化学园区苯储罐泄漏风险分析.pdf

第 39 卷 第 9 期 71失效与事故分析 化学园区苯储罐泄漏风险分析马鑫龙(深圳市燃气集团股份有限公司 深圳 518000）摘 要：本文选取苯储罐区作为研究对象，建立储罐发生泄漏的事故树模型。利用 GeNIe 软件构建贝叶斯网络，对顶上事件进行计算；利用固体火焰模型，计算热辐射值，进而转化为个人致死率；再利用 MATLAB 软件分析个人风险，得到储罐的个人风险值；通过 ALOHA 软件模拟储罐泄漏火灾后果，得到发生火灾后储罐的热辐射值。结果显示上述苯储罐区的个人风险值超过了可接受标准，一旦发生泄漏，会造成大量人员伤亡。关键词：苯储罐 事故树 贝叶斯网络 个人风险 后果模拟Risk Analysis of Benzene Tank Leakage in Chemical Park Ma Xinlong(Shenzhen Gas Corporation Limited Shenzhen 518000)Abstract In this paper,the benzene storage tank area was selected as the research object,and the accident tree model of tank leakage was established.GeNIe software was used to construct a Bayesian network to calculate the top event.The heat radiation value was calculated and then converted into individual fatality rate by using the solid flame model.Then MATLAB software was used to analyze the individual risk and obtain the individual risk value of the storage tank.ALOHA software was used to simulate the consequences of the leakage fire of the storage tank and obtain the thermal radiation value of the storage tank after the fire.The results showed that the personal risk value of the benzene tank area above exceeded the acceptable standard,which could cause a large number of casualties in the event of a leak.Keywords Benzene tank Fault tree Bayesian network Personal risk Results simulation中图分类号：X933.4 文献标志码：B文章编号：1673-257X(2023)09-0071-06 DOI:10.3969/j.issn.1673-257X.2023.09.016作者简介：马鑫龙（1988 )，男，本科，工程师，从事城市燃气管理、综合能源项目管理工作。通讯作者：马鑫龙，E-mail:。（收稿日期：2022-09-02）随着我国化学工业的快速发展，危化品种类也随之迅速增多，如何保证危化品的安全使用、储存、运输逐渐成为热点问题。其中，苯在众多领域使用量较大，苯储罐也发生过泄漏火灾等事故。2014 年某集团苯储罐发生泄漏事故，导致 2 人死亡；2018 年上海某公司苯储罐底板发生泄漏，并且造成爆炸事故，导致 6 人死亡1。当苯储罐发生泄漏时，遇到热源或者明火，会发生火灾，甚至发生爆炸事故，造成严重财产损失、人员伤亡以及环境污染。因此，对苯储罐进行风险分析、后果模拟应该引起足够的 重视。近些年来，国内外学者不乏对储罐风险分析和后果模拟的研究。例如，巫志鹏等人使用了物理化学等理论方法对化工储罐进行风险评价研究2；林子淳利用风险评价方法对化工储罐进行研究3；王洪德等人针对化工装置的火灾爆炸事故进行风险网格矩阵叠加分析，从而揭示了火灾事故的危险程度4；马月鹏等人利用个人风险和社会风险的计算模型定量计算了储罐的风险5。目前国外已经研发了几个常用的火灾数值模拟软件，如 ALOHA、DNV Phast、Fluent、FDS以及 FLACS 等。Middha6对一些利用 FLACS 软件模拟火灾的文献进行分析，利用 FLACS 软件进行火灾 模拟。