保护层分析方法在丙烯酸树脂生产工艺中的应用

樊俊锋

上海纬纵化工工程咨询有限公司（上海　200235）

化工管理

保护层分析方法在丙烯酸树脂生产工艺中的应用

樊俊锋

上海纬纵化工工程咨询有限公司（上海200235）

介绍了保护层分析（LOPA）方法，阐述了利用LOPA方法对事故场景进行半定量分析的步骤。以丙烯酸树脂生产工艺中的事故场景为例，利用LOPA方法进行了拟采用措施实施前后事故要求失效概率（PFD）的分析，据此进行安全改造工作决策并落实改造措施。

保护层分析事故场景丙烯酸树脂要求失效概率

0　前言

化工项目往往具有工艺流程复杂、介质危险、易燃易爆等特点。为保障安全运行，需系统地识别工艺装置中的各种潜在风险和危害，并提出切实可靠的措施以达到降低事故发生的可能性及减轻事故后果的目的。

作为一种工艺安全分析方法，危险与可操作性研究（HAZOP）近年来在化工领域得到了广泛的应用[1]。HAZOP是一种定性的分析方法，不能解决风险发生的概率以及采取措施后发生概率降低多少的问题。为此，在化工项目安全分析中引入了保护层分析（LOPA）方法。LOPA方法是基于事故场景进行风险研究的半定量分析方法，因其客观、可靠且高效，近年来在国际石化企业中得到越来越广泛的应用。

本文以丙烯酸树脂安全改造项目为例，通过LOPA方法的应用，采取针对性的安全措施并将风险降低至可接受的程度。

1　LOPA简介

LOPA是在定性危害分析的基础上，进一步评估保护层的有效性，并进行风险决策的系统方法。其主要目的是确定是否有足够的保护层使得事故发生的风险降低到可接受的范围内[2]。

LOPA方法的操作主要是通过量化事故发生的频率和事故发生后可能导致的后果的严重程度来表征事故的风险程度，分析事故场景下各个保护层的失效概率，通过计算确定该风险事故发生的近似概率，从而决定是否需要增加保护层，直至该风险发生的概率降低至可接受程度。

在化工项目中，通常有7个保护层：（1）本质安全的化工工艺设计；（2）基本过程控制系统（BPCS），是执行持续监测和控制日常生产过程的控制系统，由传感器、逻辑控制器和最终执行元件组成，通过响应过程或者操作人员的输入信号产生输出信息，使过程以期望的方式运行；（3）关键报警和操作人员干预，操作人员应能够得到采取行动的指示和报警，并能够完成报警所要求的操作任务；（4）安全仪表功能，通过检测超限（异常）条件使控制过程进入功能安全状态，由传感器、逻辑控制器和最终执行元件组成并具有一定的安全完整水平且独立于基本过程控制系统；（5）物理保护（安全阀、爆破片等）；（6）释放后保护（防火堤、防爆墙等）；（7）工厂和社区应急响应[3]。

2　保护层分析步骤

利用LOPA方法进行风险评价分析的步骤一般分为以下6步：

（1）将工艺过程中所有可能的事故场景及其发生的后果和可能性进行识别和筛选，事故场景通常可以通过HAZOP等工艺安全分析方法获得[5]。

（2）在识别和筛选后的事故场景中进行初始事件的确认以及获取该事件发生的频率。

（3）列出所有的独立保护层（IPL）措施，IPL要能够有效阻止后果的发生，需要满足独立性、有效性、安全性、变更管理和可审查性的要求[4]。上文提到的7个保护层，除工厂和社区应急响应以外，其他保护层可单独或组合成为IPL。但如果某IPL失效本身为初始事件，那么该IPL就不能作为保护层予以考虑。例如，某温度联锁控制失效为初始事件，那么该温度联锁所产生的报警就不能作为保护层考虑并参与第4步的计算。

（4）利用初始事件发生的概率和各个IPL失效的概率计算出该风险事故发生的近似概率。计算中所选用的数据可采用行业统计数据、企业历史统计数据或供应商提供的厂商数据等。

（5）根据风险发生概率的计算结果和后果等级，使用定量数值风险标准、风险矩阵等形式进行风险评估和决策。

（6）对分析结果的执行情况进行后续跟踪，对提出的降低风险的行动的实施情况进行落实。

3　LOPA方法的实际运用

在丙烯酸树脂聚合工艺的安全改造中，利用LOPA方法进行了风险分析并提出了有效的安全改造建议。

3.1丙烯酸树脂生产工艺过程

丙烯酸树脂合成反应是聚合反应，各类单体（苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙稀酸羟乙酯、甲基丙稀酸羟丙酯等）在溶剂中经引发发生聚合反应，生成聚合物。该反应为放热反应，在常压、一定温度下进行，反应过程包括链的引发、增长和终止。

