基于2GW-HAZOP與偏離度的輸氣站降壓排污作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估*

孫藝博，劉佳瑋，李威君

(1.山東海普安全環(huán)保技術(shù)股份有限公司，山東 青島 266001；2.山東科技大學(xué) 安全與環(huán)境工程學(xué)院 安全與應(yīng)急管理學(xué)院，山東 青島 266590)

0 引言

輸氣站是天然氣集輸系統(tǒng)的樞紐，擔(dān)負(fù)著天然氣的運(yùn)輸、調(diào)壓、計(jì)量等功能。隨著我國(guó)天然氣管網(wǎng)越來越密集，輸氣站的樞紐作用越來越凸顯。為保障天然氣的正常供應(yīng)，輸氣站的安全問題是天然氣穩(wěn)定輸送的關(guān)鍵。然而，由于物料的易燃易爆性、工藝的復(fù)雜性、人為誤操作等影響，輸氣站場(chǎng)往往成為輸氣管網(wǎng)的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域。站場(chǎng)一旦發(fā)生事故，不僅影響天然氣的穩(wěn)定供應(yīng)，極易造成火災(zāi)爆炸、環(huán)境污染等事故，甚至可能產(chǎn)生不良的政治影響。例如，2017年12月，奧地利鮑姆加滕輸氣站場(chǎng)發(fā)生爆炸，造成向意大利、斯洛文尼亞和匈牙利的輸氣中斷[1]。因此，保證輸氣站場(chǎng)的安全運(yùn)行意義重大。

目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)輸氣站的風(fēng)險(xiǎn)分析研究多針對(duì)其工藝流程或設(shè)備，較少涉及作業(yè)過程。例如，在設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)分析方面，吳赟等[2]、黃亮亮等[3]、Zarei等[4]主要采用失效模式與影響分析法、T-S模糊故障樹、定量RBI技術(shù)進(jìn)行研究。在輸氣站工藝單元方面，鄭明等[5]通過經(jīng)驗(yàn)指數(shù)計(jì)算得到輸氣站各功能單元的失效概率等級(jí)；姚安林等[6]引入Go法分析輸氣站的可靠性，該方法能夠?qū)⑼９?、維修和備用等環(huán)節(jié)故障的復(fù)雜相關(guān)性進(jìn)行表征；馬躍[7]結(jié)合層次分析與灰色聚類法構(gòu)建輸氣站場(chǎng)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型；曲莎等[8]指出輸氣站的作業(yè)活動(dòng)對(duì)整個(gè)輸氣系統(tǒng)的安全性影響較大，但其對(duì)輸氣站的安全評(píng)價(jià)仍以設(shè)備設(shè)施為分析單元，未從作業(yè)過程風(fēng)險(xiǎn)的角度進(jìn)行研究。事故調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，許多事故起因并非是設(shè)備或工藝自身失效，更多與錯(cuò)誤的作業(yè)過程有關(guān)。作業(yè)過程的風(fēng)險(xiǎn)因素眾多，既涉及工藝設(shè)備，又與人的行為因素密切相關(guān)。而傳統(tǒng)的HAZOP方法主要以工藝過程為分析節(jié)點(diǎn)，較少考慮作業(yè)行為、順序等受人為因素干擾較大的影響因素。鑒于此，提出以輸氣站中的降壓排污作業(yè)過程為分析對(duì)象，構(gòu)建適用于作業(yè)過程的HAZOP分析方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)作業(yè)偏差的定義與分析，為輸氣站降壓排污作業(yè)過程的事故預(yù)防提供借鑒。

