基于HAZOP的燃气用聚乙烯管制造过程风险分析

姜 璐 李志宏

（安徽省特种设备检测院 合肥 230051）

近年来，随着社会经济的发展，城镇燃气发展迅速。城镇燃气管道作为传输燃气的基础设施，其安全性应得到保障。早期城镇燃气以铸铁管道、钢质管道为主，埋地敷设，易发生腐蚀泄漏，一旦发生泄漏，由于天然气易燃易爆，易引发火灾爆炸事故，后果十分严重。近年来，城镇燃气爆炸事故频发，多数为老旧铸铁管道及钢质管道泄漏导致。2021年湖北十堰发生了“6.13”重大燃气爆炸事故，造成26人死亡，138人受伤，直接经济损失约5 395.41万元，事故由钢管腐蚀穿孔导致燃气泄漏引发[1]。因此，聚乙烯管用于燃气管网的优势逐渐凸显。我国燃气用聚乙烯管起步于20世纪80年代初，由于其耐腐蚀、使用寿命长、柔韧性好、重量轻等优点，目前已广泛应用于城镇燃气中压及以下级别管道的建设中[2-3]。目前燃气用聚乙烯管纳入特种设备监管，属于压力管道元件的一种。

聚乙烯管在施工过程中的连接主要采取热熔及电熔焊接，检测方式有限。同时，聚乙烯管失效模式多样，但表征方法单一，必须做到早发现、早预防[4]。因此，聚乙烯管在制造阶段的本质安全对燃气管网的安全性有着至关重要的作用。国外对于聚乙烯管材性能及混配料的研究已有很多[5-6]，但对于燃气用聚乙烯管制造过程的质量控制关注较少。目前国内取得燃气用聚乙烯管制造许可证的企业众多，由于聚乙烯管生产过程中自动化程度高，很多企业疏于制造过程的管理，存在原料以次充好、管材检验控制不到位等问题。本文基于HAZOP分析方法，提出一种制造过程风险分析的思路，并以燃气用聚乙烯管材制造企业的角度对制造过程的风险进行深入分析，对燃气制造企业的管理提供参考。

1 燃气用聚乙烯管制造简介

燃气用聚乙烯管的制造过程由管材加工部分和试验部分2大关键部分组成。每一部分都需要设备、人员、环境及质量管理的保障[7]。

1）管材加工部分。聚乙烯管材通常用挤出成型的方法加工制造。完整生产线由干燥设备、单螺杆挤出机、模头、真空槽、喷淋冷却槽、牵引机、喷码装置、切割机组成，干燥后的混配料进入机筒，在200 ℃左右的温度和大于20 MPa的压力下经模头在熔融状态下被挤出，经真空槽定径，经喷淋冷却后形成稳定的管材，加工过程流程如图1所示。

图1 聚乙烯管材加工过程

管材加工部分的质量保证主要依赖于混配料的质量、生产设备的可靠性及操作人员的技能水平。

2）试验部分。试验部分包括混配料复验、生产过程检验及出厂检验。其中混配料复验及出厂检验项目、试验方法及试验标准需满足GB／T 15558.1—2015《燃气用埋地聚乙烯(PE)管道系统 第1部分：管材》[8]的要求。混配料复验的目的是验证混配料的质量，确保投入生产的混配料满足标准要求；生产过程检验的目的是及时发现工艺问题并及时调整；出厂检验的目的是确保成品管材的质量符合标准要求，保证整批管材质量合格。

2 HAZOP分析方法简介

危险与可操作性（Hazard and Operability, HAZOP）分析方法是一个系统化的危险识别过程，需要由专家组成的HAZOP分析团队对系统中每个节点的危险和操作问题的产生机制进行分析。HAZOP分析通过识别系统中所有节点可能产生的偏差，分析产生偏差的原因及可能造成的后果，来确定需要采取的措施，以达到控制系统风险的目的[9]。

HAZOP分析方法凭借其系统性、逻辑性的特点，能够全面识别和分析工艺系统的各类风险和危害因素，再通过合理可行的安全风险控制措施，预防各类生产事故的发生[10]。

HAZOP分析方法最初是由ICI公司在1963年开发出来的，最早用于化工行业，目前HAZOP分析方法已在化工和石油行业得到了广泛应用并取得了成功。由于该方法具有结构性及系统性的优点，正被用于制造业、公共安全、交通运输、计算机编程等更多领域[8]。

