基于本質安全理論的化工過程安全管理研究

酒江波,劉尚志,鞠松霖,張 夢,周 超,范秀全

(1.中國石油大學(華東) 安全環保與節能技術中心,山東 青島 266580;2.中國石油大學(華東) 機電工程學院,山東 青島 266580;3.青島歐賽斯環境與安全技術有限責任公司,山東 青島 266555;4.獨山子石化公司塔里木油田公司石化分公司,新疆 庫爾勒 841000)

中國作為全球化學品主要生產國、世界第一化工大國,根據歐洲化學工業委員會(CEFIC)的統計數據,2019年中國化工行業的總產值占全世界總量的40.6%[1-2]。然而,化工生產過程中涉及易燃易爆、有毒有害危險化學品以及復雜多變的危險工藝,其危險特性不會隨著經濟社會的發展而改變,化工安全生產風險也不會隨著經濟發展水平的提高而自然降低[3]。當前,化工安全生產事故仍然頻繁發生,例如:2022年6月8日,茂名石化球罐動力泵泄漏引發爆炸事故,造成1人受傷,2人失聯;2022年6月18日,上海石化乙二醇裝置發生火災事故,造成1人死亡,1人受傷[4]。安全生產事故的頻繁發生暴露出部分化工企業存在過程安全管理不到位和因設備設施陳舊失效導致的本質安全水平不高等嚴重性問題。

本質安全是堅持從源頭防范化解系統性風險和預防事故發生的關鍵。本質安全的概念最早由Trevor Kletz于1976年提出,旨在從根源上消除風險或降低危害程度[5-7]。隨后,引起了學術界的廣泛關注,2000年,美國化學工程師協會化工過程安全中心(CCPS)在《2020年展望》(Vision 2020)的報告中指出必須重視化工行業本質安全的研究[8];Khan等[9]回顧了本質安全的良好實踐;Kletz等[10-11]總結了本質安全設計的范圍和未來的發展方向,之后出版了《流程工廠的本質安全設計手冊(第2版)》,為本質安全設計提供了操作指南;2010年,CCPS發布了本質安全技術的定義[12]。近年來,我國學者也在積極探索和開展化工行業本質安全技術的研究,如:樊曉華等[13]借鑒國外的先進經驗,提出了本質安全化設計指數體系和設計流程;蔡逸倫等[14]建立了化工工藝本質安全評價的云模型,并將其應用于甲基丙烯酸甲酯(MMA)的4條合成路線中,為該工藝的選擇提供了依據;楊哲[15]系統地介紹了化工過程本質安全技術的研究進展,并對未來的研究方向進行了展望;高建兵[16]研究了天然氣制乙炔工藝的本質安全提升措施,使該工藝的本質安全水平得到了極大的提升;朱佳興等[17]綜述了本質安全設計的評估方法以及存在的問題,并對未來的發展趨勢提出了一些見解。

綜上所述,當前關于化工行業本質安全的研究主要集中于化工工藝的本質安全設計和本質安全評估等方面,本質安全已成為風險管控和化工過程安全管理最重要的手段之一[18],而我國最新修訂的《化工過程安全管理導則》(AQ/T 3034—2022)中也將本質更安全作為過程安全管理要素。然而,如何正確地理解化工行業本質安全的內涵以及如何更好地將其應用于風險管控和化工過程安全管理中,是當前化工過程安全管理中面臨的一個重要問題。因此,有必要分析化工行業本質安全的內涵,明確其與風險管控、保護層以及化工過程安全管理之間的內在聯系,并基于我國最新修訂的化工過程安全管理要素,分析本質安全策略化工過程安全管理在各要素中的應用,從而加強對本質安全的理解和應用,這對于提高化工企業的安全管理質量和預防事故的發生具有重要意義。

1 化工行業本質安全的內涵

1.1 本質安全定義

本質安全是一種理念,適用于企業生產的全生命周期,是一個不斷迭代完善的過程。本質安全的策略包括通過流程優化等直接消除風險,或通過減少有害物料量、使用危害較小的物料替代、采用危害較小的工藝條件、優化人工操作、提升設備可靠性等減小危害的可能性和嚴重度。此外,也可以應用本質安全策略提升相關安全措施、管理程序的可靠性和有效性[12]。

