化工工艺安全风险辨识研究进展

李玉静，高建村，2，王 薇，2*，史晨光

(1.北京石油化工学院安全工程学院，北京 102617；2.北京市安全生产工程技术研究院，北京 102617)

化工行业的迅速发展是世界各国调整化学工业结构、提升化学工业产能和扩大经济效益的战略重点。但因危险化工工艺的存在使得化工行业成为安全工作的重点领域之一。其中危险化工工艺是指在化学原料通过化学反应转化为产品的过程中可能导致中毒、火灾或爆炸等安全事故的工艺。因具有反应物料本身易燃易爆、工艺过程复杂、反应条件苛刻、危险源集中等特点，导致危险化工工艺装置的运行、检修、运输、安装等环节普遍存在危险性。据统计，2016～2020年期间，全国共发生911起化工事故，造成1159人死亡，其中由危险化工工艺引发爆炸、火灾、灼烫导致死亡人数占比高达50%。其中2021年3月和4月国内共发生生产安全事故54起，其中化工类事故高达18.52%[1]。2020年2月，辽宁先达农业科学有限公司储罐内丙酰三酮和氯代胺反应温度过高，致使物料发生分解、爆炸，造成5人死亡、10人受伤[2]。2020年11月，江西吉安海洲医药化工有限公司储存的废液中氯化苯受热形成爆炸性气体后，遇静电引起爆炸，致使3人死亡、5人受伤。由于化工生产过程中交叉危害因素及危险性复杂多变，伤亡事故时有发生，导致难以估量的生命和财产损失。因此开展化工工艺安全风险辨识研究，不仅是化工工艺安全风险评估和制定预防措施的重要依据，也能最大限度地降低风险，保证安全生产无事故。

1 化工工艺安全风险辨识内容

化工工艺安全风险辨识主要是对涉及的危险化学品、反应、设备装置和管道(其他内容如作业环境、管理等不重点讨论)中存在的风险进行辨识，找出化工工艺存在的危险因素，主要辨识内容如下：

1.1 化学品

由于化学工艺中化学品危害性的存在增加了反应过程中的危险等级，因此需对使用的化学原料、中间产物和反应产物进行危险源辨识。根据《全球化学品统一分类和标签制度》(GHS)将化学品的危害分为3类：物理危害、环境危害和健康危害。其中危害性最大当属气体，如氢气、液化石油气和硫化氢等。孙颖楠[3]对生产丙烯腈的反应物、反应产物和副产物开展风险辨识，研究发现反应工艺过程所涉及的原料和产物均存在大量的易燃易爆有毒物质，一旦操作失误或者维护管理不善发生管线泄露，遇到明火或高温条件极易引发火灾爆炸或中毒事故。杜九懿[4]对环氧乙烷生产过程中涉及的乙烯、一氧化碳、环氧乙烷等开展危险源辨识，辨识发现环氧乙烷因易挥发、易燃的特性极易在高温下遇明火爆炸，需将其列为该工艺的主要危险源，并给予高度重视。

1.2 化学反应

化工工艺不仅涉及大量的危险化学品，而且化学反应本身具有一定的危险性，如高温、高压等。同时化学反应过程大多为放热反应，反应过程中存在热量累积，若热量不能及时移除，必然会引起热失控事故的发生。目前国内的危险化学反应主要包括加氢反应、光气化反应、氯化反应、氧化反应等18种重点监管的化工工艺。这类化学反应是最典型的危险化工工艺，每一类化学反应因反应物料的危险程度都包含了许多典型的反应，因此也涉及到大量的危险源。

1.3 反应装置和传输管道

在化学反应过程中多会伴随能量或有毒气体的释放，需要通过不同类型的反应装置进行控制或收集。因此化工工艺风险辨识主要包括生产原料、化工产品及其相关的工艺条件和反应设备。若在反应设备的安装、使用和维护过程中出现问题，会造成能量泄漏，进而导致事故发生。因此，学者对炼油公司催化裂化装置中的反应-再生单元[5]、合成氨装置[6]、硝基苯生产装置[7]、石油天然气管道[8]、石化罐区[9]、成品油站工艺管道[10]等开展研究分析，对装备的安装、运行和维护进行风险源辨识，保证安全生产以提高产品质量和生产效率。

2 化工工艺安全风险辨识方法

目前化工工艺安全风险辨识方法分为定性与定量相结合法[11]、模糊数学法[12]、访问调查与文献查阅法[13]。笔者从常见的一些风险辨识方法着手，就目前国内外的研究进展展开论述。

