基于层次分析法的化工装置手阀误操作可能性分级方法

刘林杰，李传坤，酒江波，王春利

(1.中国石化青岛安全工程研究院化学品安全控制国家重点实验室，山东青岛 2660712.青岛欧赛斯环境与安全技术有限责任公司，山东青岛 266580)

0 前言

化工装置生产过程复杂，工艺条件苛刻，需要使用大量的阀门来控制介质流量的大小。在某些不经常操作的流程上，往往设置手动阀门，因为手动阀门(简称手阀)具有价格低廉、安全可靠等优点。其中，不属于主流程范围内的部分阀门，操作人员往往对其设置作用和设置意图了解不够，导致误操作概率大幅提高，需对其进行特殊管理，如挂牌提醒、铅封提醒、执行锁定等。特殊管理手阀若被误关或误开会造成装置重要的安全保护设施失效，可能使装置处于不安全状态，从而导致重大事故的发生。

目前国内对手阀的研究多集中在选型[1]、内漏检测[2,3]、安全性检测[4]及诊断[5]等方面，对特殊手阀管理研究较少。阀门管理方面的研究主要集中在安装、使用、保养、检修等方面[6,7]。总体来说，缺少对特殊管理手阀的辨识，风险分级以及误操作可能性分级的研究。本文通过分析手阀误操作的各类影响因素，运用层次分析法对特殊管理手阀的误操作可能性进行分级。

1 特殊管理手阀可能被误操作的影响因素

1.1 特殊管理手阀的定义

化工装置的特殊管理手阀是指位于主工艺流程之外，并不具备正常操作功能但被误操作之后可能引起严重安全后果的手阀[8]。常见的特殊管理手阀类型如表1所示。

表1 常见需特殊管理的手阀类型

1.2 特殊管理手阀误操作的影响因素

a) 手阀尺寸。手阀尺寸越大越醒目，操作人员的操作难度越小，操作失误的概率越小；反之，手阀尺寸越小，操作人员的操作难度越大，操作失误的概率越大。因此，手阀尺寸对误操作概率有重要影响。

b) 手阀环境。手阀环境主要是指特殊手阀周边其他阀门的设置情况，如果阀门布置较集中，则阀门易被误操作。另外，照明情况和操作时间等因素也会影响手阀操作人员的工作，导致误操作的发生。

c) 手阀标识。手阀设备应有字迹清晰、位置显眼、含义明确的标识，以便工作人员的识别和使用。手阀标识不清，会大幅增加误操作的概率。

d) 操作人员认知。手阀的操作安全受操作人员熟练程度的直接影响。若操作人员不明确自己的岗位责任、不了解自己的岗位安全操作规程，那么会大幅增加误操作的概率。

e) 历史误操作。装置运行历史上，手阀是否发生过误操作。如果发生过，甚至多次发生过，那么表面误操作的概率较高，应注意防范。

f) 手阀安装位置。通常，手阀安装的位置越难以抵达，其被误操作的可能性就越小；反之，操作人员容易抵达的手阀(如距离地面高度较近)，其被误操作的可能性越大。

g) 安全制度建立。手阀相关的安全管理制度越健全，则手阀被误操作的可能性越小。

h) 安全制度执行。安全制度离不开执行，否则完善的安全管理制度形同虚设。安全管理制度的执行力度越大，则手阀被误操作的可能性越小。

i) 培训状况。良好的培训，是安全操作的基石。对操作人员进行安全管理制度和操作技能的宣贯和培训，是辨识、消除和减轻误操作最有效的方法之一，培训的效果对手阀误操作的概率影响重大。

1.3 手阀误操作影响因素体系

将“手阀误操作可能性”设为目标层，作为综合指标；将“阀门状态”、“安全运行”、“制度与培训”设为准则层的因素，用C表示；手阀尺寸等9个指标作为底层影响因素，用P表示，形成了手阀误操作影响因素体系，如图1所示。

图1 手阀误操作影响因素

2 手阀误操作可能性分级方法

2.1 手阀误操作各影响因素的综合权重

层次分析法通过结合定性分析和定量分析，使人们对复杂系统主观的判断通过定量表示出来，是一种系统的分析方法，并构建数学模型进行相关处理，简称AHP(Analytic Hierarchy Process)法[9]。层次分析法通过找出与复杂问题相关联的指标，建立层次结构，然后数学方法确定指标与层次、层次和上一层次相对重要性，最后得出底层指标对目标的最终重要程度[10]。

