FMEA、HAZOP和LOPA三种方法的信息共享研究

（辽宁石油化工大学， 辽宁 抚顺 113001）

FMEA、HAZOP和LOPA三种方法的信息共享研究

曾宏宇，王 伟

（辽宁石油化工大学， 辽宁 抚顺 113001）

随着国内石油化工行业的蓬勃发展，安全事故频频发生，显然人们的安全意识和防范措施跟不上生产的步伐。因此对石油化工行业进行安全评价是必要的。作为产品故障与风险分析的重要手段之一的FMEA，其工作核心价值在于找出潜在故障模式，并预防不良后果。HAZOP分析是在危险识别方面最全面、最有效的评价方法，而LOPA分析方法则是在HAZOP分析基础上作进一步半定量分析，从而提出更全面的安全措施，通过总结三种评价方式在不正常表现，产生原因，不良后果，安全措施等方面的信息共享，提高了化工企业安全评价的准确性和客观性。

FMEA；HAZOP；LOPA；信息共享；安全评价

信息是人们对事物的了解的不确定性的减少或消除，其功能是表征物质客体成分，结构，状态，特性等属性。信息共享的目的在于减少或消除信息源所需的不确定性[1]。石油化工行业由于设备多，生产过程复杂，危险元素众多，因而事故风险高，在生产过程中设备出现故障是不可避免的，因此对设备进行故障模式与影响分析（FMEA），找出潜在故障，对于预防不良后果有重要意义。危险与可操作性分析(HAZOP)是识别危险最全面有效的安全评价方法。它通过假定生产工艺的每一个部分都有可能发生不正常的偏差，并分析偏差产生原因和不利后果，从而为提出安全措施提供信息。保护层分析法（LOPA）是分析由HAZOP分析所得原因-后果对所描述的危险场景，通过危险场景发生频度、不利后果严重度以及独立保护层的有效性来综合评定危险场景的风险程度。三种分析方法所提供和所需要的信息之间存在许多联系，因此三者之间的信息共享能够提高安全评价的准确性与客观性。

1 三种评价方法简介

FMEA，故障模式和影响分析，最早始应用于战斗机的操作系统分析，其主要目的在于识别已知或潜在的失效模式，分析所有可能的后果，评估其严重度并预先采取有效措施，从而降低故障发生概率，加强系统的可靠性，同时也为管理层做出风险管理决定提供详细信息。FMEA的另一个核心价值在于积累信息，有益于产品的改进或再设计[2]。危险与可操作性分析（HAZOP）是英国帝国化学工业公司针对化工装置而开发的一种危险性评价方法，既可以用于设计阶段，又适用于现有装置。其基本过程是不同背景的专家小组利用头脑风暴方式，以关键词为引导，寻找出系统中工艺过程的状态参数的变化，然后进一步分析偏差的原因、后果与措施。保护层分析法（LOPA）可看做是一种改进的事件树分析方法，是对HAZOP得出的结果做半定量深入分析。其目的在于量化场景的风险度，并检查安全措施是否能满足要求。总的而言，FMEA始于故障原因，HAZOP始于偏差，LOPA始于结果，由于分析顺序存在差异，故而在各分析阶段所需和所提供的信息就会有所互补[3],如图1所示。

图1 FMEA、HAZOP与LOPA的分析顺序对比Fig.1 The analysis sequence of three methods

2 三种方法分析的关系

三种分析方法主要的关系是:运用FMEA对设备进行分析，并综合该设备运行历史记录，得到故障模式库等记录信息；运用HAZOP对设备之间节点进行分析，得到所有可能的偏差，原因，后果等经验信息；运用LOPA对前两者分析所得结果进行深入研究，得到分析信息。三种评价方法彼此之间提供着不同的信息[4],如图2所示。

图2 FMEA、HAZOP和LOPA分析关系图Fig.2 The analysis relationship of three methods

3 FMEA、HAZOP与LOPA信息共享

3.1 现象-原因-后果层面信息共享

在石油化工企业中，设备故障是致使危险场景产生的一个主要因素。常见的设备故障有管路堵塞，管线破裂，阀门故障，泵故障，换热管破裂，容器故障等等。这些故障也是导致HAZOP分析中偏差产生的直接原因。以流量为例[5]，如表1所示。

