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石油化工行业是国民经济的基础产业，也是物理性、化学性、生物性、心理性和生理性以及行为性显在或潜在危险、有害因素聚集的行业。随着高密度、高参数、高能量、高风险的石油化工装置的出现，石油化工行业的事故及其隐患也随之增多，事故的灾害性、意外性、突发性和社会性更大。基于石油化工装置的上述特点，一种全新的超前预防事故的安全理念随之产生，即本质安全。通过设计手段使生产设备或生产系统本身具有安全性，即使在误操作或发生故障的情况下也不会造成事故，具体包括失误安全和故障安全两种安全功能。本质安全设计的目标是：采用物质技术手段，预防生产安全事故，尤其是防止重特大事故和类似事故重复发生；即使发生事故，人员也能免遭伤害或能安全撤离，最大限度地减轻事故的严重程度。因此，石油化工装置本质安全设计具有重要的理论和现实意义。
石油化工装置本质安全设计不同于传统的过程控制设计，它是以安全系统工程为理论基础，以危险、有害因素辨识为前提，安全评价为手段，风险预控为核心，事故致因理论为指导的集科学性、系统性、主动性、超前性于一体的贯穿于石油化工装置可行性研究、初步设计、施工图设计等全过程的现代设计方法。根据石油化工装置设计、施工和运行管理等，对石油化工装置本质安全的设计原则、设计程序和设计方法进行探讨，以期为石油化工装置本质安全设计提供一种指导性的思路和实用性的方法。
自20 世纪50 年代本质安全理论诞生以来，大致经历了经验、制度和预控3 个阶段。预控即本质安全阶段，是安全管理的最高阶段，其基本的原理是运用风险管理技术，采用技术和管理综合措施，以管理潜在风险源来控制事故，从而实现一切意外和风险均可控的目标。本质安全设计是实现该目标的主要前提和保证。本质安全设计是从项目规划、工艺开发、过程控制等源头消除或降低危险、有害因素，从而实现安全生产的目的，因此，必须遵守以下设计原则。
1）安全第一、预防为主的原则
以人为本、安全第一是本质安全设计的最高目标。生产和安全相互依存，不可分割。离开生产活动，安全就失去了意义，没有安全保障，生产就不能顺利进行。安全和生产的辩证关系要求石油化工装置本质安全设计过程中必须执行有效性服从安全性的原则。
有效性是装置正常运行时间占总时间的百分比。任何装置都不能排除出现故障的可能性，本质安全装置也不例外，关键是在故障出现时，是否具有诊断、定位、排除和报警的功能。为了提高有效性，本质安全装置必须具备容错和诊断功能，以减少停车时间。为此，应在设计中采用分散和冗余技术。分散包括本质安全装置各组成单元的结构分散、设备物理位置分散、控制系统信号采集点来源分散和网络分散等。冗余包括装置结构化及其数量冗余、控制系统冗余、通信模件冗余、连接介质冗余和电源冗余等。容错是提高装置有效性的重要手段，容错是指装置在出现故障时仍能继续工作，同时又能查出故障的能力。容错包括3 种功能：故障检测、故障鉴别、故障隔离。冗余、容错、重化结构装置的配置，在提高装置安全性和诊断覆盖率的同时，也提高了装置的有效性。有效性虽不影响系统的安全性，但装置的有效性低可能会导致装置和工厂无法进行正常生产。
系统安全是指在系统整个生命周期内，应用系统安全工程和管理方法，识别系统中的危险源，定性或定量表征其危险性，并采取控制措施使其危险性最小化，从而使系统在规定性能、时间和成本范围内达到最佳的安全的程度。安全度是装置在规定条件下、规定时间内完成规定功能的概率，其量化指标为安全完整性目标测量值，其值越小，安全度越高。安全性针对过程的两个方面：过程问题和系统故障。装置安全性是组成系统各环节安全性的乘积。要提高装置的安全性，必须同时提高组成装置的各环节的安全性，具体应选用高安全性的工艺流程、设施、设备、监视控制系统和各种防护措施等。
