FMEA、HAZOP和LOPA三種方法的信息共享研究

（遼寧石油化工大學， 遼寧 撫順 113001）

FMEA、HAZOP和LOPA三種方法的信息共享研究

曾宏宇，王 偉

（遼寧石油化工大學， 遼寧 撫順 113001）

隨著國內石油化工行業的蓬勃發展，安全事故頻頻發生，顯然人們的安全意識和防范措施跟不上生產的步伐。因此對石油化工行業進行安全評價是必要的。作為產品故障與風險分析的重要手段之一的FMEA，其工作核心價值在于找出潛在故障模式，并預防不良后果。HAZOP分析是在危險識別方面最全面、最有效的評價方法，而LOPA分析方法則是在HAZOP分析基礎上作進一步半定量分析，從而提出更全面的安全措施，通過總結三種評價方式在不正常表現，產生原因，不良后果，安全措施等方面的信息共享，提高了化工企業安全評價的準確性和客觀性。

FMEA；HAZOP；LOPA；信息共享；安全評價

信息是人們對事物的了解的不確定性的減少或消除，其功能是表征物質客體成分，結構，狀態，特性等屬性。信息共享的目的在于減少或消除信息源所需的不確定性[1]。石油化工行業由于設備多，生產過程復雜，危險元素眾多，因而事故風險高，在生產過程中設備出現故障是不可避免的，因此對設備進行故障模式與影響分析（FMEA），找出潛在故障，對于預防不良后果有重要意義。危險與可操作性分析(HAZOP)是識別危險最全面有效的安全評價方法。它通過假定生產工藝的每一個部分都有可能發生不正常的偏差，并分析偏差產生原因和不利后果，從而為提出安全措施提供信息。保護層分析法（LOPA）是分析由HAZOP分析所得原因-后果對所描述的危險場景，通過危險場景發生頻度、不利后果嚴重度以及獨立保護層的有效性來綜合評定危險場景的風險程度。三種分析方法所提供和所需要的信息之間存在許多聯系，因此三者之間的信息共享能夠提高安全評價的準確性與客觀性。

1 三種評價方法簡介

FMEA，故障模式和影響分析，最早始應用于戰斗機的操作系統分析，其主要目的在于識別已知或潛在的失效模式，分析所有可能的后果，評估其嚴重度并預先采取有效措施，從而降低故障發生概率，加強系統的可靠性，同時也為管理層做出風險管理決定提供詳細信息。FMEA的另一個核心價值在于積累信息，有益于產品的改進或再設計[2]。危險與可操作性分析（HAZOP）是英國帝國化學工業公司針對化工裝置而開發的一種危險性評價方法，既可以用于設計階段，又適用于現有裝置。其基本過程是不同背景的專家小組利用頭腦風暴方式，以關鍵詞為引導，尋找出系統中工藝過程的狀態參數的變化，然后進一步分析偏差的原因、后果與措施。保護層分析法（LOPA）可看做是一種改進的事件樹分析方法，是對HAZOP得出的結果做半定量深入分析。其目的在于量化場景的風險度，并檢查安全措施是否能滿足要求?？偟亩?，FMEA始于故障原因，HAZOP始于偏差，LOPA始于結果，由于分析順序存在差異，故而在各分析階段所需和所提供的信息就會有所互補[3],如圖1所示。

圖1 FMEA、HAZOP與LOPA的分析順序對比Fig.1 The analysis sequence of three methods

2 三種方法分析的關系

三種分析方法主要的關系是:運用FMEA對設備進行分析，并綜合該設備運行歷史記錄，得到故障模式庫等記錄信息；運用HAZOP對設備之間節點進行分析，得到所有可能的偏差，原因，后果等經驗信息；運用LOPA對前兩者分析所得結果進行深入研究，得到分析信息。三種評價方法彼此之間提供著不同的信息[4],如圖2所示。

圖2 FMEA、HAZOP和LOPA分析關系圖Fig.2 The analysis relationship of three methods

3 FMEA、HAZOP與LOPA信息共享

3.1 現象-原因-后果層面信息共享

在石油化工企業中，設備故障是致使危險場景產生的一個主要因素。常見的設備故障有管路堵塞，管線破裂，閥門故障，泵故障，換熱管破裂，容器故障等等。這些故障也是導致HAZOP分析中偏差產生的直接原因。以流量為例[5]，如表1所示。

