HAZOP分析結(jié)合LOPA分析方法在長輸管道站場的應(yīng)用研究

曹喜文 張偉偉 時(shí)婷婷

摘 要： HAZOP分析源于石化行業(yè)，近幾年在管道板塊開始推廣應(yīng)用，但是危險(xiǎn)與可操作性分析方法（HAZOP）在實(shí)際應(yīng)用中存在先天缺陷，現(xiàn)提出將保護(hù)層分析（LOPA）與HAZOP分析相結(jié)合，能進(jìn)一步提高HAZOP分析的安全評價(jià)能力。首先介紹HAZOP和LOPA的基本原理和分析步驟，然后從兩者信息互相共享、分析流程互相緊扣的特點(diǎn)，闡述兩者集成的可行性，并給出HAZOP/LOPA的分析步驟，最后將其用于天然氣長輸管道站場安全分析。結(jié)果表明，HAZOP分析結(jié)合LOPA分析方法，可以用具體數(shù)值來量化風(fēng)險(xiǎn)的大小、評估安全措施的預(yù)防效果、確定現(xiàn)有風(fēng)險(xiǎn)是否可以接受以及是否還需要增加安全措施，極大地豐富了HAZOP的分析內(nèi)容。

關(guān) 鍵 詞：安全評價(jià)；HAZOP；LOPA；獨(dú)立保護(hù)層IPL；長輸管道站場

中圖分類號：TE 88 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號： 1671-0460（2016）08-1917-04

Abstract： HAZOP analysis comes from petrochemical industry and it has been gradually applied to oil and gas pipeline field in these years， but HAZOP has many congenital defects. In this paper， its pointed out that introducing LOPA into HAZOP can greatly improve HAZOPs ability to prevent accidents. The basic principles and analysis steps of HAZOP and LOPA were introduced； the feasibility of introducing LOPA into HAZOP based on the information sharing between HAZOP and LOPA was discussed. At last， HAZOP/LOPA was used to assess the safety of a long distance gas pipeline station. The result shows that introducing LOPA into HAZOP can quantify the risk， assess the preventive effect of security measures and make sure if any more security measures are required， and the HAZOP/LOPA analysis enriches the contents of HAZOP greatly.

Key words： safety evaluation； HAZOP； LOPA； independent protection layer（IPL）； long-distance pipeline station

石油天然氣管道輸送介質(zhì)具有易燃、易爆、高壓等特點(diǎn)，近年來因管道泄漏、爆炸等產(chǎn)生的安全問題也日益突出。目前中石油管道板塊已開始對所有新建項(xiàng)目進(jìn)行安全評價(jià)，采用的分析方法為HAZOP分析（Hazard and Operability Study，危險(xiǎn)性與可操作性分析）。HAZOP分析被公認(rèn)為是一種可提高項(xiàng)目生產(chǎn)安全性、運(yùn)行可靠性的安全評價(jià)方法，它以“工藝參數(shù)+引導(dǎo)詞”的形式來定義偏差，分析偏差產(chǎn)生的原因、評估偏差可能導(dǎo)致的事故后果、找出現(xiàn)有安全措施并對其提出建議。

但是，HAZOP分析作為一種定性分析方法，無法提供直觀準(zhǔn)確的分析結(jié)果。它的弊端體現(xiàn)在：（1）無法回答偏差導(dǎo)致事故風(fēng)險(xiǎn)的具體大小，以及是否在可接受值之內(nèi)。（2）無法驗(yàn)證現(xiàn)有安全措施對事故預(yù)防是否有效，無法衡量預(yù)防作用的大小，以及是否需要增設(shè)安全措施 [1]。（3）HAZOP通常只考慮了初始事件而忽略了中間事件和后果修飾，從而降低了風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)的準(zhǔn)確性。隨著人們對安全評估精度要求的提高，單一的HAZOP分析已經(jīng)無法滿足人們的要求。