安全是相对的，危险是绝对的。危险是系统处于容易受到损害或伤害的状态，常指危险或有害因素。有害因素是指能对人造成伤害或对物造成突发性损害的因素，主要是指客观存在的危险，有害物质或能量超过一定限值的装置、设备和场所等。安全是指系统处于免遭不可接受危险伤害状态，其实质就是防止事故，消除危险、有害因素存在的条件。本质安全设计以危险源辨识为基础，以风险预控为核心，以管理人的不安全行为为重点，以切断事故发生的因果链为手段，旨在从过程设计、工艺开发等源头消除或降低危险源。采取的方案有原料替代、能量控制、工艺方案选择、本质安全评价等。
2）设备技术优先原则
安全和危险是一对互为存在的概念，安全度和危险度分别是这对概念的定性和定量的度量。人的操作和管理失误、设备故障、意外因素等引发事故是不可避免的。大量事故和试验证明，人的失误率相对较高，以百分计。而设备的失误率（故障率）较低，以千分计、万分计。经过特别、专门技术的设计和加工，设备的失误率可低于十万分之一或更低。因此，以创造失误率很低的物质技术条件来保障安全生产，就成为必然的选择。要保障安全生产，工艺技术、工具设备、控制系统和建筑设施等应具有预防人为失误和设备故障引发事故的功能，最低限度也要做到即使发生事故，人员不受伤害或能安全撤离，以降低事故的严重程度，这就是本质安全设计的设备技术优先原则。
3）目标故障原则
事故是指造成人员死亡、伤害、职业病、财产损失或其他损失的意外事件。造成事故的根本原因是存在危险有害物质、能量和危险有害物质、能量失去控制的综合作用，并导致危险有害物质的泄漏、散发和能量的意外释放。故障是功能单元终止执行要求功能的能力，根据故障的表现形式可分为显形故障和隐形故障。显形故障是指能够显示自身存在的故障，属于安全故障。隐形故障是指不能显示自身存在的故障，属于危险故障。危险故障是使本质安全系统处于危险并使其功能失效的潜在故障，隐形故障一旦出现，可能使生产装置陷入危险。本质安全系统的设计目标就是使系统具有零隐形故障，并且尽量少的影响有效性的显形故障，从而实现装置生产的零事故。
4）故障安全原则
故障安全包括失误安全和故障安全。失误安全是指失误操作不会导致装置事故发生或自动阻止误操作的能力。故障安全即为设备、设施、工艺发生故障时，装置还能暂时正常工作或自动转变为安全状的功能。冗余、容错、重化是实现故障安全的本质安全设计方法。危险源识别、风险评价、设计对策是实现故障安全的重要程序和内容。
5）安全性、有效性、经济性综合原则
有效性和安全性的目标是矛盾的，有效性的目标是使过程保持运行（安全—运行），而安全性的目标是使过程停下来（安全—停车）。提高安全性必然降低有效性。经济性综合原则就是根据装置运行要求、工艺特点，在满足设计安全等级的前提下，尽量提高装置的有效性，以减少装置的无谓停车，提高生产的经济效益。提高装置的有效性和安全性，必然增加装置的成本开销。多余的冗余以及富余的安全等级是一种浪费。科学的设计方法就是根据实际的生产过程，选择合理的系统冗余度。对于不是很重要的过程，可以牺牲一些系统安全性来提高项目的经济性和系统的有效性，而对于主要的、高危的生产过程则采用较高冗余度，以确保生产的安全平稳。在安全和经济发生冲突时，必须执行安全第一的原则。
石油化工装置本质安全设计程序包括了石油化工装置整个安全生命周期。根据国际电工委员会IEC 61508，安全生命周期是指实现装置安全必须进行的有关活动，包括了从项目初步设计的启动到装置及其辅助设施不再可用（失效）为止的整个周期。用系统化的方法处理以上活动，以得到装置安全要求所采用的整体本质安全生命周期的理论框架（图3.9）。石油化工装置的设计一般分为可行性研究、初步设计、施工图设计等阶段，因此石油化工装置的本质安全设计也应分步进行，以提高装置本质安全水平。石油化工装置的本质安全设计不是纯单向的，每一个阶段都会对前一个阶段的工作进行评价，如发现不足和错误，则返回前一个阶段重新研究并进行修正，再重新设计，直到设计方案符合装置本质安全要求。其设计程序的流程如图3.10所示。
整体本质安全生命周期各阶段目标：
①可行性研究阶段。开发或选择工艺流程及其环境，以激活其他本质安全生命周期活动。
②整体定义阶段。确定装置和单元控制边界，定义危险和风险分析的范围。
