江鋒 梁開武 廖凱 王立靜 陳星宇 張思琪 王茂林

(重慶科技學(xué)院安全工程學(xué)院 重慶 401331)

0 引言

近年來，工業(yè)生產(chǎn)工藝過程日趨大型化、復(fù)雜化，工藝流程中存在的風(fēng)險(xiǎn)問題越來越引起人們的重視。國內(nèi)外安全評(píng)估中的工藝危害分析方法，如：檢查表法、故障類型及影響分析、危險(xiǎn)與可操作性研究、事故樹分析、保護(hù)層分析等[1]，從不同的角度分析評(píng)估了工藝過程的風(fēng)險(xiǎn)問題，但未考慮事件間的相互影響與后果的傳遞效應(yīng)。對于事件關(guān)聯(lián)性與事件后果傳遞效應(yīng)的研究，已成為目前工藝風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估亟待解決的問題。

李藐等[2]在現(xiàn)有災(zāi)害理論研究的基礎(chǔ)上，將突發(fā)事件發(fā)生的元素劃分為4類，并進(jìn)而提出了1種描述事件鏈?zhǔn)叫?yīng)的方法。張磊等[3]針對多個(gè)風(fēng)險(xiǎn)間存在關(guān)聯(lián)的情形，提出了一種新的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，該方法通過識(shí)別不同風(fēng)險(xiǎn)間的關(guān)聯(lián)，劃分風(fēng)險(xiǎn)間的層次結(jié)構(gòu)，從而計(jì)算出風(fēng)險(xiǎn)事件的風(fēng)險(xiǎn)值。曹吉鳴等[4]歸納出了風(fēng)險(xiǎn)鏈的概念，并提出以風(fēng)險(xiǎn)鏈為評(píng)估對象的進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法。溫欣嵐等[5]將鏈?zhǔn)斤L(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法運(yùn)用于工程實(shí)際，并證明了該方法在工程實(shí)際中運(yùn)用的可行性。

本文以事件鏈理論為基礎(chǔ)，將工藝危害分析中的多個(gè)事件根據(jù)因果關(guān)系提取出事件鏈，結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)假設(shè)事件間的影響概率，從而計(jì)算由原生事件引發(fā)的衍生事件發(fā)生概率。

1 事件鏈的概念及應(yīng)用

1.1 事件鏈理論

事件的發(fā)生過程其實(shí)是由一系列事件與環(huán)境相互作用的結(jié)果，現(xiàn)有災(zāi)害理論研究中認(rèn)為災(zāi)害事件的發(fā)生中主要的元素可以分為孕災(zāi)環(huán)境、致災(zāi)因子、承災(zāi)體以及作用形式4種[2]。孕災(zāi)環(huán)境即為事件發(fā)生的空間、氣候等客觀環(huán)境元素；致災(zāi)因子為事件發(fā)生的主體元素；承載體為承受該事件后果的元素；作用形式為致災(zāi)因子對承災(zāi)體造成傷害的形式。隨著事件的發(fā)展，致災(zāi)因子和承載體可以在一定條件下轉(zhuǎn)化，即承載體變成了新的致災(zāi)因子。在一定條件下，若新的致災(zāi)因子在該孕災(zāi)環(huán)境下能繼續(xù)作用于承災(zāi)體，則認(rèn)為該事件形成了某種鏈?zhǔn)疥P(guān)系(圖1)。例如：在某生產(chǎn)車間的爆炸事故中，整個(gè)車間為孕災(zāi)環(huán)境，火焰和沖擊波為致災(zāi)因子，車間中存在客觀事物為承災(zāi)體，承災(zāi)體受致災(zāi)因子造成的傷害形式即為作用形式。當(dāng)車間中的易燃物體受高溫的影響開始燃燒時(shí)，本應(yīng)是承災(zāi)體的元素就變成了新的致災(zāi)因子。

圖1 事件鏈的產(chǎn)生

在實(shí)際的工程項(xiàng)目中，事件的發(fā)生原因往往并不單一，同時(shí)同一事件也可能引發(fā)多種衍生事件(圖2)，因此簡單事件鏈模型并不滿足實(shí)際工程項(xiàng)目中危害評(píng)估的需求，故需要將簡單事件鏈模型組合為復(fù)雜事件鏈模型[2](圖3)，復(fù)雜事件鏈模型衍生事件的發(fā)生概率為受其原生事件影響的條件概率。

圖2 簡單事件鏈模型

圖3 復(fù)雜事件鏈模型

1.2 工藝危害分析中事件鏈的應(yīng)用

危險(xiǎn)與可操作性研究(HAZOP)因?yàn)榫哂蟹治鋈妗⑦m用范圍廣等特點(diǎn)在各類工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛運(yùn)用[6]。在危險(xiǎn)與可操作性研究(HAZOP)中，需要將工藝流程中的偏差依次列舉出，并通過偏差聯(lián)想事件發(fā)生的原因以及可能造成的后果。將危險(xiǎn)與可操作性研究(HAZOP)分析的思想與災(zāi)害理論中的4要素進(jìn)行耦合，即：原因?yàn)橹聻?zāi)因子、后果為承災(zāi)體、當(dāng)前節(jié)點(diǎn)為孕災(zāi)環(huán)境、偏差為作用形式。

