安全4.0：过程工业装置安全技术展望

涂善东

（华东理工大学承压系统与安全教育部重点实验室，上海200237）



安全4.0：过程工业装置安全技术展望

涂善东

（华东理工大学承压系统与安全教育部重点实验室，上海200237）

摘要：人类筑城而居，物质与文化得以快速提升，但也伴之以火灾等事故。进入工业文明以后，蒸汽机的发明、电力的应用使工业系统变得日益复杂，局部的失效便可能导致系统损坏和整个生产过程中断。20世纪能源危机的出现，导致工业装置向着更高的操作参数和更大的规模发展以提高能源与生产效率，这使得工业安全事故更具有突发性、灾难性、中断性以及社会性。安全已成为人们安逸、诗意生活的首要考虑。本文回顾了人类文明发展过程中安全技术的演进，提出与工业4.0适配的安全4.0的概念。它以全寿命过程安全保障为目标，包括安全（健康）监测、网络化监控、智能安全评价系统等主要内容。同时对目前成功的工业案例和研究进展进行了分析，提出了实施安全4.0今后应重点解决的科学与技术问题。

关键词：安全；人因失效；监测；智能化；互联网+；过程工业；能源工业

作者：涂善东（1961—），男，教授，博士生导师，长江学者，研究领域为高温环境下的结构强度设计理论与寿命预测技术、微（小）化工机械系统（MCMS）、先进能源材料与装备、倡导全面工程教育。E-mail sttu@ecust.edu.cn。

人类创造的工程技术支撑了现代社会的物质文明，也很大程度上支撑了人类的精神文明，无论是发电、石油化工、计算机、互联网、高速列车与飞机等都已成为人们衣食住行不可或缺的支撑。它使人们有了更加美好的城市，也有了更加具有诗情画意的宜居乡村。

但是各种安全事故却在不断打破人们的梦想。进入21世纪以后的诸多事故让人们记忆犹新。如2005年11月13日中国石油吉林石化苯胺装置爆炸事故，6死20伤，数万人紧急疏散，松花江受到严重污染。2013年11月22日凌晨3点，位于青岛黄岛区的中国石化输油储运公司潍坊分公司输油管线破裂，事故共造成62人遇难，136人受伤，路面、海面大面积污染，直接经济损失7.5亿元（图1）。

图1 青岛黄岛区的地下输油管线破裂事故及其造成的海面污染

再如，2014年8月1日凌晨，台湾高雄市前镇区地下管线发生连环石化气爆炸事故，逾6公里长的数条街道因惊人的爆炸而塌陷碎裂，造成32人死亡、280人受伤。2015年4月，漳州PX装置管道破裂，发生漏油着火，引发4个油罐爆裂燃烧。事故后，古雷村成为“恐惧岛”，4万居民整体搬迁。2015年8月12日深夜，位于天津滨海新区塘沽开发区的一个危险品仓库发生爆炸。爆炸的火光染红了天津滨海的夜空，165人遇难8人失联，数十米高的蘑菇云成为人们心中无法磨灭的印记。核电给人们带来了清洁的能源，但是同样带来了安全威胁。在人们还未完全摆脱美国三里岛、前苏联切尔诺贝利核电事故的阴影时，2011年3月11日，里氏9.0级地震导致日本东京电力公司福岛县两座核电站反应堆发生故障，以致3个机组堆芯发生不同程度的熔化，造成放射性污染物大面积泄漏，核电站附近辐射超标6600倍，福岛一号核电站全部永久报废。迄今，核反应堆堆芯融化事故概率已远远超过人们原来估计的<105堆年（目前已运行约14000多堆年）。

这些安全事故损失巨大，直接影响社会稳定、经济运行，乃至人们的健康与福利，因此可以认为，安全是人类社会和谐与可持续发展的基础。时下正值广泛热议的工业4.0和中国制造2025、智能制造等重大议题成为热点[1-2]。安全问题固然重要，或被认为隐含其中，但却很少作为热点议题。实际上，在当今互联网+时代，人类进入高度文明之阶段，人的生命与健康尤为宝贵，任何工程项目的建设与高新技术的发展都必须以安全为先决条件。为此，本文回顾人类文明发展过程中安全技术的演进，提出安全4.0的理念，并对相关支撑技术进行了讨论与展望。