3 基于HAZOP的燃气用聚乙烯管制造过程风险分析

3.1 分析流程

基于HAZOP的燃气用聚乙烯管制造过程风险分析流程如图2所示。其中，HAZOP分析小组应由制造厂中熟悉本厂聚乙烯管制造过程、试验过程及质量管理情况的人员组成。

图2 HAZOP分析流程图

3.2 研究节点划分

本文根据燃气用聚乙烯管材的制造过程，考虑影响管材制造质量的关键因素，将制造过程分为4大模块，共包括19个研究节点，分析结构如图3所示。

图3 研究节点示意图

3.3 引导词确定及偏差分析

传统HAZOP分析的引导词主要用于描述工艺参数的变化，为更好地分析燃气用聚乙烯管制造过程的各种偏差，对引导词进行重新定义，见表1。

表1 引导词及其定义

3.4 案例分析

3.1 ～3.3节对HAZOP分析的流程及关键的研究节点及引导词进行了规定，对于燃气用聚乙烯管制造企业，可根据以上流程进行制造过程的风险分析。本文选取了一家燃气用聚乙烯管材制造厂，组建了由质保工程师、技术负责人、车间主管、实验室负责人组成的分析小组，以头脑风暴的方式，对本厂的制造过程风险进行分析。

●3.4.1 频率、严重度及风险级等级划分

本文中的风险分析包括对制造过程中各个偏差的频率、严重度的估计，以及风险级的计算。其中频率、严重度均分为5级，以数字表示，风险级为频率与严重度相加。频率与严重度的等级划分见表2、表3，风险级别划分见表4。

表2 频率等级划分

表3 严重度等级划分

●3.4.2 风险分析

分别对图3中的4个模块、19个节点进行HAZOP风险分析，根据制造厂内实际情况识别现有防护措施，分析结果见表5～表8。

表5 混配料验收及预处理模块分析

表8 质量管理模块分析

●3.4.3 根据风险分析结果提出改善建议

根据表4的风险级别划分可得到风险矩阵，如图4所示。其中绿色表示低风险，黄色表示较低风险，橙色表示较高风险，红色表示高风险。根据3.4.2节的风险分析结果，将各偏差的风险值用黑点表示在风险矩阵中，括号内的数字为重复点的个数。可以看出，42个偏差中有29个偏差的风险为较低风险，有13个偏差的风险为较高风险。其中风险值最高的为管材检验过程中试验人员未按操作指导书的要求进行试验。对于13个较高风险偏差应逐一分析，并采取措施进行风险控制。

图4 风险矩阵

表4 风险级别划分

表6 管材生产过程模块分析

表7 管材检验过程模块分析

为保证管材的制造质量，各个偏差的风险值应尽量控制在低风险。根据3.4.2节风险分析的结果及识别出的现有防护措施，提出如下改善建议：

1）混配料验收及预处理。此模块的关键控制点在于混配料性能的确认及生产前的烘干。由于制造厂需采购大量混配料，往往通过不同经销商采购，在进行混配料验收时首先要确认混配料的牌号、批号及数量，其次确认性能参数是否完整并符合标准要求，并通过试验进行性能参数复验。质保书上应盖有经销商的公章。

对于此模块较高风险的偏差提出如下建议措施：（1）针对试验人员未按操作指导书的要求进行试验。应对试验人员加强培训，培训内容为操作指导书、GB／T 15558.1—2015及其引用的各个试验标准、试验设备说明书，应由有经验的试验员进行带教。培训后要进行严格的考核，方可上岗。（2）针对烘干参数错误。再次对烘干作业指导书进行审核，确认烘干拟定的烘干参数正确。对烘干设备的温度传感器进行校准，严格把握烘干时间，设计专门的记录表格，安排专人定时对烘干参数进行确认和记录。

2）管材生产过程。随着PE实壁管制造技术的逐渐成熟，目前燃气用聚乙烯管制造厂均采用全自动生产线，大多数生产线带有米重控制系统、壁厚控制装置，可以在一定程度上保证管材质量。在此阶段管材质量风险控制的重点是生产线的正确操作、生产线设备的维护及管材的过程检验。控制风险的目的一方面是保证管材质量，另一方面是减少废品、节约成本。

对于此模块较高风险的偏差提出如下建议措施：针对过程检验方法及工具错误。过程检验的内容主要包括管材外观及标识、管材尺寸及管材表面温度。管材尺寸的检验要严格按照标准GB／T 8806—2008《塑料管道系统 塑料部件尺寸的测定》[11]进行，并且量具应经过检定和校准。由于经室温状态调节后管材的尺寸会有一定程度的回缩，检验人员要控制好尺寸余量。建议对生产出的前几根管材逐根进行首检，并经状态调节后进行复检。管材参数稳定后可定时进行抽检，但在调节生产参数或清模重新开机后，依然要逐根进行检验，直到生产平稳。每次过程检验均应形成记录。

