油气站场多级多米诺事故下的安全风险评价_崔立江.pdf

风险分析 2023 年第 3 期 36 CHEMICAL SAFETY&ENVIRONMENT 油气站场多级多米诺事故下的安全风险评价 油气站场多级多米诺事故下的安全风险评价 崔立江1 何亚智2 许艳梅3 1.中国石油华北油田分公司第五采油厂 河北辛集 052360 2.中国石油大港油田分公司天然气公司 天津 300280 3.中国石油华北油田分公司第二采油厂 河北霸州 065700 摘 要：为降低油气站场内人员伤亡和财产损失的风险，以某站场内储罐区为研究对象，在确定事故扩展向量和临界值的基础上，利用概率单位模型计算储罐损坏概率，利用贝叶斯网络确定多级多米诺事故的传播路径，由此建立多级多米诺事故的定量风险评价模型，并根据人体脆弱性模型计算不同潜在风险下固定位置的个人风险和社会风险。结果表明，贝叶斯网络综合考虑了储罐间协同作用和不同层级多米诺造成的影响，二级多米诺以后的风险有所增大且不应忽略，个人风险涵盖了储罐区内的所有储罐，社会风险中的最大死亡人数为 95 人，评价结果更符合实际工况。研究结果可为油气站场选址和防灾、减灾提供实际参考。关键词：油气站场；多米诺事故；风险评价；扩展向量；概率单位模型 油气站场是油气处理、储存和运输的重要场所。在站场初步设计及施工阶段，为减少土地用量，罐区内的储罐常相邻布置。虽然储罐间距满足 石油天然气工程设计防火规范（GB 501832019）防火间距的要求，但罐区内工艺管道繁多、储罐罐容较大、数量较多，当一个储罐发生事故时，极易造成邻近储罐的灾难性破坏，即产生多米诺事故1-2。2015 年的天津港“812”特大火灾爆炸事故、2017 年的金誉石化事故等均为其中一个储罐发生泄漏爆炸后，引发其他临近设备发生二次、三次甚至更高层级的事故。欧盟委员会先后在 1982 年、1996 年颁布了 有 关 多 米 诺 效 应 危 害 控制 的SEVESO 和 SEVESO-II 指令，美国化工过程安全中心也在过程定量分析蓝皮书中指出，要将多米诺事故作为风险评价的主要对象3-4。因此，预防油气站场内多米诺事故的发生对于站场选址和防灾、减灾具有重要意义。迄今为止，我国对于多米诺事故的风险评价多为基于事件树的模型求解方式，未考虑多级多米诺下的风险评价5-6，导致风险量化过于保守。基于此，在确定事故扩展向量和临界值的基础上，利用概率单位模型计算储罐损坏概率，利用贝叶斯网络确定多级多米诺事故的传播路径，由此建立多级多米诺事故的定量风险评价模型，并根据人体脆弱性模型计算不同潜在风险下固定位置的个人风险和社会风险，并进行了实例分析和验证。1 多级多米诺事故定量分析 为了直观、详细地表征多级多米诺事故的定量风险评价模型，在此仅给出二级多米诺事故的评价流程，其余三级、四级及更高级的多米诺事故评价方法与之一致。考虑到储罐受点火源位置、点火能量、点火概率、受限空间大小等因素影响，会产生闪火、火球、喷射火、池火、蒸汽云爆炸、沸腾液体扩展蒸汽云爆炸等后果，根据事故统计显示，池火约占所有后果中的 45%，故在此以池火作为主要研究对象。分析步骤如下：（1）确定初始的储罐单元。假设评价区域内有 m 个储罐，可采用危险与可操作性分析（HAZOP）、基于风险的检验（RBI）、领结分析（Bow-tie）等方法，确定评价区域内风险最大的储罐，将其作为初始单元。（2）计算事故扩展向量。根据初始储罐的后果类型，计算剩余 m-1 个储罐受到的扩展向量，扩展向量包括热辐射、爆炸冲击波、碎片 作者简介：崔立江，男，工程师，大学本科，2005 年毕业于中国石油大学（华东）石油工程专业，主要研究 HSE 体系管理及安全监督管理。2023 年第 3 期 风险分析 CHEMICAL SAFETY&ENVIRONMENT 37 抛射等。考虑到早期池火会先以热辐射的方式对其他储罐施加破坏能量，故主要将热辐射作为扩展向量研究。采用 Mudan 池火模型，根据辐射通量确定不同位置处的热辐射强度，公式见（1）7：24cQtIx=（1）式（1）中：I某一位置的热辐射强度，kW/m2；Q总辐射通量，kW；tc热传导系数，无量纲，取 1；x距离池火中心的距离，m。（3）对比扩展向量和临界值，将扩展向量大于临界值的 f 个储罐定义为可能发生二次事故的设备，并根据 Cozzani 等8的模型计算储罐损坏概率，公式见（2）：252d1 d2uYPeu-=（2）式（2）中：Pd储罐损坏概率；u积分单位；Y事故扩大效应的概率单位变量，由表1 确定。