1　安全技术的演进过程

古代人类筑城而居，小作坊生产和商业流通促进了物质与文化的提升，但用火安全问题也成为人类城镇化居住的威胁。罗马帝国在几次重大火灾事故中几乎毁于一旦。于是在公元6年Augustus大帝决定设立消防部门（Vigiles），由奴隶组成，服役6年可成为自由公民[3]。在此后的1800多年，人们应对事故基本上都是被动响应的。1759年英国人瓦特对蒸汽机进行了关键改进，效率成倍提高，由此引发了工业革命[4]。为了得到更大的动力，人们进一步提升工作温度，以获得更高的压力及更快的速度。但是，由于锅炉的设计制造主要依靠经验，温度压力又难以控制，这时候工业事故的破坏性逐渐显现出来。在这一漫长的时期，人们对事故都缺乏预知能力，事故处理是被动的、后验的，事故救援主要依靠人力，设计建造依靠经验，这一时期不妨将称之为安全1.0时代。

对高效率、高温与高压追求的结果，导致了大量锅炉爆炸事故的发生，在19世纪下半叶，英、美发达国家平均每天就有一起锅炉爆炸事故，如1865 年4月17日美国Sultana轮船蒸汽锅炉爆炸导致1800余人丧生[5]。为此，要有效控制锅炉超压，关键要知道锅炉内压。这要归功于法国工程师BOURDON在1849年的发明的压力表，人们根据压力表的指示，可以手动调整锅炉的燃烧以控制内部压力[6]，此外，安全阀的发明及其在工业中的应用也较好地抑制了锅炉的超压爆炸。进而在20世纪，经典的反馈控制回路系统得到应用，进一步减少了事故发生。同一时期，经典强度理论逐渐得以建立，TRESCA、MISES等提出的破坏准则，使人们可以应用线弹性理论计算出符合强度要求的结构尺寸。不同的行业学会纷纷制订行业标准，强化了对安全生产的要求，如：美国机械工程师协会在1914年颁布了第1版的锅炉与压力容器规范[7]，在设计、制造、使用等环节均加强了管理。事故发生的态势逐渐得到较好的抑制，如图2所示。从1850年到1950年的100年，大体上这一时期可以称作安全2.0时代，其特征是压力表等一次仪表的发明与应用，机器工作参数的人工调节或机械调节与控制，以及经典强度理论的初步应用。

图2 1880—1990年间美国锅炉爆炸事故历年变化

1950年以后，战后经济快速发展，工业装置向着高参数、大型化方向不断发展，在重大装置的结构设计方面，要归功于现代强度理论的发展；在1960年以后，欧文等创立了断裂理论，促使结构安全评定形成了规范[8]；随着计算机技术的发展、计算力学方向的形成，结构强度实现了精准的分析计算[9]。同时，自动化仪器仪表得以快速发展，各类传感器得到广泛应用，控制理论与数字化控制技术的发展也极大地提升了安全控制的水平。进而风险评价与管理在企业得以实施应用，进一步保障了工业装置的安全，使得事故率大幅度下降[10]。图3是进入21世纪以后我国锅炉压力容器每万台套事故率下降的情况，在政府、企业、高校以及研究院所的共同努力下，近年来，我国锅炉压力容器的事故发生率已与发达国家水平相当。为此，可以将1950年以来到现在，看作是安全3.0的时代，其特征是现代强度理论的支持、先进自动化仪器仪表的应用、数字化与网络化控制，以及安全管理水平的整体提升。

图3 2001—2014年间中国承压设备事故率历年变化

2　安全4.0：互联网+时代的工业安全

分析近年所发生的事故可以知道，虽然事故的数量减少了，但是由于装置规模和运行参数的提高，使得事故更具有灾难性、中断性以及社会性，诸如核电或化工领域的事故往往还会造成重大国际影响。由于科学技术的进步，目前单纯由技术问题造成的事故已经较少，而人的失误所造成的事故却成了主因，以承压类特种设备为例，我国在2005—2014年期间承压类特种设备事故953起，其中66%是由于违章操作、使用不当乃至非法使用所造成的，81%均是由于人的操作、检验和制造的错误所造成的，如图4所示。

图4 2005—2014年期间我国承压类特种设备各类事故及其所占比例

即便是严格按照规范的设计和制造，事实上也无法避免事故的发生。除了人因失效，还有人认知的局限性问题，如：在设计阶段人们很难预知未来实际运行状况，比如服役时的载荷一般与设计假定的载荷有差别，材料在实际服役过程中性能也会不断发生劣化。遗憾的是，我国在这一方面的基础数据积累十分薄弱，更加难以预知装置的风险与寿命。不少重大工程项目往往先上马后开展研究，因此存在安全隐患不言而喻。

正因为此，倡导新的工业安全理念对我国尤其重要，其目的主要是弥补人的不可靠性和设计制造的先天不足。可能的解决方案是：安全监控的智能化，也就是通过数字化、网络化技术提升工厂对故障响应的智能化水平，一旦出现危及安全的故障，系统能自动识别、评价进而采取响应措施。在技术上大体应包括以下3个方面的内容。

