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综合应用HAZOP、LOPA、F&EI三种风险分析方法
叶闯
摘要：在进行工艺过程风险分析时，选用合理有效的安全评价方法是至关重要的。道化学火灾、爆炸指数法(F＆EI)、危险与可操作性分析(HAZOP)和保护层分析法(LOPA)作为重要的安全评价方法，在化工安全评价中得到了广泛应用。针对HAZOP分析主观性强、耗费时间长等缺点，提出了将F&EI、LOPA与HAZOP相结合的安全评价方法。F&EI的结果可以为HAZOP分析提供必要的数据支持，判断评价单元的本质安全性，对后果严重程度处于可接受范围内的单元可以少进行或不进行HAZOP分析；对后果严重度较高的事故场景进行半定量的LOPA分析，提高评价过程的客观性。从风险矩阵的角度，讨论了利用F&EI判断后果严重程度的两种方式。同时从HAZOP、LOPA的信息共享上，讨论了较复杂事故场景下，可以借助LOPA完善未完成的HAZOP分析，并丰富HAZOP案例库。最后以1984年印度博帕尔事故为例，说明通过3种安全评价方法的数据与信息共享，风险评价过程更加方便、高效，评价结果更加全面、细致。
关键词：危险与可操作性分析（HAZOP）；道化学火灾、爆炸指数法(F&EI)；保护层分析法(LOPA)；数据传输；信息共享
正文
1、引言
对化工工艺系统实施工艺危害分析(process hazard analysis，PHA)，可以系统地辨识、评估工艺装置或设施的潜在危险性，并提出降低危险性的建议措施，它对保障企业的安全生产具有重要意义。PHA方法较多，不同的方法具有不同的特点和适用范围。危险与可操作性分析(hazard and operability analysis，HAZOP)是系统化地发现工艺安全隐患及可操作性问题的方法，通过逐一审查工艺过程并分析装置的危险性，保证了分析的全面性，同时易于操作。道化学火灾、爆炸指数法(dow’s fire and explosion index,F&EI)是常用的危险指数评价方法，它依据工艺单元的操作环境、物质的潜在能量和安全保护措施状况进行综合评价，是一种表征过程本质安全特性的指数。保护层分析法(1ayer of protection analysis．LOPA)是一种半定量的分析方法，它根据独立保护层在事故发展过程中的失效概率，分析过程能否达到要求的风险等级。
各种PHA方法中，HAZOP在化工和石化领域应用最为广泛，但HAZOP分析也存在着主观性强、耗费时间长等缺点。将F&EI、LOPA与HAZOP结合，具有两方面的优点，一方面通过F&EI评价可以为HAZOP分析提供必要的数据支持，判断评价单元的本质安全性，对后果严重程度处于可接受范围内的单元可以少进行或不进行HAZOP分析；另一方面，针对HAZOP主观性较强的不足，可以对后果严重度较高的事故场景进行半定量的LOPA分析，提高评价过程的客观性。因此，本文提出对工艺过程进行安全评价时，可以HAZOP为基础，利用F&EI加强对过程中危险最集中区域的风险分析，利用LOPA进行基于事故场景的保护措施的有效性分析，并通过3种安全评价过程中数据与信息的共享，风险评价过程更加方便、高效，评价结果更加全面、细致。
2、F&EI、LOPA与HAZOP结合提高分析结果的准确性
传统的HAZOP分析根据详细的过程流程图(process flow diagram，PFDs)以及工艺管道仪表流程图(piping & instrument diagram，P&IDs)，将工艺过程分割为多个工艺单元，选择所包含的研究节点，分析每个节点所包含的参数出现偏差原因，以及偏差导致的后果并提出应采取的安全措施。该分析方法全面，能够有效地辨识风险，但是HAZOP分析主观性较强。在HAZOP分析的过程中，如果能结合F&EI评价和LOPA分析，将会大大提高分析过程的准确性。
