小型氨制冷装置风险评估方法研究

王伟华 谢国山 韩志远 李 翔 景为科 史 进 杜晨阳

(中国特种设备检测研究院)

小型氨制冷装置风险评估方法研究

王伟华*谢国山 韩志远 李 翔 景为科 史 进 杜晨阳

(中国特种设备检测研究院)

根据小型氨制冷装置的特点，以传统风险分析方法为基础，开展了针对性的风险评估方法研究，提出了小型氨制冷装置基于区域划分的风险评价模型，其中包括基于专家评分系统的失效可能性评价方法、基于区域人口密度的失效后果评价方法和HAZOP风险修正方法。

氨制冷装置 风险评估 失效可能性 失效后果

小型氨制冷装置是冷库主要的制冷设备，近年来氨泄漏事件频繁发生，且氨介质毒性危害较高，事故经常造成人员伤亡。小型氨制冷装置设备失效原因复杂多样，并且存在较多的历史遗留问题，尤其是个体经营的小型冷库，有些工程甚至未经正规设计和安装，冷库隔热材料的施工、设备材料的选用以及管道焊接等方面存在先天性缺陷[1]。因此，单一的检验检测与巡查缺乏对装置安全状况全面、系统的评估，很难发现隐患。

风险评估是一种基于数据资料、运行经验的科学方法,通过将风险量化,便于进行分析、比较,为风险管理的科学决策提供可靠的依据,以能够合理运用有限的人力和物力等资源、采取最适当的措施、达到最有效地减小风险的目的[2]。风险评估以及基于风险的检验技术已经在石化行业得到广泛应用[3]，并用来评估设备运行的潜在风险，即失效可能性和失效后果。传统风险评估方法主要针对石化装置在役期间的腐蚀、应力腐蚀开裂和失效机理开展分析，并根据运行参数考虑设备使用过程中的风险累积，确定失效可能性，并通过计算后果面积确定失效后果。然而这一评估模型直接应用于氨制冷装置并不能得到可靠结果，这是因为氨制冷装置有其特殊性，包括使用环节损伤累积不显著，设备多处于室内且与区域人口密度相关性较大等特点。余旭红和周春香尝试利用定量计算泄漏面积等方法开展氨制冷装置管道失效后果分析工作，并确定一些危险设备[4]。但总的来看，目前国内仍缺乏专门针对氨制冷装置风险评估方法的系统研究，也缺乏此方面的法规标准支持。为此，笔者针对氨制冷装置风险评估方法开展研究，并通过建立风险评估模型为整治治理提供技术基础和科学依据，也为企业改造升级提供有效的建议措施，确保生产安全和社会稳定。

1 风险评价模型

根据风险评估的基本原理[5]和小型氨制冷装置的特点，采用半定量方法对装置失效风险，即失效可能性和失效后果进行评估，提出基于区域划分的风险评估模型。对于制冷机房内的压力容器和管道统一划分为机房区域并作为单一评价单元。对于机房外的其他制冷管道，按照涉氨区域的人员密度特征ρ和后果减缓措施特征S进行区域划分。划分后属于区域Zi(ρi,Si)的设备即具有人员密度特征ρi和后果减缓措施特征Si。区域划分后设备失效可能性和失效后果将依据区域特征进行计算。失效可能性的计算采用专家评分系统，并考虑设计、制造、安装、使用及检验等多方面影响因素，而失效后果则以区域人口密度ρ为基础进行半定量计算评分，定量风险水平与失效可能性和失效后果成正比。同时，考虑人员误操作的影响，对每个区域进行HAZOP节点划分, 通过识别工艺设计中关键参数可能存在的偏差，分析偏差可能导致的风险，并将HAZOP分析的节点风险对区域风险进行修正，得到各区域的最终风险。提出的风险评估模型中区域风险计算公式为：VZ(区域风险)=F(失效可能性)×CZ(区域后果)×ζ(HAZOP系数)。风险评估流程如图1所示。

图1 小型氨制冷装置风险评估流程

2 失效可能性评价

石化装置风险评估中对失效可能性的评价主要是针对在役损伤机理和损伤累积发展进行分析，如腐蚀减薄、环境开裂、材料裂化及机械损伤等。小型氨制冷装置的设计、制造、安装、使用管理及操作等环节与在役损伤相比，对设备失效可能性有更重要的影响。因此，小型氨制冷装置风险评估模型中，主要针对设计、制造、安装、改造、使用管理、检验与监察7个环节中的失效可能性因素，以现有法规、标准为依据，通过专家判断的评分系统，对各失效可能性因素分项分配权重并进行专家评分，得到失效可能性分值F：

F=fd+ff+fi+fr+fu+ft+fs

其中，设计因素失效可能性因子fd∈(0,18)，制造因素失效可能性因子ff∈(0,20)，安装因素失效可能性因子fi∈(0,41)，改造因素失效可能性因子fr∈(0,5)，使用管理因素失效可能性因子fu∈(0,44)，检验因素失效可能性因子ft∈(0,26)，监察因素失效可能性因子fs∈(0,6)，则F∈(0,160)且F越大代表失效可能性越大。各失效可能性因素专家评分标准见表1，分级权重如图2所示。

表1 失效可能性评价评分标准(以设计制造为例)

