HAZOP-LOPA分析在工程類教學(xué)實(shí)驗(yàn)室中的應(yīng)用

邵倩倩， 許 諾， 李 旺

（1.廣東石油化工學(xué)院石油工程學(xué)院，廣東茂名 525000；2.國(guó)家石油天然氣管網(wǎng)集團(tuán)西南管道公司分控中心，成都 610041）

0 引 言

為提高高校學(xué)生實(shí)踐能力，培養(yǎng)實(shí)踐型人才，實(shí)驗(yàn)室作為高校教學(xué)與科研工作開(kāi)展的重要場(chǎng)所，已成為高校發(fā)展建設(shè)中的重要部分。由于實(shí)驗(yàn)室使用頻率高、人員流動(dòng)大、危險(xiǎn)因素多，實(shí)驗(yàn)室安全一直困擾著各高校，也是高校日常安全管理工作的核心所在，如何對(duì)其進(jìn)行安全管理一直是實(shí)驗(yàn)室相關(guān)人員的研究重點(diǎn)［1-4］。盡管如此，實(shí)驗(yàn)室安全事故仍時(shí)有發(fā)生［5］，如2015 年12 月北京某大學(xué)實(shí)驗(yàn)室爆炸，導(dǎo)致1 名學(xué)生死亡；2018 年12 月北京某高校實(shí)驗(yàn)室爆炸，導(dǎo)致3 名學(xué)生死亡［6-7］。事故分析顯示，這些高校實(shí)驗(yàn)室事故的主要原因是相關(guān)人員安全意識(shí)不強(qiáng)、對(duì)實(shí)驗(yàn)室危險(xiǎn)識(shí)別不敏銳、實(shí)驗(yàn)室管理機(jī)制不健全［8］。為此，許多研究者關(guān)于如何加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室安全有針對(duì)性地提出了一些改進(jìn)措施，包括健全安全責(zé)任體系、完善管理制度、改進(jìn)安全硬件設(shè)施和進(jìn)行安全培訓(xùn)教育等［9-12］。

除了在高校實(shí)驗(yàn)室管理制度等方面進(jìn)行完善，根據(jù)學(xué)科性質(zhì)對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置的安全性進(jìn)行定期分析評(píng)估以保障實(shí)驗(yàn)室安全也十分必要［13-15］。高校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備大體可以分為兩類：標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備和非標(biāo)設(shè)備。尤其對(duì)于工程類學(xué)科教學(xué)實(shí)驗(yàn)室，學(xué)科性質(zhì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)室內(nèi)有較多非標(biāo)設(shè)備。這些非標(biāo)設(shè)備的介質(zhì)可能為易燃易爆介質(zhì)或?；?，操作條件可能為高壓高溫條件。因此，在該類非標(biāo)設(shè)備進(jìn)場(chǎng)前有必要進(jìn)行安全評(píng)估，以確保該設(shè)備在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)能夠安全有序地運(yùn)行。但是目前絕大多數(shù)的高校實(shí)驗(yàn)室對(duì)非標(biāo)設(shè)備的安全評(píng)估并沒(méi)有一個(gè)完整且有效的體系，而且往往依靠專家的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行評(píng)估，不能保證評(píng)估結(jié)果的完整性。HAZOP-LOPA分析是一種最早用于化工裝置設(shè)計(jì)階段和運(yùn)行階段的評(píng)估體系。本文通過(guò)引進(jìn)HAZOP-LOPA分析的方法，并考慮實(shí)驗(yàn)室非標(biāo)設(shè)備的特殊性，對(duì)該方法進(jìn)行了一定程度的改進(jìn)，以油氣儲(chǔ)運(yùn)工程專業(yè)蒸發(fā)損耗實(shí)驗(yàn)室為例進(jìn)行HAZOP-LOPA分析，通過(guò)分析確定該實(shí)驗(yàn)室是否處于安全平穩(wěn)的運(yùn)行狀態(tài)，并提出改進(jìn)措施和方法，以期制定一套完整且具有一定公認(rèn)性的評(píng)分及評(píng)價(jià)規(guī)則。