72失效与事故分析经以上分析，笔者通过事故树分析和贝叶斯网络来计算苯储罐泄漏发生的概率，根据实际工厂中苯储罐的场景进行模拟，通过统计分析结果确定点火概率，并对产生的池火模型计算热辐射值，转化成个人致死率，借助 MATLAB 软件计算个人风险值，接着通过ALOHA 软件对单个储罐进行后果模拟，分析苯发生火灾和毒性事故的影响。1 苯储罐泄漏事故概率计算1.1 事故树模型构建事故树分析法主要用在安全工程及可靠度工程领域，可用来了解系统失效的原因，能够对系统的危险性进行识别评估，既能定性分析，也能定量分析，自上而下，层层分析顶事件的发生原因，将造成顶事件发生的基本事件与中间事件连接起来，并形象地表达出其因果关系。笔者采用事故树模型对苯储罐进行泄漏分析，依据历史资料归纳苯储罐泄漏的基本事件与中间事件见表 1。根据基本事件、中间事件和顶上事件构建事故树如图 1 所示。根据国内外事故统计，结合化工厂的地理位置、环境、员工素质及文献调研得到事故树中27 个基本事件的概率见表 2。符号事件符号事件符号事件T苯储罐泄漏事故F16粗心验收X14超压或超载F1人为原因F17罐体腐蚀X15安全阀及液位计失灵F2设备原因F18罐体疲劳X16应力腐蚀F3管理原因X1操作失误X17补焊造成的裂纹F4环境原因X2操作不规范X18出口阀门密封不严F5操作人员失误X3发现不及时X19软管与接头处密封不严F6维修人员失误X4未定期检测X20各接头与压力表的密封不严F7储罐破裂X5更新不及时X21阀门失效F8管路系统故障X6强度设计不合理X22培训制度不完善F9规章制度不完善X7结构设计不合理X23操作规程不完善F10维修不及时X8选材不合理X24检修制度不严F11产品不合格X9防腐不合理X25安全管理松散F12强度降低X10未按验收要求操作X26工作温度不高F13管道破裂X11未检查出缺陷X27降温设施失灵F14密封不严X12罐体防腐层被破坏F15设计制造缺陷X13应力腐蚀表 1 苯储罐泄漏事件表1.2 贝叶斯网络模型在分析储罐泄漏的原因后，进行泄漏概率的计算，这里采用贝叶斯网络进行计算。贝叶斯网络模型是基于贝叶斯定理的图形化模型，是事件概率与事件直接原因概率之间可逆的关系。在贝叶斯网络中，节点代表一个变量，箭头代表因果关系。一个节点可以连接到许多其他节点，要么是因为许多原因在该节点上有一个结果，要么是因为该节点在许多其他节点上有一个直接结果。贝叶斯网络中的概率采用贝叶斯规则计算。贝叶斯规则是推理论证的关键，允许计算一个原图 1 苯储罐泄漏事故树图TF1F5X1X2X5X3X4X6X7X8X9X10X11X12X13X14X15X16X17X18X19X20X21X22X23X24X25X26X27F10F11F15F16F17F18F12F13F14F6F7F8F9F2F3F4+第 39 卷 第 9 期 73失效与事故分析 基本事件概率基本事件概率基本事件概率X1110-5X10110-5X19110-5X2110-5X11110-6X20110-5X3110-6X12110-6X21110-6X4110-5X13110-5X22110-5X5110-5X14110-4X23110-6X6110-6X15110-6X24110-5X7110-5X16110-5X25110-5X8110-5X17110-6X26110-5X9110-5X18110-5X27110-4表 2 基本事件的发生概率因(或一个结果)的概率，知道一些其他相关的事件已经发生。根据事故树，利用 GeNIe 软件建立贝叶斯网络模型如图 2 所示。根据贝叶斯网络模型分析，输入各基本事件的发生概率，计算得到苯储罐的泄漏概率为 0.000 22。2 个人风险值计算当苯储罐发生泄漏之后，流淌到地面形成液池，遇明火燃烧而形成池火。笔者应用池火模型计算苯储罐发生泄漏火灾事故后在周围产生的热辐射值，并转化为个人致死率，然后使用 MATLAB 软件计算个人风险值。2.1 热辐射值计算苯（Benzene，C6H6）在常温下为一种无色、有甜味的透明液体，并具有强烈的芳香气味，苯可燃、有毒，也是一种致癌物质，密度为 0.88 g/mL，相对蒸气密度为 2.77，熔点为 5.51，沸点为 80.1，苯的燃烧热为42 287.5 kJ/kg。储罐泄漏情景为：两储罐相隔30 m，泄漏位置在储罐最底部，泄漏孔分为小孔、中孔和大孔，孔径分别为 7 mm、10 mm 和 15 mm，其发生的概率占比分别为 0.4、0.4 和 0.2，在泄漏 15 min 之内没有工作人员发现苯储罐发生泄漏，并假设点火概率为 0.3，形成液池的液膜厚度为 0.01 m，不考虑多米诺 效应。池火直径计算见式（1）、式（2），计算结果见表3。(1)SC Ah Td=dg 2(2)DS?2/?图 2 苯储罐泄漏贝叶斯网络模型?