应用本质安全策略提升工艺系统的安全性

1应用应用应用应用本质安全本质安全本质安全本质安全策略提升工艺系统的安全性策略提升工艺系统的安全性策略提升工艺系统的安全性策略提升工艺系统的安全性粟镇宇粟镇宇粟镇宇粟镇宇摘要摘要摘要摘要：：：：追求工艺系统的“本质安全”是一种不同于传统的事故预防策略，本文总结了运用“减少”、“替代”、“缓和”和“简化”等策略消除工艺系统危害的方法，并阐述了“本质安全”策略与工艺系统风险控制的相互关系。通过对印度Bhopal事故案例的分析，说明了应用“本质安全”概念对于事故预防的重要意义。关键词关键词关键词关键词：：：：本质安全工艺系统风险控制工艺安全事故预防0引言引言引言引言“危害”是一种内在的物理或化学特性，它有可能造成人员伤害、环境破坏或财产损失。“风险”是对人员伤害、环境破坏或财产损失的度量；通常采用事故发生的频率和事故可能导致的后果来表达风险的大小：风险＝f（事故发生频率，可能的事故后果）。化工或石化工艺过程中存在的危害通常源于两个方面，（1）工艺系统中所涉及的化学品（或材料）本身的危害。（2）工艺过程的特征所决定的危害。对于某个工艺过程，其危害是由相关的化学品的种类和它们的储存、处理方式所决定的；要消除存在的危害，就需要消除这些具有危害的化学品或者改变它们的储存、处理方式。为了确保大型石化和化工厂的安全，常规的做法是在危险物料（或能量）与外部环境之间设计和安排足够多的安全保护措施，也称为保护层（LayerOfProtection），请参考图－1。这些“保护层”通常按照一定的次序发挥作用，以降低事故发生的可能性（频率）、减轻事故发生时的后果，或者二者兼顾。这种做法犹如用笼子关老虎：为了防止老虎伤人，所以用铁笼子把它关起来。但老虎可以抓破铁笼子跑出来，于是需要安排足够层数的铁笼子，只要还有一层没有被抓破，就可以把老虎关起来，避免人员伤害。用笼子关老虎并不完全可靠，例如笼子年久失修自己破了，或者笼子的层数不够多最后都被老虎抓破了，这样老虎还是可以伤人。为了关住老虎，需要经常检查和维护这些笼子，确保它们处于可靠的状态。对于存在危害的工艺系统，由于危害总是存在，假如有足够数量的“保护层”，并且它们都可靠，就可以将事故风险降到某个可以接受的水平。但是，一旦所有的“保护层”同时失效（虽然可能性很低，但仍然可能发生），“危害”这只老虎就会跑出来，并酿成严重的事故。为了确保这些“保护层”可靠地发挥作业，需要花费大量的时间和费用对它们进行维护，并且需要对操作和维修人员进行足够的培训，在建设初期也会增加投资的成本。1977年12月14日，英国帝国化学（ICI）石化部的资深安全顾问TrevorKletz在英国化学工业协会50周年年会上发表了一篇题为“如果没有，就不会泄漏”的演说，第一次清晰地提出了一种新颖的预防事故的概念——本质安全（InherentSafety）。其基本思路是通过改变工艺系统中所使用的化学品，或者改变工艺条件来消除或减少系统的危害；使“本身不存在危害或存在的危害更小”成为工艺系统内在的一种特征，也就是说，工艺系统本身具备了所谓的“本质上更加安全”的特征，相应地，确保工艺系统安全所需要的保护层（或外部安全措施）可以减少到尽可能低的水平。2图－1“保护层”示意图【8】1实现实现实现实现“本质安全本质安全本质安全本质安全”的策略的策略的策略的策略TrevorKletz曾提出了一系列应用“本质安全”概念的引导词，包括减量（Intensification）、替代（Substitution）、缓和（Attenuation）、后果控制（LimitationofEffect）和简化/容错（Simplification/ErrorTolerance）等。针对化工与石化行业的特征，从损失预防的角度，可以通过以下基本策略实现“本质安全”：
减少（Minimize）：即最小化，尽可能减少危险化学品的储存或滞留量。
替代（Substitute）：用危害小的物质替代危害较大的物质，或者用危害小的工艺替代危害较大的工艺。
