炼化企业施工作业事故可能性评价方法研究*

姜莉文,刘 朔,陈向东,王 涛,贺辉宗

(1.中石化安全工程研究院有限公司,山东青岛 266104 2.中石化管理体系认证(青岛)有限公司,山东青岛 266104 3.中国石油化工股份有限公司镇海炼化分公司,浙江宁波 315207)

0 前言

炼化企业施工作业通常具有环境复杂、时间紧、任务重、多专业立体或平面交叉等特点,作业风险难以预期,安全事故易发多发。近年来,炼化企业广泛通过定性判定事故发生可能性及严重度等级对风险等级进行评价。当前,国内外学者基于Bow-tie模型和保护层分析方法对设备设施失效风险和作业风险评估开展了相关研究和应用。Bow-tie模型最早于1979年出现在澳大利亚昆士兰大学关于帝国化学工业公司(ICI)危害分析的课程讲义[1],随后壳牌公司将其融入业务实践[2]。2013年,白永忠,等[3]提出集合HAZOP分析、保护层分析、Bow-tie分析于一体的复合型工艺危害分析与控制技术;2015年,王旭,等[4]构建Bow-tie-LOPA集成分析方法研究事故演变过程,评估剩余风险等级。随后,众多学者运用Bow-tie模型、保护层分析等方法对特定作业风险分析及管控展开探索研究[5,6]。

纵观国内外学者在该领域的研究进展,关于特定作业类型的风险识别、分析和管控均形成了较为成熟的风险评价方法,但未充分考虑特定作业环境场景对作业人员人为因素的影响。人因可靠性理论是研究人员认知可靠性和分析不同情景下人因失误的发生机理和概率的方法,目前较多应用于核电领域和民航领域。2002年,高文宇,等[7]应用认知可靠性和失误分析方法(Cognitive Reliability and Error Analysis Method,CREAM)分析某核电站的人因可靠性。2011年,孙彦招[8]结合LOPA、HAZOP、CREAM等方法首次探索炼油装置操作与维修班组基于保护层的人因可靠性分析流程。

风险由发生事故的可能性和后果严重程度两方面构成,其中,在发生事故的可能性方面,调研结果显示,目前用定性方法对作业风险可能性的判定标准,对于特定复杂场景下的作业风险管控存在一定不足;同时,炼化企业作业环境复杂、人为因素影响大,有必要改进现有的施工作业事故可能性评价方法,在精确识别风险的基础上定量分析风险事件概率,并考虑人因失误对作业风险的影响。

本文以发生事故的可能性为研究对象(不讨论后果严重程度)。首先,运用保护层分析弥补Bow-tie模型无法定量分析的短板;其次,从人因可靠性角度深入分析人因失误机理,运用CREAM方法[9]研究人因失误的机理和概率,对施工作业事故可能性评价进行修正,强化人因失误管控。

1 施工作业事故可能性评价模型

典型的Bow-tie模型主要包含顶上事件、威胁、后果、屏障、退化因素及退化控制措施等要素,该模型优势在于可精准识别风险事件的威胁、后果和屏障,但通常由于历史数据不足、数据独立性不足等原因难以定量评估风险。为弥补该缺陷,引入保护层分析方法。保护层分析(Layer of Protection Analysis,LOPA)是一种基于危险场景进行的定量风险评估工具。危险场景由初始事件、使能事件、独立保护层和后果4部分构成,通过初始事件频率、独立保护层失效频率和后果严重程度的数量级表征场景风险。

在炼化企业作业场景下,人为因素是关键一环,作业人员是作业活动中最为活跃的、最容易受到影响的主体,作业人员的人因失误机理分析对相关作业风险事件概率具有重要影响。因此,将人因可靠性分析引入施工作业事故可能性评价模型,并将人因失误定义为由于偏离预期结果的人的行为所引发的负面影响。Hollnagel[10]针对人为因素提出了两种观点,其中,Safety-I观点将人为因素视为导致系统失效和故障的原因,即作为Bow-tie模型的威胁或屏障故障;Safety-II观点认为,人的思想和行为适应性能够在复杂环境下尽可能确保系统正常运行,即作为Bow-tie模型的有效屏障。本文采用Safety-II观点,在构建Bow-tie模型时将人员正确操作视为有效屏障,对该屏障识别出相应退化因素和退化控制措施,运用CREAM理论计算失效概率。构建施工作业事故可能性评价模型如图1所示。

图1 施工作业事故可能性评价模型

由图1可知,以Bow-tie模型的风险识别结果为基础,引入LOPA分析对Bow-tie模型的事故发生可能性进行量化计算,运用CREAM理论得出作业人员的人因失效概率,最终得出施工作业事故可能性评价结果。

2 施工作业事故可能性分析方法

运用LOPA对Bow-tie模型中的威胁发生概率和屏障失效概率进行定量分析。在独立保护层作用下,初始事件发生事故的频率,如公式(1)所示。

(1)

PFDij——初始事件i中第j个阻止后果C的独立保护层的需求时失效概率。

其次,运用CREAM理论对Bow-tie模型中的退化因素及退化控制措施失效概率进行定量分析。CREAM理论的研究基础是 COCOM(Contextual Control Model)模型[9,11],具体如图2所示。