故障的产生原因可分为内因和外因，内因指的是产品固有可靠性方面的原因，例如产品本身设计缺陷、材质选用不当、安装有误等等。而故障外因是使用可靠性方面原因，如使用环境和使用条件。故障产生原因也是偏差产生的根本原因。充分了解故障产生的内因与外因，考察故障发生的机理能够将始发事件描述得更加详尽全面。在进行HAZOP分析时，考虑故障和偏差的关系能够更加准确全面的列举所有可能的偏差。在计算始发事件发生概率的时候，已有的设备故障历史记录和发生几率可以提供有力的数据。故障所带来的影响可能是对邻部件、对子系统和对整个系统，而在考察偏差所带来的后果时，由于分析角度不一样，所得的结果就和故障所带来的结果不一样，因此两者综合能使后果描述更加全面。两者分析所得到的结果恰是LOPA分析所需的素材，素材内容越详细，分析结果越准确。

表1 故障导致的流量偏差图Table 1 The deviation of flow caused by equipment failure

3.2 安全措施层面信息共享

在现阶段的石油化工企业中，故障与偏差完全不产生是不可能的，因此列举并考察安全措施是三种方法结合非常重要的一个环节，也是信息共享的关键环节。在FMEA评价中，风险顺序数RPN（Risk Priority Number）是对失效模式的风险大小的综合评定，其值为故障严重度、发生度和难检度三者的乘积[6]。故障严重度是指故障产生时对人员、设备等方面的影响程度，发生率是指故障发生的可能性，难检度是指故障发生时，现有的检测手段能将其准确检测出来的概率指标,，三者取值范围均为1～10，故RPN的取值范围是1～1 000，其数值越大，存在的问题越严重。通常HAZOP分析在判断分析对象风险大小的时候是凭借参与者的经验，而风险顺序数则能定量准确的将系统内各个设备进行风险排序，这无疑给HAZOP提供了强有力的信息，从而将有限的人力物力资源，按照轻重缓急分配到各项目上去。LOPA是HAZOP分析的延续，主要是针对较复杂严重的节点[7]。在确定这些节点的时候，风险顺序数同样能提供有力的信息。安全措施的最终目的在于降低RPN值，减小发生率，降低严重度，提高检测度都能减小RPN值，所以在制定安全措施的时候可以从这三个方面入手。例如定期检查可以减少发生率，增加更精确的流量计和压力计等可以提高检测度，设置抑爆装置能减轻严重度，从而降低损失。HAZOP分析在制定安全措施的时候，根据风险顺序表所提供的信息，若其中某项数值过高，则采取对应的措施。FMEA和HAZOP所制定的措施是否已足够安全？凭借经验判断是完全不够的。LOPA能够将这些措施半定量化分析，从而判断这些措施是否已经达到要求[8]。LOPA分析所得能够丰富FMEA故障模式库和HAZOP案例。具体信息共享如图3所示[9]。

4 三种评价方法信息共享的优点

三种评价方法信息共享主要具有以下几个优点[10]：

（1）可使三种评价方法都能分析得更加全面到位;

（2）可为公司员工提供详细可靠的操作、维护和培训资料；

（3）通过信息共享后所提供的安全措施将更加可靠；

（4）对公司产品改进和创新提供有利信息。

图3 FMEA、HAZOP与LOPA信息共享关系图Fig.3 The information sharing of three methods

5 结 语

从三种安全评价方法各自所提供和所需要的信息出发，探讨了三者之间在不正常现象，产生原因，后果以及相对应安全措施等几个方面的信息共享。实际上在具体的评价过程中还有着更多细节方面的信息共享，由于篇幅缘故，仅从几个大方面进行浅显的挖掘。实现信息共享是需要一定成本和技术的支持。只有在收益大于成本时，共享才有意义。而先进的技术能够降低信息共享的成本，所以如果能够借助软件和网络来实现各类似石油化工企业的信息共享，则能大大改善评价质量和力度。

［1］李干琼.食物安全信息共享系统的初步设计[D].北京：中国农业科学院，2006．

［2］唐环，李明利，谢逸钦，等. FMEA工作原则及基础工作的重要性[J]. 仪器仪表标准化与计量,2011（02）.