缓和（Moderate）：使物质或工艺系统处于危险性更小的状态，例如在较低温度或较低压力下运行工艺系统。
简化（Simplify）：尽量剔除工艺系统中繁琐的、冗余的组成部分，使操作更加容易、操作人员不容易犯错误，甚至即使在出现操作错误的情况下，系统也具有较好的容错性【3】【5】。1.1减少减少减少减少（（（（Minimize））））本策略的要点是减少工艺过程中(反应器、精馏塔、贮罐和输送管道等)危险物料的滞留量和工厂范围内危险物料的储存量，以降低工艺系统的风险。例如：
通过创新工艺技术，改变现有工艺减少危险物料的滞留量或储存量。例如，用管式反应器替代釜式反应器【8】，以连续操作取代间歇操作，都能减少工艺系统中滞留的物料数量。0。。。。基本的控制基本的控制基本的控制基本的控制，，，，报警和人员监督报警和人员监督报警和人员监督报警和人员监督1。。。。关键报警关键报警关键报警关键报警、、、、操作人员监督和手动干涉操作人员监督和手动干涉操作人员监督和手动干涉操作人员监督和手动干涉2。。。。自动联锁自动联锁自动联锁自动联锁、、、、紧急停车系统紧急停车系统紧急停车系统紧急停车系统3。。。。物理保护物理保护物理保护物理保护（（（（如泄压装置如泄压装置如泄压装置如泄压装置））））4。。。。物理保护物理保护物理保护物理保护（（（（围堤围堤围堤围堤））））5。。。。工厂应急反应工厂应急反应工厂应急反应工厂应急反应6。。。。社区应急反应社区应急反应社区应急反应社区应急反应典型的保护层典型的保护层典型的保护层典型的保护层3
减少设备数量和采用容积更小的设备。在设计工艺设备时，用数量更少和容积更小的设备满足工艺需要，这不但有助于减少系统内危险物料的滞留量，也节约投资。
优化原料和中间产品的储存量。通常，设计者总是围绕“生产操作的需要”来安排原料和中间产品的储存量，结果往往是原料和中间产品的储存量远超出生产的实际需要，不但不经济，而且增加了潜在的危害（需要建造更多的储罐和配套设施，储存物料也占用更多流动资金；一旦发生泄漏或火灾，后果更加严重）。因此，在满足工艺基本要求的前提下，宜尽量减少危险原料和中间产品的储存量。
提高工厂维护和维修水平，减少危险中间产品的储存量。加强预防性维修，特别是提高关键设备的可靠性，可以减少不必要的停车，从而减少中间产品的储存量。
应用合理的工艺控制，在满足工艺操作要求的情况下，将危险物料储罐的液位控制在较低的范围内，也可以减少工艺系统中危险物料的滞留量。1.2替代替代替代替代（（（（Substitute））））本策略的要点是用危害小的物质替代危害较大的物质，或者用危害小的工艺替代危害较大的工艺。例如：
采用闪点更低的导热液；
用热水加热替代热油加热；
用挥发性低和闪点较高的溶剂替代易挥发和闪点低的溶剂；
改变现有的危害较大的化学品运输方式；
用焊接管替代法兰连接的管道；
用新材料替换工艺系统中与工艺介质不相容的施工材质；
对管道系统清洗时，用水溶性的清洗剂替代溶剂清洗剂。假如工艺过程中存在某种危害很大的原料或中间产品，可以应用“替代”的策略，通过调整工艺路线，避免使用或生成该原料或中间产品。改变工艺流程也是可以考虑的“替代”方式。例如，完全的间歇操作将所有的原料一次性加入到反应釜中，对于存在放热反应的间歇操作，如果将它改变成半连续流程，在反应途中将一种或数种原料补加入反应器中，就可以避免短时间内在反应器内产生和聚集大量的能量。1.3缓和缓和缓和缓和（（（（Moderate））））本策略的要点是通过改善物理或化学条件使工艺过程的操作条件变得更加温和，当危险物料或能量发生泄漏时，可以将后果控制在较低的水平。以下是一些应用“缓和”策略的途径：
稀释：假如工艺条件许可，可以采用溶剂稀释需要储存的化学品，如果容器破裂，泄漏区域的危险物料浓度会相对较低，可减轻事故造成的后果【8】。例如，选择氨水而非无水氨、盐酸而非氯化氢，都有利于缓和工艺条件。
