基于本质安全理论的化工过程安全管理研究

2023-10-09酒江波刘尚志鞠松霖范秀全

安全与环境工程 2023年5期

酒江波,刘尚志,鞠松霖,张梦,周超,范秀全

(1.中国石油大学(华东) 安全环保与节能技术中心,山东青岛 266580;2.中国石油大学(华东) 机电工程学院,山东青岛 266580;3.青岛欧赛斯环境与安全技术有限责任公司,山东青岛 266555;4.独山子石化公司塔里木油田公司石化分公司,新疆库尔勒 841000)

中国作为全球化学品主要生产国、世界第一化工大国,根据欧洲化学工业委员会(CEFIC)的统计数据,2019年中国化工行业的总产值占全世界总量的40.6%[1-2]。然而,化工生产过程中涉及易燃易爆、有毒有害危险化学品以及复杂多变的危险工艺,其危险特性不会随着经济社会的发展而改变,化工安全生产风险也不会随着经济发展水平的提高而自然降低[3]。当前,化工安全生产事故仍然频繁发生,例如:2022年6月8日,茂名石化球罐动力泵泄漏引发爆炸事故,造成1人受伤,2人失联;2022年6月18日,上海石化乙二醇装置发生火灾事故,造成1人死亡,1人受伤[4]。安全生产事故的频繁发生暴露出部分化工企业存在过程安全管理不到位和因设备设施陈旧失效导致的本质安全水平不高等严重性问题。

本质安全是坚持从源头防范化解系统性风险和预防事故发生的关键。本质安全的概念最早由Trevor Kletz于1976年提出,旨在从根源上消除风险或降低危害程度[5-7]。随后,引起了学术界的广泛关注,2000年,美国化学工程师协会化工过程安全中心(CCPS)在《2020年展望》(Vision 2020)的报告中指出必须重视化工行业本质安全的研究[8];Khan等[9]回顾了本质安全的良好实践;Kletz等[10-11]总结了本质安全设计的范围和未来的发展方向,之后出版了《流程工厂的本质安全设计手册(第2版)》,为本质安全设计提供了操作指南;2010年,CCPS发布了本质安全技术的定义[12]。近年来,我国学者也在积极探索和开展化工行业本质安全技术的研究,如:樊晓华等[13]借鉴国外的先进经验,提出了本质安全化设计指数体系和设计流程;蔡逸伦等[14]建立了化工工艺本质安全评价的云模型,并将其应用于甲基丙烯酸甲酯(MMA)的4条合成路线中,为该工艺的选择提供了依据;杨哲[15]系统地介绍了化工过程本质安全技术的研究进展,并对未来的研究方向进行了展望;高建兵[16]研究了天然气制乙炔工艺的本质安全提升措施,使该工艺的本质安全水平得到了极大的提升;朱佳兴等[17]综述了本质安全设计的评估方法以及存在的问题,并对未来的发展趋势提出了一些见解。

综上所述,当前关于化工行业本质安全的研究主要集中于化工工艺的本质安全设计和本质安全评估等方面,本质安全已成为风险管控和化工过程安全管理最重要的手段之一[18],而我国最新修订的《化工过程安全管理导则》(AQ/T 3034—2022)中也将本质更安全作为过程安全管理要素。然而,如何正确地理解化工行业本质安全的内涵以及如何更好地将其应用于风险管控和化工过程安全管理中,是当前化工过程安全管理中面临的一个重要问题。因此,有必要分析化工行业本质安全的内涵,明确其与风险管控、保护层以及化工过程安全管理之间的内在联系,并基于我国最新修订的化工过程安全管理要素,分析本质安全策略化工过程安全管理在各要素中的应用,从而加强对本质安全的理解和应用,这对于提高化工企业的安全管理质量和预防事故的发生具有重要意义。