LOPA分析（Layers of protection Analysis，保護(hù)層分析）是一種簡化的過程風(fēng)險(xiǎn)評估方法，它根據(jù)初始事件頻率、獨(dú)立保護(hù)層（IPL）失效概率等數(shù)據(jù)，經(jīng)過計(jì)算得到事故后果的發(fā)生頻率，并結(jié)合事故后果嚴(yán)重程度達(dá)到量化事故風(fēng)險(xiǎn)目的。[2，3]它的主要特點(diǎn)是可以確定現(xiàn)有安全保護(hù)層是否足以防止事故后果發(fā)生，量化事故風(fēng)險(xiǎn)的大小。LOPA一般是在定性危害分析之后進(jìn)行的，并且采用定性分析過程中所確定的場景。因此在HAZOP分析的基礎(chǔ)上引入LOPA分析，可以克服HAZOP分析不能將事故風(fēng)險(xiǎn)定量化、忽視安全措施作用等缺點(diǎn)。可以說LOPA分析是對HAZOP分析的繼承和發(fā)展，是HAZOP結(jié)果的數(shù)值具體化 [4]。

1 HAZOP和LOPA分析的關(guān)系

1.1 HAZOP分析方法

HAZOP分析是20世紀(jì)70年代由英國帝國化學(xué)公司創(chuàng)立的一種高度專業(yè)化的定性評價(jià)，它最初是用于解決除草劑生產(chǎn)過程中的危害，后來經(jīng)過完善發(fā)展成為了目前應(yīng)用最廣泛的安全評估方法之一。HAZOP分析方法的基本理念是各個(gè)專業(yè)、具有不同知識(shí)背景的人員組成的分析團(tuán)隊(duì)，進(jìn)行頭腦風(fēng)暴式的討論分析，可以使小組成員更具有創(chuàng)造性、會(huì)議分析更具有系統(tǒng)性，能夠找出更多的問題，提出更多的建議措施。

HAZOP分析方法的基本步驟[5]是：（1）分析準(zhǔn)備。確定分析的對象、目的和范圍；完成資料（主要有工藝流程圖、工藝儀表流程圖、裝置設(shè)計(jì)資料、裝置平面布置圖等）收集工作；確定HAZOP分析小組；制定會(huì)議進(jìn)程。（2）HAZOP分析會(huì)議。分析小組以節(jié)點(diǎn)為分析單元，由“工藝狀態(tài)參數(shù)+引導(dǎo)詞”描述節(jié)點(diǎn)的工藝參數(shù)偏差；以頭腦風(fēng)暴的形式分析偏差產(chǎn)生的原因、可能導(dǎo)致的后果；找出節(jié)點(diǎn)現(xiàn)有的安全保護(hù)措施，并提出建議措施。（3）編制分析報(bào)告。根據(jù)會(huì)議記錄表，編寫完整的分析報(bào)告。

1.2 LOPA分析方法

LOPA分析方法最早由美國化學(xué)理事會(huì)在20世紀(jì)80年代末提出，它起源于過程安全管理系統(tǒng)。LOPA分析是一種簡單的、半定量的風(fēng)險(xiǎn)評估方法，它的主要目的是確定現(xiàn)有安全保護(hù)層是否足以防止事故后果發(fā)生，量化事故風(fēng)險(xiǎn)的大小。LOPA不僅可以用于評估風(fēng)險(xiǎn)的數(shù)量級，而且適用于較為復(fù)雜的事故場景。據(jù)統(tǒng)計(jì)，所有的場景都應(yīng)進(jìn)行定性分析，其中有10%～20%的場景需進(jìn)行半定量分析，只有1%的場景需要進(jìn)行完全的定量風(fēng)險(xiǎn)分析。因此，LOPA分析建立在HAZOP分析的基礎(chǔ)上，是對HAZOP分析中部分場景的具體化。LOPA具體分析思路如圖1所示。