1 作業(yè)過程風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型

1.1 2GW-HAZOP

危險(xiǎn)與可操作性分析(Hazard and Operability Analysis，HAZOP)方法是評(píng)估過程風(fēng)險(xiǎn)有效的方法之一，被廣泛地應(yīng)用于石油化工行業(yè)。國(guó)內(nèi)外針對(duì)HAZOP的研究主要集中在對(duì)工藝參數(shù)偏差的分析，對(duì)作業(yè)過程偏差的定義與應(yīng)用尚不足[9-11]。近年來，一些專家學(xué)者通過將HAZOP與其他方法進(jìn)行結(jié)合實(shí)現(xiàn)對(duì)HAZOP的改進(jìn)，例如基于多目標(biāo)決策支持的HAZOP[12]、模糊層次分析HAZOP[13]等，但仍將其應(yīng)用領(lǐng)域局限在工藝過程而非作業(yè)過程的風(fēng)險(xiǎn)分析。究其原因，作業(yè)過程的主要風(fēng)險(xiǎn)因素在于人因失誤(如操作、管理等)，因此傳統(tǒng)的工藝參數(shù)偏差引導(dǎo)詞已不再適用，需要重新定義其偏差分析的引導(dǎo)詞。此外，傳統(tǒng)HAZOP分析方法的引導(dǎo)詞過多，使得風(fēng)險(xiǎn)分析過程過于復(fù)雜，成為制約HAZOP應(yīng)用的1個(gè)重要因素[14]。

將傳統(tǒng)7種工藝參數(shù)偏差引導(dǎo)詞映射到1個(gè)偏差二元組中，形成適用于作業(yè)過程風(fēng)險(xiǎn)分析的方法——2GW-HAZOP(2 Guide Word Hazard and Operability)。該方法采用節(jié)點(diǎn)跨越和節(jié)點(diǎn)功能偏離2種引導(dǎo)詞，其與傳統(tǒng)HAZOP的映射關(guān)系如圖1所示。

圖1 2GW-HAZOP引導(dǎo)詞Fig.1 Guide words of 2GW-HAZOP

進(jìn)一步，對(duì)2種引導(dǎo)詞進(jìn)行如下定義：

1)節(jié)點(diǎn)跨越：節(jié)點(diǎn)未被執(zhí)行。

2)節(jié)點(diǎn)功能偏離：節(jié)點(diǎn)被錯(cuò)誤地執(zhí)行。其中包括執(zhí)行速度(過快或過慢)、執(zhí)行程度(部分或過度)、執(zhí)行順序(提前或推遲)以及造成執(zhí)行錯(cuò)誤的其他情形。

從引導(dǎo)詞的定義中可以看出，2GW-HAZOP方法中的引導(dǎo)詞既可以涵蓋傳統(tǒng)HAZOP的所有引導(dǎo)詞，減少風(fēng)險(xiǎn)情景的遺漏，又可以針對(duì)作業(yè)過程風(fēng)險(xiǎn)的特點(diǎn)對(duì)引導(dǎo)詞進(jìn)行簡(jiǎn)化，節(jié)省HAZOP評(píng)估的時(shí)間。

1.2 偏離度

在作業(yè)過程風(fēng)險(xiǎn)分析中，可用偏離度來衡量實(shí)際作業(yè)情景偏離正常作業(yè)情景的程度，偏離度大小即反映作業(yè)活動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)水平。偏離度的數(shù)學(xué)表達(dá)式如式(1)所示：

(1)

式中：ζ為偏離度函數(shù)；A為理想情景；X為實(shí)際情景。

根據(jù)安全系統(tǒng)工程因果分析的基本原理，控制措施對(duì)風(fēng)險(xiǎn)具有一定的削減作用。因此，偏離既包括作業(yè)過程節(jié)點(diǎn)功能的偏離，又包括預(yù)防性控制措施的偏離。因此，分別從節(jié)點(diǎn)功能和控制措施2方面對(duì)偏離度進(jìn)行界定。

1)節(jié)點(diǎn)功能偏離度

根據(jù)2GW-HAZOP中對(duì)作業(yè)過程節(jié)點(diǎn)功能偏差的定義，偏離度值可分為以下幾種情形：正常作業(yè)情況下，節(jié)點(diǎn)被完全執(zhí)行，則說明無偏離，即偏離度值為0；若節(jié)點(diǎn)不被執(zhí)行，則說明完全偏離，此時(shí)偏離度為1；當(dāng)作業(yè)情況介于二者之間時(shí)，偏離度為0與1之間的數(shù)值，該情況所包含的子偏離較多。節(jié)點(diǎn)功能偏差定義及偏離度表示見表1。

表1 作業(yè)節(jié)點(diǎn)功能偏離度Table 1 Functional deviation degrees of operation nodes

