通过本质安全 从源头预防化工事故

知安企业管理咨询（上海）中心 孙洪｜文

1984年12月3日凌晨，印度中央邦首府博帕尔市美国联合碳化物农药厂40多吨剧毒的化学品甲基异氰酸酯（MIC）泄漏，事故造成了数千人迅速死亡和更多人受伤。事故调查揭示了该厂在过程安全管理体系的很多问题，如：工艺危害分析（Process Hazard Analysis,PHA）缺失、设备和安全系统维护不当、应急响应计划不足和人员培训不充分，等等。

但英国人特雷弗·克雷兹（Trevor Kletz）看到了更深层次的问题：甲基异氰酸酯既非原料，也非产品，而是一种中间体。储存大量甲基异氰酸酯对生产而言很方便，但并不是必要的。该厂完全有可能在甲基异氰酸酯生产出来后马上用掉，这样最坏情况下泄漏也就几公斤而已。为此，特雷弗·克雷兹在1977年首次提出了“本质安全”概念，本文将围绕此概念，探讨如何从源头做好化工事故防范。

4种安全策略

本质安全（Inherently Safer）旨在消除或减少过程危害，而不是通过增加安全系统和程序来缓解过程事故的后果。本质安全原意是化工过程“本质上更安全”，并非指绝对安全（Absolute Safe）和固有安全（Inherently Safe），“本质安全”只是目前国内化工业界的习惯说法。

图1 印度博帕尔灾难现场（图片源自 bhopal.org)

为了进一步讨论本质安全，不妨回到过程风险管理。众所周知，风险是不利事件后果和可能性的函数。在化工行业，通过设计、技术、程序和管理系统来消除/减少过程中的危害事故后果或降低事故发生可能性，或同时降低这两者。美国化学过程安全中心（Center for Chemical Process Safety, CCPS）相关指南书籍之一的《本质安全化学过程——一个生命周期方法》介绍了以下4类策略：

1.本质策略。通过使用更温和的材料和工艺条件来消除危害。例如，用水代替易燃溶剂，即使发生溢流也不会造成火灾事故。

2.被动策略。利用过程和设备设计功能最大限度地降低危害，从而降低危害发生的频率或后果。比如，高位槽的溢流管，使过多物料可以流回储罐；此外，储罐区的围堰也是一种安全防护措施；但此两者均为被动策略。

3.主动策略。通过使用仪表控制、报警、安全仪表系统和缓解系统来检测和响应正常运行中的过程偏离。例如，当高位槽液位达到85%时，液位控制回路会自动停进料泵。

图2 分析、降低和管理风险的顺序

4.程序策略。利用操作程序、管理检查、应急响应和其他管理办法来预防事故的发生或尽量减小事故产生的后果。例如，要求员工检查高位槽液位，并在液位高时停泵，这也常被称为管理控制措施。

以上4种类型的措施都有助于过程安全。在理想情况下，分析、降低和管理风险可按图2的顺序考虑。

本质安全是通过利用材料特性或过程自身来消除或降低危害。本质安全与其他3种类型策略之间的根本区别在于本质安全旨在从源头上消除危害，而不是被动的接受危害后再试图缓解其后果。如果单独采取本质安全措施来实现项目风险目标是可行的，则可能不需要其他保护层，也就减少了其相关时间、资产和费用。有时本质安全设计领域习惯性提法也可能造成一些误解。例如：容器设计压力高于可能内部爆炸最大压力可被称为本质安全策略；溢流管有时被称为本质安全策略，而储罐区围堰则不被称为本质安全策略，但设计围堰显然比程序策略本质上更为安全。上文提到“本质上更安全”概念本来是相对的，稍有不同理解并不会给化工过程设计带来困扰；笔者认为多数读者大可不必在定义上纠结。

本质安全设计方法

本质安全概念关键在于设计一个本质上更为安全的化工厂，特雷弗·克雷兹在1984年提出的化工厂本质安全设计策略主要包括4方面：

1.最小化，使用更少的危害物质

“最小化”就是尽量减少化工过程或工厂中有害物质或能量的存量。最小化通常通过应用新技术减小设备尺寸来实现存量减少。例如使用连续反应器、管式反应器甚至微反应器而非间歇反应器，如此将大大减少在高温高压下处理的有害化学品的量。又如：离心蒸馏技术或高表面积换热器同样可以减少有害物质在化工过程中的存量。值得一提的是，简单地将本质安全原则应用于传统技术，也可以大大减少过程库存。就上文提到的印度博帕尔灾难而言，联合碳化物农药厂管理层即使不依靠技术进步，如果能直接将甲基异氰酸酯库降低存至数吨，而非以60多吨（当然这对甲基异氰酸酯维护保养要求会高一些）保持下游装置生产稳定性或连续性，也可提高本质安全水平。况且，事故发生时工厂处于待工状态，完全可以在基本用完甲基异氰酸酯后停工。

2.替代，使用危害较小的物质代替原来危害较大的物质

“替代”是指用危害较小的物质/工艺来替代有害物质或工艺，以减少或消除过程危害。研发人员、设计人员、项目经理、运营经理和生产技术人员可以不断寻求是否有危害较小的物质或工艺路线能替代现有过程危险性高的物质和工艺。替代策略应该在项目初期应用，在项目建成或运营后，想要替代将变得非常困难。回到博帕尔灾难案例，可以看到，联合碳化物公司在选择农药产品西维因（化学名：甲萘威）合成路线时，并没有选择选择本质上更安全的工艺路线，而是选择了以反应性和毒性化合物甲基异氰酸酯为中间体的工艺路线。也许是光气危害已经广为人知，甲基异氰酸酯装置的光气储罐较小（在博帕尔灾难相关视频可以看到）。可惜的是，比光气更毒的甲基异氰酸酯并没有得到应有的重视。

