保護(hù)層分析方法在丙烯酸樹脂生產(chǎn)工藝中的應(yīng)用

樊俊鋒

上海緯縱化工工程咨詢有限公司（上?！?00235）

化工管理

保護(hù)層分析方法在丙烯酸樹脂生產(chǎn)工藝中的應(yīng)用

樊俊鋒

上海緯縱化工工程咨詢有限公司（上海200235）

介紹了保護(hù)層分析（LOPA）方法，闡述了利用LOPA方法對事故場景進(jìn)行半定量分析的步驟。以丙烯酸樹脂生產(chǎn)工藝中的事故場景為例，利用LOPA方法進(jìn)行了擬采用措施實(shí)施前后事故要求失效概率（PFD）的分析，據(jù)此進(jìn)行安全改造工作決策并落實(shí)改造措施。

保護(hù)層分析事故場景丙烯酸樹脂要求失效概率

0　前言

化工項(xiàng)目往往具有工藝流程復(fù)雜、介質(zhì)危險(xiǎn)、易燃易爆等特點(diǎn)。為保障安全運(yùn)行，需系統(tǒng)地識(shí)別工藝裝置中的各種潛在風(fēng)險(xiǎn)和危害，并提出切實(shí)可靠的措施以達(dá)到降低事故發(fā)生的可能性及減輕事故后果的目的。

作為一種工藝安全分析方法，危險(xiǎn)與可操作性研究（HAZOP）近年來在化工領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1]。HAZOP是一種定性的分析方法，不能解決風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的概率以及采取措施后發(fā)生概率降低多少的問題。為此，在化工項(xiàng)目安全分析中引入了保護(hù)層分析（LOPA）方法。LOPA方法是基于事故場景進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)研究的半定量分析方法，因其客觀、可靠且高效，近年來在國際石化企業(yè)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。

本文以丙烯酸樹脂安全改造項(xiàng)目為例，通過LOPA方法的應(yīng)用，采取針對性的安全措施并將風(fēng)險(xiǎn)降低至可接受的程度。

1　LOPA簡介

LOPA是在定性危害分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步評(píng)估保護(hù)層的有效性，并進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)決策的系統(tǒng)方法。其主要目的是確定是否有足夠的保護(hù)層使得事故發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)降低到可接受的范圍內(nèi)[2]。

LOPA方法的操作主要是通過量化事故發(fā)生的頻率和事故發(fā)生后可能導(dǎo)致的后果的嚴(yán)重程度來表征事故的風(fēng)險(xiǎn)程度，分析事故場景下各個(gè)保護(hù)層的失效概率，通過計(jì)算確定該風(fēng)險(xiǎn)事故發(fā)生的近似概率，從而決定是否需要增加保護(hù)層，直至該風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的概率降低至可接受程度。

在化工項(xiàng)目中，通常有7個(gè)保護(hù)層：（1）本質(zhì)安全的化工工藝設(shè)計(jì)；（2）基本過程控制系統(tǒng)（BPCS），是執(zhí)行持續(xù)監(jiān)測和控制日常生產(chǎn)過程的控制系統(tǒng)，由傳感器、邏輯控制器和最終執(zhí)行元件組成，通過響應(yīng)過程或者操作人員的輸入信號(hào)產(chǎn)生輸出信息，使過程以期望的方式運(yùn)行；（3）關(guān)鍵報(bào)警和操作人員干預(yù)，操作人員應(yīng)能夠得到采取行動(dòng)的指示和報(bào)警，并能夠完成報(bào)警所要求的操作任務(wù)；（4）安全儀表功能，通過檢測超限（異常）條件使控制過程進(jìn)入功能安全狀態(tài)，由傳感器、邏輯控制器和最終執(zhí)行元件組成并具有一定的安全完整水平且獨(dú)立于基本過程控制系統(tǒng)；（5）物理保護(hù)（安全閥、爆破片等）；（6）釋放后保護(hù)（防火堤、防爆墻等）；（7）工廠和社區(qū)應(yīng)急響應(yīng)[3]。

2　保護(hù)層分析步驟

利用LOPA方法進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)分析的步驟一般分為以下6步：

（1）將工藝過程中所有可能的事故場景及其發(fā)生的后果和可能性進(jìn)行識(shí)別和篩選，事故場景通?？梢酝ㄟ^HAZOP等工藝安全分析方法獲得[5]。