1 化工行业本质安全的内涵

1.1 本质安全定义

本质安全是一种理念,适用于企业生产的全生命周期,是一个不断迭代完善的过程。本质安全的策略包括通过流程优化等直接消除风险,或通过减少有害物料量、使用危害较小的物料替代、采用危害较小的工艺条件、优化人工操作、提升设备可靠性等减小危害的可能性和严重度。此外,也可以应用本质安全策略提升相关安全措施、管理程序的可靠性和有效性[12]。

化工行业的本质安全贯穿于工艺的全生命周期,包括概念设计、工艺研发、基础设计、详细工程设计、采购、施工和试车、操作和维护、变更管理、退役(闲置、净化),涉及物料、反应、工艺、设备、控制等各个方面[5-7]。化工行业的本质安全具有如下特征:

1) 本质安全是一个理念,它代表一系列的概念而不是一套具体的方法。本质安全不是一个专门的“技术”类别,它是寻求降低危害程度的最优化方案。

2) 本质安全的核心是加强工艺过程内在的安全性,从源头上消除风险或者降低危害程度。它通过合理的工艺设计而不是完全靠增加外部的安全保护设施来提高系统的安全性,它倾向于永久地减少危害,而不是通过增加额外保护层的方式降低风险。

3) 本质安全是针对工艺全生命周期的过程防护。

4) 应用本质安全时需要对具体问题进行具体分析。比如适用于某种物料、操作条件、位置和其他因素的本质安全解决方案可能不适用于降低其他过程的风险。

5) 应用本质安全时应具有全局观,需系统考虑本质安全决策,本质安全的改进方案必须在工艺、设备全生命周期下全面考虑整体危害风险、风险转移的可能性以及该方案的技术和经济适用性。

6) 本质安全不一定减少所有风险,不应将本质安全工艺过程视为“绝对安全”。运用本质安全理念会降低过程风险(本质上更安全),但不会消除所有风险。

1.2 本质安全策略

恶劣的安全生产事故后果让人们进一步意识到本质安全理念对管控风险的根本性作用。因此,各种实现生产工艺本质安全的策略方法应运而生。学者们对本质安全策略开展了大量的研究,虽各有差异,但最终可归纳为4类,即通过最小化、替代、减缓和简化4个策略在工艺全生命周期各个阶段实现企业安全生产的本质安全,如表1所示[19]。

表1 本质安全策略及其描述

2 本质安全与风险管控

2.1 事故场景的演变

安全是指风险可接受的一种状态,企业生产的安全管理是以风险管理为基础来实施的[20]。风险管理包括危害辨识和风险评估,其中危害辨识的目的是把工厂可能发生的所有“事故场景”识别出来。本文通过事故场景的演变顺序很好地解释了什么是“事故场景”,如图1所示。

图1 事故场景演变顺序Fig.1 Accident scene evolution sequence

任何一起事故的发生都起因于初始事件,就是事故发生的直接原因,如人员失误、设备失效、系统缺陷、外部因素等。但初始事件触发后,不一定意味着危险事件一定会发生。首先应考虑使能条件,比如设备使用的概率,因为若设备没有投入使用,即使发生了故障也不一定会引起危险事件。另外,从危险事件向最终的事故后果演变还需要考虑一些条件修正,比如容器超压引起易燃介质泄漏属于危险事件,发生火灾爆炸需要考虑点火概率,造成人员伤害就必须考虑人员暴露的概率;如果事故类型是中毒还应考虑该浓度下导致的人员致死概率等[21]。

2.2 风险管控措施的层级关系

当辨识出一个事故场景后,需对其进行风险评估,以判断该事故场景的风险是否可以达到企业风险标准所规定的可接受范畴。如果风险处于不可接受的水平,就需要选择风险控制措施来进一步降低风险。然而,风险控制措施该如何选取以及本质安全在风险管控中如何应用是当前面临的重要问题。因此,本文基于事故场景的演变顺序,详细地分析了各类风险管控措施的控制效果和优先级,并将风险控制措施分为以下4个层级(图2):