LOPA分析方法的基本步驟是[5]：（1）篩選場景。LOPA一般在定性風(fēng)險(xiǎn)分析之后進(jìn)行，定性分析的事故后果可以為LOPA分析事故場景的選擇提供線索。（2）選擇事故場景。LOPA事故場景中，事故原因和事故后果必須是單一的，即一次LOPA分析只考慮一個(gè)事故原因和一個(gè)事故后果。（3）識(shí)別場景初始事件，確定初始事件發(fā)生頻率。（4）識(shí)別獨(dú)立保護(hù)層，確定每個(gè)獨(dú)立保護(hù)層的失效概率（PFD）。大多數(shù)公司提供了獨(dú)立保護(hù)層的預(yù)設(shè)值，供分析人員在分析時(shí)根據(jù)特定場景選擇失效概率。（5）根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算場景風(fēng)險(xiǎn)，通常使用的計(jì)算方法如下：

1.3 HAZOP/LOPA集成的可行性

HAZOP分析將工藝過程劃分為若干個(gè)節(jié)點(diǎn)，預(yù)估節(jié)點(diǎn)工藝參數(shù)可能出現(xiàn)的偏差，分析導(dǎo)致偏差的原因，預(yù)測每個(gè)原因可能導(dǎo)致的后果，并結(jié)合現(xiàn)有安全保護(hù)措施提出建議。LOPA分析是基于事故場景進(jìn)行的，它的事故場景一般是從HAZOP分析結(jié)果中篩選得到的。一般情況下，HAZOP分析中一個(gè)節(jié)點(diǎn)偏差及其導(dǎo)致的單一后果可以為LOPA分析提供一個(gè)事故場景。因此，HAZOP和LOPA在內(nèi)容和形式上都有著密切的聯(lián)系。

總之，LOPA與HAZOP的集成主要體現(xiàn)在：（1）HAZOP分析中節(jié)點(diǎn)參數(shù)偏差導(dǎo)致事故后果經(jīng)過篩選可以為LOPA分析的場景描述提供資料。（2）HAZOP分析中導(dǎo)致偏差產(chǎn)生的高風(fēng)險(xiǎn)原因?qū)?yīng)于LOPA分析中的初始事件 [6，7]。（3）HAZOP分析中偏差導(dǎo)致的事故后果為LOPA分析初始事件導(dǎo)致的事故后果提供了依據(jù)。（4）HAZOP分析找出的滿足IPL定義的安全措施相當(dāng)于LOPA分析中的獨(dú)立保護(hù)層，而HAZOP給出的建議措施則相當(dāng)于LOPA中為達(dá)到容許風(fēng)險(xiǎn)增加的獨(dú)立保護(hù)層[8]。HAZOP和LOPA的具體關(guān)系如圖2所示。

2 HAZOP/LOPA分析的具體步驟

（1）由HAZOP分析開始，按照常規(guī)的HAZOP分析流程，由分析小組對工藝過程中的偏差、事故后果、安全措施進(jìn)行詳細(xì)分析，得到HAZOP分析記錄表。

（2）從HAZOP分析提供的事故后果中篩選出危害性較大的后果，并作為LOPA分析的事故場景。例如遇到高壓引起的管線破裂等情況時(shí)，需要將其作為LOPA事故場景進(jìn)一步分析。

（3）辨識(shí)事故場景的初始事件、條件事件和后果事件，查詢相關(guān)數(shù)據(jù)庫確定各事件的發(fā)生頻率，計(jì)算潛在事故的發(fā)生頻率并根據(jù)相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)矩陣確定風(fēng)險(xiǎn)等級[9]。

（4）從安全措施中篩選出所有的獨(dú)立保護(hù)層措施，查詢相關(guān)數(shù)據(jù)庫確定其失效概率，再根據(jù)獨(dú)立保護(hù)層場景頻率，選用相應(yīng)的計(jì)算方法，最終確定剩余風(fēng)險(xiǎn)等級。

