LOPA在氟碳裝置上的應(yīng)用

袁照華

（中海油安全技術(shù)服務(wù)有限公司，天津 300450）

0 引言

從使用壽命來(lái)看，氟碳樹(shù)脂具有高耐候性是一種經(jīng)濟(jì)型環(huán)保的涂料。在橋梁、海上平臺(tái)、軌道交通、風(fēng)電和光伏背板等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景[1]。但是氟碳樹(shù)脂的制程反應(yīng)過(guò)程往往很劇烈，溫度控制稍有不慎，反應(yīng)釜的壓力就會(huì)瞬間升高，極易發(fā)生超壓，損壞設(shè)備，甚至?xí)?dǎo)致火災(zāi)、人員傷亡等。LOPA 是一種對(duì)具體事故場(chǎng)景風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行半定量評(píng)估的方法，可為企業(yè)解決氟碳裝置多安全為足夠安全，需要多少保護(hù)層，每一個(gè)保護(hù)層降低了多少風(fēng)險(xiǎn)等問(wèn)題，從而判定該場(chǎng)景發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)所處的風(fēng)險(xiǎn)水平是否達(dá)到可容許風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)要求。

1 LOPA分析方法

LOPA 分析作為一種簡(jiǎn)化半定量的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法可以減少定性評(píng)價(jià)方法的主觀性，且相較于單純的定量評(píng)價(jià)方法更容易實(shí)行，在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中被越來(lái)越廣泛地應(yīng)用。

LOPA 分析主要是對(duì)具體場(chǎng)景的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行相對(duì)量化的研究，包括通過(guò)對(duì)場(chǎng)景的準(zhǔn)確表述及識(shí)別已有的獨(dú)立保護(hù)層，從而判定該場(chǎng)景發(fā)生時(shí)系統(tǒng)所處的風(fēng)險(xiǎn)水平是否達(dá)到可容許風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)的要求，并可根據(jù)需要增加適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)層，以將風(fēng)險(xiǎn)降低至可接受風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)所要求的水平，避免過(guò)度設(shè)計(jì)或者設(shè)計(jì)欠缺，進(jìn)而提供科學(xué)的評(píng)估確認(rèn)要求。

2 LOPA分析過(guò)程

LOPA 通常使用后果嚴(yán)重程度篩選事故場(chǎng)景、使用初始事件頻率、后果嚴(yán)重程度和獨(dú)立保護(hù)層（IPL）失效概率的數(shù)量級(jí)大小來(lái)近似表征場(chǎng)景的風(fēng)險(xiǎn)。LOPA基本程序（如圖1 所示）可以概況為以下6 個(gè)步驟：

圖1 LOPA 基本程序

1）確定場(chǎng)景篩選。最常見(jiàn)的篩選方法是以場(chǎng)景后果作為依據(jù)。

2）選擇一個(gè)事故場(chǎng)景。LOPA 一次只應(yīng)用于一個(gè)場(chǎng)景。每個(gè)場(chǎng)景必須包括單獨(dú)的初始事件-損失事件對(duì)（原因-后果對(duì)）。

3）確認(rèn)場(chǎng)景初始事件及其發(fā)生頻率。

4）識(shí)別獨(dú)立保護(hù)層并且預(yù)估每個(gè)獨(dú)立保護(hù)層的PFD（Probability of Failure of Demand， 需 求 失效概率）。

5）計(jì)算場(chǎng)景發(fā)生頻率。

6）通過(guò)保護(hù)層分析進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)決策。

2.1 工藝流程簡(jiǎn)述

油性氟碳樹(shù)脂制程（如圖2 所示）為液體一次進(jìn)料，氣態(tài)單體分段進(jìn)行，視反應(yīng)釜內(nèi)溫度的變化，適時(shí)下層冷凍或全程冷凍水冷卻，確保反應(yīng)溫度在65 ℃～66 ℃之間。若反應(yīng)溫度超過(guò)73 ℃，反應(yīng)壓力超過(guò)125 PSI（約0.862 MPa），須打開(kāi)排放閥SV-06，釋放釜內(nèi)壓力停止反應(yīng)。當(dāng)反應(yīng)釜溫度控制不下來(lái)，依實(shí)驗(yàn)室經(jīng)驗(yàn)，反應(yīng)壓力會(huì)在短時(shí)間2 ～3 min 內(nèi)急速上升，最壞狀況為反應(yīng)釜所有排放閥與安全裝置皆無(wú)法動(dòng)作時(shí)，造成設(shè)備損壞，以及反應(yīng)物質(zhì)、原料等泄漏。

