基于本質(zhì)安全理論的化工過程安全管理研究

酒江波,劉尚志,鞠松霖,張 夢,周 超,范秀全

(1.中國石油大學(xué)(華東) 安全環(huán)保與節(jié)能技術(shù)中心,山東 青島 266580;2.中國石油大學(xué)(華東) 機(jī)電工程學(xué)院,山東 青島 266580;3.青島歐賽斯環(huán)境與安全技術(shù)有限責(zé)任公司,山東 青島 266555;4.獨(dú)山子石化公司塔里木油田公司石化分公司,新疆 庫爾勒 841000)

中國作為全球化學(xué)品主要生產(chǎn)國、世界第一化工大國,根據(jù)歐洲化學(xué)工業(yè)委員會(CEFIC)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),2019年中國化工行業(yè)的總產(chǎn)值占全世界總量的40.6%[1-2]。然而,化工生產(chǎn)過程中涉及易燃易爆、有毒有害危險(xiǎn)化學(xué)品以及復(fù)雜多變的危險(xiǎn)工藝,其危險(xiǎn)特性不會隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展而改變,化工安全生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)也不會隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的提高而自然降低[3]。當(dāng)前,化工安全生產(chǎn)事故仍然頻繁發(fā)生,例如:2022年6月8日,茂名石化球罐動力泵泄漏引發(fā)爆炸事故,造成1人受傷,2人失聯(lián);2022年6月18日,上海石化乙二醇裝置發(fā)生火災(zāi)事故,造成1人死亡,1人受傷[4]。安全生產(chǎn)事故的頻繁發(fā)生暴露出部分化工企業(yè)存在過程安全管理不到位和因設(shè)備設(shè)施陳舊失效導(dǎo)致的本質(zhì)安全水平不高等嚴(yán)重性問題。

本質(zhì)安全是堅(jiān)持從源頭防范化解系統(tǒng)性風(fēng)險(xiǎn)和預(yù)防事故發(fā)生的關(guān)鍵。本質(zhì)安全的概念最早由Trevor Kletz于1976年提出,旨在從根源上消除風(fēng)險(xiǎn)或降低危害程度[5-7]。隨后,引起了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注,2000年,美國化學(xué)工程師協(xié)會化工過程安全中心(CCPS)在《2020年展望》(Vision 2020)的報(bào)告中指出必須重視化工行業(yè)本質(zhì)安全的研究[8];Khan等[9]回顧了本質(zhì)安全的良好實(shí)踐;Kletz等[10-11]總結(jié)了本質(zhì)安全設(shè)計(jì)的范圍和未來的發(fā)展方向,之后出版了《流程工廠的本質(zhì)安全設(shè)計(jì)手冊(第2版)》,為本質(zhì)安全設(shè)計(jì)提供了操作指南;2010年,CCPS發(fā)布了本質(zhì)安全技術(shù)的定義[12]。近年來,我國學(xué)者也在積極探索和開展化工行業(yè)本質(zhì)安全技術(shù)的研究,如:樊曉華等[13]借鑒國外的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn),提出了本質(zhì)安全化設(shè)計(jì)指數(shù)體系和設(shè)計(jì)流程;蔡逸倫等[14]建立了化工工藝本質(zhì)安全評價(jià)的云模型,并將其應(yīng)用于甲基丙烯酸甲酯(MMA)的4條合成路線中,為該工藝的選擇提供了依據(jù);楊哲[15]系統(tǒng)地介紹了化工過程本質(zhì)安全技術(shù)的研究進(jìn)展,并對未來的研究方向進(jìn)行了展望;高建兵[16]研究了天然氣制乙炔工藝的本質(zhì)安全提升措施,使該工藝的本質(zhì)安全水平得到了極大的提升;朱佳興等[17]綜述了本質(zhì)安全設(shè)計(jì)的評估方法以及存在的問題,并對未來的發(fā)展趨勢提出了一些見解。