2.1 定性与定量相结合法

风险辨识是指运用各种方法定性地识别分析对象中存在的危险因素以及可能导致的危险事故，给出可靠的预防措施，从而达到抑制事故发生的目的，有时还需要分析事故的发展方向。常用于化工行业的风险辨识方法有危险和可操作性研究(Hazard and Operability Analysis，HAZOP)、故障类型与影响分析(Failure Model and Effects Analysis， FMEA)、危险源辨识(Hazard Identification， HAZID)、安全检查表(Safety Check List，SCL)、事故树(Fault Tree Analysis，FTA)、事件树(Event Tree Analysis，ETA)、作业条件危险性分析(LEC)等。上述辨识方法按照辨识结果的量化程度可分为定性分析和定量分析，其中，SCL、HAZID、HAZOP、FMEA方法主要用于定性分析。由于定性分析只能明确事物发展的方向，难以定量揭示事物内在的发展机理与构成，而定量分析恰好可以弥补这一不足，因此，在进行风险辨识时，FTA和ETA可以兼具定性和定量分析的优点，同时开展定性和定量分析。

2.1.1 危险性和可操作性分析

HAZOP方法是一种运用引导词来辨识工艺设计缺陷、工艺过程危险及操作性问题的定性分析方法，适合对关键的工艺过程进行风险辨识分析，主要针对连续、间歇生产过程，也包含开停车、操作程序等的风险辨识[14]。

杨光友[15]利用HAZOP方法对某助剂生产装置进行风险辨识，研究发现该生产装置存在多流量、高液位、高压等40项可能导致风险偏差的因素，其中人的因素占41.7%，可通加强操作规程培训等措施降低风险等级。同时HAZOP方法还应用于环氧乙烷/乙二醇装置[16]、对羟基苯甲醛生产[17]、脱氢工艺[18]等危险化工工艺的风险辨识。除此之外，国内外学者在参数偏差产生的原因[19]、偏差的影响程度[20]以及偏差定量化分析[21]等方面开展了研究，拓展了HAZOP方法的适用范围，提高了HAZOP报告的有效性和准确性。

为提高传统HAZOP方法的辨识准确率，崔英等[22]将HAZOP方法和LOPA方法相结合对锦州石化110万t/a柴油加氢精制装置进行风险辨识，利用LOPA对HAZOP分析结果中复杂且风险等级高的闪爆事故场景进行定量分析，研究结果表明，除安全、环境和财产之外的剩余风险事故概率为不可接受，通过增加新的切断阀将剩余风险概率从0.025降低至0.000 025，大幅降低了闪爆事故发生的概率。Marhavilas等[23]将HAZOP、决策矩阵风险评估(DMRA)技术和层次分析法(AHP)相结合建立一种新方法(E-HAZOP)，该方法可实现对已知风险的等级排序，可对含硫原油加工厂的易燃液体、气体和有毒气体等进行风险辨识及等级排序，为后续安全措施的设计提供了参考依据，以便及时采取针对性地安全措施。

2.1.2 故障类型与影响分析

FMEA方法是基于对系统各组成部分、元件进行分析，并找出所有可能的故障及其类型(不考虑人为因素对系统的影响)，提出消除或控制这些故障的措施[24]。Lee等[25]利用FMEA方法开展化工园区液化天然气作业场景的风险辨识，研究发现安装液化天然气运输系统的冗余器可以消除危险因素，降低事故的发生概率。MacGregor[26]将FMEA方法与HAZOP方法相结合对复杂的管道仪表流程图进行节点划分和风险辨识，找出较多HAZOP单独分析未发现的潜在危险因素(如止回阀卡在打开位置、泵故障等)，该方法不仅提高辨识结果的可信度，还节省约15%的分析时间。此外，Balotaki等[27]采用FMEA方法对纳贾法巴德大学化学实验室常见的化学反应进行风险辨识，研究发现碘仿和苄醇丙酮合成反应是该实验室的主要危险源，其风险等级最高。

2.1.3 危险源辨识

HAZID方法是一种对潜在危险和风险的早期辨识技术，主要用于项目或活动早期潜在危险源的风险识别，为后续HAZOP等辨识方法提供危险源辨识方向[28]。姜慧[29]应用HAZID方法对新疆蓝山屯河新材料有限公司聚丙烯生产装置开展风险辨识，并针对现有保护措施不足的情况，从设计、操作、维护、制度、程序、状态6个方面提出多项可采取的建议措施，如针对“联锁摘除”的危害，可采取“修订公司联锁管理细则”、“设置独立运行的罐区紧急切断阀安全仪表系统(SIS系统)”等措施。

