基于多米諾效應(yīng)分析的油品儲(chǔ)罐雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

銀峰 劉洋 李猛

摘要以大型外浮頂原油儲(chǔ)罐為例，基于火災(zāi)爆炸事故的多米諾效應(yīng)分析方法，分析雷擊誘發(fā)罐組多米諾火災(zāi)連鎖事故場(chǎng)景，給出雷擊儲(chǔ)罐導(dǎo)致多米諾火災(zāi)效應(yīng)的人員傷亡風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算方法，提出適用于油品儲(chǔ)罐的雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型。結(jié)果表明，雷擊導(dǎo)致的浮頂罐密封圈電火花是引起油罐火災(zāi)事故的主要原因；雷擊誘發(fā)的儲(chǔ)罐火災(zāi)可通過(guò)熱輻射形式作用于鄰近儲(chǔ)罐，使得周邊人員生命安全風(fēng)險(xiǎn)大幅上升；在大型油罐的雷擊災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中，可通過(guò)引入擴(kuò)展因子的方法，將雷擊事故引起的多米諾效應(yīng)影響納入評(píng)估模型之中，預(yù)測(cè)雷電災(zāi)害次生事故后果，為雷電防護(hù)設(shè)計(jì)提供服務(wù)。

關(guān)鍵詞雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)；油品儲(chǔ)罐；多米諾效應(yīng)；個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)

中圖分類號(hào)S429文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)0517-6611（2016）04-229-03

Lightning Risk Assessment of Crude Oil Storage Tanks Based on Domino Effect Analysis

YIN Feng， LIU Yang， LI Meng （Lightning Protection Center of Tianjin， Tianjin 300074 ）

AbstractWith large floating roof tank as a case， the chain accident scenes of tank group caused by lightning hitting oil tanks were analyzed based on the analysis method of domino effect analysis of fire and explosion.We provided the calculation method of individual risk， and proposed the suitable model of lightning risk assessment for large scale oil tanks.Results showed that the main causation of oil tank fire accident was the electric spark of seal ring in floating roof tank.Tank fire disaster induced by lightning transported to nearby tanks through the form of thermal radiation， so that the life safety risk enhanced greatly.During the lightning risk assessment of largescale oil storage tanks， expanding factor method could be introduced so as to bring domino effects into evaluation model， to predict the secondary consequences of lightning， and to provide services for the lightning protection and engineering design.

Key wordsLightning disaster risk； Oil storage tanks； Domino effect； Individual risk

近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，我國(guó)石油工業(yè)呈現(xiàn)規(guī)模化、園區(qū)化發(fā)展趨勢(shì)[1]，大型油庫(kù)、儲(chǔ)罐日益增多，面臨的雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)也隨之增大。從損害源強(qiáng)度而言，石油化工企業(yè)通常選址建在曠野郊區(qū)，高大罐體易成為制高點(diǎn)而遭受雷擊。同時(shí)，企業(yè)排放的煙塵廢氣能影響當(dāng)?shù)貧馊苣z組分，加劇雷暴生成。另一方面，從承災(zāi)體易損性角度，石油化工生產(chǎn)、貯存的易燃易爆危險(xiǎn)品數(shù)量和種類的增多，增加了雷擊危險(xiǎn)事故的可能性。一旦裝置因雷擊事故發(fā)生泄漏或爆炸事故，極易波及相鄰單元和周邊人員，使得危害范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。因此，全面認(rèn)識(shí)和評(píng)價(jià)石油工業(yè)場(chǎng)所的雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，制定合理風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，既是防災(zāi)減災(zāi)的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，也是石油工業(yè)發(fā)展的迫切需要。