（2）在識(shí)別和篩選后的事故場景中進(jìn)行初始事件的確認(rèn)以及獲取該事件發(fā)生的頻率。

（3）列出所有的獨(dú)立保護(hù)層（IPL）措施，IPL要能夠有效阻止后果的發(fā)生，需要滿足獨(dú)立性、有效性、安全性、變更管理和可審查性的要求[4]。上文提到的7個(gè)保護(hù)層，除工廠和社區(qū)應(yīng)急響應(yīng)以外，其他保護(hù)層可單獨(dú)或組合成為IPL。但如果某IPL失效本身為初始事件，那么該IPL就不能作為保護(hù)層予以考慮。例如，某溫度聯(lián)鎖控制失效為初始事件，那么該溫度聯(lián)鎖所產(chǎn)生的報(bào)警就不能作為保護(hù)層考慮并參與第4步的計(jì)算。

（4）利用初始事件發(fā)生的概率和各個(gè)IPL失效的概率計(jì)算出該風(fēng)險(xiǎn)事故發(fā)生的近似概率。計(jì)算中所選用的數(shù)據(jù)可采用行業(yè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、企業(yè)歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)或供應(yīng)商提供的廠商數(shù)據(jù)等。

（5）根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率的計(jì)算結(jié)果和后果等級(jí)，使用定量數(shù)值風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)、風(fēng)險(xiǎn)矩陣等形式進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和決策。

（6）對分析結(jié)果的執(zhí)行情況進(jìn)行后續(xù)跟蹤，對提出的降低風(fēng)險(xiǎn)的行動(dòng)的實(shí)施情況進(jìn)行落實(shí)。

3　LOPA方法的實(shí)際運(yùn)用

在丙烯酸樹脂聚合工藝的安全改造中，利用LOPA方法進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)分析并提出了有效的安全改造建議。

3.1丙烯酸樹脂生產(chǎn)工藝過程

丙烯酸樹脂合成反應(yīng)是聚合反應(yīng)，各類單體（苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙稀酸羥乙酯、甲基丙稀酸羥丙酯等）在溶劑中經(jīng)引發(fā)發(fā)生聚合反應(yīng)，生成聚合物。該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，在常壓、一定溫度下進(jìn)行，反應(yīng)過程包括鏈的引發(fā)、增長和終止。

該項(xiàng)目中丙烯酸樹脂合成的工藝流程如圖1所示。將苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯等單體以及引發(fā)劑按配料要求加入單體罐中并攪拌混合均勻，利用冷凍水進(jìn)行冷卻以防止溫度過高引發(fā)聚合；溶劑按配料要求加入聚合反應(yīng)釜內(nèi)，利用導(dǎo)熱油加熱，攪拌升溫至回流溫度；在溶劑回流狀態(tài)下，勻速滴加已預(yù)先配置好的混合單體，同時(shí)關(guān)導(dǎo)熱油、開冷卻水，邊攪拌邊滴加，控制溫度低于回流溫度；混合單體滴加完畢后，進(jìn)行保溫反應(yīng)；保溫完畢后，將產(chǎn)物放入兌稀釜中，取樣分析并進(jìn)行稀釋；對達(dá)標(biāo)成品進(jìn)行過濾、包裝。

3.2定義風(fēng)險(xiǎn)矩陣

在開始保護(hù)層分析之前先與建設(shè)單位討論并確定風(fēng)險(xiǎn)矩陣，如表1所示，根據(jù)事故每年發(fā)生的頻率和事故后果的嚴(yán)重程度分級(jí)確定該風(fēng)險(xiǎn)事故的等級(jí)，其中事故后果的嚴(yán)重程度分級(jí)如表2所示。

圖1　丙烯酸樹脂合成工藝流程

表1　風(fēng)險(xiǎn)矩陣示意

表2　事故后果等級(jí)劃分

3.3保護(hù)層分析過程

3.3.1場景識(shí)別和篩選

根據(jù)HZAOP分析結(jié)果，得到事故場景以及工藝安全分析結(jié)果，在此以其中1個(gè)事故場景舉例，如表3所示。

表3　事故場景分析

該事故場景為冷凍水回路失效導(dǎo)致溫度升高引發(fā)單體聚合，造成單體罐中超溫超壓引發(fā)爆炸。

3.3.2初始事件確認(rèn)

