工藝危害分析在化工設計中的實施研究

李廣瓊，李家祥

（1.萬華化學集團股份有限公司，山東煙臺 264000；2.華能山東石島灣核電有限公司，山東威海 264200）

1 工藝危害分析的概念及功能

在2011年國家頒布的“化工建設項目安全設計管理導則”中明確規定，化工設計環節必須要進行工藝危害分析（簡稱PHA）。化工生產安全管理主要包含兩方面工作，一方面是作業安全管理，即通過規范化管理避免生產作業過程中出現人員傷害；另一方面是工藝安全管理，即通過科學性工藝管理手段避免泄漏、爆炸、火災等災難性事故。而PHA則是通過系統化、科學化的建模，對可能出現的工藝事故的誘導因素、危險類別、產生后果進行概略分析，盡可能對潛在的危害進行識別和預判并形成書面形式的危害控制或消除措施。有效的PHA應具備以下功能：

1）識別工藝危害。

2）識別出已發生的、可能引發災難性后果的事件。

3）作為一種危害控制手段。

4）預判控制手段失效后可能產生的后果。

5）識別人員因素對生產安全的影響。

6）對危害事故進行定性分析與評價。

2 工藝危害分析的主要方法

2.1 定性法

2.1.1 危險源分析（HAZID）

當化工設計處于工藝物料流程圖（PFD）設計階段時，可應用此方法確定設計中的一些關鍵問題，系統辨識能夠引發嚴重危害的潛在危險源，并判斷是否需要額外增加保護措施。在利用HAZID方法進行分析時，應結合引導詞和偏差來識別危險事件，具體實施過程中，需要使用方塊流程圖或物料流程圖、設計總圖、MSDS等文件。

2.1.2 故障假設分析（What-If）

此方法的主要應用目的是辨識能夠產生不良結果的危險源、事故事件或危險狀況。相較于HAZID，其應用更加簡單便捷，可在化工項目任何階段，利用任何已有相關文件展開工作。通常，此方法對參與者和實施者的工作經驗和專業能力具有較高的要求，能夠有效提出“What-If”挑戰性場景，從而引出一系列問題，進而利用這些問題識別和確定潛在危險。同時，分析團隊應包含多領域專家，能夠針對每個設計環節和步驟，運用一系列關鍵詞，系統地提出故障假設，并以此為基礎，進行全面分析和科學討論，從而實現工藝危害分析的工作目標。

2.1.3 危險與可操作性分析（HAZOP）

HAZOP是系統分析工廠和裝置設備可操作性及安全性的主要方法，也是化工設計中應用最廣泛的PHA分析方法。主要以P&ID為研究對象，在關鍵詞的引導下，對所有重要過程參數可能因偏離預期設計條件而引發的操作性問題、潛在危險以及現有安全防護措施的完備性進行系統辨識和評價，并在此基礎上明確需要進一步甄別的問題以及設計優化建議。在技術設計階段，設計人員可先進行初步的HAZOP，當設計到達P&ID程度時，可進行完整的HAZOP。HAZOP過程中，應要求成套設備供應商一同參與，并結合總平面布置圖、MSDS、工藝設計基礎、因果表等文件展開工作。

2.2 半定量法

2.2.1 保護層分析（LOPA）

LOPA是HAZOP之后的一種系統風險半定量分析技術，能夠提供數量級估算。通常情況下，若HAZOP中存在以下情況，應進行LOPA分析：

（1）可能產生嚴重后果，需要明確后果發生幾率。

（2）需要判定事故場景的風險等級以及保護層降低的風險等級。

（3）需要明確SIF的SIL。LOPA的實施流程通常為：

①識別風險場景以及危害產生原因，判斷初始事件發生頻率；②進行有效保護層識別和分析；③識別獨立保護層；④計算每個IPL（獨立保護層）的失效概率；⑤計算失效后果的發生頻率；⑥將計算結果與風險允許程度表對比，判斷是否需要增加保護措施。在LOPA的過程中，需要參考P&ID、工藝設計基礎、總平面布置圖、MSDS、因果表等文件。

2.2.2 故障類型及影響分析（FEMA）

此方法主要是針對單體設備和系統故障的PHA分析方法，可以準確辨識出單一故障類型所引發的危害后果或是在某個重大危害事故中的作用。FEMA的分析流程通常為：①辨識故障類型；②分析故障后果；③判定危害級別；④計算故障發生概率；⑤明確故障檢測方法；⑥提出設計優化和修改建議。

在具體實施過程中，可以根據系統的復雜程度，確定FEMA分析參與成員，若系統相對簡單，則可以由工程師獨立完成檢查、分析、批準等全部分析工作；若系統比較復雜，則需要由多領域專家組成的專業團隊共同完成。FEMA分析需要用到的文件主要有：P&ID、MSDS、因果表等。FEMA的分析結果通常以表格形式呈現，主要包含：故障類型、嚴重程度、后果影響、發生可能性、說明、檢測難度、檢測方法、預防措施、風險優先數、優化建議等項目[5]。

2.3 定量法

2.3.1 故障樹分析（FTA）

此方法是一種通過邏輯符號演繹進行系統安全分析的定量分析法。FTA以特定事故為起點，依次列出可能引發特定事故的序列故障以及對應發生概率，在此基礎上，對所有概率進行科學計算和分析，最終找到特定事故的基本原因，將之稱為故障樹底部事件。然后，通過“或”和“與”將各事件按照相互間的邏輯關系進行連接。通常情況下，FTA會與HAZOP等定性分析方法結合使用，對已辨識的潛在風險進行更加深入和系統的研究。FTA包含四個實施步驟：