1 HAZOP-LOPA分析方法及發(fā)展

1.1 HAZOP和LOPA分析方法介紹

HAZOP（Hazard and Operability Analysis）是一種對(duì)危險(xiǎn)和可操作性分析的方法，可以用于識(shí)別工藝缺陷、過(guò)程危險(xiǎn)和操作性問(wèn)題。該方法最早起源于20 世紀(jì)60 年代英國(guó)帝國(guó)化學(xué)公司（ICI）［16］。根據(jù)美國(guó)化工協(xié)會(huì)化學(xué)過(guò)程安全中心（CCPS）的介紹，HAZOP 對(duì)于確定危險(xiǎn)和識(shí)別設(shè)計(jì)、操作對(duì)規(guī)范等的偏離是非常有效的。HAZOP分析還可以找到工藝裝置的隱患并對(duì)其進(jìn)行評(píng)估分析，從而提出建議和改進(jìn)措施。

目前HAZOP 分析有兩種方法，分別是引導(dǎo)詞法和經(jīng)驗(yàn)法。引導(dǎo)詞法是指利用引導(dǎo)詞來(lái)定性或定量地給出對(duì)設(shè)計(jì)意圖的偏離，以激發(fā)頭腦風(fēng)暴式的思維，來(lái)發(fā)現(xiàn)偏離的誘因和后果，確定現(xiàn)有的安全措施，并提出建議［17］。經(jīng)驗(yàn)法是指利用專家的經(jīng)驗(yàn)，將工藝裝置和設(shè)計(jì)規(guī)范以及同類安全運(yùn)行裝置進(jìn)行比較，并利用相應(yīng)的檢查表格或軟件來(lái)進(jìn)行評(píng)估和分析。兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，在石油化工行業(yè)都得到廣泛的應(yīng)用。

LOPA（Layer of Protection Analysis）是對(duì)保護(hù)層分析的簡(jiǎn)稱，是一種簡(jiǎn)化的半定量風(fēng)險(xiǎn)分析方法［18-19］。LOPA通常使用初始事件頻率、后果嚴(yán)重程度和獨(dú)立保護(hù)層失效頻率的數(shù)量級(jí)大小來(lái)近似表征場(chǎng)景的風(fēng)險(xiǎn)，是對(duì)事故場(chǎng)景風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行半定量評(píng)估的一種系統(tǒng)方法。

LOPA最早起源于20 世紀(jì)80 年代末，美國(guó)化學(xué)品制造協(xié)會(huì)提出將“足夠的保護(hù)層”作為有效的過(guò)程安全管理系統(tǒng)的一個(gè)組成部分。1993 年，CCPS 正式提出LOPA 方法［18］。隨著時(shí)間的推移，越來(lái)越多的協(xié)會(huì)、組織和規(guī)范采用LOPA 作為安全評(píng)估方法之一。目前LOPA方法已在全世界范圍得到了廣泛的應(yīng)用，我國(guó)國(guó)家應(yīng)急管理部發(fā)布了《保護(hù)層分析（LOPA）方法應(yīng)用導(dǎo)則》（AQ/T 3054—2015）用以指導(dǎo)工藝裝置的LOPA分析。

1.2 HAZOP-LOPA分析方法改進(jìn)

傳統(tǒng)的HAZOP 分析可以歸納為四個(gè)層面：分析因某個(gè)參數(shù)偏差而產(chǎn)生的危險(xiǎn)源、分析危險(xiǎn)源可能產(chǎn)生的后果、分析現(xiàn)有的手段能否緩解該偏差、對(duì)最后產(chǎn)生的后果進(jìn)行危險(xiǎn)定級(jí)，因此可以生成HAZOP 報(bào)告。針對(duì)HAZOP報(bào)告，再引入LOPA保護(hù)層的概念提出有效的預(yù)防和保護(hù)措施。

HAZOP和LOPA目前在工業(yè)中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，但是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)應(yīng)用較少。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)裝置與工廠中的裝置在本質(zhì)上雖屬于相同類型，但仍存在一定的差異。主要差異在于企業(yè)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的可接受能力要大于學(xué)校；同時(shí)企業(yè)的工藝裝置都有聯(lián)鎖保護(hù)，而實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置的安全防護(hù)相對(duì)簡(jiǎn)單，較少用到連鎖控制；與學(xué)校相比，企業(yè)對(duì)設(shè)備制造和設(shè)計(jì)單位資質(zhì)的審核更為嚴(yán)格，對(duì)操作人員的培訓(xùn)也更完善。因此不建議直接將HAZOP 和LOPA 方法運(yùn)用到實(shí)驗(yàn)室裝置的安全分析和確定，而應(yīng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)室裝置的特殊性進(jìn)行一定程度上的改進(jìn)。