图2 风险控制措施的层级关系Fig.2 Hierarchy of risk control measures

1) 第一层级本质安全措施。首先考虑的是该事故场景是否可以直接消除,使它不存在。可以通过改变工艺路线或流程、提高设备的设计冗余、替换某种危险物料等,将原来存在的风险较高的事故场景直接消除,比如液氨制冷更换为氟利昂制冷。由于操作人员操作不当等原因,可能会发生液氨泄漏和爆炸,存在严重的安全隐患,近年来各地发生的液氨泄漏或爆炸事故触目惊心。但是如果使用氟利昂制冷替换液氨制冷,那么这个危险的事故场景就不存在了,该风险被直接消除了。这一类措施属于第一层级的本质安全,其作用是可以直接消除某一种事故场景,也是最本质安全的一种做法。

2) 第二层级本质安全措施。如果该事故场景不能被直接消除时,应该考虑是否有降低其固有风险的措施,此类措施包括两类:一类是直接降低初始事件发生的频率来降低风险,比如选择更为可靠的设备来降低设备失效的概率,优化操作模式来减少人工操作的复杂程度或直接替换为自动控制来降低人员失误概率等;另一类是直接降低事故后果的严重性来降低风险,比如降低有害物质的现场存量(减少中间罐的容积)来降低事故后果的严重性等。这一类措施属于第二层级的本质安全,其目的是在不外加保护层的前提下直接降低风险级别。

3) 第三层级预防性安全措施。如果采取了降低固有风险的措施后,其风险仍不可被接受,就需要考虑增加保护层以进一步降低其残余风险,其途径有两种:一种是降低事件发生的可能性;另一种是减弱事故后果的严重性。其中,用来降低事件发生可能性的保护层一般称为预防性安全措施,属于第三层级的风险控制措施。“预防性”顾名思义就是只要这个保护层能起到作用,危险事件就不会发生,也就是在初始事件发生以后用于阻止危险事件发生的控制措施,比如为控制重要参数所设置的基本控制回路(BPCS)、参数报警+人员响应、安全联锁回路、物理泄压保护等。由于该类措施属于外加保护层,因此其并不属于本质安全的范畴。

4) 第四层级缓和性安全措施。用来减弱事故后果严重性的保护层一般称为缓和性安全措施,属于第四层级的风险控制措施。缓和性安全措施是用于危险事件出现后,为降低最终可能出现的事故后果严重性所设置的保护层,比如防火堤的作用是当储罐油品泄漏后,可以阻止油品随意流淌,将污染或火灾仅限于防火堤的范畴。常见的缓和性安全措施包括气体检测、紧急切断、围堵围挡、应急设施和应急体系等,该类措施也不属于本质安全的范畴。

通过上述的梳理,风险控制措施分为第一层级的本质安全措施、第二层级的本质安全措施、第三层级的预防性安全措施和第四层级的缓和性安全措施4个层级,其风险管控的效果逐渐变差,优先级逐渐减弱。本质安全属于风险控制措施的范畴,其目的是消除或降低固有风险,所以风险管控效果越好,优先级越高。因此,在风险管控的过程中,应优先考虑本质安全措施。

另外,考虑了保护层作用下事故场景演变就扩展为更为完整的事故场景演变顺序(图3)。也就是说,如果针对某个事故场景,工程上已经采取了预防性安全措施去进一步降低事故发生的概率,那么在使能条件具备后,从初始事件真正演变为危险事件还需要预防性安全措施发生失效;而危险事件发生后要继续向着最终的事故后果演变则需要考虑已经设置的缓和性安全措施发生失效,比如泄漏检测、围堤围挡、紧急切断、消防系统、应急响应等。因此,当无法采取本质安全措施时,还可以考虑预防性安全措施和缓和性安全措施。此外,从事故场景演变的顺序图(图3)可以看出,预防性安全措施的优先级高于缓和性安全措施,这是因为预防性安全措施更靠近本质安全,其目的是阻止危险事件的发生,风险防控的效果更好。