（5）根據(jù)剩余風(fēng)險(xiǎn)等級，參考企業(yè)風(fēng)險(xiǎn)可接受水平，確定是否需要增加其他安全措施[10-11]。

（6）根據(jù)LOPA與HAZOP的分析結(jié)果，編寫HAZOP/LOPA記錄表，其通常形式見表1。

3 應(yīng)用實(shí)例

某長輸管道分輸站，分輸調(diào)壓放空流程如圖3所示，采用兩級調(diào)壓，調(diào)壓閥后有電動(dòng)切斷閥，調(diào)壓閥后設(shè)備采用低壓力等級設(shè)備，現(xiàn)對流程進(jìn)行HAZOP分析，如果調(diào)壓閥失效，將造成調(diào)壓閥后流程壓力超過設(shè)備設(shè)計(jì)壓力，雖然有安全閥放空，但安全余量不夠，一旦安全閥也失效，將造成調(diào)壓閥后設(shè)備超壓，部分分析結(jié)果見表2。

根據(jù)HAZOP矩陣評估方法對后果進(jìn)行評估，后果等級為IV 級，為不可接受的嚴(yán)重風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)立即采取措施。根據(jù)HAZOP分析結(jié)果，選擇 LOPA 場景為調(diào)壓閥失效，造成閥后設(shè)備超壓，低壓力等級閥門可能造成天然氣泄漏，有可能導(dǎo)致火災(zāi)，調(diào)節(jié)閥失效為初始事件，根據(jù)文獻(xiàn)[12]表5.1，其失效頻率為0.1。

對HAZOP識(shí)別出的調(diào)壓閥失效保護(hù)措施進(jìn)行評估，確定獨(dú)立保護(hù)層：

1）與調(diào)節(jié)閥后切斷閥聯(lián)鎖，當(dāng)調(diào)節(jié)閥失效超壓時(shí)，切斷閥動(dòng)作切斷，防止事故的發(fā)生，可作為獨(dú)立保護(hù)層。

2）當(dāng)管道內(nèi)天然氣超超壓時(shí)，安全閥打開，通過向管道外部放空適量天然氣達(dá)到降低壓力的目的，可作為獨(dú)立保護(hù)層。

3）當(dāng)安全閥放空也失效時(shí)，增加ESD緊急放空旋塞閥，保護(hù)調(diào)節(jié)閥后設(shè)備不超壓。

從表3可以看出，LOPA分析了設(shè)備超壓導(dǎo)致天然氣泄漏，引起火災(zāi)、爆炸和人員傷亡這一事故場景，并給出了具體的風(fēng)險(xiǎn)數(shù)據(jù)。首先，從HAZOP分析中可知設(shè)備超壓引起火災(zāi)、爆炸的風(fēng)險(xiǎn)等級最高，需要立即制止，所以將其作為LOPA場景，考慮了條件事件、后果修飾的影響，得出了未減輕事件的頻率（2×10-3 ）、頻率等級（3）和風(fēng)險(xiǎn)等級（III）。查詢風(fēng)險(xiǎn)容忍標(biāo)準(zhǔn)顯示，該風(fēng)險(xiǎn)頻率超過了可接受值（ 1×10-5），所以需要進(jìn)一步考慮安全措施是否能夠滿足安全要求。選取安全閥泄放、截?cái)嚅y聯(lián)鎖和ESD緊急泄放三個(gè)獨(dú)立保護(hù)層，計(jì)算得到減輕事件的風(fēng)險(xiǎn)等級從III級降為I級，頻率從2×10-3降為4×10-9，剩余頻率在可接受值之內(nèi)。根據(jù)中石油公司的風(fēng)險(xiǎn)矩陣，剩余風(fēng)險(xiǎn)等級已經(jīng)處于風(fēng)險(xiǎn)非常低的區(qū)域，所以不需要再增加其他安全保護(hù)措施。