故障的產生原因可分為內因和外因，內因指的是產品固有可靠性方面的原因，例如產品本身設計缺陷、材質選用不當、安裝有誤等等。而故障外因是使用可靠性方面原因，如使用環境和使用條件。故障產生原因也是偏差產生的根本原因。充分了解故障產生的內因與外因，考察故障發生的機理能夠將始發事件描述得更加詳盡全面。在進行HAZOP分析時，考慮故障和偏差的關系能夠更加準確全面的列舉所有可能的偏差。在計算始發事件發生概率的時候，已有的設備故障歷史記錄和發生幾率可以提供有力的數據。故障所帶來的影響可能是對鄰部件、對子系統和對整個系統，而在考察偏差所帶來的后果時，由于分析角度不一樣，所得的結果就和故障所帶來的結果不一樣，因此兩者綜合能使后果描述更加全面。兩者分析所得到的結果恰是LOPA分析所需的素材，素材內容越詳細，分析結果越準確。

表1 故障導致的流量偏差圖Table 1 The deviation of flow caused by equipment failure

3.2 安全措施層面信息共享

在現階段的石油化工企業中，故障與偏差完全不產生是不可能的，因此列舉并考察安全措施是三種方法結合非常重要的一個環節，也是信息共享的關鍵環節。在FMEA評價中，風險順序數RPN（Risk Priority Number）是對失效模式的風險大小的綜合評定，其值為故障嚴重度、發生度和難檢度三者的乘積[6]。故障嚴重度是指故障產生時對人員、設備等方面的影響程度，發生率是指故障發生的可能性，難檢度是指故障發生時，現有的檢測手段能將其準確檢測出來的概率指標,，三者取值范圍均為1～10，故RPN的取值范圍是1～1 000，其數值越大，存在的問題越嚴重。通常HAZOP分析在判斷分析對象風險大小的時候是憑借參與者的經驗，而風險順序數則能定量準確的將系統內各個設備進行風險排序，這無疑給HAZOP提供了強有力的信息，從而將有限的人力物力資源，按照輕重緩急分配到各項目上去。LOPA是HAZOP分析的延續，主要是針對較復雜嚴重的節點[7]。在確定這些節點的時候，風險順序數同樣能提供有力的信息。安全措施的最終目的在于降低RPN值，減小發生率，降低嚴重度，提高檢測度都能減小RPN值，所以在制定安全措施的時候可以從這三個方面入手。例如定期檢查可以減少發生率，增加更精確的流量計和壓力計等可以提高檢測度，設置抑爆裝置能減輕嚴重度，從而降低損失。HAZOP分析在制定安全措施的時候，根據風險順序表所提供的信息，若其中某項數值過高，則采取對應的措施。FMEA和HAZOP所制定的措施是否已足夠安全？憑借經驗判斷是完全不夠的。LOPA能夠將這些措施半定量化分析，從而判斷這些措施是否已經達到要求[8]。LOPA分析所得能夠豐富FMEA故障模式庫和HAZOP案例。具體信息共享如圖3所示[9]。

4 三種評價方法信息共享的優點

三種評價方法信息共享主要具有以下幾個優點[10]：

（1）可使三種評價方法都能分析得更加全面到位;

（2）可為公司員工提供詳細可靠的操作、維護和培訓資料；

（3）通過信息共享后所提供的安全措施將更加可靠；

（4）對公司產品改進和創新提供有利信息。

圖3 FMEA、HAZOP與LOPA信息共享關系圖Fig.3 The information sharing of three methods

5 結 語

從三種安全評價方法各自所提供和所需要的信息出發，探討了三者之間在不正?，F象，產生原因，后果以及相對應安全措施等幾個方面的信息共享。實際上在具體的評價過程中還有著更多細節方面的信息共享，由于篇幅緣故，僅從幾個大方面進行淺顯的挖掘。實現信息共享是需要一定成本和技術的支持。只有在收益大于成本時，共享才有意義。而先進的技術能夠降低信息共享的成本，所以如果能夠借助軟件和網絡來實現各類似石油化工企業的信息共享，則能大大改善評價質量和力度。

［1］李干瓊.食物安全信息共享系統的初步設計[D].北京：中國農業科學院，2006．

［2］唐環，李明利，謝逸欽，等. FMEA工作原則及基礎工作的重要性[J]. 儀器儀表標準化與計量,2011（02）.