化工行業的本質安全貫穿于工藝的全生命周期,包括概念設計、工藝研發、基礎設計、詳細工程設計、采購、施工和試車、操作和維護、變更管理、退役(閑置、凈化),涉及物料、反應、工藝、設備、控制等各個方面[5-7]。化工行業的本質安全具有如下特征:

1) 本質安全是一個理念,它代表一系列的概念而不是一套具體的方法。本質安全不是一個專門的“技術”類別,它是尋求降低危害程度的最優化方案。

2) 本質安全的核心是加強工藝過程內在的安全性,從源頭上消除風險或者降低危害程度。它通過合理的工藝設計而不是完全靠增加外部的安全保護設施來提高系統的安全性,它傾向于永久地減少危害,而不是通過增加額外保護層的方式降低風險。

3) 本質安全是針對工藝全生命周期的過程防護。

4) 應用本質安全時需要對具體問題進行具體分析。比如適用于某種物料、操作條件、位置和其他因素的本質安全解決方案可能不適用于降低其他過程的風險。

5) 應用本質安全時應具有全局觀,需系統考慮本質安全決策,本質安全的改進方案必須在工藝、設備全生命周期下全面考慮整體危害風險、風險轉移的可能性以及該方案的技術和經濟適用性。

6) 本質安全不一定減少所有風險,不應將本質安全工藝過程視為“絕對安全”。運用本質安全理念會降低過程風險(本質上更安全),但不會消除所有風險。

1.2 本質安全策略

惡劣的安全生產事故后果讓人們進一步意識到本質安全理念對管控風險的根本性作用。因此,各種實現生產工藝本質安全的策略方法應運而生。學者們對本質安全策略開展了大量的研究,雖各有差異,但最終可歸納為4類,即通過最小化、替代、減緩和簡化4個策略在工藝全生命周期各個階段實現企業安全生產的本質安全,如表1所示[19]。

表1 本質安全策略及其描述

2 本質安全與風險管控

2.1 事故場景的演變

安全是指風險可接受的一種狀態,企業生產的安全管理是以風險管理為基礎來實施的[20]。風險管理包括危害辨識和風險評估,其中危害辨識的目的是把工廠可能發生的所有“事故場景”識別出來。本文通過事故場景的演變順序很好地解釋了什么是“事故場景”,如圖1所示。

圖1 事故場景演變順序Fig.1 Accident scene evolution sequence

任何一起事故的發生都起因于初始事件,就是事故發生的直接原因,如人員失誤、設備失效、系統缺陷、外部因素等。但初始事件觸發后,不一定意味著危險事件一定會發生。首先應考慮使能條件,比如設備使用的概率,因為若設備沒有投入使用,即使發生了故障也不一定會引起危險事件。另外,從危險事件向最終的事故后果演變還需要考慮一些條件修正,比如容器超壓引起易燃介質泄漏屬于危險事件,發生火災爆炸需要考慮點火概率,造成人員傷害就必須考慮人員暴露的概率;如果事故類型是中毒還應考慮該濃度下導致的人員致死概率等[21]。

2.2 風險管控措施的層級關系

當辨識出一個事故場景后,需對其進行風險評估,以判斷該事故場景的風險是否可以達到企業風險標準所規定的可接受范疇。如果風險處于不可接受的水平,就需要選擇風險控制措施來進一步降低風險。然而,風險控制措施該如何選取以及本質安全在風險管控中如何應用是當前面臨的重要問題。因此,本文基于事故場景的演變順序,詳細地分析了各類風險管控措施的控制效果和優先級,并將風險控制措施分為以下4個層級(圖2):

圖2 風險控制措施的層級關系Fig.2 Hierarchy of risk control measures

1) 第一層級本質安全措施。首先考慮的是該事故場景是否可以直接消除,使它不存在。可以通過改變工藝路線或流程、提高設備的設計冗余、替換某種危險物料等,將原來存在的風險較高的事故場景直接消除,比如液氨制冷更換為氟利昂制冷。由于操作人員操作不當等原因,可能會發生液氨泄漏和爆炸,存在嚴重的安全隱患,近年來各地發生的液氨泄漏或爆炸事故觸目驚心。但是如果使用氟利昂制冷替換液氨制冷,那么這個危險的事故場景就不存在了,該風險被直接消除了。這一類措施屬于第一層級的本質安全,其作用是可以直接消除某一種事故場景,也是最本質安全的一種做法。