冷冻：这种方法通常用来储存氨和氯等危险物质。冷冻可以降低储存物的蒸气压，使储存系统与外部环境之间的压差降低，如果容器出现破口或裂缝，泄漏速度会明显降低。冷冻物料的储存温度较低，也有助于减少发生泄漏时的蒸发量【8】。
温和的工艺条件：采用更温和的工艺生产条件，可以减轻事故的后果。能够在常温常压下进行的工艺过程，尽量在常温常压下进行；倘若必须在高温或高压条件下进行生产，在满足工艺要4求的情况下，尽量设法降低操作温度和压力。这样不但可以提升系统的安全性，也可以降低设备造价并提高效率。
泄漏容纳：储罐区的防火堤、泵区的地面围堰等泄漏容纳设施都非常有助于缓和事故的后果。它们在发挥作用时，不需要有人去开启，也不依赖自控装置的触发。虽然它们不能够消除泄漏，但是可以明显地减轻泄漏后果。1.4简化简化简化简化（（（（Simplify））））“简化”策略的要点是在设计中充分考虑人的因素，尽量剔除工艺系统中繁琐的、不必要的组成部分，使操作更简单、操作人员不容易犯错误，而且，系统要有好的容错性，即使在操作人员犯错误的情况下，系统也能保障安全。例如：
整齐布置管道并清楚标识，便于操作人员辨别。
控制盘上的按钮排列和标识容易理解。简化设计也是防范人为错误的重要途径之一。以下是一个实际的例子：图－2是两台相邻布置的离心过滤机的开、停车按钮，一起装在车间的同一面墙上。工人在按下按钮时，需要非常仔细地分辩，而且这些按钮没有标识，更增加了操作人员的困难。图－2两台相邻布置的离心过滤机的开、停车按钮如果将离心机A和B的按钮分别安装在靠近它们自己一侧的墙上，并且贴上明显的标志，操作起来就简单得多，而且更加安全。因此，在设计过程中，需要考虑如何通过合理的设计来尽可能简化操作，从而避免人为因素相关的事故。2本质安全与本质安全与本质安全与本质安全与工艺工艺工艺工艺风险控制的关系风险控制的关系风险控制的关系风险控制的关系在化工工艺系统的操作过程中，尝试减小风险的途径可以是设法降低事故发生的可能性、减轻事故可能导致的后果，或者二者兼顾。工艺系统风险控制的途径可以分成四大类【8】，按照可靠性的降序排列依次为：
本质安全（inherent）：使用没有危害或危害更小的化学品，或者通过改善工艺条件以消除或明显减少危害，使安全性成为工艺系统本身的一种属性。本文已经有了较多的说明。
被动保护（passive）：依靠工艺或设备设计上的特征，降低事故发生的频率、减轻事故的后果，或者二者兼顾；这类“保护”在发挥作用时，不依赖于任何人为的启动或控制元件的触发。例如，在设计反应器时，使它们本身能够承受工艺过程中可能存在的最高压力，即使反应器内压力出现波动，也总能保障安全，而且可以省掉复杂的压力联锁控制系统、超压泄放系统如收集5罐、洗涤器、火炬等等（根据法规要求，可能仍然需要安装安全阀等泄压装置）。通常，人们也将此途径归于广义的“本质安全”的范畴。
主动保护（active）：又称工程控制，即采用基本的工艺控制、联锁和紧急停车等手段，及时发现、纠正工艺系统的非正常工况。例如，当化学品储罐的压力升高到设定压力时，调节阀自动开启调压以防止储罐超压，就属于此类保护。
程序运用（procedural）：又称管理控制，即运用操作程序、维修程序、作业管理程序、应急反应程序或其他类似的管理途径来预防事故或者减轻事故所造成的后果。例如，为了控制着火源，在工厂生产区域焊接作业时，需要事先获得动火作业许可证。人总是会犯错误，而且可能出现判断上的失误，所以程序运用属于较低层次的风险控制手段，但它仍然是风险控制的一个重要环节。程序运用另一方面的重要意义在于，它是被动保护装置和主动保护装置处于可靠、可工作状态的保障（例如，工厂依据维护检测程序确保各种关键联锁正常工作）。表－2反映了“本质安全”与风险控制的相互关系【4】。“本质安全”是工艺风险控制的基本途径和有机组成部分。在考虑工艺风险控制时，宜优先考虑“本质安全”和“静态保护”两种途径，因为它们更加可靠，不依赖于仪表控制、管理程序和人的努力等外部因素（