煉化企業(yè)施工作業(yè)事故可能性評價方法研究*

姜莉文,劉 朔,陳向東,王 濤,賀輝宗

(1.中石化安全工程研究院有限公司,山東青島 266104 2.中石化管理體系認證(青島)有限公司,山東青島 266104 3.中國石油化工股份有限公司鎮(zhèn)海煉化分公司,浙江寧波 315207)

0 前言

煉化企業(yè)施工作業(yè)通常具有環(huán)境復(fù)雜、時間緊、任務(wù)重、多專業(yè)立體或平面交叉等特點,作業(yè)風險難以預(yù)期,安全事故易發(fā)多發(fā)。近年來,煉化企業(yè)廣泛通過定性判定事故發(fā)生可能性及嚴重度等級對風險等級進行評價。當前,國內(nèi)外學(xué)者基于Bow-tie模型和保護層分析方法對設(shè)備設(shè)施失效風險和作業(yè)風險評估開展了相關(guān)研究和應(yīng)用。Bow-tie模型最早于1979年出現(xiàn)在澳大利亞昆士蘭大學(xué)關(guān)于帝國化學(xué)工業(yè)公司(ICI)危害分析的課程講義[1],隨后殼牌公司將其融入業(yè)務(wù)實踐[2]。2013年,白永忠,等[3]提出集合HAZOP分析、保護層分析、Bow-tie分析于一體的復(fù)合型工藝危害分析與控制技術(shù);2015年,王旭,等[4]構(gòu)建Bow-tie-LOPA集成分析方法研究事故演變過程,評估剩余風險等級。隨后,眾多學(xué)者運用Bow-tie模型、保護層分析等方法對特定作業(yè)風險分析及管控展開探索研究[5,6]。

縱觀國內(nèi)外學(xué)者在該領(lǐng)域的研究進展,關(guān)于特定作業(yè)類型的風險識別、分析和管控均形成了較為成熟的風險評價方法,但未充分考慮特定作業(yè)環(huán)境場景對作業(yè)人員人為因素的影響。人因可靠性理論是研究人員認知可靠性和分析不同情景下人因失誤的發(fā)生機理和概率的方法,目前較多應(yīng)用于核電領(lǐng)域和民航領(lǐng)域。2002年,高文宇,等[7]應(yīng)用認知可靠性和失誤分析方法(Cognitive Reliability and Error Analysis Method,CREAM)分析某核電站的人因可靠性。2011年,孫彥招[8]結(jié)合LOPA、HAZOP、CREAM等方法首次探索煉油裝置操作與維修班組基于保護層的人因可靠性分析流程。

風險由發(fā)生事故的可能性和后果嚴重程度兩方面構(gòu)成,其中,在發(fā)生事故的可能性方面,調(diào)研結(jié)果顯示,目前用定性方法對作業(yè)風險可能性的判定標準,對于特定復(fù)雜場景下的作業(yè)風險管控存在一定不足;同時,煉化企業(yè)作業(yè)環(huán)境復(fù)雜、人為因素影響大,有必要改進現(xiàn)有的施工作業(yè)事故可能性評價方法,在精確識別風險的基礎(chǔ)上定量分析風險事件概率,并考慮人因失誤對作業(yè)風險的影響。

本文以發(fā)生事故的可能性為研究對象(不討論后果嚴重程度)。首先,運用保護層分析彌補Bow-tie模型無法定量分析的短板;其次,從人因可靠性角度深入分析人因失誤機理,運用CREAM方法[9]研究人因失誤的機理和概率,對施工作業(yè)事故可能性評價進行修正,強化人因失誤管控。

1 施工作業(yè)事故可能性評價模型

典型的Bow-tie模型主要包含頂上事件、威脅、后果、屏障、退化因素及退化控制措施等要素,該模型優(yōu)勢在于可精準識別風險事件的威脅、后果和屏障,但通常由于歷史數(shù)據(jù)不足、數(shù)據(jù)獨立性不足等原因難以定量評估風險。為彌補該缺陷,引入保護層分析方法。保護層分析(Layer of Protection Analysis,LOPA)是一種基于危險場景進行的定量風險評估工具。危險場景由初始事件、使能事件、獨立保護層和后果4部分構(gòu)成,通過初始事件頻率、獨立保護層失效頻率和后果嚴重程度的數(shù)量級表征場景風險。