（1）后果嚴(yán)重性評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)的改進(jìn)。傳統(tǒng)的HAZOP分析對(duì)工藝裝置危險(xiǎn)源的產(chǎn)生后果嚴(yán)重性判定往往通過(guò)3 個(gè)方面：?jiǎn)T工傷害、財(cái)產(chǎn)損失和環(huán)境影響。每一個(gè)方面根據(jù)后果的嚴(yán)重程度設(shè)置5 個(gè)等級(jí)，構(gòu)成后果嚴(yán)重性評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)險(xiǎn)矩陣圖。實(shí)驗(yàn)室裝置規(guī)模要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于生產(chǎn)裝置，一般而言事故后果的嚴(yán)重程度要小于常規(guī)石油化工生產(chǎn)裝置，對(duì)其嚴(yán)重等級(jí)應(yīng)重新劃分。重新劃分后，后果嚴(yán)重性評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

表1 基于實(shí)驗(yàn)室裝置的事故后果嚴(yán)重性評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

此外還應(yīng)當(dāng)增加對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響?？紤]到教學(xué)實(shí)驗(yàn)室裝置大多規(guī)模較小，因此可以通過(guò)仿真軟件進(jìn)行事故模擬。為了更直觀地表述事故后果，在改進(jìn)中增加了定性分析，利用商業(yè)軟件PHAST對(duì)可能產(chǎn)生的事故后果進(jìn)行模擬，從而能夠更好地判斷事故后果的嚴(yán)重性。

（2）事故可能性評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)的改進(jìn)。傳統(tǒng)的HAZOP分析中的事故可能性評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)往往分為3 個(gè)方面，分別是硬件控制措施、軟件控制措施和事故發(fā)生頻率。在硬件控制措施上，需要考慮是否有被動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)（防護(hù)系統(tǒng)是否獨(dú)立）、是否有檢測(cè)程序、過(guò)程是否受控以及工藝安全操作規(guī)程是否完善。軟件控制措施包含了操作指導(dǎo)、紀(jì)律和培訓(xùn)是否完善、員工操作是否熟練等。上述事故可能性評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)在石油化工企業(yè)已經(jīng)十分完善，但并不能完全應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室設(shè)備和裝置的評(píng)估。其主要原因是：實(shí)驗(yàn)室裝置較石油化工企業(yè)裝置而言規(guī)模較小；教學(xué)類實(shí)驗(yàn)更多是依靠學(xué)生操作，以達(dá)到鍛煉的目的，自動(dòng)化程度相對(duì)企業(yè)裝置而言較低。因此根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的特殊性，做了如下調(diào)整：在硬件控制方面，增加實(shí)驗(yàn)裝置操作手冊(cè)是否完善并上墻、是否有定期維護(hù)日志、實(shí)驗(yàn)記錄本等日常管理文件是否齊全，同時(shí)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)是否有防護(hù)裝置，如洗眼器、通排風(fēng)設(shè)施、個(gè)人防護(hù)設(shè)施和消防器材等；在軟件控制措施上增加了是否在實(shí)驗(yàn)前進(jìn)行安全培訓(xùn)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中教師是否全程在場(chǎng)等。

1.3 實(shí)驗(yàn)室HAZOP-LOPA分析方法

HAZOP-LOPA 分析方法在實(shí)驗(yàn)室安全分析中的應(yīng)用步驟如下：

（1）準(zhǔn)備工作。確定分析的范圍，準(zhǔn)備裝置的流程圖，收集相關(guān)資料，會(huì)議記錄和確定分析小組人員名單。

（2）節(jié)點(diǎn)劃分。根據(jù)工藝流程進(jìn)行節(jié)點(diǎn)劃分，對(duì)各節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)意圖進(jìn)行描述。

（3）HAZOP分析。確定偏差，分析引起偏差的原因和后果，列出安全保護(hù)措施，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的嚴(yán)重性和可能性進(jìn)行定級(jí)，再根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)矩陣圖進(jìn)行最終評(píng)估，并提出合理建議措施。記錄分析過(guò)程，并循環(huán)上述分析過(guò)程直至所有節(jié)點(diǎn)都已使用。