3）管材检验过程。此模块中的管材检验为管材的出厂检验，检验方法与合格指标均应符合GB／T 15558.1—2015的要求，出厂检验全部在试验室完成。

对于此模块较高风险的偏差提出如下建议措施：（1）针对取样过早。出厂检验的样品应在本批次全部管材生产结束，并且全部通过过程检验的管材中进行取样。但制造厂有时为了节约试验时间，在开机后不久就进行取样，导致样品没有代表性。制造厂应在作业指导书中明确规定取样时机并严格执行，安排专人负责取样并做详细记录（包括取样时间、状态调节参数及状态调节时间）。（2）针对未在合格品中取样。制造厂有时为了节约成本，选取尺寸不合格、内外表面有划痕或麻点的管子作为样品进行试验，导致样品无代表性，会误判成品管材的试验性能。对于不合格管材应明确判废程序及废品处理程序，由质保部门专人负责，废品单独存放、统一处理。试验样品应保证其外观及尺寸合格，取样前应进行复验。（3）针对试验设备校准与维护频率不足或部分设备未维护和校准，校准结果错误或设备未正确维护。此处2个偏差控制的关键是有序建立试验设备台账，安排专人对设备进行校准与维护，每次维护需有详细记录，且保证记录的真实性。设备校准需在期满前及时做好送检计划，避免超期未校准的设备投入使用。（4）针对操作指导书不能正确指导试验。操作指导书需由具有专业知识且熟悉试验设备的人员编写，需符合试验标准的要求，并且简洁易懂，可操作性强。编制好的操作指导书需三级审核，并且及时修订。（5）针对试验人员未按操作指导书的要求进行试验。此偏差与第1模块的第1个高风险偏差类似，不同的是出厂检验的项目与混配料复验项目不同。控制此偏差风险的关键在于加强试验人员的培训，提高试验人员技能。对于培训内容要有岗位针对性，试验人员应以试验操作技能培训为主，并加强试验原理培训，让试验员了解试验误差的来源及影响试验结果的各种因素。

4）质量管理。与前3个模块不同，质量管理模块贯穿于管材生产的各个环节，也是保证管材制造质量的基础。此模块风险控制的关键是质量保证体系的完整性、可行性及质量保证体系运行的符合度。由于燃气用聚乙烯管材的生产执行特种设备许可制度，并接受法定的监督检验，能够正常生产的制造厂基本具备完整、合规的质量保证体系，但往往与厂内实际情况不符，对于写入程序文件的内容厂内没有条件实现。

对于此模块较高风险的偏差提出如下建议措施：（1）针对质量保证体系不全面或没有完全运行，实际生产过程中错误执行质量保证体系的要求。对以上2个较高风险偏差的控制措施应以质量保证体系的编制入手，有条件时应组织1次内审，再次评估本厂质量保证体系的完整性、合理性及可行性，并在管材生产过程中寻找问题，以一线执行者的角度进行审视，重新修订质量保证体系。修订过后的体系文件应对每一个员工进行宣贯，尤其是一线操作人员，并实行现场抽查及考核，保证质量保证体系的正确、完整地执行。（2）针对培训内容不能满足工作需要，进行错误的培训。此模块的培训为质量保证体系的培训，包括体系文件的宣贯、安全培训、企业文化宣传等各类培训。目的是确保质量保证体系能够正确运行。形成以上2个较高风险的偏差是由于培训效果不理想，因此，要调整培训内容及方式。对于一线操作人员，要结合生产现场进行培训；对于管理人员，不仅要对涉及本部门的质量管理规定进行培训，还应加强其他相关部门相关文件的培训。

3.5 方法应用说明

3.1 ～3.4节对基于HAZOP的燃气用聚乙烯管制造过程风险分析的全过程进行了说明及示例，此方法主要以管材制造厂的角度进行应用，以保证本厂的管材质量。运用过程需注意以下几点：

1）本文给出的研究节点及引导词考虑了管材制造厂的普遍情况，制造厂在应用过程中可根据自身情况或针对某个具体流程进行HAZOP风险分析时，可适当调整研究节点或增加引导词。

2）本文给出的频率、严重度及风险等级划分标准均为管材制造厂的普遍情况，制造厂在第一次进行风险分析时可参考使用，之后进行分析可根据上一次风险分析的结果调整等级划分标准。

3）根据风险分析结果给出改善建议后，应进行实施。在实施一段时间后，应重新对制造过程风险进行HAZOP风险分析，直至分析结果均为可接受的风险程度。HAZOP风险分析可以定期进行，也可在制造厂资源条件等发生重大改变、制造标准或试验标准更新时进行，分析结果可以作为内审及管理评审的重要参考。

4 结论

1）燃气用聚乙烯管材的制造质量是保证城镇燃气系统安全的第一道防线，也是实现本质安全的途径。本文将HAZOP风险分析方法应用于燃气用聚乙烯管制造过程风险分析中，对传统HAZOP分析的引导词、偏差进行了重新定义，并结合风险等级分析，以燃气管制造厂的角度，全面、系统地对管材制造过程风险进行了分析。本文给出了方法的具体流程、方法使用的注意事项等，并通过案例对方法的应用进行了充分展示。

2）本文提出的基于HAZOP的燃气用聚乙烯管制造过程风险分析方法已在某制造厂进行试用，对制造厂内质量管理及风险控制提供了重要参考。作为制造企业，此方法全面掌握制造厂质量管理情况，识别生产过程中的缺陷，并且可作为制造厂质量保证体系内审的一部分，帮助完善质保体系。

3）本文提出的方法依然存在一定缺陷，频率及严重度的打分完全依赖于分析小组的主观判断，对分析人员的要求较高。后期可引入模糊综合评价等方法减小风险分析的主观性。