图2 各失效可能性因素专家评分分级权重

3 失效后果评价

小型氨制冷装置风险评估模型中失效后果C总分为100分，失效后果评价方法的评分项包括本质后果严重程度和后果减缓措施。本质后果严重程度由涉氨区域Zi的人口密度特征ρi决定，结合《特种设备安全监察条例》事故分类所涉及的人员伤亡数量，以及小型氨制冷装置通常情况下冷冻设备所在加工车间的建筑面积，人口密度特征分数Cρ配比(表2)。后果减缓措施Si可细分为：氨气浓度报警装置、紧急切断装置、事故排风及喷淋、逃生通道、消防设施和应急预案。根据后果减缓措施特征分数CS之和确定人口密度特征分数Cρ的修正因子αS，CS权重分数配比和αS确定方法见表3、4。氨泄漏扩散影响面积也将作为修正系数对失效后果总分进行修正，参考API581并结合国内RBI经验，考虑连续泄漏和瞬时泄漏两种泄漏类型，对不同外径的管道选取不同的泄漏孔直径进行计算，而毒性扩散面积CA则根据室内氨气扩散进行修正[6]，毒性面积无量纲修正系数αCA=CA/1000。则最终的区域后果面积计算方法为：

CZ=αCA×αS×Cρ

表2 人口密度特征分数配比评分标准

表3 后果减缓措施特征分数配比评分标准

表4 后果减缓措施修正系数配比标准

4 HAZOP风险分析

小型氨制冷装置HAZOP分析是通过分析制冷和融霜过程中工艺状态参数的变动，人为操作控制中可能出现的偏差，以及这些变动与偏差对可能导致的后果，查找出现变动和偏差的原因，明确制冷系统内存在的主要危险和危害因素，并针对变动与偏差的后果提出应采取的措施。HAZOP不仅关心设计问题，更关心操作问题，对于小型氨制冷装置来说，人为的操作失误是带来灾难性后果的重要因素。HAZOP分析所需技术资料包括：装置流程图(PFD)、管线及仪表图(P&ID)、 流程说明、生产计划、生产目标、设备台账、设备布置图、公共及支援设施说明、操作步骤及维修计划等。

HAZOP风险等级为后果严重性与发生后果可能性的乘积。以机房内压缩机将低温低压氨气吸入压缩机，将高压氨气排至蒸发冷凝器(节点1)为例，HAZOP分析见表5。

表5 机房内压缩机吸入/排出氨气HAZOP分析表 (以压力和流量为例)

5 风险表征和应用案例

小型氨制冷装置风险表征的失效可能性和失效后果均为打分制原则，基于前述风险评估模型和公式可得风险分数VZ，并最终根据VZ表征为以下4个风险等级：

低风险VZ∈[0，3200)

中风险VZ∈[3200，8000)

中高风险VZ∈[8000，16000)

高风险VZ∈[16000，32000)

以某冷库的小型氨制冷装置为例对风险评估模型进行说明，该装置始建于20世纪80年代。

按人员密度和管道布置划分为机房区、冷藏区、单冻机区和速冻间区4个区域，风险评估结果VZ得分依次为：4 154、640、8 320、5 334分。可以看出，单冻机区为4个区域中风险最高的区域，其中可能性得分F=64分(设计因素失效可能性因子fd=12，制造因素失效可能性因子ff=8，安装因素失效可能性因子fi=10，改造因素失效可能性因子fr=1，使用管理因素失效可能性因子fu=16，检验因素失效可能性因子ft=13，监察因素失效可能性因子fs=4)，后果得分CZ=65分(人口密度特征分数Cρ=65，后果减缓措施修正系数αS=1、毒性面积修正系数修正系数αCA=1)，HAZOP系数ζ=2。最终风险得分VZ=8320分，定义为中高风险，建议进行整改。

6 结束语

以我国小型氨制冷装置特点为基础，并根据传统风险评估原理，提出了一套针对我国小型氨制冷装置的风险评估模型。该模型引入基于区域划分的风险评价模型，并包括基于专家评分系统的失效可能性评价方法，基于区域人口密度及后果减缓措施的失效后果评价方法，以及HAZOP风险修正方法。通过这一风险评估模型，可为国家开展冷库治理提供技术基础和科学依据。

[1] 柴军辉. 浅谈小型制冷装置用压力容器的安全管理[J]. 科技创新导报，2013，(2)：205～206.

[2] 刘颖,刘长林,周巍. 油气管道的风险评价方法[J]. 焊管，2008，31(1)：36～39.

[3] 陈学冬，王冰，杨铁成，等. 基于风险的检测(RBI)在中国石化企业的实践及若干问题讨论[J].压力容器，2004，21(8)：39～45.

[4] 余旭红，周春香. 在用氨制冷管道风险分析[J]. 化学工程与装备，2011，(4)：152～156.

[5] API 581-2008，Risk based inspection[S]. Wadhington：American Petroleum Institute，2008.

[6] 韩志远，王伟华，谢国山. 室内氨泄漏扩散后果面积评价模型[J]. 中国特种设备安全，2015，31(z1)：41～45.

ResearchofRiskEvaluationMethodforSmallAmmoniaRefrigerationDevice

WANG Wei-hua, XIE Guo-shan, HAN Zhi-yuan, LI Xiang, JING Wei-ke, SHI Jin, DU Chen-yang
(ChinaSpecialEquipmentInspectionandResearchInstitute,Beijing100029,China)

Considering characteristics of small-size ammonia refrigeration devices and basing on traditional risk analysis methods, a specific risk evaluation method was investigated and a risk evaluation model based on regional division of small ammonia refrigeration device was proposed, including the failure possibility evaluation method based on the expert scoring system and the population density-supported failure consequence evaluation method as well as the HAZOP risk correction method.

ammonia refrigeration device, risk evaluation, failure possibility, failure consequence

* 王伟华，男，1982年4月生，工程师。北京市，100029。

TQ021.2

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0254-6094(2016)02-0137-04

2015-07-22)