图3.9 整体本质安全生命周期技术框架
图3.10 石油化工装置本质安全设计流程
③危险和风险识别阶段。在可预见的环境中，包括故障条件和误用，对装置及其系统进行所有操作模式下的危险和风险评估，评估导致危险事件的结构及其风险。
④整体安全要求阶段。根据装置本质安全系统及其辅助本质安全系统和外部风险降低系统的安全功能要求，开发整体本质安全要求规格书，以达到要求的功能安全。
⑤安全要求分配阶段。分配安全功能到指定单元系统及其辅助系统、外部风险降低设施，并给每个安全功能单元分配安全系数。
⑥操作和维护，安全确认，安装和试运计划阶段。开发装置安全系统的操作维护计划，以确保在操作维护期间，保持要求的功能性安全，开发一个计划以方便装置安全系统的整体安全确认，以可控的方式开发装置安全系统的安装、试运计划，以得到要求的功能性安全。
⑦装置安全系统（实现）阶段。创建符合装置安全要求的装置安全系统（包括人、机、料、法、环5 个方面的安全功能要求和安全完整性要求）。
⑧辅助安全系统（实现）阶段。创建辅助安全系统，以满足安全功能要求和安全完整性要求。
⑨外部风险降低设施（实现）阶段。创建外部风险降低设施，以满足本质安全功能要求和安全完整性要求。
⑩整体安装、试运阶段，安装和试运装置安全系统。
⑪整体安全确认阶段。按照整体本质安全要求，并考虑分配到各个单元安全系统的安全要求，确认装置安全系统整体安全要求规格书。
⑫整体操作、维护和维修阶段。运行、维护和维修装置安全系统，以保持要求的功能性安全。
⑬整体修改和优化阶段。确保在修改和优化过程之后，装置安全系统的功能性安全是适当的。
⑭系统退役和处置阶段。确保装置安全系统的功能性安全在退役或处置过程中是适当的。
石油化工装置的本质安全设计，是建立在以物为中心的风险预测和事故预防技术基础上的设计理念，强调先进的设计技术、本质安全措施是保障生产安全、预防操作失误、降低装置风险的有效途径。为了实现故障安全，石油化工装置往往采用多重安全防护措施。这些措施不仅包括直接安全技术措施、间接安全技术措施、指示性安全技术措施，而且也包括当这3 种措施仍不能避免事故和危害发生时所采用的安全管理防护措施等，其层次结构如图3.11所示。
石油化工装置的主要危险源有易燃易爆性物质、有毒性物质、腐蚀性物质等的生产、储存；设备、设施缺陷；高温、低温；高压；能量意外释放等。根据安全防护等级的层次结构，分别采取消除、替换、强化、弱化、屏护、时空隔离、保险、联锁冗余设计、警告提示等措施。措施的最佳组合，可有效消除或降低装置事故的发生。
1）可行性研究阶段
可行性研究阶段主要通过贯彻安全生产的法律法规、技术标准以及工程系统资料，实现项目本质安全的总体布置。
图3.11 石油化工装置本质安全设计安全防护措施的层次结构
2）初步设计阶段
初步设计阶段主要对总图布置及建筑物的危险、有害因素进行辨识，实现项目选址和厂区平面布置的本质安全。在选址时，除考虑建设项目的经济性和技术的合理性，并满足工业布局和城市规划的要求外，在安全方面应重点考虑地质、地形、水文、气象等自然条件对企业安全生产的影响以及企业与周边地区的相互影响。在满足生产工艺流程、操作要求、使用功能需要和消防及环境要求的同时，主要从风向、安全防火距离、交通运输安全以及各类作业和物料的危险、有害性出发，确定厂区平面布置，并着手装置的工艺流程设计。
3）施工图设计阶段
施工图设计阶段就是在选定工艺流程的条件下，进行设备选型、管道走线、控制方案及控制设备等的设计。设备包括标准设备、专业设备、特征设备和电气设备等。在选用生产设备时，除应满足工艺功能外，应对设备的劳动安全性能给予足够的重视，保证设备按规定使用时不会发生任何危险，不排放超过标准规定的有害物质；尽量选用自动化程度、本质安全程度高的生产设备。选用的锅炉、压力容器等特种设备，必须由持有安全、专业许可证的单位进行设计、制造、检验和安装，并应符合国家标准和有关规定的要求。物料的腐蚀性在这一阶段应重点考虑，为保证不因设备腐蚀造成可靠性的下降，应充分考虑设备材质和防腐措施。