简析化工工艺危害分析（PHA）及其应用软件

 

 背景摘要 

近年来，以江苏省响水县天嘉宜化工有限公司“3.21”特大爆炸事故为首的化工行业安全事故频发，给人民的生命安全带来极大威胁，对社会的稳定运行造成极大影响。在这一大背景下，国家应急局开始对各类化工企业的工艺安全管理（Process Safety Management,下简称:PSM）体系的构建与运营进行彻底的排查，就其中的不正确、不完善、不合规、不落地等问题进行严格的纠正。

在19年8月出台的：应急[2019] 78号文中，提出了《化工园区安全风险排查治理导则（试行）》和《危险化学品企业安全风险隐患排查治理导则》，并要求加以落实；而之前已经出台的如：安监总管三[2014] 116号文等也被重新提上监管议程，一时间，整个化工行业掀起了对PSM的学习研究与落地执行的风潮。

令人遗憾的是，即使在欧美发达国家，PSM的诞生也是由一系列严重的安全事故所推动的后果。追溯PSM的发展历史：

●1976年意大利塞维索的二恶英泄露事故

●1984年印度波帕尔的甲基氰酸酯泄露事故

这两起重大事故直接导致了相关法规的出台；在1992年，美国职业安全健康署（下简称：OSHA）发布了：《高危险化学品的工艺安全管理》。

该法规也推动了我国对于PSM的标准化工作，并在2010年发布了：AQ/T 3034-2010《化工企业工艺安全管理实施导则》，其内容基本与OSHA保持了一致。

而在我国对PSM的启蒙和导入的过程中，也离不开美国杜邦公司的大力推广普及。其通过各类培训，把PSM的理念、体系和管理模型进行传递，为我国化工行业的健康发展做出了巨大的贡献。

Picture Source:美国杜邦公开材料

本文以PSM模型中的工艺危害和风险分析（Process Hazard Analysis，下简称：PHA）这一模块进行展开，就PHA是什么，以及目前主要的PHA分析手法和其应用软件进行介绍，希望能够给予初入门的安全工程师一定的参考和启发。

什么是PHA?

Process Hazard Analysis，简称PHA，指：工艺危害和风险分析。

在化工企业中，其生产工艺的显著特点为：高温高压、易燃易爆炸。从而，其带来的典型危害有：火灾、爆炸及有毒性气体的释放。

而PHA，即为：模拟化工生产过程，对可能导致的这几类危害进行建模分析，将复杂的问题或现象用数字模型来描述，对于这些危害的类别、出现条件、后果等进行概略性地分析并提出对策，从而来使得危害发生的概率降低到预期的范围。

PHA为PSM的核心要素，是通过一系列有组织的、系统性的、彻底的分析活动来发现、评估一个工艺过程的潜在危害，并且提出降低危害发生的措施。

PHA的工作由一个小组完成，小组成员应具备工艺、设备、仪表、电气的工程设计和操作维护的经验，以及需要有危害与风险评估、功能安全、HSE（Health、Safety、Environment）方面的知识。

PHA的流程其主要由如下的九个步骤组成：

1. 计划与准备

2. 危害识别

3. 工艺危害评估

4. 后果分析

5. 其他需要考虑的因素

6. 风险评估

7. 建议措施与报告

8. 记录归档

9. 管理层审核

其中，3. 工艺危害评估 与 6. 风险评估为PHA的重中之重。

目前，国内所运用的主要的工艺危害评估的手法为：危害与可操作性分析（Hazard and Operability Analysis，下简称：HAZOP）。

在完成HAZOP之后所进入的风险评估阶段，主要所运用的手法为：保护层分析（Layer of Protection Analysis，下简称：LOPA），若分析后该危害的残留风险的发生概率仍未达到预期，将通过追加安全仪表功能（Safety Instrument Function,下简称：SIF），并对安全完整性等级(Safety Integrated Level，下简称：SIL)进行验证，从而来确认残留风险的发生概率降低至预期。

在下一章节中，会对这些所提及的PHA分析手法进行简要介绍。

主要的PHA分析手法

    在适用于化工企业的GB/T 21109-2017《过程工业领域安全仪表系统的功能安全》的标准中，定义了功能安全的全生命管理周期，上章所提及的PHA分析手法也分别匹配其中。

Picture Source:网络公开材料

01 HAZOP分析

HAZOP分析诞生在英国，由化学工程师T.克莱兹在41岁时发明。1963年，HAZOP分析首次在帝国蒙德化学公司（ICI）新建苯酚工厂应用，在公司内部摸索和应用了10年之后才在英国普及推广，并延续到全球。

HAZOP分析以小组讨论会的方式对危害与可操作性问题进行详细研究。由小组长（也称作HAZOP主席）主导分析过程，并安排一位记录员做记录。它首先把P&ID图纸划分成若干节点，之后针对每个节点采用一系列的引导词，系统性地辨识出与设计意图的潜在偏差，并围绕着这些偏差，来探寻导致偏差的原因及其后果，以及已使用的安全装置。当小组确信这些装置的保护措施不当时，将提出相应的建议措施。