在危險(xiǎn)與可操作性研究(HAZOP)的分析過程中，由于工藝流程的復(fù)雜性，導(dǎo)致偏差對應(yīng)的原因與后果并不唯一，往往單個(gè)原因可以引起多個(gè)偏差，從而產(chǎn)生不同的事件后果。利用災(zāi)害理論中事件鏈的原理可以在危險(xiǎn)與可操作性研究(HAZOP)的分析結(jié)果中找出類似的鏈?zhǔn)疥P(guān)系(圖4)。例如，原油集輸工藝中原油油溫過低這一偏差發(fā)生時(shí)，其可能的原因有加熱爐故障、燃料不足等；而原油油溫過低也可能引發(fā)原油凝固阻塞和影響后續(xù)加工質(zhì)量等不同后果。利用危險(xiǎn)與可操作性研究(HAZOP)將工藝過程中的危害事件的前因后果找出，從而整理出工藝中具有危害的事件鏈。

圖4 HAZOP中的鏈?zhǔn)疥P(guān)系

2 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的建立

(1)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的概念

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)是一種基于概率分析和圖論的不確定性知識(shí)表示和推理模型，是將因果知識(shí)與概率知識(shí)相結(jié)合的信息表示框架[7]。貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)是貝葉斯定理，它包含2個(gè)關(guān)鍵因素：先驗(yàn)概率和后驗(yàn)概率[8]。先驗(yàn)概率主要是通過專家知識(shí)和歷史經(jīng)驗(yàn)獲得，并根據(jù)貝葉斯定理由先驗(yàn)信息和樣本數(shù)據(jù)計(jì)算后驗(yàn)概率[9]為

P(B|A)=(P(A|B)P(B))/P(A)

式中，P(A)為事件A發(fā)生概率；P(B)為事件B發(fā)生概率；P(A|B)為以事件B發(fā)生為前提的事件A發(fā)生的條件概率，也就是先驗(yàn)概率；P(B|A)為對應(yīng)P(A|B)的后驗(yàn)概率。

(2)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)映射

整理出事件鏈后，為了計(jì)算出各衍生事件的發(fā)生概率，可以將構(gòu)建出的事件鏈映射為貝葉斯網(wǎng)絡(luò)，將各事件映射為貝葉斯網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)，因果關(guān)系為節(jié)點(diǎn)傳遞方向，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)情況以及相關(guān)研究可以得到基本事件的先驗(yàn)概率。利用軟件正向推導(dǎo)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)，計(jì)算出各節(jié)點(diǎn)的后驗(yàn)概率，便是衍生事件的發(fā)生概率。

3 工藝危害事件鏈分析

(1)工藝危害事件鏈分析步驟

提出在工藝危害分析中利用事件鏈理論計(jì)算事件發(fā)生概率方法：首先，采用危險(xiǎn)與可操作性研究(HAZOP)分析工藝流程，篩選出具有關(guān)聯(lián)性的事件后果以及其原因；其次，判斷事件發(fā)生邏輯關(guān)系，得到事件鏈并映射為貝葉斯網(wǎng)絡(luò)圖；再次，根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)與相關(guān)研究找出基本事件先驗(yàn)概率；最后，由正向推導(dǎo)計(jì)算出后驗(yàn)概率，得到衍生事件的發(fā)生概率。

(2)應(yīng)用實(shí)例

某聯(lián)合站是一座集中處理、采出水處理與回注、伴生氣回收利用等功能于一體的綜合性站庫。某聯(lián)合站的生產(chǎn)工藝采用沉降進(jìn)行原油脫水，脫水處理合格的凈化油進(jìn)入凈化油罐，脫出的采出水經(jīng)精細(xì)過濾器達(dá)標(biāo)后回注地層，脫出的原有伴生氣作燃?xì)饧訜釥t燃料。

某聯(lián)合站原油集輸系統(tǒng)主要工藝流程見圖5。

圖5 某聯(lián)合站工藝概況

通過對該站的危險(xiǎn)與可操作性研究(HAZOP)，得到某聯(lián)合站原有集輸系統(tǒng)主要偏差為原油溫度過低、過高及管道油壓過高，具體內(nèi)容見表1。

表1 某聯(lián)合站HAZOP分析表(部分)

根據(jù)分析結(jié)果，以原因—偏差—結(jié)果為順序構(gòu)成簡單事件鏈，并將所有關(guān)聯(lián)的簡單事件鏈組合為復(fù)雜事件鏈(圖6)，并根據(jù)該事件鏈映射為貝葉斯網(wǎng)絡(luò)(圖7)，圖中Y表示原因節(jié)點(diǎn)，P表示偏差節(jié)點(diǎn)，H表示后果節(jié)點(diǎn)，圖6與圖7的對應(yīng)關(guān)系見表2。

圖6 某聯(lián)合站工藝事件鏈

圖7 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)