图3 完整的事故场景演变顺序Fig.3 Complete accident scenario evolution sequence

2.3 本质安全与保护层的关系

保护层是指通过设施、系统或人的行为降低某个事故场景的可能性和严重性的相关硬件、软件及程序等措施[21]。通过风险控制措施的层级关系可知,本质安全属于风险控制措施的范畴,本质安全策略的基本条件是不通过外加保护层而实现风险降低,分为可以直接消除某个事故场景以及通过直接降低初始事件发生概率和事故后果严重性两个层级。因此,保护层本身并不属于本质安全的范畴,但它与本质安全一样重要,都是风险控制的重要手段。

虽然,保护层本身并不属于本质安全的范畴,但本质安全的策略可以更为扩展,将本质安全策略应用于保护层本身,以提升保护层的可靠性或有效性。因此,为了更清晰地说明本质安全与保护层的关系,进一步理解本质安全在风险管控和化工过程安全管理中的作用,本文基于风险控制措施层级的阐述,提出了更为完整的改进洋葱模型,如图4所示。

图4 改进的洋葱模型Fig.4 Improved onion model

修正后的洋葱模型的核心是工厂设施,其风险管控的层次由内向外包括第一层级的本质安全、第二层级的本质安全;然后是保护层的范畴,首先包括BPCS、报警+人员响应、安全联锁系统、泄压保护,这些层级的保护层都属于预防性安全措施,再往外是泄漏检测、围堵围挡、应急响应等,这些保护层属于缓和性安全措施。修正后的洋葱模型越往核心风险管控的效果越好,其优先级越高。

3 本质安全在化工过程安全管理要素中的应用

3.1 化工过程安全管理要素

化工过程安全管理源自于20世纪80年代中期,由于世界各地接连发生严重的化学工业事故,企业、行业和政府部门开始意识到仅仅关注技术改进和控制人为因素并不能完全预防化工过程安全事故的发生,而企业管理体系问题(或缺乏管理体系)才是导致事故发生的深层原因[22]。

为了预防化学工业类似事故的发生,1985年美国化学工程师协会成立了化工过程安全中心(CCPS),并逐步发展成为全球化工行业最大的化工过程安全管理协会。CCPS提出了预防化工过程安全事故的4大基本原则:①企业领导层对于过程安全的承诺;②理解和了解风险;③管理风险;④不断地从经验教训中改进。自1989年开始,CCPS陆续推出了《化工过程安全技术管理指南》等一系列指南丛书,鼓励成员单位全面系统地开展化工过程安全事故预防工作。目前,推行化工过程安全管理已经被国内外同行共同认为是提升化工企业安全绩效最可行的方法。化工过程安全管理在美国和中国的发展历程,如表2所示。

表2 化工过程安全管理在美国和中国的发展历程

目前我国最新修订的《化工过程安全管理导则》(AQ/T 3034—2022)中化工过程安全管理要素主要包括20项,如表3所示。

表3 《化工过程安全管理导则》(AQ/T 3034—2022)中化工过程安全管理要素

3.2 本质安全策略在化工过程安全管理要素中的应用

过程安全管理被定义为应用管理原则和系统来识别、理解和控制过程危害,以防止与过程相关的伤害和事故发生。过程安全管理作为风险管控的最佳实践方法已在世界范围内得到认可和接受。从本质安全与风险管控的关系可以看出,本质安全策略是风险管控中优先级最高的安全控制措施,所以本质安全不仅是过程安全管理方案的组成部分,同时也是过程安全管理各要素管理方案设计理念的一部分,其在提高过程安全管理的有效性方面发挥着关键作用。

Amyotte等[18]详细地阐述了本质安全与化工过程安全管理要素之间的关系,主要是基于加拿大化学工程协会(CSCHE)出版的《化工过程安全管理指南》中12个化工过程安全管理要素。由表3可知:我国最新修订的《化工过程安全管理导则》中将化工过程安全管理要素增加至20个。因此,本文详细地分析了本质安全与这20个化工过程安全管理要素之间的关系,以及在执行化工过程安全管理要素活动中可能发挥的作用,进一步加强本质安全的理解和应用,提高化工企业的风险管控水平和过程安全管理能力。本质安全策略在化工过程安全管理各要素中的具体应用,如表4所示。