（1）安全（健康）监测 通过新一代的传感技术，将温度、压力、浓度等间接信号的监测变为对结构变形、损伤等安全直接相关信号的监测。

（2）网络化监控 数据挖掘（将大数据转变为有用信息），在网络化传输基础上实现网络化智能控制。

（3）智能安全评价 通过专家系统实现安全评价的快捷化、智能化。

它们构成了安全4.0的技术基础。它以产品全寿命过程安全保障为目标，以安全监测、网络化监控、智能安全评价3项技术作为支撑，在风险管理方面，通过对人因失效的研究提升风险管理的水平。

图5总结了安全技术的发展历程。人类对事故由被动响应发展到主动响应与控制，历经了2000余年，现今借网络化、智能化之优势，正在向安全4.0快速进步！

近年来，许多企业和研究部门正致力实践新一代安全理念。核电站安全之于人类至关重大，先进的传感技术和智能安全评价系统逐渐在新建的核电站中得到应用[11]。如芬兰核电站Olkiluoto三期工程，在核岛上布置有超过500个振弦应变计、力传感器以及温度和湿度传感器，还有超过1500m分布式光纤应变/温度传感器。这些传感器每秒钟产生一万多个数据。AREVA公司的疲劳监测系统可以据此快速进行疲劳损伤状态的评价。埋地和长输天然气/输油管道的安全监测一直是个难题，我国已发生多起灾难性事故。采用光纤传感器和互联网技术结合很好地解决了这样一个难题[12]，美国、德国、加拿大等国家给埋地管线、长输管线，特别是处于地质条件较差的管段，安装了相应的传感器，基本上杜绝了重大的天然气/输油管道爆炸事故。航空发动机是飞机的心脏，航空发动机公司一直致力发展引擎健康监测系统（engine health management，EHM）[13]。Rolls-Royce公司为了监控Trent发动机工作状态，通过布置在飞机发动机上风扇、压缩机以及高、中低压涡轮的约25个传感器来获取发动机运行参数，包括温度、压力、转速、流动和振动水平。当监测到状态异常时会随时报告。维修人员通过EHM发现故障苗头后可以及时处理故障，有效防止因拖延检修而带来的重大损失。

图5 安全技术的发展历程

近年来我国研究人员在国家863计划的支持下，针对极端环境下过程设备的结构完整性也开展了在线监测的研究。其中高温装备的在线安全监测最具挑战性，在长期高温和应力作用下，材料的显微组织与力学性能都会缓慢地变化，最终在低应力水平下便发生开裂失效。在高温环境下如何实现结构变形测量、信号传输及与安全性的关联一直均没有很好解决，特别是在苛刻环境下如何保证传感器长期稳定与可靠地工作，是一项世界性难题。为此，针对超高温环境（>600℃），发明了引伸式的高温传感装置[14-15]，将苛刻温度下的变形引伸至常温区进行测量。将核心技术问题转化为变形引伸至的精度，其长时高温工作的能力远远超过商用高温应变计，如图6；针对高温环境（300～600℃），基于光纤光栅传感理论，结合磁控溅射和电镀工艺，研发了新型耐高温光纤光栅温度/应变传感器，通过测量光栅的波长偏移量，实现高温下的温度与变形监测[16-17]。进而研究了基于无线传感技术的远程数据传输方法、海量数据甄别、特征数据提取方法，开发了高温装备安全与寿命监测系统，系统结构组成见图7[18]，该系统可以将危险信号实时传送到监测中心，并通过手机短信方式发布给设备管理工程师。所开发的高温装备安全与寿命在线监测系统，经在热电、炼油、化肥等不同类型企业示范应用，表明传感装置可以在高温环境下长期稳定地工作，无线传感技术的传输可靠，实时预警手段无误操作。

图6 引伸式的高温传感装置与商用应变计使用效果的比照（540°C）

图7 高温装备安全与寿命监测系统结构示意图

3　实践新一代安全理念的技术途径

现代过程与能源工业装置的工况条件较之于其他工业领域要复杂得多，包括高温、低温、深冷，超高压、高压、中压、低压、真空，有剧毒、易燃、易爆、强酸、强碱，有汽液固三相之不同等。在这些苛刻条件下，事故的发生更具有灾难性、毁灭性，而其监测监控又常常受限于传感技术手段。因此，过程与能源工业实施新一代的安全理念具有更加迫切的需求，同时也具有更大的挑战性。我国经过改革开放三十多年的建设，化工、石化以及能源工业得到了快速的发展，但是在安全科学技术的诸多方面均需要进一步的夯实与完善。如：承压设备全寿命周期风险防控体系，大型LNG储存设施及地下储气库事故防控，高硫、高酸原油加工过程腐蚀泄漏的预警，危险品运输事故防控技术，埋地管线、长输管道安全保障技术，粉尘爆炸防控技术，关键动设备故障监测与寿命预测，高温高压装置的事故预测与预警，核电及能源装置的老化管理，化工园区多灾种耦合风险控制等等，需要更多的研究投入。

