HAZOP、LOPA半定量風險評估方法及其在酚醛樹脂生產裝置上的應用

鄧曼（江蘇中安科技服務有限公司，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裝置上的應用

鄧曼（江蘇中安科技服務有限公司，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聯。文章對目前國內這兩種方法的應用現狀及前景進行了分析，并以某化工企業酚醛樹脂生產裝置為例，列舉其中一個節點進行了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置獨立的安全儀表系統（SIS）。

HAZOP分析；安全儀表系統；保護層分析

HAZOP分析與LOPA分析是一種對石油化工生產裝置進行半定量風險評估的有效方法，但國內一直以來只在大型石油化工企業，比如中石化、中石油等單位進行了廣泛使用，在一般化工企業還未普及。隨著我國經濟和科技水平飛速發展，在政府部門及化工企業對本質安全高度重視的情況下，化工企業逐步樹立主動進行工藝危險分析及采取本質安全技術防護措施的意識，積極配合設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。近兩年安監部門開始要求化工企業危險化工裝置進行安全儀表系統改造，并進行SIL等級劃分。而安全儀表系統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，在風險評估結果的基礎上確定裝置的安全儀表系統所需的等級要求。

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公司（ICI）為解決除草劑制造過程中的危害，于1974年發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中潛在的危險及識別系統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操作失誤與設備故障[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計階段進行，通過對裝置工藝流程及控制節點的分析，找出裝置擬采取的工藝自動控制及安全聯鎖系統的不足，提出改進建議，在設計中落實，進一步提高裝置的本質安全水平。在生產裝置的在役期間，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有安全控制措施能否滿足安全需求及現有的法律法規及安全標準要求。

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)劃分節點。節點一般由分析組長在HAZOP分析團隊會議之前選定，節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，確定偏差。選擇適用于所有節點的工藝參數，一般選擇系統的溫度、壓力、流量、液位等參數。偏差是指設計目的的偏離，通過應用一系列引導詞來系統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。根據各公司事故統計情況及可接受的風險程度，制定該公司適用的風險矩陣。分析每個節點的偏差發生的原因及可能導致的后果，根據風險矩陣，確定風險等級。（4）提出建議措施。通過HAZOP分析，審查設計的安全措施或現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上，進一步評估保護層的有效性，并進行風險決策的系統方法，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的風險可接受標準。LOPA是一種半定量的風險評估技術，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，如本質安全設計、基本過程控制系統（BPCS）、報警與人員干預、安全儀表系統（SIS）、安全泄放設施（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分析的關聯

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果，一般為HAZOP分析結果中的偏差及導致的后果，即事故場景。（2）初始事件（IE）確認及發生頻率確定。IE一般包括外部事件、設備故障和人員失誤，IE的選擇一般與HAZOP分析結果表中導致偏差的原因一致，一般選取導致偏差的發生概率最大的原因事件。初始事件的發生頻率可采用行業統計數據、歷史統計數據以及其他一些評價方法計算得出的數據。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中列舉的數值。（3）獨立保護層（IPL）評估。IPL一般為HAZOP分析結果中，裝置采取的現有安全保護措施，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等相關數據進行計算，確定場景風險；根據風險評估結果，對照被評估企業所預先設定的可接受風險值，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預選設定的可接受風險值，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SIS），直至將剩余風險降低至可接受水平[5]。

表3 -1 HAZOP分析結果表（以其中一個節點的場景為例）

表3 -2 LOPA分析結果表（以其中一個節點的場景為例）

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裝置。但是隨著我國經濟和科技水平飛速發展，以及石油化工生產行業的安全事故頻發，國家越來越重視安全生產，促進了安全科學研究水平的快速發展，目前國內在逐步普及HAZOP分析法在新建及已建化工生產裝置風險評估的應用。

2013年我國安監總局發布的《國家安全監管總局辦公廳關于印發危險化學品建設項目安全設施設計專篇編制導則的通知》（安監總廳管三〔2013〕39號）以及《國家安全監管總局住房城鄉建設部關于進一步加強危險化學品建設項目安全設計管理的通知》（安監總管三〔2013〕76號）文中，明確要求設計單位在項目的安全設施設計專篇編制中采用HAZOP分析等方法進行內部安全設計審查。近兩年，國家安監總局組織開展了一系列工作，如中央企業HAZOP試點工作，HAZOP培訓、HAZOP調研交流等，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項目安全設施設計報告審查階段得以實施，企業也逐步樹立主動進行工藝危險分析的意識，積極配合設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，國內一般化工生產企業還未全面開展起來。近年來安監部門開始要求化工企業危險化工裝置進行安全儀表系統改造，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酚醛樹脂）為例，在HAZOP分析的基礎上，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系統實現或通過DCS系統實現均可。

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，部分節點設置了安全聯鎖控制。該裝置的分析節點一共選取16個，事故場景110個。本文選擇其中一個節點的進行分析，即液體酚醛樹脂反應釜R-A110升溫作業這個節點，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分析過程及結果表格如下：（表3-1、表3-2所示）

根據上表中的LOPA分析結果，可以看出，在冷卻水閥門誤關，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，造成財產損失。該事故發生的可能性，在采取了溫度報警以及溫度高高聯鎖啟動純水真空泵（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有自動控制措施條件下，即在現有保護層的保證下，可以降低到企業可接受標準。該聯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系統實現即可。按以上單個節點及聯鎖控制回路的分析的方法，對該裝置的其他節點及聯鎖控制回路進行分析，結果顯示，酚醛樹脂裝置已采取的DCS控制系統已能滿足安全需求，無需再設置獨立的安全儀表系統（SIS）。

4 結語

（1）HAZOP分析與LOPA分析是一種有效的對化工生產工藝系統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計階段在哪些控制節點采取合理有效的監測、控制方式，提高系統的本質安全水平，降低事故發生的概率。

（2）本文列舉了某化工廠酚醛樹脂生產裝置進行HAZOP分析及LOPA分析的結果，表明在基于風險評估以及保護層分析的基礎上，該裝置現有DCS控制系統已能滿足企業設定的風險可接受水平，不需要再設置獨立的安全儀表系統（SIS）。

（3）在政府的推動以及化工生產企業對裝置本質安全水平越來越重視的情況下，越來越多的化工生產企業已逐步開始將HAZOP分析方法應用于裝置的整個生命周期。在國家安監部門對企業化工生產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，可評估企業現有裝置或擬建裝置是否需要設置獨立的安全儀表系統或者需設置的安全儀表系統等級是否能滿足需求，可為安全監管部門提供一定的技術支持。

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