3.缓和，在危害较小的条件或材料形态来运行，或设施设计能减小危害物料和能量释放的影响

“缓和”是指在危险较小的过程条件下使用物质。可以通过降低温度或稀释的物理方法来调节过程条件，也可以开发反应温度和压力较低的化学工艺，来达到缓和过程条件的目的。当年联合碳化物公司确实应用了冷冻系统来降低甲基异氰酸酯储存温度，并用来消除可能有少量水汽和甲基异氰酸酯反应产生的热量。但是，博帕尔工厂管理层在实施解决储罐区输送泵甲基异氰酸酯泄漏问题设施变更后停用了冷冻系统。在博帕尔灾难案例中，降低温度虽属本质安全策略，但是冷冻系统本身能力和可靠性未必能预防或有效缓解灾难的发生。当然，在精细化工行业，使用降低反应物浓度等方法成功降低工艺危险度还是很常见的。

4.简化，设计避免不必要的复杂性以减少操作失误可能性或允许失误

简单的流程通常比复杂的流程更安全。例如，按较高压力设计一个常压中间储罐，就不必担心可能出现的真空条件损坏储罐，也可省掉相关真空保护设备费用、安全系统维护费用和操作程序相关要求。但在平衡考虑安全性和经济性时，较大常压储罐未必适用上述方案。笔者在过程安全咨询实践中还看到，有些工厂使用同一套间歇反应釜生产不同配方产品，这样流程复杂性加大了操作人员失误的可能性。频繁产品切换时，设备和流程设备配置需要多个安全防护层（Protection Layer），并依赖于产品切换开工前检查，从而造成整个系统安全水平下降。对此，工厂可以考虑通过合理安排生产计划来消除或减少这样的复杂性。过程安全工程师们相信：越简单，越安全。

本质上更安全的化工厂使用更少、更低危害化学物质，操作条件更为温和，流程也更为简单；应用本质安全设计工厂将变得更为高效、更为节能和成本更低。

本质安全宜早行

综观化工厂从研究开发、工艺开发、详细设计和建设、运营维护和变更到退役的整个生命周期，应用本质安全概念越早越能更大程度地获得安全和经济效益的提升。

2017年国家安全监管总局发布的《国家安全监管总局关于加强精细化工反应安全风险评估工作的指导意见》（安监总管三〔2017〕1号）对于工艺危险度较高但必须实施产业化的项目提出很高的要求，应用本质安全的价值显而易见。随着生命周期发展，本质安全设计实施难度和成本会急剧增长。

在确定生产化工产品所需化学品和合成路线后，工艺设计人员需要选择工艺流程、单元操作和工艺设备；然后工程设计人员进行详细设计。本质安全评审是在建设项目不同阶段开展的主要本质安全活动。工艺设计的本质安全评审可以是独立的安全评审，也可以是工艺危害分析一部分，常用危险和可操作性研究（Hazard and Operability Study，HAZOP）、“如果……就（What—If）”和检查表（Checklist），检查表方法还可以和HAZOP及“如果……就”结合起来使用。笔者使用较多的是《本质安全化学过程——一个生命周期方法》一书中提供的“本质安全技术检查表”，该检查表分为最小化、替代、缓和、简化和选址/定点/运输共5个部分，计42个问题。该表使用方法简单，通过回答表中问题，即可检视本质安全设计改善情况。在一些国内工艺危害或HAZOP相关著作中也采用了该检查表的部分或全部内容。国际化学工程师协会(Institution of Chemical Engineers, IChemE)在1998年INSIDE项目开发了本质安全评审工具箱（INSET Toolkit），读者可以从中获得有益资料。

笔者的经验是，即使工厂没有计划开展独立本质安全评审或工艺危害分析本质安全补充评审，本质安全概念对工艺设计人员、工艺危害分析小组依然有很大帮助。即使错过了很多应用本质安全设计的机会，在工艺危害分析（或HAZOP）小组发现某个事故场景需要增加多个安全防护或无法降低剩余风险到可接受程度时，往往是重新考虑本质安全设计的机会。

必须要注意的是，应用本质安全设计并不总是降低化工厂总体安全风险，比如：某个大量使用氯气的化工企业试图降低大型液氯储罐可能失效的重大安全风险，转而使用很多个液氯钢瓶供气。相比之下，本质安全设计最小化策略降低了液氯储罐可能失效的后果严重程度，但液氯钢瓶失效的可能性大大增加了，液氯运输和卸料操作风险也随之增加。实际上，目前很多化工企业反其道而行，通过大型储罐、封闭式卸料站、紧急切断安全仪表系统、泄漏处理设施和其他安全措施，来降低液氯操作相关工厂风险和社会风险。本质安全设计应用还往往是本质安全策略的组合，如氨/二氧化碳覆叠制冷系统就是一个很好的例子，在满足供冷需求的同时，大大减少了危害性较高的液氨的存量，并在人员可能暴露的区域使用危害较低的二氧化碳来取代液氨。

应用本质安全概念从来不会太晚。在工艺装置运营、维护、变更和退役阶段也不应该放弃追问：危害流程/产品是否必须？危害材料库存是否可以减少？是否可以降低操作压力……等等。总之，通过向本质安全努力，化工厂可以变得更为安全。安