Chemical process risk assessment utilizing SDG and CBR methodologies

doi:10.16265/j.cnki.issn1003-3033.2025.03.1368

Abstract

Abstract:

To comprehensively and efficiently analyze and evaluate chemical process risks, a risk analysis and evaluation auxiliary system for chemical processes was designed and developed based on SDG and CBR. The system was integrated with foundational verification functions for layer of protection analysis (LOPA) and safety integrity level (SIL), enabling semi-quantitative risk analysis and evaluation. Additionally, CBR technology was utilized to effectively preserve and reuse historical case experiences in chemical processes, thereby enhancing the efficacy of HAZOP and the auxiliary evaluation system. The system was applied to conduct a risk evaluation of the propylene oxidation to acrylic acid process. The results demonstrate that the system aligns closely with the independent risk evaluation outcomes of the enterprise, exhibiting strong practicality and reliability. The SDG-CBR coupling reasoning mechanism is verified to overcome the reliance of traditional HAZOP on manual experience, achieving a qualitative-to-semi-quantitative transformation in hazard identification while enhancing evaluation efficiency and accuracy.

Key words: signed directed graph (SDG), case-based reasoning (CBR), hazard and operability analysis (HAZOP), chemical process, risk assessment

CLC Number:

X937

CHEN Wentao, YANG Mingkai, WANG Wenhe, SONG Hongwei, SUN Chao. Chemical process risk assessment utilizing SDG and CBR methodologies[J]. China Safety Science Journal, 2025, 35(3): 77-84.

Figures/Tables 6

Table 1

Fig.1

Fig.2

Table 2

Table 3

Table 4

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序号	PFDavg	SIL等级
1	10^-2~10^-1	1
2	10^-3~10^-2	2
3	10^-4~10^-3	3
4	10^-5~10^-4	4

序号	变量	偏差	原因	后果	可能性	严重度	风险等级	现有安全措施	采取措施后
序号	变量	偏差	原因	后果	可能性	严重度	风险等级	现有安全措施	可能性	严重度	风险等级
1	丙烯汽化器压力	压力高	丙烯汽化器压力调节阀开度大	第一反应器温度升高,可能超温,催化剂粉结损坏,物料泄漏,潜在火灾爆炸,人员伤亡风险	4	4	16	①安全阀;②爆炸曲线及爆炸曲线触发报警;③温度高连锁	3	4	12
2				可能超压,设备损坏	4	4	16	①压力控制及压力高报警;②丙烯汽化器设安全阀	2	3	6
3				丙烯汽化器温度降低,冷冻水温度降低,可能冻堵,影响系统正常运行	4	3	12	—	4	3	12
4			丙烯汽化器冷冻水管线温度调节阀开度大	第一反应器温度升高,可能超温,催化剂粉结损坏,物料泄漏,潜在火灾爆炸,人员伤亡风险	5	4	20	①安全阀;②爆炸曲线及爆炸曲线触发报警;③温度高连锁	3	4	12
5				可能超压,设备损坏	5	3	15	①爆破片;②温度高报警;③安全阀	2	3	6
6				丙烯汽化器温度降低,冷冻水温度降低,可能冻堵,影响系统正常运行	5	3	15	—	5	3	15
7			丙烯汽化器进料调节阀开度大	第一反应器温度升高,可能超温,催化剂粉结损坏,物料泄漏,潜在火灾爆炸,人员伤亡风险	5	4	20	①安全阀;②爆炸曲线及爆炸曲线触发报警;③温度高连锁	3	4	12
8				可能超压,设备损坏	5	4	20	①爆破片;②温度高报警;③安全阀	3	3	9
9				丙烯汽化器温度降低,冷冻水温度降低,可能冻堵,影响系统正常运行	5	3	15	—	5	3	15

场景	描述	初始发生频率	使能条件	风险控制目标及结论
场景	描述	初始发生频率	使能条件	类别	可接受频率	独立保护层描述	独立保护层	风险差距	分析结论
氧化反应器温度升高	氧化第一反应器度调节阀开度过小或关闭	0.01	暴露概率 0.05	人员	1.0×10^-6	有爆破片进行物理防护	0.1	0.029	若SIL=1, 则风险可接受
	丙烯汽化器压力调节阀开度过大
	丙烯汽化器冷冻水管线温度调节阀开度大
	丙烯至第一反应器流量调节阀开度过大					氧化第一反应器设有爆炸曲线及爆炸曲线触发报警	0.1	0.1
	空气压缩机出口流量调节阀开度过大
	预混合器循环气流量调节阀开度过小或关闭
	空气预热器温度调节阀开度过大

回路	类别	名称	冗余结构	未检失效比例	已检失效比例	危险失效率	已检危险失效率	未检危险失效率	已检安全失效率	检验测试时间间隔/h	平均恢复时间/ h	系统 PFD_SIF	SIL 等级
氧化反应器温度高高	感应器	温度传感器	2oo3	0.1	0.05	1.26×10^-6	1.12×10^-6	1.36×10^-7	8.42×10^-7	8	8 760	2.60×10^-2	SIL1
	感应器	安全栅	2oo3	0.1	0.05	3.50×10^-7	0	3.50×10^-7	0	8
	逻辑运算器	主处理器	1oo1	0.1	0.05	3.63×10^-7	2.38×10^-7	1.25×10^-7	0	8
		电源模块	1oo1	0.1	0.05	2.50×10^-7	2.50×10^-7	0	0	8
		输入模块	1oo1	0.1	0.05	1.90×10^-7	9.00×10^-8	1.00×10^-7	4.32×10^-8	8
		输出模块	1oo1	0.1	0.05	2.00×10^-7	1.90×10^-7	1.00×10^-8	1.68×10^-8	8
	执行器	继电器	2oo2	0.1	0.05	4.28×10^-8	0	4.28×10^-8	0	24
		电磁阀	2oo2	0.1	0.05	1.56×10^-7	1.39×10^-7	1.74×10^-8	2.69×10^-7	24
		气动膜	2oo2	0.1	0.05	5.60×10^-7	0	5.60×10^-7	3.51×10^-6	24
		球阀	2oo2	0.1	0.05	1.86×10^-7	1.06×10^-7	7.96×10^-8	0	24