綜上所述,當(dāng)前關(guān)于化工行業(yè)本質(zhì)安全的研究主要集中于化工工藝的本質(zhì)安全設(shè)計(jì)和本質(zhì)安全評估等方面,本質(zhì)安全已成為風(fēng)險(xiǎn)管控和化工過程安全管理最重要的手段之一[18],而我國最新修訂的《化工過程安全管理導(dǎo)則》(AQ/T 3034—2022)中也將本質(zhì)更安全作為過程安全管理要素。然而,如何正確地理解化工行業(yè)本質(zhì)安全的內(nèi)涵以及如何更好地將其應(yīng)用于風(fēng)險(xiǎn)管控和化工過程安全管理中,是當(dāng)前化工過程安全管理中面臨的一個(gè)重要問題。因此,有必要分析化工行業(yè)本質(zhì)安全的內(nèi)涵,明確其與風(fēng)險(xiǎn)管控、保護(hù)層以及化工過程安全管理之間的內(nèi)在聯(lián)系,并基于我國最新修訂的化工過程安全管理要素,分析本質(zhì)安全策略化工過程安全管理在各要素中的應(yīng)用,從而加強(qiáng)對本質(zhì)安全的理解和應(yīng)用,這對于提高化工企業(yè)的安全管理質(zhì)量和預(yù)防事故的發(fā)生具有重要意義。

1 化工行業(yè)本質(zhì)安全的內(nèi)涵

1.1 本質(zhì)安全定義

本質(zhì)安全是一種理念,適用于企業(yè)生產(chǎn)的全生命周期,是一個(gè)不斷迭代完善的過程。本質(zhì)安全的策略包括通過流程優(yōu)化等直接消除風(fēng)險(xiǎn),或通過減少有害物料量、使用危害較小的物料替代、采用危害較小的工藝條件、優(yōu)化人工操作、提升設(shè)備可靠性等減小危害的可能性和嚴(yán)重度。此外,也可以應(yīng)用本質(zhì)安全策略提升相關(guān)安全措施、管理程序的可靠性和有效性[12]。

化工行業(yè)的本質(zhì)安全貫穿于工藝的全生命周期,包括概念設(shè)計(jì)、工藝研發(fā)、基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、詳細(xì)工程設(shè)計(jì)、采購、施工和試車、操作和維護(hù)、變更管理、退役(閑置、凈化),涉及物料、反應(yīng)、工藝、設(shè)備、控制等各個(gè)方面[5-7]。化工行業(yè)的本質(zhì)安全具有如下特征:

1) 本質(zhì)安全是一個(gè)理念,它代表一系列的概念而不是一套具體的方法。本質(zhì)安全不是一個(gè)專門的“技術(shù)”類別,它是尋求降低危害程度的最優(yōu)化方案。

2) 本質(zhì)安全的核心是加強(qiáng)工藝過程內(nèi)在的安全性,從源頭上消除風(fēng)險(xiǎn)或者降低危害程度。它通過合理的工藝設(shè)計(jì)而不是完全靠增加外部的安全保護(hù)設(shè)施來提高系統(tǒng)的安全性,它傾向于永久地減少危害,而不是通過增加額外保護(hù)層的方式降低風(fēng)險(xiǎn)。

3) 本質(zhì)安全是針對工藝全生命周期的過程防護(hù)。

4) 應(yīng)用本質(zhì)安全時(shí)需要對具體問題進(jìn)行具體分析。比如適用于某種物料、操作條件、位置和其他因素的本質(zhì)安全解決方案可能不適用于降低其他過程的風(fēng)險(xiǎn)。

5) 應(yīng)用本質(zhì)安全時(shí)應(yīng)具有全局觀,需系統(tǒng)考慮本質(zhì)安全決策,本質(zhì)安全的改進(jìn)方案必須在工藝、設(shè)備全生命周期下全面考慮整體危害風(fēng)險(xiǎn)、風(fēng)險(xiǎn)轉(zhuǎn)移的可能性以及該方案的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)適用性。

6) 本質(zhì)安全不一定減少所有風(fēng)險(xiǎn),不應(yīng)將本質(zhì)安全工藝過程視為“絕對安全”。運(yùn)用本質(zhì)安全理念會降低過程風(fēng)險(xiǎn)(本質(zhì)上更安全),但不會消除所有風(fēng)險(xiǎn)。