但是，现有的安全科学技术还存在如下共性问题。其一是不够智慧，目前安全评价的科学基础、安全相关材料数据、专家系统、事故案例库与知识库等不足以支持一个具有智能的安全评价系统；其二是不够精确，尽管可以采集大量现场数据，但有效数据、关键数据不多，主要是能在苛刻环境下工作的传感器不多；其三是缺乏共享，企业间数据共享与安全均还需要进一步研究落实，特别是与安全相关数据往往十分敏感。

针对上述挑战，本文提出如下几点对策。

（1）对策1：智能安全评价技术 ①安全监测-评价-控制一体化系统；②安全评价专家系统与事故案例库；③事故过程模拟与事故可能性预报技术；④复杂工况下灾害的多尺度演化机理和规律。

（2）对策2：安全（健康）监测技术 ①面向数据（监测）的设计（design for data），在部件和系统层面形成相应方法与标准；②极端环境条件下的传感技术、传感器的耐久性试验；③小尺寸、低功耗、便于在线实时监测的智能传感技术；④基于大数据的组合监测策略；⑤数据及网络的可靠性与安全性。

（3）对策3：互联的诊断中心 ①促进工业部门数据共享，建立相关协议；②建立一批开发、互联的工业装备诊疗中心；③建立员工与公众可以参与的开放式安全监测中心；

以上对策所涉及内容或挂一漏万，需要不同领域的专家协同努力、深入研究。

4　结 语

过程与能源工业的装置规模和运行参数不断提高，使得事故更具有灾难性、中断性以及社会性，直接影响着社会的稳定和经济运行。过去三十多年来，我国经济快速发展，重大装置和基础设施的建设日新月异，但是各种灾难性事故的发生也告诫人们安全是人类社会和谐持续发展的重要基础，必须作为社会发展的首要。为此，本文提出安全4.0，它以全寿命过程安全保障为目标，以安全监测、网络化监控、智能安全评价3项技术作为支撑，在安全管理方面，通过控制人因失效致力提升风险管理水平，可以预期，它将成为工业4.0必不可少的伴侣。也期盼我国过程与能源工业领域践行实施，以避免我国在经济繁荣发展的过程中出现严重的工业安全事故。

致谢：承蒙国家质检总局特种设备安全监察局宋继红同志提供我国承压设备事故情况，为本文观点提供重要支持；加州大学伯克利分校David Sedlak教授赠书Water 4.0启发本文写作，成文过程中，徒芸博士、杨雪晶博士等同事参与讨论、提供资料，特致衷心谢忱。

参 考 文 献

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Safety 4.0：an outlook on safety technology for process installations

TU Shan-Tung
（Key Laboratory of Pressure Systems and Safety (MOE)，School of Mechanical and Power Engineering，East China University of Science and Technology，Shanghai 200237，China）

Abstract：Urbanism greatly enhanced the material aspects of living and the cultural aspects of city life accompanied with，however，the fire disasters in the ancient time of our human being. Entering the industrial civilization with the invention of steam engine and electrical power supply，the industrial systems became large and complex，in which a failure of a local component might cause a global damage and shutdown of the whole production process. The energy crisis in the last century called forth larger plant capacity and higher operation parameters in order to increase the energy and process efficiency，which led to the industrial accidents highly interruptive，greater risky and of significant social influence. Safety is thus a fundamental need of our human being to have an ease and poetic life. In retrospect，the paper reviews the evolution of safety technology during the history of human civilization. The concept of Safety 4.0 as an indispensable mate of Industry 4.0 is proposed，which aims the life cycle safety，including the safety (health) monitoring，smart network control and intelligent safety assessment. Some excellent industrial cases and research progresses are examined and discussed. Recommendations are made on the priority areas in science and technology for implementing Safety 4.0.

Key words：safety；human error；monitoring；intelligence；Internet+；process industry；energy industry

中图分类号：TQ 086

文献标志码：A

文章编号：1000–6613（2016）06–1646–06

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.06.005

收稿日期：2016-02-19；修改稿日期：2016-03-07。