式中：S液池面积；Cd 泄漏系数，取 0.65；A裂口面积；g重力加速度，9.8 m/s2；h裂口之上液位高度，m；d液膜厚度；T温度，；D池火半径。泄漏孔类型孔径大小/mm发生概率池火直径/m小孔70.46.33中孔100.49.05大孔150.213.57表 3 池火面积计算结果热辐射值计算见式（3）式（5）。(3)EEE?maxe+esSDSD174失效与事故分析(4)FFF12122122?,HV(5)qE F?12?式中：E固体火焰模型的表面发射功率；F12视觉系数；q热辐射值；Es火焰表面的热辐射比；Emax火焰表面最大处的热辐射比；F12,H泄漏处的视觉因子；F12,V池火的视觉因子；空气折射率。2.2 个人致死率计算将热辐射值转化成个人致死率，计算见式（6）式（8）。(6)PuuY=12252?exp()?d(7)YD=+-36 38 2 56.ln(8)Dt=I1 33.s式中：I热辐射强度；u距离因子，m;ts暴露时间，取 20 s。2.3 个人风险值计算个人风险是衡量储罐装置风险的一个重要指标。一般地，个人风险是指因危险化学品生产、储存装置的各种潜在的火灾、爆炸、有毒气体泄漏事故造成区域内某一固定位置人员的个体死亡概率，即单位时间内（通常为 1 年）的个体死亡率。通常用个人风险等值线表示。笔者在本文中使用 MATLAB 软件计算个人风险值，计算见式（9），计算结果见图 3。（9）个人致死率=（小孔致死率 小孔泄漏的概率+中孔致死率 中孔泄漏的概率+大孔致死率 大孔泄漏的概率）储罐泄漏概率 点火概率从图 3 中可以得到，个人风险值大致呈圆环形分布，且距离储罐越近，个人风险值越大。根据我国个人可接受风险标准值，在居住类高密度场所和公众聚集类高密度场所（30 人人数 100 人），新建装置的个人可接受风险标准为 310-6；在高敏感场所、重要目标和特殊高密度场所（人数 100 人），新建装置的个人可接受风险标准为 310-7。在距离储罐 12 m 左右的位置，风险值为 4.7510-6，超出了个人可接受风险标准，应该采取相应措施，减小个人风险值。比如，在苯罐区安置移动式灭火器、固定式雨淋喷水灭火系统、固定式低倍数泡沫灭火系统等；做好气体检测报警系统的设置，对泄漏情况实施全天不间断的监测；合理控制罐区建筑物间的距离。图 3 个人风险计算结果距离泄漏点的距离/m距离泄漏点的距离/m3 ALOHA 仿真3.1 ALOHA 软件基本情况 ALOHA(Areal Locations of Hazardous Atmospheres,有害大气空中定位软件)是由美国环保署(EPA)化学制品突发事件和预备办公室(CEPPO)和美国国家海洋和大气管理(NOAA)响应和恢复办公室共同开发的应用程序7。该软件累积集成了 1 000 多种常见的危险化学品的理化性质，可以用来计算危险化学品泄漏后的毒气扩散、火灾、爆炸等产生的毒性、热辐射和冲击波等。目前，ALOHA 已广泛应用于风险评估和应急辅助决策等领域。3.2 甲苯泄漏事故后果分析 3.2.1 案例分析2019 年 3 月 21 日，位于江苏省的某工业园区内的苯储罐发生泄漏并引发爆炸事故，本次江苏响水“3.21”爆炸事故造成死亡 44 人，危重 32 人，重伤58 人，还有部分群众受轻伤8。事故发生时的具体环境参数及苯储罐的泄漏参数见表 4。第 39 卷 第 9 期 75失效与事故分析 储罐规格直径/m液位高度/m泄漏孔径/cm立式585高度/m相对湿度/%温度/风速/（m/s）1050253表 4 泄漏参数表 3.2.2 毒性苯储罐在发生泄漏之后，由于苯具有易挥发、有毒等特性，根据 AHLOHA 中的 AEGL 指标(Acute Exposure Guideline Level，急性暴露指导浓度)描述苯在泄漏挥发以后毒性伤害的区域范围。根据 AEGL 标准，危险化学品毒性危害区域划分为 3 个区域，红区代表 AEGL-3，个体在此浓度之上将会遭受生命危险甚至死亡。橙区代表 AEGL-2，个体在此浓度之上将会丧失逃生能力，且遭受不可逆的、严重的不良健康影响。黄区代表 AEGL-1，个体在此浓度之上将会感到不舒服、刺激，但这些影响都是暂时性的并且可逆的。ALOHA 模拟结果如图 4 所示，苯毒性区域中的重伤区域（AEGL-2，60 min 内暴露超过 800 mg/L）的最远距离为 120 m，轻伤区域（AEGL-1，60 min内暴露超过 52 mg/L）的最远距离为 650 m。0.50.750.2500.250.750.50.511.5风向kmkm大于 4 000 mg?L(AEGL-3 60min)大于 800 mg?L(AEGL-2 60min)大于 52 mg?L(AEGL-1 60min)风向置信线图 4 苯挥发扩散后毒性区域分布图 3.2.3 蒸汽云闪火区域可 燃 区 域 是 蒸 气 云 浓 度 在 燃 爆 下 限（Lower Explosive Limits，LEL）和燃爆上限（Upper Explosive Limits，UEL）之间的区域。