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流程風(fēng)險(xiǎn)分析，安全完整性等級(jí)，安全儀表系統(tǒng)，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估
Keywords
Process Hazard Analysis, Safety Integrity Level, Safety Instrument System, Risk Assessment
摘要
為了實(shí)施新的安全設(shè)計(jì)技術(shù)，需要很多對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的定量和可靠性評(píng)估方法。傳統(tǒng)流程危險(xiǎn)分析方法集中于危險(xiǎn)的識(shí)別，使用對(duì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估定性的方法。最近頒布的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC 61508，提供了流程危險(xiǎn)分析和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的一種新方法。
Abstract
In order to implement these newer design techniques, more quantitative methods of risk and reliability assessment are required. Traditional process hazard analysis methods focus on hazard identification with a qualitative approach to risk assessment. A recently released international standard, IEC 61508, provides a new method of process hazard analysis and risk assessment.
危險(xiǎn)分析和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估
ISA S84 和 IEC 61508 標(biāo)準(zhǔn)中的一個(gè)關(guān)鍵步驟是危險(xiǎn)分析和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。前面的文章已經(jīng)討論了美國(guó)主要安全與健康局的流程安全管理的重要性，以及為什么流程危險(xiǎn)分析是流程安全管理的重要部分。因?yàn)楹芏喙疽呀?jīng)習(xí)慣使用傳統(tǒng)的流程危險(xiǎn)分析（PHA）方法，他們自然而然也把它們使用到危險(xiǎn)分析和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中，并做為使用新 ISA 和 IEC 標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)。這樣做通常會(huì)在工業(yè)中引起很多混亂。
危險(xiǎn)分析和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估承擔(dān)了三個(gè)主要任務(wù)：危險(xiǎn)的識(shí)別、風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)和工程及管理控制在就地減輕風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估。美國(guó)職業(yè)安全和健康局推薦下列方法用于危險(xiǎn)的評(píng)估：
·如果...怎么辦（What If）；
·核對(duì)清單（Checklist）；
·如果...怎么辦 / 核對(duì)清單（What If/ Checklist）；
·危險(xiǎn)和可操作研究（HAZOP）；
·失效模式和影響危險(xiǎn)分析（FMECA）；（更適合個(gè)人進(jìn)行工作）
·失效樹分析（FTA）；
·其他適用的方法如： 安全完整性等級(jí)的流程危險(xiǎn)分析（PHASIL）。
危險(xiǎn)評(píng)估
在北美，大多數(shù)流程運(yùn)行使用如果…怎么辦 / 核對(duì)清單或者危險(xiǎn)和可操作研究的方法。上面的每種方法都有它們自己識(shí)別危險(xiǎn)的優(yōu)勢(shì)。基于使用者的經(jīng)驗(yàn)，下列表格總結(jié)了每種美國(guó)職業(yè)安全和健康局流程安全管理方法的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。
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風(fēng)險(xiǎn)分析