表 1 中，ttf设备失效时间，s；V储罐容积，m3。表 1 储罐损坏概率单位模型 扩展向量 目标储罐 临界值/（kW/m2）事故扩大效应的概率单位模型 热辐射 常压容器 15 512.541.847 ln()ln()1.128 ln2.667 109.877YttfttfIV-=-=-+压力容器 50 0.03212.541.847 ln()ln()0.947 ln8.835YttfttfIV=-=-+（4）与事故树、蒙特卡洛方法相比，贝叶斯网络在确定多米诺事故传播路径和计算多米诺事故发生概率上具有很大的便捷性。根据初始储罐单元的事故扩展次序，绘制出相应的贝叶斯网络图9。将初始储罐单元定义为贝叶斯网络中的根节点，将热辐射影响到的储罐定义为子节点，采用有向弧表示两者间的传播关系，把储罐损害概率作为条件概率。此外，综合考虑储罐失效的协同效应，以图 1 为例，储罐 D1发生火灾时，D2 和 D3 受到的热辐射强度超过临界值，从而发生一级多米诺事故，此时 D4距离储罐 D1 较远，不足以发生一级多米诺事故。同时 D4 受到 D2 和 D3 的热辐射强度也较小，但储罐 D1、D2、D3 同时发生火灾时，会引发 D4 的二级多米诺事故。根据贝叶斯网 D1D2D3D420kW/m220kW/m210kW/m210kW/m28kW/m2 图 1 考虑协同效应的多米诺事故链路 络的正向推理能力，实现对事故的全面分析，得到不同事故场景下多米诺事故发生的概率。（5）重复（2）（4）步骤，得到多级多米诺事故发生的概率。2 风险评价及分析 多米诺事故可能导致人员伤亡、财产损失、环境污染和社会影响等后果，遵循以人为本的原则，下面对人员伤亡进行风险评价和分析10。评价区域内任意一点的个人风险值应为不同多米诺事故场景下的风险叠加，当区域内有 n 个危险单元时，人员在(x，y)坐标处的个人风险 IR(x,y)为：()(,)(,)1nix yidx yiIRP V=（3）式（3）中：Pid发生多米诺事故时，储罐 Di的事故概率；Vi(x,y)储罐 i 发生池火时人员在(x，y)坐标处死亡的概率。采用人体脆弱性模型，通过 Probit 模型评估个人对热辐射与剂量之间的关系。根据上述得到的个人风险，结合人口密度风险分析 2023 年第 3 期 38 CHEMICAL SAFETY&ENVIRONMENT 和死亡面积统计结果，在特定的泄漏场景、风速、大气稳定度和点火事件的基础上，可以构建死亡人数超过 N 时的累计频率，得到 F-N 曲线。以人员死亡概率超过 0.5 作为人员死亡的判定依据。得到储罐区的个人风险和社会风险后，将风险评价结果与风险可接受标准进行对比，判断目前的实际风险是否处于可接受状态，并采用可能合理的风险减缓措施降低风险。对于在役原油储罐区，根据危险化学品生产装置和储存设施风险基准（GB 368942018）和危险化学品生产装置和储存设施外部安全防护距离确定方法（GB/T 372432019）确定个人风险可接受标准，当周边目标为高敏感防护目标（重要防护目标和一般防护目标中的一类目标）时，个人风险的最大可容许值为3106次/a；当周边目标为一般防护目标中的二 类 目 标 时，个 人 风 险 的 最 大 可 容 许 值 为1105次/a；当周边目标为一般防护目标中的三 类 目 标 时，个 人 风 险 的 最 大 可 容 许 值 为3105次/a。各国对社会风险的可接受标准有所不同，其中荷兰的取值最为严格，对于超过1 人死亡的社会风险最大可容许值为 1103次；超过 1 000 人死亡的社会风险最大可容许值为1109次，由此确定风险的不可容许区、尽可能降低区和可容忍区。3 实例分析 以某油气站场内的储罐区为例，进行多级多米诺事故定量评价及分析，罐区布局见图 2，储罐间距见表 2。罐区包括 8 个常压外浮顶储罐，单个储罐容积为 2 000 m3，充装系数均为0.9，储存介质为原油，密度 890 kg/m3，压力0.1 MPa，温度 50。