在F&EI评价中，F&EI值能较好体现本质安全设计的基本准则和要求。如果F&EI值大于128，一般认为工艺单元发生火灾、爆炸事故的严重度较大，强烈推荐进行详细的HAZOP分析；否则，建议对单元少进行或者不进行HAZOP分析。
当HAZOP分析中发现某个偏差下事故场景比较复杂，分析人员难以进行准确评价时，需进一步采取半定量的LOPA分析，其结果可以返回给未完成的HAZOP分析。整合后的HAZOP分析如图l所示，它将3种评价方法有机地结合起来，充分利用各自特点，可以有效地提高评价结果的准确性，也有利于分析数据的共享。

图1整合后的HAZOP分析
3、F&EI、LOPA与HAZOP的数据共享
3.1、利用F&EI分析判断事故的后果严重度
风险是对事故造成的人员伤亡、环境损害和经济损失等的描述，表达了事故发生可能性和后果的严重程度，是事故发生频率和后果严重度的函数，是对事故的
量化描述。

图2风险矩阵
编制风险矩阵、确定风险等级是进行风险评价的必要步骤。在HAZOP和LOPA中，均使用风险矩阵评估风险大小。一般同一公司进行安全评价时，均使用相同的风险矩阵。
图2是典型的风险矩阵，事故后果按照其严重程度分成5类，事故发生频率根据每年发生的次数(表1)分成7个级别。根据某一事故场景的后果分类和频率等级，可以得到相应的风险级别，针对每一风险级别有对应的建议措施（表2）。
在实际的评价过程中，可以采用定量、半定量或定性的方法评定后果严重程度，在HAZOP分析中一般依靠定性方法判断后果严重程度。当利用F&EI对某一单元进行了分析，利用分析结果可以生成具有半定量信息的后果严重度。
表1、频率等级
等级
每年发生次数
1
10^-6~10^-7（或更低）
2
10^-5~10^-6
3
10^-4~10^-5
4
10^-3~10^-4
5
10^-2~10^-3
6
10^-1~10^-2
7
1.0~10^-1（或更高）
表2、风险等级及对应措施
风险等级
对应措施
1~5
无需采取安全措施
6~8
在条件允许时应采取安全措施
9~11
通知公司管理层，在F次机会来临时采取安全措施
12~13
立即采取安全措施
根据泄露物质的特征和泄漏量可以半定量地判断事故后果的严重性。美国化工过程安全中心据此编制了后果评价矩阵。该矩阵评估的物质泄漏量和泄露特征可由F&EI提供参考数据：表征泄露物质的特征时，可参考美国消防协会对物质的毒性指数NH和易燃性NF表分类方法，而物质泄漏量可由F&EI的“特殊工艺易燃物质和不稳定物质的数量”提供。
此外，还可以借助已进行F&EI评价，直接利用F&EI值划分的危险等级，将危险等级与事故的后果等级一一对应。这一方法看似简单，但它使人们对火灾、爆炸的严重程度有一个相对直观的认识，F&EI值反映了工艺单元的本质安全信息，因此用F&EI值直接进行后果分类是可行的。
利用F&EI获得事故后果分类，风险矩阵的数据来源更加客观，有利于提高依靠风险矩阵进行安全评价的准确性。
表3、F&EI值对应的危险等级及后果分类
FE&I值
危险等级
后果分类
1~60
最轻
1类
61~96
较轻
2类
97~127
中等
3类
128~158
很大
4类
>159
非常大
5类
3．2、HAZOP和LOPA的信息共享
HAZOP分析具有简单、方便的特点，但是对于较复杂的事故场景，HAZOP分析可以识别事故场景的始发事件，但是却容易忽视条件事件、后果修饰和某些安全保护措施，从而影响风险评估的客观性和准确性。
LOPA是半定量的风险评价方法，它用始发事件频率等级、后果严重程度以及独立保护层的失效概率来评定事故场景的风险大小，目的在于确定是否存在足够的独立保护层。很多学者提出LOPA可以从HAZOP中获取相关信息。美国化工过程安全中心、Dowell AMIII、Bingham K等考虑了在较复杂事故场景下，LOPA对HAZOP的事故场景等有用信息加以整合利用，完成风险评价。
事实上，信息不仅可以由HAZOP传递至LOPA，LOPA的评价结果也可以丰富HAZOP案例库。由于LOPA在评价过程中包含大量信息，在向HAZOP逆向传输数据的过程中，需要注意信息的有效整合。LOPA的“始发事件”和“条件事件”构成了HAZOP的“原因”，而“独立保护层”和“非独立保护层的保护措施”则一起构成了HAZOP的“安全措施”。