该项目中丙烯酸树脂合成的工艺流程如图1所示。将苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯等单体以及引发剂按配料要求加入单体罐中并搅拌混合均匀，利用冷冻水进行冷却以防止温度过高引发聚合；溶剂按配料要求加入聚合反应釜内，利用导热油加热，搅拌升温至回流温度；在溶剂回流状态下，匀速滴加已预先配置好的混合单体，同时关导热油、开冷却水，边搅拌边滴加，控制温度低于回流温度；混合单体滴加完毕后，进行保温反应；保温完毕后，将产物放入兑稀釜中，取样分析并进行稀释；对达标成品进行过滤、包装。

3.2定义风险矩阵

在开始保护层分析之前先与建设单位讨论并确定风险矩阵，如表1所示，根据事故每年发生的频率和事故后果的严重程度分级确定该风险事故的等级，其中事故后果的严重程度分级如表2所示。

图1　丙烯酸树脂合成工艺流程

表1　风险矩阵示意

表2　事故后果等级划分

3.3保护层分析过程

3.3.1场景识别和筛选

根据HZAOP分析结果，得到事故场景以及工艺安全分析结果，在此以其中1个事故场景举例，如表3所示。

表3　事故场景分析

该事故场景为冷冻水回路失效导致温度升高引发单体聚合，造成单体罐中超温超压引发爆炸。

3.3.2初始事件确认

初始事件为冷冻水回路失效，初始事件每年发生的频率（fi）为10-1。

3.3.3列出保护层措施

基本过程控制系统报警和人员响应：温度超过35℃即产生报警，提醒生产人员采取行动，关闭单体进料并开启抑制剂阀门将抑制剂放至单体罐中，可有效阻止单体进一步聚合。该基本过程控制系统与初始事件无关，故可作为独立保护层考虑，其失效概率PFD1为10-1。

爆破片：单体罐中单体聚合引发压力上升，压力升至45 kPa时爆破片破裂泄放物料，可有效阻止进一步超压乃至爆炸的发生。爆破片独立于初始事件和其他保护层,故可作为IPL考虑，其失效概率PFD2为10-3。

3.3.4失效概率（fc）的计算

3.3.5风险分析和决策

该事故场景可能导致超压爆炸，后果等级为5级，跟据表1风险矩阵得出该事故风险等级为中。

建议在基本过程控制系统中增加SIL2回路，即增加SIL2的温度检测仪表，联锁SIL2的开关阀，将该保护层失效的概率从10-1降低至10-3。

重新计算失效概率为：

计算显示，通过增加SIL回路降低保护层失效的概率可以将场景失效概率从10-5降低至10-7。对应表1风险矩阵，得出该事故风险等级为低。

3.3.6后续跟踪和措施落实

根据风险分析结果和决策，进一步落实了该安全改造项目的安全仪表采购、安装、测试的负责人以及进度安排。安装测试完成后工艺完全小组到现场进行了SIL回路的现场确认和验证。

4　结语

丙烯酸树脂合成是一种风险较大的化学反应过程，在工艺安全分析的基础上，采用LOPA方法半定量地分析了事故发生的风险，通过计算事件失效概率，更加准确地定量预测事故可能发生的风险，为安全小组人员进行安全决策提供了判据。

LOPA应用过程中需要有相关硬件（阀门、仪表等）的可靠厂商实验数据（主要为故障率）。我国在产业结构调整和快速发展过程中，目前这方面仍需加强，建议由产业协会牵头，在生产过程中加强监管，帮助各生产企业建立可靠的数据库，使得LOPA方法更好地发挥作用，从而帮助化工企业降低事故风险，更加健康地发展。

[1]廖学品.化工过程危险性分析[M].北京：化学工业出版社，2000.

[2]周荣义,李石林,刘何清.HAZOP分析中LOPA的应用研究[J].中国安全科学学报,2010,20(7)：76-81.

[3]DowellⅢA M.Layer of protection analysis for determining safety integrity level[J].ISA Transactions,1998,37(3)：155-165.

[4]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)：36-38,41.

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

The Application of Layer of Protection Analysis in Acrylic Resin Manufacturing Process

Fan Junfeng

Layer of protection analysis(LOPA)method is introduced,and the steps of how to use LOPA method to perform the semi-quantitative analysis of accident scenario are illustrated.Taking the accident scenario of acrylic resin manufacturing process as an example and by utilizing the LOPA method,the probabilities of failure on demand before and after the safety measure implementation are analyzed separately.The analysis results serve as the basis of decision making that whether and how to implement safety improvement measures.

Layer of protection analysis;Accident scenario;Acrylic resin;Probability of failure on demand

TP 202.1

樊俊锋男1980年生工程师硕士研究方向为化工工艺安全

2015年7月