ALOHA 使用 60%LEL作为可燃等级红区，10%LEL 作为可燃等级黄区。经过 ALOHA 模拟分析，在 3 m/s 风速下，苯挥发后蒸汽云扩散闪火伤害重伤区域（10%LEL，暴露浓度高于 1 200 mg/L）的最远覆盖区域为 98.6 m，如图5 所示。图 5 蒸汽云闪火区域分布图5010050050100050150100200风向mm大于 7 200 mg?L(60%LEL)大于 1 200 mg?L(10%LEL)风向置信线 3.2.4 池火热辐射在 ALOHA 软件中，应用热辐射指标描述苯喷射火辐射伤害区域范围。在假设情境下苯火焰的模拟扩散如图 6 所示，在 3 m/s 风速下，苯泄漏喷射火伤害致死区域（热辐射高于 10.0 kW/m2）的最远覆盖区域为 14.8 m，苯泄漏喷射火伤害致死区域(热辐射高于5.0 kW/m2)的最远覆盖区域为 19.7 m，苯泄漏喷射火伤害致死区域（热辐射高于 2.0 kW/m2）的最远覆盖区域为 27.9 m。图 6 池火的热辐射区域分布图202515501552510010302040风向mm大于 10.0 kW/m2(?60 s?)大于 5.0 kW/m2(?60 s?)大于 2.0 kW/m2(?60 s?)4 结论1）在对储罐进行风险评价时，可以利用事故树模型来描述储罐发生泄漏事故的原因，然后根据 GeNIe软件建构贝叶斯模型进行顶上事件发生概率的计算。2）使用固体火焰模型，利用 MATLAB 软件编程76失效与事故分析计算出热辐射值，然后转化为个人致死率，进而计算个人风险值，得到在储罐周围 10 m 的个人风险值为4.751 810-6，已经超出了可接受标准，应采取相应的风险减缓措施。3）根据 ALOHA 模拟结果显示，温度在 25，风速为 3 m/s 的时候，苯的毒性致人死亡或者重伤的最远范围达到了 120 m，要远远大于苯引发火灾致人死亡的最远范围，因此对于苯发生泄漏后，应重点防治苯的毒性所带来的危害。参考文献1 程云芳.粒子群-支持向量机模型在苯储罐泄漏事故中的应用研究 D.合肥：中国科学技术大学,2019.2 巫志鹏,白永忠,林景喜.新化工装置风险评价方法的研究 J.中国安全生产科学技术,2011,7(10):154-159.3 林子淳.计算机辅助化工储罐区安全评价应用研究D.赣州：江西理工大学,2011.4 王洪德,崔铁军.化工园区火灾爆炸风险网格矩阵叠加分析 J.系统工程理论与实践,2012,32(05):1 143-1 150.5 马月鹏,李 竹 霞,倪 凯,等.化 工园区区域定量风险 评 价及其应用研究 J.安全与环 境学报,2012,12(05):239-242.6 Middha P.Development,use,and validation of the CFD tool FLACS for hydrogen safety studiesJ.International Journal of Hydrogen Energy,2010,18(14):40-45.7 孔大令.基于ALOHA 软件快速模拟液氨泄漏警戒范围 J.消防科学与技术,2011,30(01):68-70.8 江 苏响水“321”特别重大 爆炸事故调查报告EB/OL.https:/ 2024 年化工机械杂志化工机械 是国内外公开发行的中央级化工机械专业技术刊物，由天华化工机械及自动化研究设计院有限公司（原化工部化工机械研究院）与中国化工学会化工机械专业委员会合办。化工机械主要报道化工机器、化学工程及设备，化工材料及防腐蚀的科技成果、适用技术、革新经验和科技信息，可供从事科研、设计生产和教学工作者参考。化工机械创刊于 1974 年，40 余年的风雨历程使本刊成为化工期刊中发行量最大、影响面最广的刊物之一。继已多次荣获国家、部省级奖励后，又入选中国科技核心期刊（科技部），并获“第三届国家期刊奖百种重点期刊”称号，2019 年度入选“中华人民共和国成立 70 周年精品期刊”。2020 年度入选“全国石油和化工期刊 100 强”“全国石油和化工学术期刊”。化工机械为双月刊，大 16 开本，逢双月 20 日出版，单价 25.00 元，全年 150.00 元，全国各地邮局均可订阅，邮发代号:54-22。漏订读者可汇款到编辑部补订。本刊承接广告业务，愿热忱为国内外企业服务，宣传企业形象，推广产品技术。地址：兰州西固合水北路 3 号邮编：730060办公电话：[phone]主编电话：[phone]E-mail: http:/