1.2 本質(zhì)安全策略

惡劣的安全生產(chǎn)事故后果讓人們進(jìn)一步意識到本質(zhì)安全理念對管控風(fēng)險(xiǎn)的根本性作用。因此,各種實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)工藝本質(zhì)安全的策略方法應(yīng)運(yùn)而生。學(xué)者們對本質(zhì)安全策略開展了大量的研究,雖各有差異,但最終可歸納為4類,即通過最小化、替代、減緩和簡化4個(gè)策略在工藝全生命周期各個(gè)階段實(shí)現(xiàn)企業(yè)安全生產(chǎn)的本質(zhì)安全,如表1所示[19]。

表1 本質(zhì)安全策略及其描述

2 本質(zhì)安全與風(fēng)險(xiǎn)管控

2.1 事故場景的演變

安全是指風(fēng)險(xiǎn)可接受的一種狀態(tài),企業(yè)生產(chǎn)的安全管理是以風(fēng)險(xiǎn)管理為基礎(chǔ)來實(shí)施的[20]。風(fēng)險(xiǎn)管理包括危害辨識和風(fēng)險(xiǎn)評估,其中危害辨識的目的是把工廠可能發(fā)生的所有“事故場景”識別出來。本文通過事故場景的演變順序很好地解釋了什么是“事故場景”,如圖1所示。

圖1 事故場景演變順序Fig.1 Accident scene evolution sequence

任何一起事故的發(fā)生都起因于初始事件,就是事故發(fā)生的直接原因,如人員失誤、設(shè)備失效、系統(tǒng)缺陷、外部因素等。但初始事件觸發(fā)后,不一定意味著危險(xiǎn)事件一定會發(fā)生。首先應(yīng)考慮使能條件,比如設(shè)備使用的概率,因?yàn)槿粼O(shè)備沒有投入使用,即使發(fā)生了故障也不一定會引起危險(xiǎn)事件。另外,從危險(xiǎn)事件向最終的事故后果演變還需要考慮一些條件修正,比如容器超壓引起易燃介質(zhì)泄漏屬于危險(xiǎn)事件,發(fā)生火災(zāi)爆炸需要考慮點(diǎn)火概率,造成人員傷害就必須考慮人員暴露的概率;如果事故類型是中毒還應(yīng)考慮該濃度下導(dǎo)致的人員致死概率等[21]。

2.2 風(fēng)險(xiǎn)管控措施的層級關(guān)系

當(dāng)辨識出一個(gè)事故場景后,需對其進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估,以判斷該事故場景的風(fēng)險(xiǎn)是否可以達(dá)到企業(yè)風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的可接受范疇。如果風(fēng)險(xiǎn)處于不可接受的水平,就需要選擇風(fēng)險(xiǎn)控制措施來進(jìn)一步降低風(fēng)險(xiǎn)。然而,風(fēng)險(xiǎn)控制措施該如何選取以及本質(zhì)安全在風(fēng)險(xiǎn)管控中如何應(yīng)用是當(dāng)前面臨的重要問題。因此,本文基于事故場景的演變順序,詳細(xì)地分析了各類風(fēng)險(xiǎn)管控措施的控制效果和優(yōu)先級,并將風(fēng)險(xiǎn)控制措施分為以下4個(gè)層級(圖2):

圖2 風(fēng)險(xiǎn)控制措施的層級關(guān)系Fig.2 Hierarchy of risk control measures

1) 第一層級本質(zhì)安全措施。首先考慮的是該事故場景是否可以直接消除,使它不存在?？梢酝ㄟ^改變工藝路線或流程、提高設(shè)備的設(shè)計(jì)冗余、替換某種危險(xiǎn)物料等,將原來存在的風(fēng)險(xiǎn)較高的事故場景直接消除,比如液氨制冷更換為氟利昂制冷。由于操作人員操作不當(dāng)?shù)仍?可能會發(fā)生液氨泄漏和爆炸,存在嚴(yán)重的安全隱患,近年來各地發(fā)生的液氨泄漏或爆炸事故觸目驚心。但是如果使用氟利昂制冷替換液氨制冷,那么這個(gè)危險(xiǎn)的事故場景就不存在了,該風(fēng)險(xiǎn)被直接消除了。這一類措施屬于第一層級的本質(zhì)安全,其作用是可以直接消除某一種事故場景,也是最本質(zhì)安全的一種做法。

