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危害与可操作性分析(HAZOP)是为了识别及评估在制程上可能产生的问题,结构化及系统化的检视流程及作业的方法,流程及作业可以是正在计划中的,也可以是既有的,所关注的问题是可能造成人员或设备的风险,或是影响正常作业的问题。
危害与可操作性分析一开始是用来分析化工厂的程序控制系统,但之后延伸到其他类型的系统,也包括复杂系统及软体系统。危害与可操作性分析是一种以引导词(guide-word)配合制程参数(温度、压力等)为基础的定性危害分析技术,一般会由多部门组成的团队(HAZOP团队)脑力激荡,透过多次的会议来进行。
此分析方式可适用于有相关设计资讯的程序,现有的或规划中的皆可。一般会包括一个程序流程图,其中包括许多个别的设备以及连接设备的管路。每一个设备或管路皆标示其“设计意图”。例如在化工厂中,一个管路的设计意图是要输送浓度为96%、温度为20°C的硫酸,质量流率为2.3 kg/s,从泵浦输送到热交换器,热交换器的设计意图是将质量流率为2.3 kg/s,浓度为96%的硫酸、温度由20°C上升到80°。HAZOP团队要找出每个意图中最可能的明显偏差,可能原因及影响。可以用来判断现有的安全防护是否足够,或是需要加入其他行动,使风险降低至允许程度以下。
HAZOP的会议一般是规划一天三至四小时。一个中型的化工厂中,设备及管路约有一千二百个,大约需要进行四十次HAZOP会议才能确认完所有的项目[1],现在有许多软体可以协助HAZOP会议的进行。
HAZOP需要针对设计意图选择适当的参数,常见的字包括流量、压强、温度及成份。从上例中可以看出,各参数的偏差就会造成设备和原始设计意图的偏差。为了识别偏差,可以用一组“引导词”(Guide Words)配合程序中设计意图的各参数。依英国标准BS:IEC 61882:2002[2],有以下这些引导词:
引导词 | 意义 |
---|---|
无(NO) | 完全不符合设计意图 |
较多(MORE) | 定量的增加 |
较少(LESS) | 定量的减少 |
不仅……又(AS WELL AS) | 定性的变化/增加 |
只有部份(PART OF) | 定性的变化/减少 |
相反(REVERSE) | 和设计意图的逻辑恰好相反 |
除……以外(OTHER THAN) | 完全取代 |
早(EARLY) | 相对于某一时间 |
晚(LATE) | 相对于某一时间 |
以前(BEFORE) | 相对于某一程序 |
以后(AFTER) | 相对于某一程序 |
(后面四项适用于批量操作或是序列操作)
引导词可以和参数组合,形成例如“无流量”、“较多压力”之类的组合,若组合有意义,即为一个潜在的偏差。在以上例子中,“较少成份”表示硫酸的浓度低于96%,而“错误成份”(OTHER THAN COMPOSITION0)表示其中含有其他物质(例如油)。
下表列出一些常用的引导词及参数的组合,以及这些组合的说明。
参数/引导词 | 较多 | 较少 | 无 | 相反 | 不仅……又 | 只有部份 | 除……以外 |
---|---|---|---|---|---|---|---|
流量 | 较多流量 | 较少流量 | 无流量 | 倒流 | 浓度偏差 | 污染 | 材料偏差 |
压强 | 较多压强 | 较少压强 | 真空 | 压强不同 | 爆炸 | ||
温度 | 高温 | 低温 | |||||
水位 | 水位过高 | 水位过低 | 无水位信号 | 水位不同 | |||
时间 | 太长/太迟 | 太短/太早 | 跳过程序中某步骤 | 程序逆行 | 省略动作 | 额外的动作 | 时间错误 |
搅动 | 快速混合 | 慢速混合 | 无混合 | ||||
反应 | 快速反应/ 失控 | 慢速反应 | 无反应 | 不想到的反应 | |||
启动/停机 | 太快 | 太慢 | 动作未进行 | 配方错误 | |||
排水/通风 | 时间太长 | 时间太短 | 无 | 压力变化 | 时序错误 | ||
惰性化 | 高压 | 低压 | 无 | 污染 | 材料错误 | ||
工具故障(设备中的气体,电力) | 故障 | ||||||
DCS故障 | 故障 | ||||||
维护 | 无 | ||||||
振动 | 太小 | 太大 | 无 | 频率错误 |
只要建立了系统潜在危害的原因及其影响,就可以研究如何修改系统,提升安全性。修改的系统要再进行一次危害与可操作性分析,确定没有新的问题出现。
危害与可操作性分析一般会以团队的方式来进行,其角色如下[2](其他参考资料可能会有不同的名称):
名称 | 其他名称 | 角色 |
---|---|---|
研究负责人(Study leader) | 主席(Chairman) | 对危害与可操作性分析有经验,但没有参与此项设计的人,以确认有谨慎的依危害与可操作性分析的要求进行 |
记录者(Recorder) | 秘书(Secretary)或抄写员(scribe) | 确认问题有记录下来,建议有传递出去 |
设计者(Designer) | (或是此制程设计团队的代表) | 解释设计细节,提供进一步资讯 |
使用者(User) | (或是使用者中的代表) | 考虑使用情形,询问其操作性,以及偏差后的影响 |
专家(Specialist) | (or specialists) | 在此技术领域有专业知识的人 |
维护者(Maintainer) | 未来需维护此程序的人 |
早期的版本有建议研究负责人也要是记录者[3],但现在多半建议有另一个人来记录。一般建议团队至少要有五个人[4],在大型的制程中,可能会有许多个危害与可操作性分析会议,可能会依领域不同,团队中的专家会不同,设计者也会不同,但一般而言研究负责人及记录者是不会更换的。团队最多可以到20人[3],但一般建议一次开会不会超过8人[4]。现在有许多不同供应商的软体可以协助研究负责人也要是记录者。
此分析技术起源自帝国化学工业(ICI)的有机重化事业部(Heavy Organic Chemicals Division),当时是英国的国际级化学公司。此公司1968年到1982年的安全顾问特雷弗·克雷兹曾描述过当时的情形[3][5],以下为其描述的摘要。
1963时为了要研究酚制造厂的设计,由三个工程师成立团队,每周花三天的时间开会讨论,持续了四个月之久。一开始用的技术是称为“严格审查”(critical examination)的技术,但之后就将目的改为寻找设计中的变异。公司后来又进一步的改善此流程,称为“可操作性研究”(operability studies),在是公司中危害分析程序的第三阶段(第一及第二阶段分别是概念阶段及规格阶段) ,在第一个细部设计产出后进行。
1974年英国发生了傅立可斯工厂爆炸事件,傅立可斯附近的化工厂爆炸,厂内的72人有28人死亡,36人重伤。之后不久化学工程师协会专业认证委员会(IChemE)在提赛德大学举办了一个一周的安全课程,其中也包括上述的分析技术。此课程和之后陆续几年的课程都全部额满。在1974年也发表了公开文献中的第一篇相关论文[6]。1977年时化学工业协会发行了相关指南[7],但一直到此时都还没有在正式出版物中出现HAZOP的名称。克雷兹在1983年首次使用HAZOP,用在IChemE课程的课堂笔记中[3]。自此时开始,危害与可操作性分析成为英国化学工程课程中必修的一部份[3]。
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