在煉化企業(yè)作業(yè)場景下,人為因素是關(guān)鍵一環(huán),作業(yè)人員是作業(yè)活動中最為活躍的、最容易受到影響的主體,作業(yè)人員的人因失誤機理分析對相關(guān)作業(yè)風險事件概率具有重要影響。因此,將人因可靠性分析引入施工作業(yè)事故可能性評價模型,并將人因失誤定義為由于偏離預(yù)期結(jié)果的人的行為所引發(fā)的負面影響。Hollnagel[10]針對人為因素提出了兩種觀點,其中,Safety-I觀點將人為因素視為導(dǎo)致系統(tǒng)失效和故障的原因,即作為Bow-tie模型的威脅或屏障故障;Safety-II觀點認為,人的思想和行為適應(yīng)性能夠在復(fù)雜環(huán)境下盡可能確保系統(tǒng)正常運行,即作為Bow-tie模型的有效屏障。本文采用Safety-II觀點,在構(gòu)建Bow-tie模型時將人員正確操作視為有效屏障,對該屏障識別出相應(yīng)退化因素和退化控制措施,運用CREAM理論計算失效概率。構(gòu)建施工作業(yè)事故可能性評價模型如圖1所示。

圖1 施工作業(yè)事故可能性評價模型

由圖1可知,以Bow-tie模型的風險識別結(jié)果為基礎(chǔ),引入LOPA分析對Bow-tie模型的事故發(fā)生可能性進行量化計算,運用CREAM理論得出作業(yè)人員的人因失效概率,最終得出施工作業(yè)事故可能性評價結(jié)果。

2 施工作業(yè)事故可能性分析方法

運用LOPA對Bow-tie模型中的威脅發(fā)生概率和屏障失效概率進行定量分析。在獨立保護層作用下,初始事件發(fā)生事故的頻率,如公式(1)所示。

(1)

PFDij——初始事件i中第j個阻止后果C的獨立保護層的需求時失效概率。

其次,運用CREAM理論對Bow-tie模型中的退化因素及退化控制措施失效概率進行定量分析。CREAM理論的研究基礎(chǔ)是 COCOM(Contextual Control Model)模型[9,11],具體如圖2所示。

圖2 COCOM模型

該模型按認知功能將人的行為分為觀察、解釋、計劃和執(zhí)行等4類,按環(huán)境條件將控制模式分為混亂型、機會型、戰(zhàn)術(shù)型、戰(zhàn)略型等4種模式,4種控制模式所對應(yīng)的人因失效概率見表1。4類認知功能經(jīng)過驗證的人因失誤概率基本值見表2。

表1 控制模式與人因失效概率區(qū)間

表2 認知功能失效模式概率

CREAM理論將作業(yè)環(huán)境歸納為9種不同的因素,稱為共同績效條件(Common Performance Condition,CPC),用于描述環(huán)境對人的行為的影響,具體分為改進、不顯著和降低3類情況,如表3所示。

CPC值用Sn表示,將單個CPC因子的分值記作Sn,則Sn的取值規(guī)則的具體取值,見公式(2)。

(2)

設(shè)變量I和變量R為環(huán)境影響指數(shù)。其中,變量I為改進影響的總分值,見公式(3),變量R為降低影響的總分值,見公式(4)。

(3)

(4)

式中:Wn——不同環(huán)境下CPC值的相應(yīng)權(quán)重。

設(shè)HFP為人因失效概率,HFPI為只考慮改進影響因子的HFP,如公式(5)所示;HFPR為只考慮降低影響因子的HFP,如公式(6)所示;HFP0為所有CPC影響均不顯著情況下的HFP。

HFPI=HFP0×10k1I

(5)

HFPR=HFP0×10k2R

(6)

將以上取值代入公式(5)、公式(6),得出k1=-1.45,k2=-2.17。

因此,基于CREAM理論的人因失效概率模型,見公式(7)。

HFP=HFP0×(10-1.45I+10-2.17R-1)

(7)

最后,綜合LOPA和CREAM的定量分析模型,得出該作業(yè)中,事故i發(fā)生可能性的計算模型如公式(8)所示。

(8)