D1D2D3D4D5D6D7D8 图 2 罐区布局 表 2 储罐间距 （单位：m）储罐 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D1 50 100 50 71 112 100 112 D2 50 50 71 50 71 112 100 D3 100 50 112 71 50 142 112 D4 50 71 112 50 100 50 71 D5 71 50 71 50 50 71 50 D6 112 71 50 100 50 112 71 D7 100 112 142 50 71 112 50 D8 112 100 112 71 50 71 50 首先，选择储罐 D1 为初始事故设备，D1因泄漏发生池火，发生频率为 105，根据池火后果模型计算出各储罐受到的热辐射强度，对比临界值得到二次事故受到破坏的储罐，从而确定一级多米诺事故；然后以 D1 为父节点，向所有可能发生一级多米诺事故的储罐绘制有向线段；随后再将一级多米诺事故中的储罐作为初始事故设备，再次绘制有向线段；最终，形成基于贝叶斯网络的多级多米诺事故图。在网络构建和传播的过程中，应遵循如下原则：（1）同级多米诺储罐间不存在相互影响；（2）如储罐发生了低级别的多米诺事故，则不再发生高级别的多米诺事故；（3）高级别的多米诺事故储罐不会对低级别的多米诺事故储罐造成影响。通过当地气象部门常年的气象监测，选择风速 2 m/s，大气稳定度 F，由池火模型计算各储罐间的热辐射矩阵，见表 3。表 3 热辐射矩阵 （单位：kW/m2）储罐 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D1 19.3 4.6 19.3 9.3 3.6 4.6 3.6 D2 19.3 19.3 9.3 19.3 9.3 3.6 4.6 D3 4.6 19.3 3.6 9.3 19.3 2.2 3.6 D4 19.3 9.3 3.6 19.3 4.6 19.3 9.3 D5 9.3 19.3 9.3 19.3 19.3 9.3 19.3 D6 3.6 9.3 19.3 4.6 19.3 3.6 9.3 D7 4.6 3.6 2.2 19.3 9.3 3.6 19.3 D8 3.6 4.6 3.6 9.3 19.3 9.3 19.3 2023 年第 3 期 风险分析 CHEMICAL SAFETY&ENVIRONMENT 39 根据上述结果绘制贝叶斯网络图，初始事故为 D1 时的多米诺贝叶斯网络见图 3。D2、D4 为一级多米诺事故储罐，D3、D5、D7 为二级多米诺事故储罐，D6、D8 为三级多米诺事故储罐。添加辅助节点 L 表示对应级别的多米诺储罐是否失效，添加 DL 表示对应级别的多米诺事故是否发生，见式（4）（5）。L1D2D4LD3D5D7L3D6D82=|=|=（4）DLDLDLDLL11121232DLDLL3=|=|=（5）图 3 初始事故为 D1 时的多米诺贝叶斯网络 利用贝叶斯的正向推理和反向验证能力，计算各储罐的事故概率和后验概率，后验概率为设定储罐 D6 失效时的概率，见表 4。根据先验概率，在第二级多米诺事故中（即 D3、D5和 D7），D5 的事故概率明显高于其他储罐，这是由于与 D3 和 D7 不同，D5 不仅受到初始储罐单元的影响，还受到一级多米诺事故储罐的影响，因此，其升级概率高于 D3 和 D7。此外，第三级多米诺事故中 D6 和 D8 面临的热辐射强度相同，目标储罐具有相同程度的脆弱性，故升级概率相同。根据后验概率，D6 失效时，D5 的后验概率最大，且 DL2 和 DL3 的事故概率相同，说明 D5 为影响目标储罐失效最主要的传播路径，应重点对 D5 进行防灾、减灾，降低事故发生概率。表 4 基于贝叶斯的多米诺事故概率 单元 先验概率 后验概率（D6 失效）D1 1.00105 2.00104 D2 6.86108 1.60102 D3 2.35109 1.68102 D4 6.86108 3.23102 D5 2.62108 2.46102 D6 1.72109 1.00 D7 2.35109 3.10103 D8 1.72109 2.07102 DL1 2.65107 6.36101 DL2 2.42109 2.87101 DL3 1.921010 2.87101 通过不同水平上的多米诺效应概率比较得出，除 DL1 和 DL2 之间相差 2 个数量级之外，后续的多米诺事故概率之间的差异为 1 个数量级，说明即使给定主要事件的一级多米诺事故概率不是很高，但从一级到二级以及从二级到三级的传播是极其重要的，不能忽视。因此，在制定安全防护措施时，不能忽视多层次的多米诺效应带来的影响。