为提升事故早期预警作用，Paltrinieri等[30]基于HAZID技术提出了DyPASI方法，该方法对过去已发生事故事件、未遂事件和风险研究相关的早期风险信号进行统计并建立系统化信息库，对化工生产过程进行全面的危险识别分析，避免重复发生类似事故。Saloua等[31]基于HAZID方法和道化学F&EI指数的分析结果，运用PHAST软件模拟甲基环己烯洗涤塔事故场景，获取了火球、闪火、早晚期爆炸等事故的爆炸范围。

2.1.4 安全检查表

安全检查表是风险辨识最简单的方法[32]，旨通过系统的风险辨识获取危险因素并将其绘制成表，依据此表对辨识对象开展全面的安全检查。因该方法仅适用于定性分析，且辨识范围易受编制人员知识水平和经验的影响，因此该方法主要用于对物质、设备装置和作业场所的风险辨识。

黄剑锋[33]利用安全检查表法和美国菲利普石油公司《安全和消防检查报告》的判分分析方法，对广州石化公司的硫磺回收装置开展风险辨识，提出压力容器设置泄压、温度、压力、液位监控设施等一系列整改措施。王良忠等[34]利用安全检查表法辨识广东宇光化工厂存在的危险因素，研究显示该厂虽未存在重大危险源，但发现其仓库内储存有剧毒化学品，建议企业对剧毒化学品仓库进行实时监控，并制定事故应急预案。

2.1.5 事故树分析

事故树分析是事故隐患和危险性分析中常用的分析方法，在一定的逻辑推理条件下，通过树形图直观地表达辨识系统内各事件之间的内在联系，便于找出其中的薄弱环节[35]，有针对性地提出改进措施。该方法可进行定量和定性分析。

郝彩霞等[36]运用FTA方法辨识分析液化石油气储罐潜在的危险因素，针对罐区通风不良、罐体损坏等危险因素，提出加强对储罐库区可燃性气体的含量监测以及加强监测设备等一系列建议措施。此外，Curcurù等[37]开发了一种不精确的故障树分析(FTA)方法用来估计顶上事件的发生率，主要应用于受缺乏可靠性数据影响的系统。Guo等[38]以FTA方法为基础，运用HAZOP分析建立脱丙烷装置潜在危险因素的事故场景模型，得出“色谱柱过压和设备损坏”事故发生的概率为0.047 781次/a，与实际失效记录相符。以上学者侧重于对事故发生的概率及其分析结果准确率进行研究，未评估事故后果的严重性。

为了准确量化事故后果的严重性，Abuswer等[39]结合FTA和后果严重性分析方法对聚乙烯储存仓库开展风险辨识，分析结果发现，应用固有安全性设计原则可以降低粉尘爆炸事故发生的概率，减少发生事故造成的损失。张玉涛等[40]建立了事故树-风险矩阵综合评价模型，以结构风险贴近度S为新的评判指标，对脱硫工艺开展风险辨识，分析结果显示通风机故障或通风能力不足最有可能导致中毒窒息事故。

2.1.6 事件树分析

事件树通过分析各基本事件发展中失败或成功的过程和结果，直观地展现事故发生发展的过程，如果在其中某一环节采取恰当的预防措施，则可以阻断事故发展，达到预防事故发生的目的[41]。事件树分析主要用于某一具体事件的分析，难以进行全面、详细、动态的分析，而贝叶斯网络可有效预测化工厂事故发生的原因、概率和后果[42]，因此，Khakzad等[43]在事件树的基础上，运用贝叶斯网络动态分析2006年美国蒸汽云点火事件，通过统计蒸汽云各类事故的概率推测出未来1～5年内事故的概率，且第4年年底“火灾、高财产损失、高死亡人数”事故的概率最高，其破坏性最强。

2.1.7 作业条件危险性分析

作业条件危险性分析是一种半定量的分析方法，主要辨识存在潜在危险的作业条件，分析人员暴露于危险作业条件或环境的频率(E)、危险作业条件下发生事故的概率(L)和一旦发生事故会造成的后果(C)，得出作业条件的危险性(D=LEC)。由于L、E、C的取值标准是一个比较笼统的概念，需要参与人员具备一定的知识和经验，故不能普遍适用。

袁斌等[44]运用LEC方法对某厂有机酸性腐蚀品的危险性进行风险辨识分析，得出氰化钠、氯气及中间体氯化氰均为剧毒物质。除此之外，陈娇领[45]运用LEC方法对环丙胺生产过程中氯化反应及氯化尾气回收等工序的31个操作节点进行风险辨识，研究发现盐酸、氨水泄漏等15个项目风险等级达到3级，属于重大风险，需立即采取措施整改。刘笑颖等[46]对漂粉精生产工艺各工序存在的危险因素进行辨识，发现氯化工序、干燥工序存在高度危险，需要立即整改。