圖2 油性氟碳樹(shù)脂簡(jiǎn)化制程

安全防護(hù)措施包括：槽體與管路耐壓設(shè)計(jì)；PI-01 高壓指示警報(bào)；安全閥PSV-01 開(kāi)啟設(shè)定；SV-06 與反應(yīng)釜內(nèi)溫TI-01 及壓力PI-01 的聯(lián)鎖開(kāi)啟；爆破片RD-01 等。

2.2 場(chǎng)景篩選

根據(jù)事故后果，本研究篩選出的場(chǎng)景如表1 所示。

表1 安全自動(dòng)化場(chǎng)景

3 問(wèn)題討論

3.1 可容許風(fēng)險(xiǎn)

根據(jù) GBT 32857—2016《保護(hù)層分析(LOPA)應(yīng)用指南》中風(fēng)險(xiǎn)矩陣（如表2 所示），該場(chǎng)景后果屬于等級(jí)5 級(jí)，可接受風(fēng)險(xiǎn)頻率10-4～10-6。

3.2 初始事件

對(duì)于初始事件，一般需要從外部事件、設(shè)備故障和人的失效三方面分析。本研究根據(jù)場(chǎng)景篩選的情況，查詢了典型初始事件及頻率[2]，如表3 所示。

表3 初始事件典型頻率值fI

1）場(chǎng)景1 使能條件：冷卻失效（初始事件）可能會(huì)導(dǎo)致間歇放熱反應(yīng)失控和超壓，但這種現(xiàn)象只發(fā)生在部分反應(yīng)階段（觸發(fā)條件），如果在間歇操作的其他步驟發(fā)生冷卻系統(tǒng)故障，則不會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)超溫。對(duì)于間歇反應(yīng)器LOPA 同時(shí)滿足以下兩個(gè)條件下的可能性為0.5[2-3]：一是在使用；二是初始事件發(fā)生，而導(dǎo)致了超溫超壓的后果。

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2）場(chǎng)景2 使能條件：每當(dāng)操作人員執(zhí)行特定操作活動(dòng)時(shí)他們就面臨相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)，操作人員每次操作時(shí)都會(huì)有可能存在操作失誤的風(fēng)險(xiǎn)。修正后的后果頻率等于每年投料批次乘以操作人失誤概率[4]。每年投料批次：2/ 周×52 周/ 年=104/a（每周生產(chǎn)不超過(guò)2 批次產(chǎn)品，一年共52 周）。假定在該過(guò)程中出現(xiàn)錯(cuò)誤的可能性為10-2，則未減緩后果頻率104×10-2=1.04/a。

3.3 獨(dú)立保護(hù)層IPL 評(píng)估

1）BPCS 報(bào)警和人員響應(yīng)行動(dòng)

針對(duì)場(chǎng)景1，冷卻水失效時(shí)，BPCS 將會(huì)產(chǎn)生高壓報(bào)警，人員打開(kāi)閥門(mén)泄壓停止反應(yīng)。BPCS 高溫報(bào)警和人員響應(yīng)可作為獨(dú)立保護(hù)層應(yīng)獨(dú)立于IE，并有足夠的響應(yīng)時(shí)間。但是對(duì)于本例冷卻水失效，反應(yīng)失控較快，人員響應(yīng)的時(shí)間不足10 min[2]。因此，在本案例中人員響應(yīng)不作為獨(dú)立保護(hù)層。