图2 COCOM模型

该模型按认知功能将人的行为分为观察、解释、计划和执行等4类,按环境条件将控制模式分为混乱型、机会型、战术型、战略型等4种模式,4种控制模式所对应的人因失效概率见表1。4类认知功能经过验证的人因失误概率基本值见表2。

表1 控制模式与人因失效概率区间

表2 认知功能失效模式概率

CREAM理论将作业环境归纳为9种不同的因素,称为共同绩效条件(Common Performance Condition,CPC),用于描述环境对人的行为的影响,具体分为改进、不显著和降低3类情况,如表3所示。

CPC值用Sn表示,将单个CPC因子的分值记作Sn,则Sn的取值规则的具体取值,见公式(2)。

(2)

设变量I和变量R为环境影响指数。其中,变量I为改进影响的总分值,见公式(3),变量R为降低影响的总分值,见公式(4)。

(3)

(4)

式中:Wn——不同环境下CPC值的相应权重。

设HFP为人因失效概率,HFPI为只考虑改进影响因子的HFP,如公式(5)所示;HFPR为只考虑降低影响因子的HFP,如公式(6)所示;HFP0为所有CPC影响均不显著情况下的HFP。

HFPI=HFP0×10k1I

(5)

HFPR=HFP0×10k2R

(6)

将以上取值代入公式(5)、公式(6),得出k1=-1.45,k2=-2.17。

因此,基于CREAM理论的人因失效概率模型,见公式(7)。

HFP=HFP0×(10-1.45I+10-2.17R-1)

(7)

最后,综合LOPA和CREAM的定量分析模型,得出该作业中,事故i发生可能性的计算模型如公式(8)所示。

(8)

3 某原料罐拆除作业事故可能性评价

以某炼化企业液态烃脱硫装置原料罐拆除作业为例,应用上述方法进行事故发生可能性评价,液态烃脱硫装置原料罐为卧式罐(直径2 m,高7.08 m),重量6 800 kg。原料罐位于一座三层框架的二层平台上,罐顶有平台。

3.1 建立Bow-tie模型

本例中,Bow-tie模型的顶上事件为该液态烃脱硫装置原料罐拆除作业事故,通过演绎推理得出拆除作业事故的威胁,通过归纳推理得出拆除作业事故的后果,结合历史数据记录及现场施工经验,构建Bow-tie模型如图3所示。

图3 某液态烃脱硫装置原料罐拆除作业事故Bow-tie模型

原料罐拆除作业事故屏障如表4所示,其中,依据Safety-II观点,将“作业人员正确操作”(X10)作为威胁“抬吊原料罐作业异常”路径中的屏障,对其退化控制措施进一步分析如表5所示。

表4 原料罐拆除作业事故屏障

表5 屏障X10“作业人员正确操作”退化控制措施

3.2 事故发生可能性

3.2.1 初始事件频率和屏障失效概率

根据所构建作业风险评估模型中的保护层分析方法,计算图3中各路径事件发生概率。其中,威胁的发生频率(IEF)和屏障需求时失效概率(PFD)数据可从CCPS数据手册中查阅[12],部分数据结合该作业特性及所处环境进行修正后,IEF值和PFD值分别如表6和表7所示。

表6 初始事件频率(IEF)

表7 屏障需求时失效概率(PFD)

3.2.2 人因失效概率

根据人因可靠性分析CREAM理论,将Bow-tie模型中屏障X10的退化因素“作业人员违规操作”作为人因失误进行定量分析。

根据公式(2)评估该人因失误的CPC因子分值Sn,结果如表8所示。

将Sn代入公式(3)、公式(4),得出该作业的环境影响指数I和R。

依据表2给出的失效概率,对应退化控制措施的认知行为和失效模式,得出各退化控制措施的失效概率,见表9。

表9 退化控制措施的认知行为、失效模式和失效概率

将环境影响指数I、R和表9的失效概率(HFP0)代入公式(7),分别得出退化因素“作业人员违规操作”的退化控制措施Y1、Y2、Y3、Y4的失效概率如下:

因此,该方法对比采用传统Bow-tie模型对事故可能性评价方法具有较大改进。

4 结论

炼化企业施工作业是一个涉及多因素的复杂系统,本文基于Bow-tie、LOPA和CREAM提出了事故可能性评价方法与模型,针对施工作业风险环境复杂、人为因素影响大等特点进行事故可能性定量评价。

a) 应用Bow-tie模型对目标事件开展风险识别和风险管控措施分析,关注该场景下人为因素导致系统失效的机理和原因并设置有效屏障。

b) 在Bow-tie模型中引入保护层分析方法,以提升该模型定量评价事故可能性的能力。

c) 运用CREAM人因可靠性分析方法对Bow-tie模型中的人为因素进行分析和量化,对人因失误事件的失效概率进行修正。

d) 以某液态烃脱硫装置原料罐拆除作业为例,对该事故可能性评价模型进行应用。该模型破解了炼化企业作业事故可能性定量评价的难题,能够为实现环境因素和人因失误因素影响下的定量风险评估提供理论支撑,对降低作业事故发生可能性,尤其是作业人员失误概率具有积极的指导意义。