2)控制措施偏離度

單純依靠節(jié)點(diǎn)功能偏離度并不能完全反映作業(yè)過程的風(fēng)險(xiǎn)水平，采取適當(dāng)?shù)目刂拼胧┛蓽p少由作業(yè)活動(dòng)引起的偏離。對(duì)比已有措施與風(fēng)險(xiǎn)分析得到的預(yù)防性措施，若無相關(guān)措施，則偏離度為1；若已有措施符合或者超出預(yù)防性措施的要求，則偏離度為0；否則，偏離度為0與1之間的數(shù)值，偏離程度與偏離度值的對(duì)應(yīng)關(guān)系與表1相同。

3)總偏離度

計(jì)算總偏離度即是對(duì)節(jié)點(diǎn)功能偏離度和控制措施偏離度2種偏離度進(jìn)行加權(quán)耦合[15]，權(quán)重的大小取決于控制措施的實(shí)施難易程度。計(jì)算公式如式(2)所示：

R=?ζ2+(1-?)ζ1

(2)

式中：R為總偏離度；ζ1為節(jié)點(diǎn)功能偏離度；ζ2為控制措施偏離度；?為控制措施的權(quán)重系數(shù)。

同樣采用半定量的方法定義?的值，控制措施的實(shí)施難易程度與權(quán)重對(duì)應(yīng)關(guān)系見表2。需要注意的是，當(dāng)存在多種不同類型的控制措施時(shí)，選取實(shí)施程度較難的措施對(duì)應(yīng)的權(quán)重作為保守值。

表2 控制措施的實(shí)施難易程度與權(quán)重對(duì)應(yīng)關(guān)系Table 2 Corresponding relation between degree of implementation difficulty and weight for control measures

2 降壓排污作業(yè)過程節(jié)點(diǎn)劃分

降壓排污作業(yè)是輸氣站的重要作業(yè)過程之一。輸氣站上游來氣往往混有雜質(zhì)，影響站內(nèi)設(shè)備及管道的正常使用及壽命。因此，輸氣站中設(shè)置有分離除塵器及排污系統(tǒng)對(duì)天然氣中的雜質(zhì)進(jìn)行處理。尤其在輸氣站運(yùn)行初期，排污作業(yè)較為頻繁，以減少管道施工過程中的殘留雜質(zhì)對(duì)輸氣站生產(chǎn)運(yùn)行的影響。以過濾分離為主要功能的輸氣站工藝簡(jiǎn)圖如圖2所示。圖2中虛線框內(nèi)的部分為降壓排污過程的主要作業(yè)對(duì)象，從圖2中可以直觀地觀察降壓排污作業(yè)過程中物質(zhì)的流經(jīng)路徑：天然氣從分離器進(jìn)口進(jìn)入，分離產(chǎn)生污水流經(jīng)分離器出口閥門和管線，最后匯入排污池，分離產(chǎn)生的氣體輸入管匯，多余天然氣由放空管線排出。

圖2 以過濾分離為主要功能的輸氣站工藝簡(jiǎn)圖Fig.2 Process diagram of gas transmission station with filtration and separation as main functions

為探究降壓排污作業(yè)過程風(fēng)險(xiǎn)產(chǎn)生的位置及影響，需要首先對(duì)作業(yè)過程進(jìn)行分解。分解的主要依據(jù)是作業(yè)操作規(guī)程。降壓排污作業(yè)過程的詳細(xì)作業(yè)步驟如下：

1)排污池環(huán)境檢查，確保50 m范圍無火源；

2)排污池檢查，確認(rèn)排污池容量，且液位高于排污管口0.1 m；

3)切斷分離器進(jìn)出口閥門；

4)將分離器放空至1.0 MPa；

5)全開分離器排污管線球閥，緩慢開啟排污閥；

6)排污結(jié)束立即關(guān)閉排污閥，全關(guān)球閥；

7)檢查閥門和排污池，確保無氣體泄漏，排污作業(yè)結(jié)束。

每個(gè)作業(yè)步驟可視為作業(yè)過程2GW-HAZOP分析的節(jié)點(diǎn)，則每個(gè)步驟的功能即為節(jié)點(diǎn)的參數(shù)?？梢钥闯?，與工藝過程的參數(shù)設(shè)定不同，作業(yè)過程參數(shù)主要受人員操作行為的影響。

3 應(yīng)用與結(jié)果

2GW-HAZOP方法的應(yīng)用過程與傳統(tǒng)HAZOP分析過程類似，采用“參數(shù)+引導(dǎo)詞=偏差”的結(jié)構(gòu)形式生成偏差描述。以降壓排污作業(yè)過程中節(jié)點(diǎn)1)為例，偏差分析過程如下：