2) 第二層級本質(zhì)安全措施。如果該事故場景不能被直接消除時(shí),應(yīng)該考慮是否有降低其固有風(fēng)險(xiǎn)的措施,此類措施包括兩類:一類是直接降低初始事件發(fā)生的頻率來降低風(fēng)險(xiǎn),比如選擇更為可靠的設(shè)備來降低設(shè)備失效的概率,優(yōu)化操作模式來減少人工操作的復(fù)雜程度或直接替換為自動控制來降低人員失誤概率等;另一類是直接降低事故后果的嚴(yán)重性來降低風(fēng)險(xiǎn),比如降低有害物質(zhì)的現(xiàn)場存量(減少中間罐的容積)來降低事故后果的嚴(yán)重性等。這一類措施屬于第二層級的本質(zhì)安全,其目的是在不外加保護(hù)層的前提下直接降低風(fēng)險(xiǎn)級別。

3) 第三層級預(yù)防性安全措施。如果采取了降低固有風(fēng)險(xiǎn)的措施后,其風(fēng)險(xiǎn)仍不可被接受,就需要考慮增加保護(hù)層以進(jìn)一步降低其殘余風(fēng)險(xiǎn),其途徑有兩種:一種是降低事件發(fā)生的可能性;另一種是減弱事故后果的嚴(yán)重性。其中,用來降低事件發(fā)生可能性的保護(hù)層一般稱為預(yù)防性安全措施,屬于第三層級的風(fēng)險(xiǎn)控制措施?！邦A(yù)防性”顧名思義就是只要這個(gè)保護(hù)層能起到作用,危險(xiǎn)事件就不會發(fā)生,也就是在初始事件發(fā)生以后用于阻止危險(xiǎn)事件發(fā)生的控制措施,比如為控制重要參數(shù)所設(shè)置的基本控制回路(BPCS)、參數(shù)報(bào)警+人員響應(yīng)、安全聯(lián)鎖回路、物理泄壓保護(hù)等。由于該類措施屬于外加保護(hù)層,因此其并不屬于本質(zhì)安全的范疇。

4) 第四層級緩和性安全措施。用來減弱事故后果嚴(yán)重性的保護(hù)層一般稱為緩和性安全措施,屬于第四層級的風(fēng)險(xiǎn)控制措施。緩和性安全措施是用于危險(xiǎn)事件出現(xiàn)后,為降低最終可能出現(xiàn)的事故后果嚴(yán)重性所設(shè)置的保護(hù)層,比如防火堤的作用是當(dāng)儲罐油品泄漏后,可以阻止油品隨意流淌,將污染或火災(zāi)僅限于防火堤的范疇。常見的緩和性安全措施包括氣體檢測、緊急切斷、圍堵圍擋、應(yīng)急設(shè)施和應(yīng)急體系等,該類措施也不屬于本質(zhì)安全的范疇。

通過上述的梳理,風(fēng)險(xiǎn)控制措施分為第一層級的本質(zhì)安全措施、第二層級的本質(zhì)安全措施、第三層級的預(yù)防性安全措施和第四層級的緩和性安全措施4個(gè)層級,其風(fēng)險(xiǎn)管控的效果逐漸變差,優(yōu)先級逐漸減弱。本質(zhì)安全屬于風(fēng)險(xiǎn)控制措施的范疇,其目的是消除或降低固有風(fēng)險(xiǎn),所以風(fēng)險(xiǎn)管控效果越好,優(yōu)先級越高。因此,在風(fēng)險(xiǎn)管控的過程中,應(yīng)優(yōu)先考慮本質(zhì)安全措施。