综合对比，不考虑多米诺事故（只有储罐D1 失效）、考虑一级多米诺事故（只有储罐D1、D2 和 D4 失效）、考虑多级多米诺事故下罐区的个人风险和社会风险，见图 4。该罐区属于一般防护目标中的二类目标，故采用 105次/a 作为个人风险限值。对于个人风险，多级多米诺事故的风险明显大于只考虑一级多米诺事故的风险，涵盖了评价区域内的所有储罐，且随着多米诺层级的增加，这种影响越来越弱。对于社会风险，虽然事故发生频率有所降低，但死亡人数却有所增加，体现了多米诺事故发生频率低、后果严重的特点，不考虑多米诺事故时的最大死亡人数为 25 人，一级多米诺事故时的最大死亡人数大幅增加达到 90 人，而考虑多级多米诺事故时的发生频率增大了 1 个数量级，最大死亡人数进一步增加为 95 人。风险分析 2023 年第 3 期 40 CHEMICAL SAFETY&ENVIRONMENT D1D2D3D4D5D6D7D8不考虑多米诺事故只考虑一级多米诺事故考虑多级多米诺事故 a)个人风险 b)社会风险 图 4 罐区个人风险和社会风险图 4 风险处理 针对风险评价结果，该油气站场应加强对原油储罐的安全管理，维护存储环境；针对突发事件制定相应的应急预案，并进行演练；制定储罐完整性管理、站场标准化管理和员工安全管理制度，完善质量体系、质量手册和作业文件；通过降低储罐区周围的人口密度或采取被动型（防火涂层、防火堤、防火间距等）、激活型（消防冷却水系统、DCS 集散控制系统、ESD 紧急停车系统、FGS 火气报警系统等）的安全屏障，降低个人风险和社会风险。油气站场应从多个层面提高油气站场的本质安全，减少人为因素造成的隐患，将风险降低至可容忍区。5 结论（1）基于贝叶斯网络对油气站场内储罐的池火事故传播方式进行了梳理，建立了多级多米诺事故定量风险评价模型，综合考虑了储罐间协同作用和不同层级多米诺造成的影响。（2）根据人体脆弱性模型对罐区进行风险评价和分析，在考虑多级多米诺事故时的风险有所增大，个人风险涵盖了储罐区内的所有储罐，社会风险中的最大死亡人数为 95 人，评价结果更符合实际工况。（3）针对评价结果提出了针对性的防灾、减灾措施，下一步应考虑池火、蒸汽云爆炸和火球等多种事故叠加作用下的多米诺事故，进一步完善评价模型和流程。参考文献 1 张云杰,王旭.石化储罐区池火灾多米诺效应研究 J.沈 阳 航 空 航 天 大 学 学 报,2018,35(5):85-90.2 周浩霖,朱常龙,蒋军成.基于 LOPA 逻辑的罐区多米诺效应定量风险评估J.中国安全生产科学技术,2022,18(5):78-84.3 贺治超,毕先志,翁文国.基于蒙特卡洛模拟的多米诺事故风险量化管理J.中国安全生产科学技术,2020,16(12):11-16.4 徐寒,蒋军成,窦站.基于蒙特卡洛模拟算法的环氧乙烷球罐多米诺效应风险分析J.工业安全与环保,2017,43(4):1-3+13.5 伍壮,侯磊,伍星光,等.安全防护对原油罐区多米诺火灾事故发生概率的影响J.安全与环境工程,2020,27(1):166-172.6 陈国华,安霆,陈培珠.危险化学品事故多米诺效应历史数据研究评述J.中国安全生产科学技术,2015,11(4):64-70.7 齐玉凤,任家帆,杨森,等.汽油泄漏的池火灾危害特性及安全间距研究J.安全与环境工程,2019,26(3):171-175.8 COZZANI V,ANTONIONI G,SPADONI G.Quantitative assessment of domino scenarios by a GIS-based software toolJ.Journaof Loss Prevention in the Process Industries,2006,19(4):463-477.9 柯特,陈先锋,陈月,等.基于动态贝叶斯网络的 储 罐 区 燃 爆 事 故 多 米 诺 效 应 研 究 J.爆 破,2022,39(4):186-191+203.10 PIETERSEN C M.Analysis of the LPG disaster in Mexico CityJ.Journal of Hazardous Materials,1988,20:85-107.11010010001E-101E-91E-81E-71E-61E-51E-40.001 不考虑多米诺事故 只考虑一级多米诺事故 考虑多级多米诺事故累计频率/次死亡人数/人