本节通过仿真实验评估算法的定位性能.仿真实验场景设计如下：2维场景中有4个外辐射源，5个接收站，其位置如表1所示.双基地距离的测量误差设置为服从零均值的高斯分布，其协方差矩阵为Q=σ2R，其中矩阵R的主对角线上元素为1，其余为0.5.算法的定位误差为3000次蒙特卡洛仿真的均方根误差(Root Mean Square Error,RMSE)和偏差(Bias)，其定义如下：

综上所述，HAZOP分析应用最多、最广泛，与数学分析方法或者计算机程序有机结合，可以弥补其在模拟事故场景以及定量分析方面的不足。FMEA方法可以有效地确定可能存在的危险因素及产生原因，并预测可能发生的事故类型，从源头上预防事故发生。HAZID方法通过识别风险并提供有效的防护措施，使事后补救变为事前预防，提高化学品装置设施的本质安全，最大限度地减少企业损失，保证安全生产。而SCL方法只能对已经存在的危险因素进行辨识分析，一般用于日常例行检查中。FTA和ETA分析可以定性和定量地进行危险源的辨识，分析潜在因素对事故产生影响的途径和程度，从而提高系统的安全性。LEC方法适用于对各类生产作业条件开展风险辨识，但需要分析者对辨识对象具有一定的经验，因此在化工工艺安全风险辨识中应用较少。

2.2 模糊数学法

对化工工艺安全开展风险辨识时，因生产运行环境的多变性、工艺影响因素的多样性和流程的复杂性等导致无法进行定量辨识，故需要采用模糊数学法。通过模糊数学可以使一些模糊的变量数学化，以便进行精确地辨识研究。

为提高辨识精确度，Ferdous等[47]开发了一种基于模糊数学的分析方法，主要辅助辨识故障树中无法精确辨识的基本故障。程书鹏[48]基于模糊综合评价法对合成氨工艺进行风险辨识，同时利用权重集与模糊关系矩阵合并算法进行权重评估，研究发现净化与合成、造气是影响系统风险最重要的两个因素。

因传统的风险辨识方法在预测未来事故发生的概率方面存在一定的局限性，因此程洁等[49]将模糊数学方法与动态贝叶斯网络模型相结合，对氨泄漏事故进行了风险研究，研究发现火源是导致爆炸事故发生的主要因素，因此在氨储罐检修过程中应全部采用不产生火花的工具，避免引发爆炸事故。

2.3 访问调查与文献查阅法

国内外在化工工艺安全风险辨识方面已经开展了大量的研究，相关的文献资料比较完备，研究人员可直接借鉴文献方法进行风险辨识。该方法可节省研究时间和成本，但因为进行实地访问调查，导致实际情况与文献方法无法充分结合。Panday等[50]基于直接观察、文献查阅和访问调查收集的数据，采用HIRARC(Hazard Identification， Risk Assessment and Risk Control)方法对某化工制药公司危险化学品仓库进行风险辨识，共发现104种风险，其中“原材料准备”中高风险占比50%，为此提出采取头盔、面罩、背部支撑、橡胶手套和安全鞋等个人防护措施，保护人身安全，避免造成人员伤亡。

3 结束语

对化工工艺开展全面、系统的风险辨识是有效遏制化工事故的发生、促进化工行业安全健康发展的必要前提。开展化工工艺安全风险辨识不仅要对涉及的化学品和反应开展辨识活动，还要辨识反应装置和传输管道中可能存在的危险因素。

鉴于定性与定量分析大多研究部分工艺的安全性，对整个工艺相关研究分析较少，因此需要借助访问调查与相关研究文献资料开展辨识分析；对于化工工艺中一些模糊的因素或者难以定量化的数据，可采用模糊数学法达到定量辨识的目的。

国内外对于风险辨识方法的研究已经有了一定的广度和深度，但由于化工工艺自身的复杂性和多样性，在应用过程中还存在一定的局限性。在今后的研究中，应该将风险辨识方法与统计学模型和大数据算法等结合，以弥补传统辨识方法的缺陷，细致地分析工艺中的所有危险因素及薄弱环节。系统、全面地辨识化工工艺中的安全风险，明确可能发生的故障类型和造成的影响并采取合理有效预防控制措施，从本质上提高化工行业生产的安全水平。