［3］張斌.HAZOP技術在丁辛醇裝置上的應用研究[D]. 華東：中國石油大學，2008.

［4］張悅，石超，方來華. 基于FMEA和HAZOP的綜合分析方法及應用研究[J].中國安全生產科學技術，2011，7(7).

［5］王若青，胡晨.HAZOP安全方法的介紹[J].石油化工安全技術，2003,19(1).

［6］王高峰.FMEA在質量管理中的應用[J].質量工程卷，2002（11）:60-63.

［7］管杰，廖海燕.保護層分析(LOPA)在煉化生產中的應用[J].安全、健康和環境，2010,10(1):36-38.

［8］吳重光，張貝克，馬昕.過程工業安全設計的防護層分析[J].石油化工自動化，2007(4):1-3,28．

［9］張其立，邱彤，趙勁松，等.3種安全評價方法的集成研究[J]. 計算機與化學應用， 2009,26(8) :961-965．

［10］許芝瑞，孫文勇，趙東風.HAZOP和LOPA兩種安全評價方法的集成研究[J].安全與環境工程，2011,18（5）．

二氧化鈦表面光催化產氫研究獲進展

中科院大連化物所楊學明院士領導的科研團隊，近期在二氧化鈦表面光催化產氫研究中獲得新進展。相關成果發表于最新一期的《美國化學會志》。

據了解，甲醇能提高二氧化鈦光催化分解水的產氫效率，而甲醇本身也能光催化產氫。銳鈦礦(anatase)是由二氧化鈦組成的三種礦物之一，另外兩種是金紅石(rutile)和板鈦礦。目前，科學家普遍認為，銳鈦礦表面的光催化產氫效率要高于金紅石表面，但其產氫反應機理仍未完全明晰。如果能從分子水平上理解二氧化鈦不同表面的產氫機理，可為發展高效催化劑提供新思路。

楊學明團隊利用自行研制的基于高靈敏度質譜的表面光化學裝置，系統研究了單分子層甲醇覆蓋的rutile-TiO2(110)表面在紫外光照射后的反應動力學過程。此次他們深入研究了甲醇分子在anatase-TiO2(101)表面的光化學反應。結果表明，甲醇分子在anatase-TiO2(101)表面的光化學行為和在rutile-TiO2(110)表面很相似。但是，由于anatase-TiO2(101)表面結構的特異性，橋氧原子比rutile-TiO2(110)表面更穩定。在升溫過程中，甲醇解離產生的橋氧氫原子不會奪取橋氧原子生成水從表面脫附出來。分析表明，大約有40%左右的橋氧氫原子以氫氣形式脫附出來，這也解釋了anatase-TiO2(101)表面產氫效率較高的原因。

Study on Information Sharing of FMEA,HAZOP and LOPA

ZENG Hong-Yu，WANG Wei
（Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China）

The information sharing of three approaches was summarized through overview on the characteristics of Failure Mode and Effects Analysis (FMEA), Hazard and Operability Analysis (HAZOP) and Layers of Protection Analysis (LOPA) as well as on the information they provided. As one of the most important methods of failure and risk analysis, the core value of FMEA is to find out the potential failure modes and prevent terrible results. HAZOP is recognized as the most comprehensive and efficient method in safety evaluation. Based on it, the semi quantitative LOPA analysis got further study and more control measures were proposed. After summarizing the information sharing of three methods on abnormal performance, causes, terrible results and control measures, the accuracy and objectivity of safety evaluation were improved.

FMEA; HAZOP; LOPA; Information sharing; safety evaluation

TE 687

A

1671-0460（2014）02-0210-03

2013-07-14

曾宏宇（1988-），男，湖南長沙人，遼寧石油化工大學安全技術及工程專業碩士：E-mail：zhy779866212@163.com。

指導教師： 王偉（1974-），男，山東費縣人，遼寧石油化工大學安全工程系副教授，研究方向: 結構性安全評價，疲勞斷裂理論研究。