（4）LOPA分析。根據(jù)HAZOP 分析結(jié)果，篩選出風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)較高的偏差，確定初始事件（IE）頻率，評(píng)估獨(dú)立保護(hù)層（IPL）并確定其失效概率（PFD）。根據(jù)后果等級(jí)，使用風(fēng)險(xiǎn)矩陣圖確認(rèn)場(chǎng)景風(fēng)險(xiǎn)的可接受頻率，將場(chǎng)景頻率計(jì)算結(jié)果與可接受頻率進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與決策。當(dāng)場(chǎng)景頻率計(jì)算值低于場(chǎng)景風(fēng)險(xiǎn)的可接受頻率，則可認(rèn)為該場(chǎng)景為低風(fēng)險(xiǎn)，并且有充足的保護(hù)和減緩措施，可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。反之，該實(shí)驗(yàn)應(yīng)暫停。待整改達(dá)到要求后，方可繼續(xù)實(shí)驗(yàn)。

（5）根據(jù)HAZOP-LOPA 分析結(jié)果，編寫分析報(bào)告，并判斷該實(shí)驗(yàn)裝置是否可以繼續(xù)使用。對(duì)不能繼續(xù)使用的實(shí)驗(yàn)裝置，提出改進(jìn)措施和建議。詳細(xì)步驟如圖1 所示。

圖1 HAZOP分析流程圖

2 HAZOP-LOPA 分析在蒸發(fā)損耗實(shí)驗(yàn)室風(fēng)險(xiǎn)分析中的應(yīng)用

2.1 蒸發(fā)損耗實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

油氣儲(chǔ)運(yùn)工程專業(yè)是綜合性較強(qiáng)的工程類專業(yè)，涉及長(zhǎng)距離管道輸送、油庫(kù)、油氣集輸和城鎮(zhèn)燃?xì)獾取Ｆ鋵?shí)驗(yàn)涵蓋范圍較廣，大多實(shí)驗(yàn)器材屬于非標(biāo)設(shè)備。蒸發(fā)損耗實(shí)驗(yàn)是油氣儲(chǔ)運(yùn)工程專業(yè)本科生必修實(shí)驗(yàn)課之一。該實(shí)驗(yàn)旨在使學(xué)生對(duì)油罐由于溫度變化而引起的“小呼吸”損耗有所認(rèn)識(shí)，并通過(guò)實(shí)測(cè)油罐蒸發(fā)損耗量來(lái)驗(yàn)證《油庫(kù)設(shè)計(jì)與管理》課本中小呼吸損耗的理論計(jì)算公式［20］。儲(chǔ)罐“小呼吸”是指由于儲(chǔ)油罐內(nèi)氣體空間溫度和油氣濃度的晝夜變化而引起的油品損耗。蒸發(fā)損耗實(shí)驗(yàn)裝置如圖2 所示。裝置內(nèi)的儲(chǔ)罐存放有0.065 m3的汽油，同時(shí)在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需要對(duì)該儲(chǔ)罐進(jìn)行加熱升溫，汽油揮發(fā)后容易與空氣混合形成可燃?xì)怏w混合物。我校該套設(shè)備購(gòu)置于2010 年，設(shè)備老舊，使用人員多，因此存在一定的安全隱患，需要對(duì)其進(jìn)行安全分析后方可繼續(xù)使用。

圖2 蒸發(fā)損耗實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

為了保證本次HAZOP 分析的權(quán)威性和公正性，特邀請(qǐng)了具有豐富HAZOP-LOPA 分析經(jīng)驗(yàn)的工程技術(shù)人員作為主席，對(duì)該實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的安全進(jìn)行評(píng)估，小組成員包含了多位專業(yè)教師、實(shí)驗(yàn)員和高級(jí)工程師。

由于HAZOP需要對(duì)工藝與管道儀表流程圖進(jìn)行分析，因此針對(duì)蒸發(fā)損耗實(shí)驗(yàn)裝置，本文繪制了較為簡(jiǎn)單的工藝與管道儀表流程圖，為后續(xù)分析做準(zhǔn)備。繪制的工藝與管道儀表流程圖如圖3 所示。當(dāng)儲(chǔ)罐受熱后，儲(chǔ)罐內(nèi)氣體會(huì)通過(guò)罐頂閥門N2、N3和N4向外排出油氣混合物，通過(guò)流量計(jì)FG001 可以測(cè)量所揮發(fā)的油氣混合物體積，通過(guò)氣體分析儀可以測(cè)量其油氣濃度。