初始事件為冷凍水回路失效，初始事件每年發(fā)生的頻率（fi）為10-1。

3.3.3列出保護(hù)層措施

基本過程控制系統(tǒng)報(bào)警和人員響應(yīng)：溫度超過35℃即產(chǎn)生報(bào)警，提醒生產(chǎn)人員采取行動(dòng)，關(guān)閉單體進(jìn)料并開啟抑制劑閥門將抑制劑放至單體罐中，可有效阻止單體進(jìn)一步聚合。該基本過程控制系統(tǒng)與初始事件無關(guān)，故可作為獨(dú)立保護(hù)層考慮，其失效概率PFD1為10-1。

爆破片：單體罐中單體聚合引發(fā)壓力上升，壓力升至45 kPa時(shí)爆破片破裂泄放物料，可有效阻止進(jìn)一步超壓乃至爆炸的發(fā)生。爆破片獨(dú)立于初始事件和其他保護(hù)層,故可作為IPL考慮，其失效概率PFD2為10-3。

3.3.4失效概率（fc）的計(jì)算

3.3.5風(fēng)險(xiǎn)分析和決策

該事故場景可能導(dǎo)致超壓爆炸，后果等級(jí)為5級(jí)，跟據(jù)表1風(fēng)險(xiǎn)矩陣得出該事故風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為中。

建議在基本過程控制系統(tǒng)中增加SIL2回路，即增加SIL2的溫度檢測儀表，聯(lián)鎖SIL2的開關(guān)閥，將該保護(hù)層失效的概率從10-1降低至10-3。

重新計(jì)算失效概率為：

計(jì)算顯示，通過增加SIL回路降低保護(hù)層失效的概率可以將場景失效概率從10-5降低至10-7。對應(yīng)表1風(fēng)險(xiǎn)矩陣，得出該事故風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為低。

3.3.6后續(xù)跟蹤和措施落實(shí)

根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果和決策，進(jìn)一步落實(shí)了該安全改造項(xiàng)目的安全儀表采購、安裝、測試的負(fù)責(zé)人以及進(jìn)度安排。安裝測試完成后工藝完全小組到現(xiàn)場進(jìn)行了SIL回路的現(xiàn)場確認(rèn)和驗(yàn)證。

4　結(jié)語

丙烯酸樹脂合成是一種風(fēng)險(xiǎn)較大的化學(xué)反應(yīng)過程，在工藝安全分析的基礎(chǔ)上，采用LOPA方法半定量地分析了事故發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)，通過計(jì)算事件失效概率，更加準(zhǔn)確地定量預(yù)測事故可能發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)，為安全小組人員進(jìn)行安全決策提供了判據(jù)。

LOPA應(yīng)用過程中需要有相關(guān)硬件（閥門、儀表等）的可靠廠商實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（主要為故障率）。我國在產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和快速發(fā)展過程中，目前這方面仍需加強(qiáng)，建議由產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)牽頭，在生產(chǎn)過程中加強(qiáng)監(jiān)管，幫助各生產(chǎn)企業(yè)建立可靠的數(shù)據(jù)庫，使得LOPA方法更好地發(fā)揮作用，從而幫助化工企業(yè)降低事故風(fēng)險(xiǎn)，更加健康地發(fā)展。

[1]廖學(xué)品.化工過程危險(xiǎn)性分析[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2000.

[2]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.

[3]DowellⅢA M.Layer of protection analysis for determining safety integrity level[J].ISA Transactions,1998,37(3)：155-165.

[4]管杰,廖海燕.保護(hù)層分析（LOPA）在煉化生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].安全、健康和環(huán)境,2010,10(1)：36-38,41.

[5]吳重光,張貝克,馬昕.過程工業(yè)安全設(shè)計(jì)的防護(hù)層分析（LOPA）[J].石油化工自動(dòng)化,2007(4)：1-3,28.

The Application of Layer of Protection Analysis in Acrylic Resin Manufacturing Process

Fan Junfeng

Layer of protection analysis(LOPA)method is introduced,and the steps of how to use LOPA method to perform the semi-quantitative analysis of accident scenario are illustrated.Taking the accident scenario of acrylic resin manufacturing process as an example and by utilizing the LOPA method,the probabilities of failure on demand before and after the safety measure implementation are analyzed separately.The analysis results serve as the basis of decision making that whether and how to implement safety improvement measures.

Layer of protection analysis;Accident scenario;Acrylic resin;Probability of failure on demand

TP 202.1

樊俊鋒男1980年生工程師碩士研究方向?yàn)榛すに嚢踩?/p>

2015年7月