2) 第二層級本質安全措施。如果該事故場景不能被直接消除時,應該考慮是否有降低其固有風險的措施,此類措施包括兩類:一類是直接降低初始事件發生的頻率來降低風險,比如選擇更為可靠的設備來降低設備失效的概率,優化操作模式來減少人工操作的復雜程度或直接替換為自動控制來降低人員失誤概率等;另一類是直接降低事故后果的嚴重性來降低風險,比如降低有害物質的現場存量(減少中間罐的容積)來降低事故后果的嚴重性等。這一類措施屬于第二層級的本質安全,其目的是在不外加保護層的前提下直接降低風險級別。

3) 第三層級預防性安全措施。如果采取了降低固有風險的措施后,其風險仍不可被接受,就需要考慮增加保護層以進一步降低其殘余風險,其途徑有兩種:一種是降低事件發生的可能性;另一種是減弱事故后果的嚴重性。其中,用來降低事件發生可能性的保護層一般稱為預防性安全措施,屬于第三層級的風險控制措施。“預防性”顧名思義就是只要這個保護層能起到作用,危險事件就不會發生,也就是在初始事件發生以后用于阻止危險事件發生的控制措施,比如為控制重要參數所設置的基本控制回路(BPCS)、參數報警+人員響應、安全聯鎖回路、物理泄壓保護等。由于該類措施屬于外加保護層,因此其并不屬于本質安全的范疇。

4) 第四層級緩和性安全措施。用來減弱事故后果嚴重性的保護層一般稱為緩和性安全措施,屬于第四層級的風險控制措施。緩和性安全措施是用于危險事件出現后,為降低最終可能出現的事故后果嚴重性所設置的保護層,比如防火堤的作用是當儲罐油品泄漏后,可以阻止油品隨意流淌,將污染或火災僅限于防火堤的范疇。常見的緩和性安全措施包括氣體檢測、緊急切斷、圍堵圍擋、應急設施和應急體系等,該類措施也不屬于本質安全的范疇。

通過上述的梳理,風險控制措施分為第一層級的本質安全措施、第二層級的本質安全措施、第三層級的預防性安全措施和第四層級的緩和性安全措施4個層級,其風險管控的效果逐漸變差,優先級逐漸減弱。本質安全屬于風險控制措施的范疇,其目的是消除或降低固有風險,所以風險管控效果越好,優先級越高。因此,在風險管控的過程中,應優先考慮本質安全措施。

另外,考慮了保護層作用下事故場景演變就擴展為更為完整的事故場景演變順序(圖3)。也就是說,如果針對某個事故場景,工程上已經采取了預防性安全措施去進一步降低事故發生的概率,那么在使能條件具備后,從初始事件真正演變為危險事件還需要預防性安全措施發生失效;而危險事件發生后要繼續向著最終的事故后果演變則需要考慮已經設置的緩和性安全措施發生失效,比如泄漏檢測、圍堤圍擋、緊急切斷、消防系統、應急響應等。因此,當無法采取本質安全措施時,還可以考慮預防性安全措施和緩和性安全措施。此外,從事故場景演變的順序圖(圖3)可以看出,預防性安全措施的優先級高于緩和性安全措施,這是因為預防性安全措施更靠近本質安全,其目的是阻止危險事件的發生,風險防控的效果更好。

圖3 完整的事故場景演變順序Fig.3 Complete accident scenario evolution sequence

2.3 本質安全與保護層的關系

保護層是指通過設施、系統或人的行為降低某個事故場景的可能性和嚴重性的相關硬件、軟件及程序等措施[21]。通過風險控制措施的層級關系可知,本質安全屬于風險控制措施的范疇,本質安全策略的基本條件是不通過外加保護層而實現風險降低,分為可以直接消除某個事故場景以及通過直接降低初始事件發生概率和事故后果嚴重性兩個層級。因此,保護層本身并不屬于本質安全的范疇,但它與本質安全一樣重要,都是風險控制的重要手段。

雖然,保護層本身并不屬于本質安全的范疇,但本質安全的策略可以更為擴展,將本質安全策略應用于保護層本身,以提升保護層的可靠性或有效性。因此,為了更清晰地說明本質安全與保護層的關系,進一步理解本質安全在風險管控和化工過程安全管理中的作用,本文基于風險控制措施層級的闡述,提出了更為完整的改進洋蔥模型,如圖4所示。