另外,考慮了保護(hù)層作用下事故場景演變就擴(kuò)展為更為完整的事故場景演變順序(圖3)。也就是說,如果針對某個(gè)事故場景,工程上已經(jīng)采取了預(yù)防性安全措施去進(jìn)一步降低事故發(fā)生的概率,那么在使能條件具備后,從初始事件真正演變?yōu)槲ｋU(xiǎn)事件還需要預(yù)防性安全措施發(fā)生失效;而危險(xiǎn)事件發(fā)生后要繼續(xù)向著最終的事故后果演變則需要考慮已經(jīng)設(shè)置的緩和性安全措施發(fā)生失效,比如泄漏檢測、圍堤圍擋、緊急切斷、消防系統(tǒng)、應(yīng)急響應(yīng)等。因此,當(dāng)無法采取本質(zhì)安全措施時(shí),還可以考慮預(yù)防性安全措施和緩和性安全措施。此外,從事故場景演變的順序圖(圖3)可以看出,預(yù)防性安全措施的優(yōu)先級高于緩和性安全措施,這是因?yàn)轭A(yù)防性安全措施更靠近本質(zhì)安全,其目的是阻止危險(xiǎn)事件的發(fā)生,風(fēng)險(xiǎn)防控的效果更好。

圖3 完整的事故場景演變順序Fig.3 Complete accident scenario evolution sequence

2.3 本質(zhì)安全與保護(hù)層的關(guān)系

保護(hù)層是指通過設(shè)施、系統(tǒng)或人的行為降低某個(gè)事故場景的可能性和嚴(yán)重性的相關(guān)硬件、軟件及程序等措施[21]。通過風(fēng)險(xiǎn)控制措施的層級關(guān)系可知,本質(zhì)安全屬于風(fēng)險(xiǎn)控制措施的范疇,本質(zhì)安全策略的基本條件是不通過外加保護(hù)層而實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)降低,分為可以直接消除某個(gè)事故場景以及通過直接降低初始事件發(fā)生概率和事故后果嚴(yán)重性兩個(gè)層級。因此,保護(hù)層本身并不屬于本質(zhì)安全的范疇,但它與本質(zhì)安全一樣重要,都是風(fēng)險(xiǎn)控制的重要手段。

雖然,保護(hù)層本身并不屬于本質(zhì)安全的范疇,但本質(zhì)安全的策略可以更為擴(kuò)展,將本質(zhì)安全策略應(yīng)用于保護(hù)層本身,以提升保護(hù)層的可靠性或有效性。因此,為了更清晰地說明本質(zhì)安全與保護(hù)層的關(guān)系,進(jìn)一步理解本質(zhì)安全在風(fēng)險(xiǎn)管控和化工過程安全管理中的作用,本文基于風(fēng)險(xiǎn)控制措施層級的闡述,提出了更為完整的改進(jìn)洋蔥模型,如圖4所示。

圖4 改進(jìn)的洋蔥模型Fig.4 Improved onion model

修正后的洋蔥模型的核心是工廠設(shè)施,其風(fēng)險(xiǎn)管控的層次由內(nèi)向外包括第一層級的本質(zhì)安全、第二層級的本質(zhì)安全;然后是保護(hù)層的范疇,首先包括BPCS、報(bào)警+人員響應(yīng)、安全聯(lián)鎖系統(tǒng)、泄壓保護(hù),這些層級的保護(hù)層都屬于預(yù)防性安全措施,再往外是泄漏檢測、圍堵圍擋、應(yīng)急響應(yīng)等,這些保護(hù)層屬于緩和性安全措施。修正后的洋蔥模型越往核心風(fēng)險(xiǎn)管控的效果越好,其優(yōu)先級越高。

3 本質(zhì)安全在化工過程安全管理要素中的應(yīng)用

3.1 化工過程安全管理要素

化工過程安全管理源自于20世紀(jì)80年代中期,由于世界各地接連發(fā)生嚴(yán)重的化學(xué)工業(yè)事故,企業(yè)、行業(yè)和政府部門開始意識到僅僅關(guān)注技術(shù)改進(jìn)和控制人為因素并不能完全預(yù)防化工過程安全事故的發(fā)生,而企業(yè)管理體系問題(或缺乏管理體系)才是導(dǎo)致事故發(fā)生的深層原因[22]。