圖3 蒸發(fā)損耗實(shí)驗(yàn)管道和儀表流程圖

根據(jù)《危險(xiǎn)化學(xué)品重大危險(xiǎn)源辨識(shí)》（GB18218—2009）中的規(guī)定，本實(shí)驗(yàn)裝置汽油含量小，不屬于重大危險(xiǎn)源，因此無(wú)須考慮設(shè)置SIS（安全儀表系統(tǒng)）等安全措施。

2.2 部分分析結(jié)果

根據(jù)本裝置的實(shí)際情況，本次分析采用溫度、壓力和液位3 個(gè)引導(dǎo)詞進(jìn)行偏差分析。由于該裝置較小，本次只需要考慮一個(gè)節(jié)點(diǎn)即可，通過(guò)HAZOP 分析，發(fā)現(xiàn)潛在問(wèn)題4 處，提出改進(jìn)措施12 條。通過(guò)LOPA分析，提出具體建議4 條。以選取溫度高為例，來(lái)闡述HAZOP-LOPA在工程類教學(xué)實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用研究。

出現(xiàn)溫度高的可能原因如：加熱裝置加熱速度過(guò)快，學(xué)生和老師沒(méi)能及時(shí)觀察；實(shí)驗(yàn)結(jié)束后加熱裝置忘記關(guān)閉，一直保持加熱狀態(tài)；測(cè)溫裝置失效，實(shí)際溫度遠(yuǎn)超溫度計(jì)顯示讀數(shù)。上述原因可能引起的儲(chǔ)罐溫度過(guò)高會(huì)引發(fā)以下后果：出現(xiàn)更多的油氣混合物并排出至實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，遇到實(shí)驗(yàn)室內(nèi)非防爆電器時(shí)，可能會(huì)引起爆炸。

為了更好地進(jìn)行定量分析，以判斷事故后果，假設(shè)儲(chǔ)罐外界溫度在半小時(shí)內(nèi)由20 ℃上升至60 ℃，正常情況下儲(chǔ)罐內(nèi)汽油體積為0.065 m3，儲(chǔ)罐體積為0.26 m3。根據(jù)API 2000 第7 版可以估算出該小型儲(chǔ)罐呼出的氣體量為0.08 Nm3。利用PHAST軟件對(duì)該儲(chǔ)罐進(jìn)行事故后果模擬，部分HAZOP 分析結(jié)果如表2所示。

表2 HAZOP分析部分結(jié)果

根據(jù)HAZOP 分析結(jié)果，繼續(xù)對(duì)上述場(chǎng)景進(jìn)行LOPA分析，并進(jìn)行半定量計(jì)算。LOPA分析如表3 所示，其中SIL為安全完整性等級(jí)。

表3 LOPA分析部分結(jié)果展示表

通過(guò)上述分析，可以判斷該實(shí)驗(yàn)裝置存在一定的安全隱患，根據(jù)HAZOP-LOPA分析結(jié)論提出以下建議和改進(jìn)措施。

（1）增加一套獨(dú)立的測(cè)溫裝置用于測(cè)量?jī)?chǔ)罐內(nèi)溫度變化，便于與現(xiàn)有測(cè)溫裝置進(jìn)行對(duì)比。

（2）該實(shí)驗(yàn)室暫時(shí)不具備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的條件，增加通排風(fēng)裝置，設(shè)置自動(dòng)排風(fēng)扇和專用萬(wàn)向罩。

（3）增加可燃?xì)怏w報(bào)警裝置。

3 結(jié) 語(yǔ)

為對(duì)工科教學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行安全評(píng)估并提出防范措施，在HAZOP分析基礎(chǔ)上引入LOPA分析?；趯?shí)驗(yàn)室裝置的特殊性，對(duì)HAZOP-LOPA 分析方法進(jìn)行改進(jìn)。為驗(yàn)證所改進(jìn)方法的可行性，對(duì)蒸發(fā)損耗實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行安全分析。所改進(jìn)的HAZOP-LOPA 分析方法不僅可以對(duì)實(shí)驗(yàn)室風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行量化分析，而且可以判斷現(xiàn)有的安全措施是否完善，是一種有效的實(shí)驗(yàn)室安全分析方法，值得在工科院校推廣。

考慮到實(shí)驗(yàn)室裝置老化的問(wèn)題，建議每隔3 ～5 年進(jìn)行一次HAZOP-LOPA分析以評(píng)估其安全性。此外，還需要規(guī)范實(shí)驗(yàn)室內(nèi)各項(xiàng)安全管理制度和條例。