使用上述介紹的流程危險(xiǎn)分析方法（如：如果…怎么辦，危險(xiǎn)操作可操作性研究等）來評(píng)價(jià)風(fēng)險(xiǎn)，在可能性和事件結(jié)果的定性方面還可以。典型的可能性定義為：頻繁、可能、偶然、稀少，或者從結(jié)果嚴(yán)重性定義為：忽略、容忍、臨界、嚴(yán)重或者災(zāi)難。這些概率和結(jié)果的結(jié)合能夠組成一幅關(guān)于每種事件重要性排列的矩陣圖。這種定性的風(fēng)險(xiǎn)分析方法是非常簡(jiǎn)單的，容易由現(xiàn)場(chǎng)人員實(shí)施。
新的 ISA 和 IEC 標(biāo)準(zhǔn)需要一個(gè)半定量的風(fēng)險(xiǎn)分析，做為對(duì)危險(xiǎn)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的主要依據(jù)。在 ISA 和 IEC 分析框架內(nèi)，可靠性要求（SIL）決定安全儀表系統(tǒng)。因?yàn)轱L(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和安全裝置評(píng)價(jià)包含在一個(gè)傳統(tǒng)的流程風(fēng)險(xiǎn)分析之內(nèi)，是定性的，使用標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)去評(píng)價(jià) SIL 是非常困難的。
安全裝置分析
美國(guó)職業(yè)安全與健康局流程安全管理的要求之一是流程危險(xiǎn)分析針對(duì)“工程和管理控制可應(yīng)用危險(xiǎn)和控制失效結(jié)果”。很多傳統(tǒng)的流程危險(xiǎn)分析技術(shù)沒有提供評(píng)估“控制失效結(jié)果”的方法。IEC 和 ISA 標(biāo)準(zhǔn)本質(zhì)上是基于“控制失效結(jié)果”的評(píng)估，這樣的話它們需要知道安全儀表系統(tǒng)是怎樣的可靠（比如：SIL 的值）。
傳統(tǒng)危險(xiǎn)可操作性分析中的一個(gè)缺點(diǎn)，或者任何其他已介紹的分析，多重失效的問題沒有被明確地考慮。比如，壓力調(diào)節(jié)器的失效在容器中增加壓力，但壓力變送器也許失效發(fā)送了一個(gè)信號(hào)到 PLC 執(zhí)行一個(gè)進(jìn)氣閥的高壓停車。在一個(gè)危險(xiǎn)操作性分析、或其他已介紹的分析中，安全裝置系統(tǒng)的二次失效概率僅是暗示可能要額外增加安全裝置。這樣問題就轉(zhuǎn)換成：有沒有一種分析控制失效的有效性方法？－特別是安全儀表系統(tǒng)。
在保守的方法中，如假設(shè)所有安全裝置已失效是不合理的，因?yàn)轱L(fēng)險(xiǎn)降低是對(duì)安全儀表系統(tǒng)的要求，要么超過要求要么沒有達(dá)到要求。
IEC 標(biāo)準(zhǔn)因此提供了一個(gè)全面而有用的方法，用于風(fēng)險(xiǎn)分析和安全裝置評(píng)估。實(shí)際上 IEC 標(biāo)準(zhǔn)需要用戶在沒有安全裝置的現(xiàn)場(chǎng)評(píng)價(jià)風(fēng)險(xiǎn)。風(fēng)險(xiǎn)因此能夠基于啟動(dòng)事件的概率結(jié)合所有事件的結(jié)果，而這是一個(gè)傳統(tǒng)的危險(xiǎn)和運(yùn)行研究/分析后續(xù)要完成的。這是合理的，因?yàn)槿绻诂F(xiàn)場(chǎng)沒有安全裝置，事件結(jié)果完全可能會(huì)出現(xiàn)。這種分析方法有兩個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)：
1. 啟動(dòng)事件的概率是非常容易確定的。設(shè)備的典型失效率、人員出錯(cuò)率和外部事件概率是可以得到的。
2. 沒有任何安全裝置的風(fēng)險(xiǎn)是安全裝置（工程和管理控制）試圖要減少的所有風(fēng)險(xiǎn)。
保護(hù)層
一旦所有風(fēng)險(xiǎn)已經(jīng)確定，為了評(píng)價(jià)安全裝置是否減少了風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)它們需要確定和分析。
對(duì)于安全工程師，有很多可使用的安全裝置。經(jīng)常提到是有多個(gè)獨(dú)立保護(hù)層（IPL），它們可以滿足某個(gè)標(biāo)準(zhǔn)并吸收至少一個(gè)數(shù)量級(jí)（SIL 1）的風(fēng)險(xiǎn)。代表性的有六個(gè)類型的獨(dú)立保護(hù)層，包括：
· 管理控制（比如維護(hù)和操作程序）；
·報(bào)警和操作員；
·基本流程控制系統(tǒng)；
·緊急剎車系統(tǒng)（安全儀表系統(tǒng)）；
·主動(dòng)機(jī)械保護(hù)（泄流閥， 閃光系統(tǒng)， 滅火系統(tǒng)）；
·被動(dòng)機(jī)械保護(hù)（堤防，防火墻， 設(shè)備保護(hù)裝置）；
·緊急響應(yīng)程序。