表2 節(jié)點(diǎn)對應(yīng)表

為了計(jì)算后驗(yàn)概率，需要得到基本事件的先驗(yàn)概率，可通過參考《危險(xiǎn)與可操作性分析質(zhì)量控制與審查導(dǎo)則》(T/CCSAS 001—2018)中初始事件頻率數(shù)據(jù)表(表3)與安全措施消減因子數(shù)據(jù)表(表4)并結(jié)合本項(xiàng)目實(shí)際情況由專家給出根節(jié)點(diǎn)先驗(yàn)概率。

表3 初始事件發(fā)生概率表(部分)

表4 安全措施消減因子數(shù)據(jù)表(部分)

在本實(shí)例中加熱爐故障率參考同類型生產(chǎn)工藝中的數(shù)據(jù)[10]，取值5×10-2；燃料不夠?qū)儆诠芾砩鲜д`，操作失誤屬于日常技術(shù)性失誤，均屬于表3中無壓力下失誤類型，考慮系統(tǒng)中的安全消減因子，分別取值5×10-2、1×10-2(表5)。

表5 根節(jié)點(diǎn)先驗(yàn)概率

本實(shí)例中，原因與偏差之間均為充要條件，認(rèn)為任意Y節(jié)點(diǎn)為真時(shí)，P節(jié)點(diǎn)為真。故偏差油溫過高與油溫過低的先驗(yàn)概率分別見表6和表7。

表6 油溫過低先驗(yàn)概率

表7 油溫過高先驗(yàn)概率

表中T表示該節(jié)點(diǎn)發(fā)生，F(xiàn)表示該節(jié)點(diǎn)不發(fā)生。

某聯(lián)合站隸屬于大慶油田，根據(jù)文獻(xiàn)[11]可知某聯(lián)合站原油凝固點(diǎn)為34 ℃，環(huán)境為25 ℃，正常加熱溫度為55 ℃。當(dāng)加熱爐不能完全滿足加熱要求時(shí)，油溫在環(huán)境溫度與正常加熱溫度間變化，可以得到發(fā)生管道結(jié)垢、阻塞的概率為3×10-1(表8)；根據(jù)文獻(xiàn)[12]可知，原油中加入的破乳劑失效溫度為70 ℃，該工藝采用水浴加熱，最高溫度為100 ℃;當(dāng)油溫過高時(shí)，油溫在正常加熱溫度與最高溫度間變化，可以得到發(fā)生破乳劑失效的概率為4×10-1(表9)。

表8 管線結(jié)垢、阻塞先驗(yàn)概率

表9 破乳劑失效先驗(yàn)概率

當(dāng)原油發(fā)生凝固時(shí)，上游管道壓力必然會(huì)超過正常生產(chǎn)閾值，故當(dāng)H6為真時(shí)，P8為真；文獻(xiàn)[13]中關(guān)于管道內(nèi)應(yīng)力影響下管線失效的計(jì)算方法，得出當(dāng)油壓過高時(shí)，管道失效概率為6.2×10-5(表10)；該工藝流程中三相分離器正常工作溫度為45～55 ℃，低于該值時(shí)認(rèn)為原油脫水不達(dá)標(biāo)，故當(dāng)偏差油溫過低發(fā)生時(shí)，發(fā)生后果脫水不達(dá)標(biāo)的概率為6.6×10-1(表11)。

表10 管線破裂先驗(yàn)概率

表11 脫水不達(dá)標(biāo)先驗(yàn)概率

在貝葉斯軟件GeNIe中建立貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型，錄入以上數(shù)據(jù)，軟件推導(dǎo)過程及推導(dǎo)結(jié)果分別見圖8和表12。

圖8 貝葉斯軟件推導(dǎo)過程

表12 某聯(lián)合站典型事件發(fā)生概率

通過以上結(jié)果可知，某聯(lián)合站發(fā)生概率最高的典型事件為原油脫水不達(dá)標(biāo)，其次為管線結(jié)垢、阻塞。因此，建議在此例的聯(lián)合站中針對以上2種事件設(shè)置獨(dú)立保護(hù)層以減少事件發(fā)生概率，提升安全生產(chǎn)效益。

4 結(jié)論

(1)基于事件鏈理論提出了工藝危害事件鏈分析方法，即危險(xiǎn)與可操作性研究(HAZOP)分析結(jié)果與災(zāi)害理論4要素相結(jié)合，提取出事件鏈，并利用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的原理計(jì)算衍生事件發(fā)生概率。

(2)利用該方法對某聯(lián)合站進(jìn)行了分析，梳理出某聯(lián)合站工藝事件鏈后，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)得到節(jié)點(diǎn)先驗(yàn)概率，推導(dǎo)出某聯(lián)合站4種典型事件的發(fā)生概率，表明該方法在實(shí)際工程中的可行性。

(3)本文實(shí)例應(yīng)用結(jié)果表明，某聯(lián)合站現(xiàn)有生產(chǎn)工藝中，管線結(jié)垢和原油脫水效果不達(dá)標(biāo)是發(fā)生概率較大的2種事件，應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況提出相應(yīng)的改進(jìn)措施。