥模型中的各種保護層。選取的保護層應具有獨立性，若保護層失效與導致事故的初始事件一樣，則不能作為保護層。獨立保護層的失效概率（PFD）為現(xiàn)有各個獨立保護層的失效概率的乘積。（4）場景風險評估與決策。將后果、IE頻率和IPL的PFD等相關(guān)數(shù)據(jù)進行計算，確定場景風險；根據(jù)風險評估結(jié)果，對照被評估企業(yè)所預先設(shè)定的可接受風險值，確定是否還需要采取相應措施降低風險。若計算出的風險值大于企業(yè)預選設(shè)定的可接受風險值，則需要提出可行的措施即附加保護層（比如獨立的安全儀表系統(tǒng)SIS），直至將剩余風險降低至可接受水平[5]。

表3 -1 HAZOP分析結(jié)果表（以其中一個節(jié)點的場景為例）

表3 -2 LOPA分析結(jié)果表（以其中一個節(jié)點的場景為例）

3 HAZOP、LOPA分析的應用

3.1 HAZOP及LOPA分析方法的應用現(xiàn)狀

我國HAZOP分析方法的研究及使用起步較晚，最初只廣泛應用于中石化及中石油等大型石油化工生產(chǎn)裝置。但是隨著我國經(jīng)濟和科技水平飛速發(fā)展，以及石油化工生產(chǎn)行業(yè)的安全事故頻發(fā)，國家越來越重視安全生產(chǎn)，促進了安全科學研究水平的快速發(fā)展，目前國內(nèi)在逐步普及HAZOP分析法在新建及已建化工生產(chǎn)裝置風險評估的應用。

2013年我國安監(jiān)總局發(fā)布的《國家安全監(jiān)管總局辦公廳關(guān)于印發(fā)危險化學品建設(shè)項目安全設(shè)施設(shè)計專篇編制導則的通知》（安監(jiān)總廳管三〔2013〕39號）以及《國家安全監(jiān)管總局住房城鄉(xiāng)建設(shè)部關(guān)于進一步加強危險化學品建設(shè)項目安全設(shè)計管理的通知》（安監(jiān)總管三〔2013〕76號）文中，明確要求設(shè)計單位在項目的安全設(shè)施設(shè)計專篇編制中采用HAZOP分析等方法進行內(nèi)部安全設(shè)計審查。近兩年，國家安監(jiān)總局組織開展了一系列工作，如中央企業(yè)HAZOP試點工作，HAZOP培訓、HAZOP調(diào)研交流等，極大的促進了HAZOP在我國的推廣應用。

目前HAZOP分析方法的應用已基本在建設(shè)項目安全設(shè)施設(shè)計報告審查階段得以實施，企業(yè)也逐步樹立主動進行工藝危險分析的意識，積極配合設(shè)計單位進行新建或在建裝置的工藝危險分析及隱患自查活動。但相對于HAZOP分析方法的使用及認識程度，對利用LOPA分析方法進行SIL定級的使用，國內(nèi)一般化工生產(chǎn)企業(yè)還未全面開展起來。近年來安監(jiān)部門開始要求化工企業(yè)危險化工裝置進行安全儀表系統(tǒng)改造，并進行SIL定級。而SIL定級的一個很常用的方法就是利用LOPA分析進行風險評估，因此，今后LOPA分析方法將在政府部門的推動下得到廣泛使用。

3.2 HAZOP及LOPA分析方法在酚醛樹脂生產(chǎn)裝置上的應用

本文以某化工廠酚醛樹脂裝置（以甲醛與苯酚縮聚反應生產(chǎn)酚醛樹脂）為例，在HAZOP分析的基礎(chǔ)上，應用LOPA分析法進一步評估裝置保護層的有效性，并進行風險決策，確定是否有足夠的保護層使風險降低到企業(yè)可接受標準。另外，通過保護層分析（LOPA），可以辨識出酚醛樹脂裝置中的安全聯(lián)鎖及其需求的SIL等級，對LOPA分析中未分配其安全完整性等級的聯(lián)鎖回路，即無SIL等級需求，定為SIL0，此類SIF通過配置獨立的SIS系統(tǒng)實現(xiàn)或通過DCS系統(tǒng)實現(xiàn)均可。