4、3种方法的数据传输与信息共享案例
在1984年发生的印度博帕尔甲基异氰酸酯(MIC)泄露事故，是人类迄今为止灾难最严重的化工事故之一，超过2000名平民在事故中丧生。事故工厂生产杀虫剂的中间产品MIC，该物质具有挥发性、有毒且易燃，室温下为无色液体，常压下沸点39.1℃，闪点低于-15℃，能与水发生放热反应。事发当天，在没有通知操作人员、没有申请作业许可证、没有安装盲板进行隔离的情况下，维修人员对工艺管道上的过滤器进行违规清理。由于储罐进料管阀门发生了腐蚀泄露，维修人员在反冲洗过滤器时，冲洗水由该阀门进入MIC储罐并发生放热反应，温度和压力也随之升高。而温度、压力仪表因缺乏维护无法正常工作，冷冻系统事发前停用，火炬系统处于维修之中，主要的保护措施均处于失效状态，导致610号储罐大量MIC泄漏到周围环境中，造成重大人员伤亡。
以下以该事故为例说明3种方法在数据上的传输以及信息上的共享。
首先，需要进行F&EI评价，数据参考C.B.Etowa等2004年对该事故的F&EI评价。事故发生前，操作温度约为20℃，MIC在610号储罐中的储量为9．04X104lb，NH值为4，故M1C为剧毒物质且操作温度低于沸点，事故场景的后果严重度为“5类”。
如果直接利用F&EI值来判定后果严重度，由于工艺单元危险系数为229．68，危险等级为“非常大”，所以后果等级也为“5类”。
F&EI指数远大于128，后果严重度非常高。但在对610储罐进行HAZOP分析时，却发现事故场景涉及到条件事件、诸多安全措施，仅仅依靠HAZOP分析难以得到满意的结果。
为提高评价结果的客观性和准确性，需要对610储罐进行LOPA分析，事故场景的信息可以直接取自未完成的HAZOP分析。LOPA分析花费的时间要比HAZOP多，但是考虑得要细致全面。HAZOP中没有“条件事件”的评价项，而LOPA中需要考虑“条件事件”。在该事故场景中，“储罐进料管上的阀门发生内部泄露”是事故场景发生的前提条件，其发生可能性必须纳入到事故风险的评价中。
于本事故场景而言，“冷冻系统”、“超压、超温警报”、“洗涤器和火炬系统”以及“安全阀”是主要的安全措施。其中“安全阀”不能视为独立保护层，因为泄压后MIC对外界的释放不能视为事故的终止与缓和，而事故的延续。在未采取建议措施前，“冷冻系统”、“超压、超温警报”、“洗涤器和火炬系统”因失效而不视为独立保护层，这也意味着事故前没有严格意义上的安全措施，风险级别高达2，需要立即采取安全措施。在按照建议措施的要求增加独立保护层后，风险级别降到了5级。
在完成LOPA分析后，可以将其结果返回给HAZOP分析，从而完善了未完成的HAZOP分析。这里需要注意的是，HAZOP的原因应当表达为LOPA分析“始发事件”和“条件事件”整合后的结果。因此，和LOPA的逆向信息传输，不仅可以丰富HAZOP案例库，也能提高HAZOP对事故场景描述的准确性。
5、结论
F&EI是一种本质安全指数，率先进行的F&EI评价，可以对后续HAZOP分析提供指导和数据支持。当HAZOP分析的事故场景比较复杂时，采用LOPA分析，深入分析事故的原因、后果及保护层情况，提高分析的准确度。将F&EI、LOPA与HAZOP相结合，利用各自优势，实现数据共享，对提高安全评价的准确性具有重要意义。
参考文献：
1、 吴重光《危险与可操作性分析(HAZOP)应用指南》中国石化出版社，2012年
2、 美国化学工程师学会《道化学火灾爆炸指数风险分类指南》（第七版）纽约：美国化学工程师学会，1994。
3、 舍夫勒NE《本来更安全的乳胶工厂》过程安全进展，1996
4、 高兰《将本质安全概念应用到光气厂收购事项》过程安全进展，1996
5、 化工过程安全中心《LOPA：简化的风险评估》纽约：美国化学工程师学会，1994
6、 化工过程安全中心《化学品运输风险分析指南》纽约：美国化学工程师学会，1995