［3］张斌.HAZOP技术在丁辛醇装置上的应用研究[D]. 华东：中国石油大学，2008.

［4］张悦，石超，方来华. 基于FMEA和HAZOP的综合分析方法及应用研究[J].中国安全生产科学技术，2011，7(7).

［5］王若青，胡晨.HAZOP安全方法的介绍[J].石油化工安全技术，2003,19(1).

［6］王高峰.FMEA在质量管理中的应用[J].质量工程卷，2002（11）:60-63.

［7］管杰，廖海燕.保护层分析(LOPA)在炼化生产中的应用[J].安全、健康和环境，2010,10(1):36-38.

［8］吴重光，张贝克，马昕.过程工业安全设计的防护层分析[J].石油化工自动化，2007(4):1-3,28．

［9］张其立，邱彤，赵劲松，等.3种安全评价方法的集成研究[J]. 计算机与化学应用， 2009,26(8) :961-965．

［10］许芝瑞，孙文勇，赵东风.HAZOP和LOPA两种安全评价方法的集成研究[J].安全与环境工程，2011,18（5）．

二氧化钛表面光催化产氢研究获进展

中科院大连化物所杨学明院士领导的科研团队，近期在二氧化钛表面光催化产氢研究中获得新进展。相关成果发表于最新一期的《美国化学会志》。

据了解，甲醇能提高二氧化钛光催化分解水的产氢效率，而甲醇本身也能光催化产氢。锐钛矿(anatase)是由二氧化钛组成的三种矿物之一，另外两种是金红石(rutile)和板钛矿。目前，科学家普遍认为，锐钛矿表面的光催化产氢效率要高于金红石表面，但其产氢反应机理仍未完全明晰。如果能从分子水平上理解二氧化钛不同表面的产氢机理，可为发展高效催化剂提供新思路。

杨学明团队利用自行研制的基于高灵敏度质谱的表面光化学装置，系统研究了单分子层甲醇覆盖的rutile-TiO2(110)表面在紫外光照射后的反应动力学过程。此次他们深入研究了甲醇分子在anatase-TiO2(101)表面的光化学反应。结果表明，甲醇分子在anatase-TiO2(101)表面的光化学行为和在rutile-TiO2(110)表面很相似。但是，由于anatase-TiO2(101)表面结构的特异性，桥氧原子比rutile-TiO2(110)表面更稳定。在升温过程中，甲醇解离产生的桥氧氢原子不会夺取桥氧原子生成水从表面脱附出来。分析表明，大约有40%左右的桥氧氢原子以氢气形式脱附出来，这也解释了anatase-TiO2(101)表面产氢效率较高的原因。

Study on Information Sharing of FMEA,HAZOP and LOPA

ZENG Hong-Yu，WANG Wei
（Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China）

The information sharing of three approaches was summarized through overview on the characteristics of Failure Mode and Effects Analysis (FMEA), Hazard and Operability Analysis (HAZOP) and Layers of Protection Analysis (LOPA) as well as on the information they provided. As one of the most important methods of failure and risk analysis, the core value of FMEA is to find out the potential failure modes and prevent terrible results. HAZOP is recognized as the most comprehensive and efficient method in safety evaluation. Based on it, the semi quantitative LOPA analysis got further study and more control measures were proposed. After summarizing the information sharing of three methods on abnormal performance, causes, terrible results and control measures, the accuracy and objectivity of safety evaluation were improved.

FMEA; HAZOP; LOPA; Information sharing; safety evaluation

TE 687

A

1671-0460（2014）02-0210-03

2013-07-14

曾宏宇（1988-），男，湖南长沙人，辽宁石油化工大学安全技术及工程专业硕士：E-mail：zhy779866212@163.com。

指导教师： 王伟（1974-），男，山东费县人，辽宁石油化工大学安全工程系副教授，研究方向: 结构性安全评价，疲劳断裂理论研究。