3 某原料罐拆除作業(yè)事故可能性評價

以某煉化企業(yè)液態(tài)烴脫硫裝置原料罐拆除作業(yè)為例,應(yīng)用上述方法進行事故發(fā)生可能性評價,液態(tài)烴脫硫裝置原料罐為臥式罐(直徑2 m,高7.08 m),重量6 800 kg。原料罐位于一座三層框架的二層平臺上,罐頂有平臺。

3.1 建立Bow-tie模型

本例中,Bow-tie模型的頂上事件為該液態(tài)烴脫硫裝置原料罐拆除作業(yè)事故,通過演繹推理得出拆除作業(yè)事故的威脅,通過歸納推理得出拆除作業(yè)事故的后果,結(jié)合歷史數(shù)據(jù)記錄及現(xiàn)場施工經(jīng)驗,構(gòu)建Bow-tie模型如圖3所示。

圖3 某液態(tài)烴脫硫裝置原料罐拆除作業(yè)事故Bow-tie模型

原料罐拆除作業(yè)事故屏障如表4所示,其中,依據(jù)Safety-II觀點,將“作業(yè)人員正確操作”(X10)作為威脅“抬吊原料罐作業(yè)異?！甭窂街械钠琳?對其退化控制措施進一步分析如表5所示。

表4 原料罐拆除作業(yè)事故屏障

表5 屏障X10“作業(yè)人員正確操作”退化控制措施

3.2 事故發(fā)生可能性

3.2.1 初始事件頻率和屏障失效概率

根據(jù)所構(gòu)建作業(yè)風險評估模型中的保護層分析方法,計算圖3中各路徑事件發(fā)生概率。其中,威脅的發(fā)生頻率(IEF)和屏障需求時失效概率(PFD)數(shù)據(jù)可從CCPS數(shù)據(jù)手冊中查閱[12],部分數(shù)據(jù)結(jié)合該作業(yè)特性及所處環(huán)境進行修正后,IEF值和PFD值分別如表6和表7所示。

表6 初始事件頻率(IEF)

表7 屏障需求時失效概率(PFD)

3.2.2 人因失效概率

根據(jù)人因可靠性分析CREAM理論,將Bow-tie模型中屏障X10的退化因素“作業(yè)人員違規(guī)操作”作為人因失誤進行定量分析。

根據(jù)公式(2)評估該人因失誤的CPC因子分值Sn,結(jié)果如表8所示。

將Sn代入公式(3)、公式(4),得出該作業(yè)的環(huán)境影響指數(shù)I和R。

依據(jù)表2給出的失效概率,對應(yīng)退化控制措施的認知行為和失效模式,得出各退化控制措施的失效概率,見表9。

表9 退化控制措施的認知行為、失效模式和失效概率

將環(huán)境影響指數(shù)I、R和表9的失效概率(HFP0)代入公式(7),分別得出退化因素“作業(yè)人員違規(guī)操作”的退化控制措施Y1、Y2、Y3、Y4的失效概率如下:

因此,該方法對比采用傳統(tǒng)Bow-tie模型對事故可能性評價方法具有較大改進。

4 結(jié)論

煉化企業(yè)施工作業(yè)是一個涉及多因素的復(fù)雜系統(tǒng),本文基于Bow-tie、LOPA和CREAM提出了事故可能性評價方法與模型,針對施工作業(yè)風險環(huán)境復(fù)雜、人為因素影響大等特點進行事故可能性定量評價。

a) 應(yīng)用Bow-tie模型對目標事件開展風險識別和風險管控措施分析,關(guān)注該場景下人為因素導(dǎo)致系統(tǒng)失效的機理和原因并設(shè)置有效屏障。

b) 在Bow-tie模型中引入保護層分析方法,以提升該模型定量評價事故可能性的能力。

c) 運用CREAM人因可靠性分析方法對Bow-tie模型中的人為因素進行分析和量化,對人因失誤事件的失效概率進行修正。

d) 以某液態(tài)烴脫硫裝置原料罐拆除作業(yè)為例,對該事故可能性評價模型進行應(yīng)用。該模型破解了煉化企業(yè)作業(yè)事故可能性定量評價的難題,能夠為實現(xiàn)環(huán)境因素和人因失誤因素影響下的定量風險評估提供理論支撐,對降低作業(yè)事故發(fā)生可能性,尤其是作業(yè)人員失誤概率具有積極的指導(dǎo)意義。