（1）選擇頂上事件（特定事故），定義問題，定義與分析相關的邊界線。

（2）構建故障樹即以頂上事件為起點，逐級追蹤所有故障事件，由此確定頂上事件的基本原因。

（3）分析故障樹即通過計算機或人工確定最小分割單元，將基礎事件的所有數據通過邏輯門進行整合，計算出頂部事件的發生概率。

（4）整理結論，編寫分析報告。報告中應明確系統說明、故障樹模型、問題定義、相關假設、最小分割單元列表以及事故評估等內容。

2.3.2 事件樹分析（ETA）

與FTA相反，ETA是一種由原因到結果，能夠展示事故發生動態過程的邏輯演繹分析方法。其分析原理為：以某個初因事件為起點，根據事故發展過程中特定事件出現的可能性，交替考慮安全控制成功與失敗的可能性，再以兩種不同的可能性作為新的初因事件進行分析，直至分析出最終的事件結果。在分析過程中，各事件序列均以圖形表示且呈現出扇狀，故稱為事件樹。通常ETA被廣泛應用于系統可靠性分析和安全系統事故分析中，具體實施步驟為：

（1）尋找和辨識可誘發嚴重系統故障的初因事件，并進行分類。

（2）按照先功能事件樹，后系統事件樹的順序構造事件樹。

（3）簡化事件樹。

（4）對每個事件序列進行定量分析。

（5）整理結論，編寫分析報告。

3 工藝危害分析在化工設計中的實踐流程

3.1 明確工作范圍

在大規模化工項目化工設計階段，往往需要兩組以上專業的工藝危害分析小組同時開展PHA工作。因此，在工作前明確各小組的工作范圍，既能夠避免重復性工作，提升工作效率，又能夠有效避免遺漏，提高分析質量。通常，可根據工藝單元劃分工作范圍，在P&ID中，以具體閥門或法蘭作為工作范圍分界線。

3.2 組建分析小組

在組建分析小組時應注意以下要點：

（1）分析小組應由組長、記錄員、各領域專業人員共同組成。

（2）為確保分析、討論工作的效率和質量，小組人數應控制在5～8人。

（3）各領域專業人員應包含研發、生產、工藝、設備、維護維修、自控與安全等領域的專業工程師。

（4）為確保分析工作的實踐性與可行性，分析小組中應包含一線資深操作人員。

3.3 選擇分析方法

化工設計過程中，設計人員及分析小組應結合實際情況和具體需求，科學選擇PHA分析方法，從而精準、高效地完成工藝危害分析工作。目前，What-If、HAZOP、FTA等分析方法的應用最為廣泛[8]。

3.4 收集分析資料

工藝危害分析所需的文件和圖紙統稱為工藝安全信息資料，收集和準備工藝安全信息資料是化工設計環節開展PHA的重要基礎。化工工藝系統的危害主要來自于化學品和工藝流程，因此，MSDS（化學品安全技術說明書）和P&ID（帶制點的管道儀表流程圖）是PHA必備的工藝安全信息資料，若化工設計涉及設施布置分析，則還需準備總平面布置圖。除此以外，工藝安全信息資料還應包含工藝計算書、操作程序、設備規格文件等。需要特別注意：MSDS、P&ID、總平面布置圖等核心資料必須是最新版本。

3.5 開展危害分析

PHA實質上是一種面對面分析討論的過程，包含一系列的會議。以HAZOP分析為例：首次會議的主要內容應包括分組小組組員相互了解和認識，即熟悉每個組員的專業特長，把握分析小組的專業資源；對整個工藝系統的概況進行簡述并劃分“節點”；對不熟悉HAZOP的組員，進行簡單的培訓。在后續分析會議中，組長的工作重點是激發組員的分析和討論積極性，從而提高PHA的質量與效率；記錄員應認真詳細地記錄下討論內容和對應的結論。為提高PHA的質量和效率，一方面可以通過投影儀展示的方式，讓所有與會成員直觀地了解以往討論內容，另一方面可以通過網絡會議的形式，實現跨地區、跨國家的分析討論。當識別出某項工藝危害時，應優先制定本質安全控制措施，再制定工程控制措施，最后制定行政控制措施。需要注意的是：在進行PHA時應考慮企業的風險標準，確保識別出的事故風險在企業可接受的風險水平內。

3.6 編制分析報告

PHA報告應包含分析范圍、分析方法、分析小組成員信息、完整分析記錄等內容。編制過程中，不宜使用縮寫并避免生僻專業術語的使用。除電子版分析報告外，還應準備至少兩份紙質報告，一份作為檔案資料保存于檔案室，另一份供日常使用。PHA報告是未來工藝系統優化設計、操作程序及方法改良、操作人員培訓、事故應急預案制定等重要基礎，也是PHA復審的重要參考資料，應受到高度重視。

4 結語

在化工設計中，PHA是一個極為重要的環節，根據國家法律法規，相關企業在化工設計階段，必須認真做好工藝危害分析工作。簡要闡述了PHA的概念、功能、主要方法和基本操作流程，在具體的實踐過程中，相關人員還應結合實際情況，參閱針對每個分析方法更為詳盡的資料和規定，展開工藝危害分析工作，從而最大化提升工作質量和效果。