為了預(yù)防化學(xué)工業(yè)類似事故的發(fā)生,1985年美國化學(xué)工程師協(xié)會成立了化工過程安全中心(CCPS),并逐步發(fā)展成為全球化工行業(yè)最大的化工過程安全管理協(xié)會。CCPS提出了預(yù)防化工過程安全事故的4大基本原則:①企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)層對于過程安全的承諾;②理解和了解風(fēng)險(xiǎn);③管理風(fēng)險(xiǎn);④不斷地從經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)中改進(jìn)。自1989年開始,CCPS陸續(xù)推出了《化工過程安全技術(shù)管理指南》等一系列指南叢書,鼓勵(lì)成員單位全面系統(tǒng)地開展化工過程安全事故預(yù)防工作。目前,推行化工過程安全管理已經(jīng)被國內(nèi)外同行共同認(rèn)為是提升化工企業(yè)安全績效最可行的方法。化工過程安全管理在美國和中國的發(fā)展歷程,如表2所示。

表2 化工過程安全管理在美國和中國的發(fā)展歷程

目前我國最新修訂的《化工過程安全管理導(dǎo)則》(AQ/T 3034—2022)中化工過程安全管理要素主要包括20項(xiàng),如表3所示。

表3 《化工過程安全管理導(dǎo)則》(AQ/T 3034—2022)中化工過程安全管理要素

3.2 本質(zhì)安全策略在化工過程安全管理要素中的應(yīng)用

過程安全管理被定義為應(yīng)用管理原則和系統(tǒng)來識別、理解和控制過程危害,以防止與過程相關(guān)的傷害和事故發(fā)生。過程安全管理作為風(fēng)險(xiǎn)管控的最佳實(shí)踐方法已在世界范圍內(nèi)得到認(rèn)可和接受。從本質(zhì)安全與風(fēng)險(xiǎn)管控的關(guān)系可以看出,本質(zhì)安全策略是風(fēng)險(xiǎn)管控中優(yōu)先級最高的安全控制措施,所以本質(zhì)安全不僅是過程安全管理方案的組成部分,同時(shí)也是過程安全管理各要素管理方案設(shè)計(jì)理念的一部分,其在提高過程安全管理的有效性方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

Amyotte等[18]詳細(xì)地闡述了本質(zhì)安全與化工過程安全管理要素之間的關(guān)系,主要是基于加拿大化學(xué)工程協(xié)會(CSCHE)出版的《化工過程安全管理指南》中12個(gè)化工過程安全管理要素。由表3可知:我國最新修訂的《化工過程安全管理導(dǎo)則》中將化工過程安全管理要素增加至20個(gè)。因此,本文詳細(xì)地分析了本質(zhì)安全與這20個(gè)化工過程安全管理要素之間的關(guān)系,以及在執(zhí)行化工過程安全管理要素活動中可能發(fā)揮的作用,進(jìn)一步加強(qiáng)本質(zhì)安全的理解和應(yīng)用,提高化工企業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)管控水平和過程安全管理能力。本質(zhì)安全策略在化工過程安全管理各要素中的具體應(yīng)用,如表4所示。

表4 本質(zhì)安全策略在化工過程安全管理要素中的應(yīng)用

4 結(jié) 論

1) 本質(zhì)安全的核心是從源頭上消除或降低危害, 通過合理的工藝設(shè)計(jì)而不是完全靠增加外部的安全保護(hù)設(shè)施(保護(hù)層)來提高系統(tǒng)的安全性。

2) 風(fēng)險(xiǎn)管控措施分為第一層級的本質(zhì)安全措施、第二層級的本質(zhì)安全措施、第三層級的預(yù)防性安全措施和第四層級的緩和性安全措施4個(gè)層級,其優(yōu)先級逐漸降低,風(fēng)險(xiǎn)管控的效果逐漸減弱。

3) 保護(hù)層本身并不屬于本質(zhì)安全的范疇,但本質(zhì)安全策略可以應(yīng)用于保護(hù)層本身,從而提升保護(hù)層的可靠性或有效性。

4) 本質(zhì)安全是化工過程安全管理的重要組成部分,也是化工過程安全管理各要素管理方案設(shè)計(jì)理念的一部分,將本質(zhì)安全策略更好地應(yīng)用于化工過程安全管理的各要素中有助于提高化工企業(yè)安全管理工作的質(zhì)量和預(yù)防事故的發(fā)生。