該實(shí)例僅考慮了簡單的事故場景，即導(dǎo)致火災(zāi)、爆炸事故的初始事件只有調(diào)節(jié)閥失效。對于更復(fù)雜的事故場景，比如多初始事件導(dǎo)致相同事故后果、獨(dú)立保護(hù)層處于高要求模式等，需要針對具體情況采用不同的計(jì)算方法。例如在多初始事件導(dǎo)致相同事故后果的情況下，如果各初始事件相關(guān)性越大，則總的風(fēng)險(xiǎn)頻率取單個(gè)風(fēng)險(xiǎn)頻率中的最大值；反之，取各單個(gè)風(fēng)險(xiǎn)頻率之和[13，14]。如何根據(jù)LOPA場景，選擇合理的剩余風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算方法，需要進(jìn)一步探討。

4 結(jié)束語

（1）HAZOP分析是一種定性風(fēng)險(xiǎn)分析方法，分析結(jié)果依賴于分析人員的工程經(jīng)驗(yàn)，不能給決策者提供直觀準(zhǔn)確的分析結(jié)果且無法驗(yàn)證現(xiàn)有安全措施對事故預(yù)防的效果。

（2）在HAZOP的基礎(chǔ)上引入LOPA分析方法，可以通過數(shù)值來量化風(fēng)險(xiǎn)的大小、評估安全措施的預(yù)防效果、確定現(xiàn)有風(fēng)險(xiǎn)是否可以接受以及是否還需要增加安全措施，既克服了HAZOP的缺點(diǎn)又豐富了它的分析結(jié)果。

（3）在計(jì)算事故場景頻率過程中，從提高分析結(jié)果準(zhǔn)確性的角度來看，場景頻率與IPL的要求頻率有關(guān)、多重初始事件引發(fā)單事故的場景頻率計(jì)算方法不同于單初始事件引發(fā)單事故場景，如何根據(jù)場景選擇合適的計(jì)算方法，需要進(jìn)一步探討。

參考文獻(xiàn)：

[1] Michela. Gentile ， John. Baik. A LOPA case study [J].Chemical News ， 2008（6）： 43-47.

[2] CCPS. Layer of Protection Analysis—Simplified Process Risk Assessment [M]. New York： American Institute of Chemical Engineers， Center for Chemical Process Safety， 2001.

[3] 周榮義，李石林，劉何清. HAZOP分析中LOPA的應(yīng)用研究[J].中國安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2010，20（7）：76-81.

[4] 朱常龍，蔣軍成，袁雄軍. 保護(hù)層分析探討[J]. 工業(yè)安全與環(huán)保，2013，39（11）：39-41.

[5] IEC Commission.Hazard and operability studies（HAZOP studies） Application guide[S]. IEC 61882， 2001： 7

[6] Young G.G， Crowe S.G. Modifying LOPA for improved performance[C]. ASSE professional development conference and exposition， 2006.

[7] 李慧領(lǐng)，等. 基于HAZOP與LOPA的鍋爐水處理系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估方法及應(yīng)用[J]. 化工進(jìn)展，2015，34（2）：576-580.

[8] 沈郁. HAZOP和LOPA集成風(fēng)險(xiǎn)評估技術(shù)研究[J]. 安全、健康和環(huán)境，2014，14（11）：40-44.

[9] 許芝瑞，孫文勇，趙東風(fēng). HAZOP和LOPA兩種安全評價(jià)方法的集成研究[J]. 安全與環(huán)境工程，2011，18（5）：65-68.

[10] 崔英，楊劍鋒，劉文彬. 基于HAZOP和LOPA半定量風(fēng)險(xiǎn)評估方法的研究與應(yīng)用[J]. 安全與環(huán)境工程，2014，21（3）：98-102.

[11] 李娜，孫文勇，寧信道. HAZOP、LOPA和SIL方法的應(yīng)用分析[J]. 中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2012，8（5）：101-106.

[12] 保護(hù)層分析（LOPA）應(yīng)用指南[M]. 北京：國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局，2010.

[13] 張其立. LOPA、F&EI、HAZOP的應(yīng)用與集成研究[D]. 北京：清華大學(xué)化學(xué)工程系，2010.

[14] 靳江紅，胡玢，趙壽堂. 保護(hù)層分析（LOPA）定量的若干問題研究[J]. 中國安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2014，14（10）：82-87.