圖4 改進的洋蔥模型Fig.4 Improved onion model

修正后的洋蔥模型的核心是工廠設施,其風險管控的層次由內向外包括第一層級的本質安全、第二層級的本質安全;然后是保護層的范疇,首先包括BPCS、報警+人員響應、安全聯鎖系統、泄壓保護,這些層級的保護層都屬于預防性安全措施,再往外是泄漏檢測、圍堵圍擋、應急響應等,這些保護層屬于緩和性安全措施。修正后的洋蔥模型越往核心風險管控的效果越好,其優先級越高。

3 本質安全在化工過程安全管理要素中的應用

3.1 化工過程安全管理要素

化工過程安全管理源自于20世紀80年代中期,由于世界各地接連發生嚴重的化學工業事故,企業、行業和政府部門開始意識到僅僅關注技術改進和控制人為因素并不能完全預防化工過程安全事故的發生,而企業管理體系問題(或缺乏管理體系)才是導致事故發生的深層原因[22]。

為了預防化學工業類似事故的發生,1985年美國化學工程師協會成立了化工過程安全中心(CCPS),并逐步發展成為全球化工行業最大的化工過程安全管理協會。CCPS提出了預防化工過程安全事故的4大基本原則:①企業領導層對于過程安全的承諾;②理解和了解風險;③管理風險;④不斷地從經驗教訓中改進。自1989年開始,CCPS陸續推出了《化工過程安全技術管理指南》等一系列指南叢書,鼓勵成員單位全面系統地開展化工過程安全事故預防工作。目前,推行化工過程安全管理已經被國內外同行共同認為是提升化工企業安全績效最可行的方法。化工過程安全管理在美國和中國的發展歷程,如表2所示。

表2 化工過程安全管理在美國和中國的發展歷程

目前我國最新修訂的《化工過程安全管理導則》(AQ/T 3034—2022)中化工過程安全管理要素主要包括20項,如表3所示。

表3 《化工過程安全管理導則》(AQ/T 3034—2022)中化工過程安全管理要素

3.2 本質安全策略在化工過程安全管理要素中的應用

過程安全管理被定義為應用管理原則和系統來識別、理解和控制過程危害,以防止與過程相關的傷害和事故發生。過程安全管理作為風險管控的最佳實踐方法已在世界范圍內得到認可和接受。從本質安全與風險管控的關系可以看出,本質安全策略是風險管控中優先級最高的安全控制措施,所以本質安全不僅是過程安全管理方案的組成部分,同時也是過程安全管理各要素管理方案設計理念的一部分,其在提高過程安全管理的有效性方面發揮著關鍵作用。

Amyotte等[18]詳細地闡述了本質安全與化工過程安全管理要素之間的關系,主要是基于加拿大化學工程協會(CSCHE)出版的《化工過程安全管理指南》中12個化工過程安全管理要素。由表3可知:我國最新修訂的《化工過程安全管理導則》中將化工過程安全管理要素增加至20個。因此,本文詳細地分析了本質安全與這20個化工過程安全管理要素之間的關系,以及在執行化工過程安全管理要素活動中可能發揮的作用,進一步加強本質安全的理解和應用,提高化工企業的風險管控水平和過程安全管理能力。本質安全策略在化工過程安全管理各要素中的具體應用,如表4所示。

表4 本質安全策略在化工過程安全管理要素中的應用

4 結 論

1) 本質安全的核心是從源頭上消除或降低危害, 通過合理的工藝設計而不是完全靠增加外部的安全保護設施(保護層)來提高系統的安全性。

2) 風險管控措施分為第一層級的本質安全措施、第二層級的本質安全措施、第三層級的預防性安全措施和第四層級的緩和性安全措施4個層級,其優先級逐漸降低,風險管控的效果逐漸減弱。

3) 保護層本身并不屬于本質安全的范疇,但本質安全策略可以應用于保護層本身,從而提升保護層的可靠性或有效性。

4) 本質安全是化工過程安全管理的重要組成部分,也是化工過程安全管理各要素管理方案設計理念的一部分,將本質安全策略更好地應用于化工過程安全管理的各要素中有助于提高化工企業安全管理工作的質量和預防事故的發生。