通過分析，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)點設(shè)置了安全聯(lián)鎖控制。該裝置的分析節(jié)點一共選取16個，事故場景110個。本文選擇其中一個節(jié)點的進行分析，即液體酚醛樹脂反應釜R-A110升溫作業(yè)這個節(jié)點，并選取“升溫過快樹脂溢至V-A115，可能堵塞管線，造成裝置停工2～3天”這一事故場景進行分析。HAZOP分析及LOPA分析過程及結(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，在冷卻水閥門誤關(guān)，導致無法正常冷卻反應釜物料的情況下，酚醛樹脂反應釜內(nèi)溫度升高會過快，導致管線堵塞，可能導致裝置意外停車，造成財產(chǎn)損失。該事故發(fā)生的可能性，在采取了溫度報警以及溫度高高聯(lián)鎖啟動純水真空泵（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）。對照該化工廠設(shè)定的不同事故嚴重性級別對應的可容許的風險頻率，嚴重性等級為4級的事故，該廠可容許的風險頻率為＜10-3，因此，酚醛樹脂反應釜溫度升高事故的風險在現(xiàn)有自動控制措施條件下，即在現(xiàn)有保護層的保證下，可以降低到企業(yè)可接受標準。該聯(lián)鎖控制回路需要的安全完整性等級定為SIL0，該回路的安全儀表功能SIF可以通過DCS系統(tǒng)實現(xiàn)即可。按以上單個節(jié)點及聯(lián)鎖控制回路的分析的方法，對該裝置的其他節(jié)點及聯(lián)鎖控制回路進行分析，結(jié)果顯示，酚醛樹脂裝置已采取的DCS控制系統(tǒng)已能滿足安全需求，無需再設(shè)置獨立的安全儀表系統(tǒng)（SIS）。

4 結(jié)語

（1）HAZOP分析與LOPA分析是一種有效的對化工生產(chǎn)工藝系統(tǒng)進行風險識別以及進行半定量風險評估的方法，能指導工藝裝置在設(shè)計階段在哪些控制節(jié)點采取合理有效的監(jiān)測、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脂生產(chǎn)裝置進行HAZOP分析及LOPA分析的結(jié)果，表明在基于風險評估以及保護層分析的基礎(chǔ)上，該裝置現(xiàn)有DCS控制系統(tǒng)已能滿足企業(yè)設(shè)定的風險可接受水平，不需要再設(shè)置獨立的安全儀表系統(tǒng)（SIS）。

（3）在政府的推動以及化工生產(chǎn)企業(yè)對裝置本質(zhì)安全水平越來越重視的情況下，越來越多的化工生產(chǎn)企業(yè)已逐步開始將HAZOP分析方法應用于裝置的整個生命周期。在國家安監(jiān)部門對企業(yè)化工生產(chǎn)裝置自動化控制水平越來越高的要求下，LOPA分析作為對HAZOP分析的補充，可評估企業(yè)現(xiàn)有裝置或擬建裝置是否需要設(shè)置獨立的安全儀表系統(tǒng)或者需設(shè)置的安全儀表系統(tǒng)等級是否能滿足需求，可為安全監(jiān)管部門提供一定的技術(shù)支持。

[1]李娜,孫文勇,寧信道.HAZOP、LOPA和SIL方法的應用分析[J].中國安全生產(chǎn)科學技術(shù)，2012.5.

[2]AQ/T3049-2013《危險與可操作性（HAZOP）分析應用導則》[S].

[3]AQ/T3054-2015《保護層分析（LOPA）方法應用導則》[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的應用研究[J].中國安全科學學報，2010.7.