針對(duì)場(chǎng)景2，在本項(xiàng)目中人員響應(yīng)不作為獨(dú)立保護(hù)層。因?yàn)槌跏际录扇藛T的操作引起，人員響應(yīng)不能獨(dú)立于初始事件。

2）安全閥/爆破片

反應(yīng)釜上安全閥、爆破片入口獨(dú)立設(shè)置，當(dāng)壓力達(dá)到設(shè)定值時(shí)自動(dòng)起跳放空，具有獨(dú)立性、有效性等，可以作為IPL。安全閥PSV 的PFD 為1×10-2，爆破片PFD 為1×10-2[2]。但是，物質(zhì)直接排放到大氣中，分析人員考慮安全閥的釋放是否應(yīng)該進(jìn)入廢水罐，以降低釋放后的風(fēng)險(xiǎn)。

3）安全儀表功能

按照GB/T 50770—2013《石油化工安全儀表設(shè)計(jì)規(guī)范》安全完整性等級(jí)一般規(guī)定，安全完整性等級(jí)為SIL1-SIL4 共4 級(jí)。但通常石油化工工廠和裝置的安全儀表系統(tǒng)工作于低要求操作模式[5]，其安全完整性等級(jí)最高位SIL3 級(jí)。各等級(jí)分別對(duì)應(yīng)不同大小的失效概率（PDF）及風(fēng)險(xiǎn)降低目標(biāo)（RRF），如表4。

表4 安全完整性等級(jí)

在反應(yīng)器上安裝安全儀表系統(tǒng)，為溫度變送器、壓力變送器同時(shí)高高警報(bào)時(shí)聯(lián)鎖開(kāi)啟閥門(mén)，進(jìn)行泄壓。符合SIF1，PDF 為1×10-2。

4）釋放后保護(hù)措施

緩沖罐不能作為IPL。緩沖罐在安全設(shè)施（安全閥/爆破片、人員響應(yīng)行動(dòng)后）等開(kāi)啟后才能取到作用；若以上失效，物料將通過(guò)與反應(yīng)釜連接薄弱處破裂泄漏，緩沖罐將起不到反應(yīng)釜釋放后保護(hù)作用。

3.4 場(chǎng)景頻率計(jì)算

具體的數(shù)值見(jiàn)表5 所示。

表5 LOPA分析

3.5 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與決策

針對(duì)場(chǎng)景1，冷卻水失效，導(dǎo)致反應(yīng)失控，反應(yīng)器潛在的超壓、泄漏、斷裂，人員受傷和死亡，風(fēng)險(xiǎn)承受后果頻率為10-4～10-6/a。通過(guò)保護(hù)層等減緩后的后果頻率5×10-8，風(fēng)險(xiǎn)滿足可容許頻率，不需采取行動(dòng)。

針對(duì)場(chǎng)景2，操作員失效，導(dǎo)致反應(yīng)失控，反應(yīng)器潛在的超壓、泄漏、斷裂，人員受傷和死亡，風(fēng)險(xiǎn)承受后果頻率為10-4～10-6/a。通過(guò)保護(hù)層等減緩后的后果頻率1.04×10-6，風(fēng)險(xiǎn)滿足可容許頻率，不需采取行動(dòng)。但是，物質(zhì)從緩沖罐直接排放到大氣中，分析人員考慮物質(zhì)直接排放對(duì)環(huán)境造成污染，在特定條件下還可能引起火災(zāi)爆炸，建議將排放口接入廢水罐，以降低釋放后的風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

氟碳樹(shù)脂制程中極易發(fā)生超壓，導(dǎo)致泄漏、爆炸等后果。本研究通過(guò)LOPA 分析，確定有足夠的保護(hù)層以使風(fēng)險(xiǎn)滿足風(fēng)險(xiǎn)容忍標(biāo)準(zhǔn)，SIL 定級(jí)滿足要求，提高風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的科學(xué)性、全面性和可用性。此外，企業(yè)也要做好在后期的操作、維護(hù)、變更過(guò)程管理，確保保護(hù)層的完整性，使其能夠有效地使用于過(guò)程生命周期。