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風(fēng)險(xiǎn)降低和可靠性評(píng)估
為了把風(fēng)險(xiǎn)減少到可容忍的水平，各自的保護(hù)層必須根據(jù)它們的風(fēng)險(xiǎn)降低效力或者可靠性進(jìn)行評(píng)價(jià)。一個(gè)保護(hù)層的可靠性包括很多因素，諸如響應(yīng)時(shí)間、緩解效能、和平均失效時(shí)間、測(cè)試間隔、獨(dú)立性和公共發(fā)生因數(shù)。
ISA 和 IEC 標(biāo)準(zhǔn)允許每個(gè)保護(hù)層被指定一定量級(jí)的風(fēng)險(xiǎn)降低。保護(hù)層的可靠性因此需要對(duì)特定的保護(hù)層能吸收多少風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行估計(jì)。IEC 標(biāo)準(zhǔn)一般要求任何設(shè)備吸收的一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)水平要大于一個(gè)數(shù)量上評(píng)價(jià)的數(shù)量級(jí)（SIL 1）。這意味著基本流程控制系統(tǒng)、管理程序和機(jī)械控制一般僅有一個(gè)數(shù)量級(jí)的風(fēng)險(xiǎn)降低水平或者一個(gè) 90%以上的成功機(jī)會(huì)。對(duì)于這些 SIL 1，有個(gè)簡(jiǎn)單的定性分析用于評(píng)價(jià)這個(gè)安全裝置是否是真正的獨(dú)立保護(hù)層。
一旦保護(hù)層提供的基本流程控制系統(tǒng)、管理程序和機(jī)械控制應(yīng)用于假定的事件，然后進(jìn)行剩余風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)。為了滿足可容忍風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，這個(gè)剩余風(fēng)險(xiǎn)也必須要減緩。
增加另外的保護(hù)層如：一個(gè)壓力安全閥（PSV）或者安全儀表系統(tǒng)（SIS）來達(dá)到新的要求。風(fēng)險(xiǎn)分析因此提供了一個(gè)方便的方法， 按安全完整性等級(jí)的要求，直接對(duì)一個(gè)安全儀表系統(tǒng)評(píng)價(jià)。一旦得到一個(gè)安全完整性等級(jí)，就可以進(jìn)行一個(gè)可靠性評(píng)估，驗(yàn)證特定的安全儀表系統(tǒng)配置是否滿足可靠性（SIL）的要求。 定量可靠性評(píng)估方法的例子是 ISA 技術(shù)報(bào)告和 IEC61508 標(biāo)準(zhǔn)中的詳細(xì)內(nèi)容。
結(jié)論
傳統(tǒng)流程危險(xiǎn)的分析方法今天仍然適用，用于定性的危險(xiǎn)識(shí)別和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。由基于性能標(biāo)準(zhǔn)的驅(qū)動(dòng)，企業(yè)在流程運(yùn)行設(shè)計(jì)中，朝向基于風(fēng)險(xiǎn)降低和可靠性來使用安全儀表系統(tǒng)。為了實(shí)施這些新方案，需要使用嚴(yán)格的評(píng)估方法，確保設(shè)備中的潛在危險(xiǎn)能夠控制在可接受的水平內(nèi)。這使得在現(xiàn)在設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)有很大的靈活性和可靠性，我們應(yīng)選擇“適合目標(biāo)”，而不是“最佳實(shí)踐”。
最近頒布的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，IEC 61508，已經(jīng)展示了其更先進(jìn)的流程危險(xiǎn)分析和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法。這是一種高品質(zhì)的流程危險(xiǎn)評(píng)估風(fēng)格，即可以用于流程危險(xiǎn)分析，也可以用于減弱風(fēng)險(xiǎn)安全裝置的集成。這種方法使用半定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)，結(jié)合一種定量可靠性評(píng)估。這種新方法的關(guān)鍵是風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與安裝裝置的可靠性評(píng)估分開。使用這種方法，多個(gè)安全裝置失效的貢獻(xiàn)能夠同時(shí)有效地檢查。這種方法也導(dǎo)致安全儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以最佳性價(jià)比的方式，滿足真正風(fēng)險(xiǎn)降低的要求。
作者： 羅克韋爾自動(dòng)化（中國(guó)）有限公司 華镕