关于HAZOP分析的具体实施方法与示例，可参考AQ/T 3049-2013《危险与可操作性分析（HAZOP分析）应用导则》。

Picture Source:网络公开材料

02 LOPA分析

LOPA分析起源于20世纪80年代末，当时的美国化学品制造商协会出版了《责任与关怀 — 工艺安全管理实施准则》一书，建议将“足够的保护层”作为有效的过程安全管理系统的一个组成部分。之后到了1993年，美国化工过程安全中心（下简称：CCPS）出版了《化工过程安全自动化指南》一书，建议将LOPA作为确定安全仪表功能完整性水平的方法之一。由此LOPA分析开始普及发展，在2001年，CCPS又出版了《保护层分析–简化的过程风险评估》一书，确立了LOPA分析在PHA中的应用。

LOPA分析是一种半定量的分析评估技术，它以HAZOP的报告作为基础，对所辨识出的危害用图表列出其触发原因，防护措施（保护层），或者抑制其危险后果的减灾措施（抑制减轻层）。通过这些表格，确定总体上需要哪些风险降低措施，揭示是否需要额外的风险降低手段，确定所需要的SIF，以及SIF应该满足的SIL等级。

关于LOPA分析的具体实施方法与示例，可参考AQ/T 3054-2015《保护层分析（LOPA分析）应用导则》。

03 SIL验算

    根据LOPA分析的结果，若要追加相应SIL等级的SIF，则通过组建安全仪表系统，把系统中划分出的SIF适用到HAZOP分析中所要求的危害保护措施中去。

    一个SIF由三部分组成，分别为：传感器部分、逻辑控制器部分和执行机构部分。每部分中所用到的仪器仪表可按照结构约束进行冗余配置，并运用马尔可夫模型，来算出SIF的SIL等级。把算出的SIL等级与LOPA分析所要求的SIL等级进行对比，若达成，则选用仪器仪表组成的SIF能够适用。

Picture Source:网络公开材料

关于SIL验算的具体实施方法与实例，可参考：

GB/T 20438.5-2017《电气/电子/可编程电子安全相关系统的功能安全 第5部分：确定安全完整性等级的方法示例》

GB/T 20438.6-2017《电气/电子/可编程电子安全相关系统的功能安全 第6部分：GB/T 20438.2 和GB/T 20438.3 的应用指南》。

国内主流PHA分析软件

对于上一章节所提及的PHA分析手法，为了提高工作效率，PHA分析软件被广泛得以使用。

早在1990年时，就有学者开始研究PHA分析软件。而1990年，Windows3.0才刚刚开始问世，那时的Windows功能很弱，所以软件的功能也非常的简单。后来随着Windows操作系统不断成熟，陆续地PHA分析软件也逐渐的发展了起来。

目前在国内市场上主流的PHA分析软件有三款，分别为：PHA-Pro、exSILentia和RiskCloud。

PHA-Pro

在2000年左右，位于加拿大的Dyadem公司推出了PHA-Pro，这款软件因实现了自定义模板功能，迅速地发展并被全球的用户所接受。自定义分析模板带来的价值之一就是，可以通过一套软件，实现了诸如JSA、HAZOP、LOPA、FMEA、HACCP、SVA等之类的分析方法。

在PHA-Pro发展了将近10年的时间后，随着互联网技术的兴起，以及越来越多的客户需要协同、分享，桌面版软件迁移到网络版的又越来越多，所以PHA-Pro推出了他们基于网页形式的网路版产品：Stature。网络版的好处是它可以将多种分析方法比的数据集中存储，对于跨国公司或是集团公司来说，可以进行协同PHA，从而便于数据的统计分析。

Stature软件界面

Picture Source: 网络公开资料

exSILenita

    由exida公司所开发的exSILentia分析软件凭借着其强大的仪表证书数据库和数十年的开发经验，根据IEC 61508/61511标准，引入失效数据和维护能力评估，提供了友好的平台，可令计算人员按照需求自由搭建SIF回路。在SIL验证中，exSILentia有着不可替代的地位。

exSILentia 3.0软件界面

Picture Source:网络公开资料

RiskCloud

    此款PHA分析软件由国内的上海歌略软件有限公司于2011年推出，是一款网络版的PHA分析软件，软件的不仅有着与PHA-Pro类似的自定义分析模板功能，同时还带有SIL验算模块，弥补了PHA-Pro的缺憾。

    相比exSILentia，两款软件都是基于马尔可夫模型进行SIL计算，计算结果相差无几。RiskCloud有着更为丰富的国产仪表失效数据的数据库，这对于国内的SIL验算项目，RiskCloud在使用上更加的高效便捷。

RiskCloud软件界面

Picture Source:网络公开资料

小 结

本文对化工工艺危害分析（PHA）及其应用软件进行了简要分析，就PHA的分析过程和主要分析手法进行了说明，并对国内主流的PHA分析软件进行了介绍。

通过以上内容，可以使初入门的安全工程师了解与掌握PHA的基础知识，就本文所梳理的标准、所列举的步骤以及所介绍的分析软件，能够形成思维框架，并逐步地开展PHA的工作。

 参考文献：

1. 张建国编著 《安全仪表系统在过程工业中的应用》

2. 张建国、李玉明译 《安全仪表系统工程设计与应用》

作者简介：王威扬

TüV Nord 安全工程师

JC Safety Sub Assessor (Process, Machinery Safety)

JC Safety Basic Assessor (Explosion proof Safety)

就职于国内某知名仪器仪表厂家，从事市场营销工作，10余年工业自动化及工业安全领域工作经验。