层次分析法的基本过程就是首先将复杂系统转变成一个层次结构，然后比较各个层次的因素相对于上一层因素的重要程度，通过构造判断矩阵，计算因素的相对权重，并且矩阵通过一致性检验，进而建立层次总排序，得到因素综合权重，分析该问题[11]。

对于多层次的评价指标体系，可以先分别对每个判断矩阵进行权重计算，然后逐层组合计算，得出最底层的评价元素对于目标层的综合权重，具体的计算方法如表2所示。

表2 综合权重计算

2.2 手阀误操作各影响因素的影响分值

专家打分法又称为德尔菲法，具体做法是组织若干对被评估对象熟悉的专家，依靠其经验、知识和个人价值观确定指标权重，并用统计方法做适当处理[12]。本文采用专家打分法，对图1中所示的每个手阀误操作影响因素的影响程度进行打分。最终确定的底层影响因素影响分值如表3所示。

表3 手阀误操作底层影响因素影响分值

2.3 手阀误操作的概率分值

结合各影响因素的综合权重与各影响因素的影响分值，得到阀门误操作分值的判别公式：

(1)

式中：S——手阀误操作概率分值；

Wi——各影响因素的综合权重；

Ii——各影响因素的影响分值；

m——影响因素的个数。

根据手阀误操作概率分值，将其误操作概率等级分为8级，如表4所示。

表4 手阀误操作概率等级划分

3 实例验证

以某炼化公司200×104t/a加氢裂化装置为实例，将层次分析法应用于装置的手阀误操作可能性分级。该公司对手阀没有具体的管理规定，存在重大风险的手阀并没有被充分辨识出来，只是通过现场经验以及P&ID设计图纸标注的管理措施来实施管理。

3.1 加氢裂化装置特殊管理手阀概况

根据表1，梳理出27个特殊管理手阀，并将这些手阀误操作的影响因素进行了总结。由于篇幅所限，仅选择其中10个手阀举例说明，如表5所示。

表5 加氢裂化装置特殊管理手阀基本信息

3.2 阀门误操作指标权重的计算

根据该加氢裂化装置的管理实际，运用层次分析法计算手阀误操作指标体系各因素的权重：首先对每个判断矩阵进行权重计算，然后逐层组合计算，得出各层的影响因素对于目标层的综合权重。各层的权重计算结果见表6。

表6 手阀误操作影响因素的权重

3.3 误操作概率等级的确定

对于需特殊管理的手阀，需进行如下计算：①根据手阀概况，依据表3得到各影响因素的分值；②根据各影响因素的分值以及各因素的权重，由公式(1)计算得到手阀误操作的概率分值；③以表4手阀误操作概率等级划分表为依据，得到各个手阀误操作的概率等级。

经计算，该加氢裂化装置的10个关键手阀的误操作概率计算如表7所示。

表7 加氢裂化装置特殊管理手阀误操作等级计算

根据本文提出的方法，评估出地下轻污油罐D503排火炬手操阀(序号4)、KO罐脱液控制阀前后手操阀等手阀(序号6)具有较高的误操作概率。

以地下轻污油罐D503排火炬手操阀为例，该手阀约每3～4天关闭一次，执行排出轻污油罐油品的作业。作业执行完成之后，再打开该阀，实现轻污油罐与火炬系统的连通。经统计，该手阀在最近3年的操作过程中，存在1次清罐作业执行完成后，现场操作人员忘记打开该阀的现象。因此，该手阀的误操作概率在中国石化安全风险矩阵中，处于第二高的概率等级，即10-1次/年：在设备设施的使用寿命内可能发生多次。该案例证明，利用本文方法评估出的高误操作可能性的手阀，与用安全风险矩阵发现的相吻合。

4 结论

a) 分析得到的手阀误操作影响因素较为完整，所建立的手阀误操作影响因素体系涵盖面较全，提出的各影响因素的影响分值范围合理。

b) 基于层次分析法，提出的手阀误操作影响因素的综合权重计算方法准确合理。

c) 结合各影响因素的综合权重与各影响因素的影响分值，研究的阀门误操作分值的计算方法，其最终分值可以对应得出手阀误操作概率等级。

d) 在某炼化公司加氢裂化装置上的实例表明，本文提出的手阀误操作可能性分级方法，对该装置手阀误操作的可能性进行了分级，分级结果符合操作实践，且分析过程侧重于事前查找，为提前预防提供了决策依据。

下一步，在本文提出方法的基础上，可以通过风险分析得出手阀误操作所产生的后果等级，最后根据概率等级和后果等级确定手阀误操作的风险等级，从而对手阀进行挂牌、铅封或者上锁等不同级别的管理模式。