1)作業(yè)節(jié)點(diǎn)1)功能 +引導(dǎo)詞1(節(jié)點(diǎn)跨越)=偏差(未對(duì)環(huán)境進(jìn)行檢查)

2)作業(yè)節(jié)點(diǎn)1)功能 +引導(dǎo)詞2(節(jié)點(diǎn)功能偏離)=偏差(環(huán)境檢查后周邊仍存在火源)

由此，每1種偏差描述即為1種可能的風(fēng)險(xiǎn)情景。以某輸氣站降壓排污作業(yè)為例，通過建立HAZOP專家小組分析每種風(fēng)險(xiǎn)情景的原因和后果，制定預(yù)防性應(yīng)對(duì)措施。然后按照偏離度賦值標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行半定量分析，得到總偏離度值。降壓排污作業(yè)過程的風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果見表3。

將分析得到的3組偏離度值分別繪制折線圖，如圖3所示，橫坐標(biāo)表示表3中所列的13種偏離情景，分別對(duì)應(yīng)1～13的序列編號(hào)，縱坐標(biāo)表示偏離度。圖3直觀地反映各個(gè)作業(yè)節(jié)點(diǎn)的風(fēng)險(xiǎn)水平，偏離度越大，說明風(fēng)險(xiǎn)越高。由圖3和表3可知，在現(xiàn)有的作業(yè)狀況下，分離器放空不充分(偏離度為0.96)、排污池液位過高或過低(偏離度為0.92)、排污結(jié)束未檢查泄漏情況(偏離度為0.8)3種偏離的風(fēng)險(xiǎn)最大，在實(shí)施作業(yè)前需要采取風(fēng)險(xiǎn)控制措施降低偏離度。

圖3 偏離度折線圖Fig.3 Line chart of deviation degrees

根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果可知，輸氣站降壓排污作業(yè)過程一旦出現(xiàn)偏差，輕則影響設(shè)備設(shè)施的安全性，重則導(dǎo)致泄漏、火災(zāi)、爆炸等事故的發(fā)生。通過2GW-HAZOP與偏離度的方法，能夠?qū)γ總€(gè)作業(yè)節(jié)點(diǎn)可能出現(xiàn)的偏離進(jìn)行詳細(xì)的分析，進(jìn)而能夠辨識(shí)更多的風(fēng)險(xiǎn)情景，減少風(fēng)險(xiǎn)情景的遺漏。在作業(yè)過程事故預(yù)防方面，對(duì)于操作者個(gè)人失誤、管理者未下達(dá)指令等人員和管理上的風(fēng)險(xiǎn)致因，主要從加強(qiáng)人員培訓(xùn)的角度進(jìn)行控制；此外，通過增加安全聯(lián)鎖系統(tǒng)可有效地保障作業(yè)過程節(jié)點(diǎn)功能的實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié)論

1)采用2GW-HAZOP方法分析輸氣站降壓排污作業(yè)過程的風(fēng)險(xiǎn)，以作業(yè)過程節(jié)點(diǎn)功能作為參量，結(jié)合節(jié)點(diǎn)跨越和節(jié)點(diǎn)功能偏離2種引導(dǎo)詞構(gòu)建節(jié)點(diǎn)功能偏差，有助于實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)作業(yè)節(jié)點(diǎn)偏離的詳細(xì)分析，辨識(shí)更多的作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)情景。

2)通過定義功能偏離度和控制措施偏離度對(duì)2GW-HAZOP分析得到的偏差進(jìn)行量化處理，能夠考慮措施對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的削減作用，可以較好地表征作業(yè)過程節(jié)點(diǎn)的風(fēng)險(xiǎn)水平；同時(shí)可在風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果中更加直觀地觀察到作業(yè)的目標(biāo)功能和目標(biāo)控制措施，有助于采取更有針對(duì)性的風(fēng)險(xiǎn)控制措施。

3)將2GW-HAZOP用于作業(yè)過程風(fēng)險(xiǎn)分析可充分利用“引導(dǎo)詞+偏差”的分析模式，與傳統(tǒng)的作業(yè)過程風(fēng)險(xiǎn)分析方法(例如作業(yè)安全分析、What-If等)相比，使分析過程更加具有系統(tǒng)性和結(jié)構(gòu)性。