當(dāng)前的雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法主要依托GB/T 21714.22008《雷電防護(hù) 第二部分—風(fēng)險(xiǎn)管理》，其適用對(duì)象為一般建筑物及與建筑物相連的服務(wù)設(shè)施。關(guān)于石油化工裝置的雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估尚缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，為此，不同學(xué)者分別探討了區(qū)域整體評(píng)估[2-4]和單體評(píng)估[5]方法，前者對(duì)裝置群落整體考慮，不能具體反映雷電災(zāi)害源影響，易擴(kuò)大風(fēng)險(xiǎn)，造成結(jié)果上的偏差；后者對(duì)裝置單體雷擊風(fēng)險(xiǎn)單獨(dú)考慮，忽略了裝置毗鄰空間的公共安全問(wèn)題，缺乏對(duì)裝置間雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)關(guān)聯(lián)性的考量。近年來(lái)，雷擊油品儲(chǔ)罐引發(fā)的爆炸火災(zāi)事故頻發(fā)，其中不乏形成多米諾效應(yīng)連鎖事故，如1989年8月黃島油庫(kù)5#罐因雷擊起火后，連續(xù)引爆1#～4#罐，大火持續(xù)燃燒104 h，造成19人死亡、78人受傷[6]；2015年4月17日美國(guó)德克薩斯州一處頁(yè)巖油罐遭雷擊起火，引發(fā)周圍11個(gè)油罐著火，影響惡劣[7]。筆者以大型浮頂油罐為例，在以GB/T 21714.22008雷擊災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型為藍(lán)本的基礎(chǔ)上，引入多米諾效應(yīng)的分析方法，對(duì)雷擊儲(chǔ)罐引發(fā)的火災(zāi)事故及事故擴(kuò)展造成的人員傷亡風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行量化分析，通過(guò)將安全評(píng)價(jià)方法與現(xiàn)有的防雷工程模型相結(jié)合，探討適用于油品儲(chǔ)罐的雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法。

1資料與方法

1.1實(shí)例概況以20 000 m3外浮頂原油儲(chǔ)罐罐組為例，對(duì)雷電擊中儲(chǔ)罐引起的雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行定量評(píng)估。罐組布置情況如圖1所示。該罐組坐落于天津市南港工業(yè)區(qū)，當(dāng)?shù)乩妆┤諡?8.4 d。罐組包含T1～T4共4個(gè)原油常壓儲(chǔ)罐。罐直徑為40.50 m、高15.85 m，罐壁最薄處壁厚度為5.50 mm。儲(chǔ)罐均采用一次、二次密封，一次密封采取機(jī)械密封。儲(chǔ)罐之間設(shè)有防火堤，并配置有泡沫液間和手提式滅火器。儲(chǔ)罐以自身金屬罐體作為接閃器和引下線，儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)接地電阻≤10 Ω。

1.2雷擊儲(chǔ)罐的多米諾效應(yīng)分析近年來(lái)大型浮頂儲(chǔ)罐雷擊事故表明，雷擊浮頂儲(chǔ)罐引起的火災(zāi)事故均為密封圈火災(zāi)，著火點(diǎn)位于密封圈處，均有多處燃爆點(diǎn)[8]。雷擊儲(chǔ)罐時(shí)，流過(guò)的雷電流或雷電感應(yīng)電壓在儲(chǔ)罐導(dǎo)電片或機(jī)械密封金屬連接件之間形成放電火花。在一定密封泄露條件下，空氣進(jìn)入二次密封內(nèi)部，與油氣混合達(dá)到爆炸下限，遇到雷電火花發(fā)生閃爆。若密封圈火災(zāi)未得到及時(shí)有效控制，則可能升級(jí)為全表面火災(zāi)，這是浮頂儲(chǔ)罐火災(zāi)最為嚴(yán)重的一種形式，對(duì)周圍熱輻射強(qiáng)度最高，滅火難度最大。著火儲(chǔ)罐以熱輻射形式作用于鄰近儲(chǔ)罐的罐壁和浮頂，使其油品分層，在密封圈處形成熱油區(qū)，直至熱油區(qū)油品溫度達(dá)到初沸點(diǎn)，可燃蒸汽穿過(guò)密封圈被點(diǎn)燃形成密封圈火災(zāi)，引發(fā)多米諾事故。隨著可燃蒸汽大量產(chǎn)生，造成浮頂不穩(wěn)定，導(dǎo)致儲(chǔ)罐火災(zāi)面積擴(kuò)大[9]。在此以雷擊電火花引起儲(chǔ)罐全表面火災(zāi)為初始事故，以周圍儲(chǔ)罐發(fā)生全表面火災(zāi)為二級(jí)事故，對(duì)雷擊儲(chǔ)罐火災(zāi)引起的多米諾效應(yīng)概率和個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行計(jì)算。

1.2.1初始事故頻率的確定。為確定雷擊引起儲(chǔ)罐全表面火災(zāi)的頻率，首先需得到雷電擊中儲(chǔ)罐的概率。根據(jù)GB/T 21714.22008，儲(chǔ)罐每年遭受雷擊的危險(xiǎn)次數(shù)為：

ND=NG·AD·CD×10-6（1）

式中，NG為雷擊大地密度，與雷暴日數(shù)TD的關(guān)系為NG=0.1TD；AD為截收面積，對(duì)高為H、半徑為R的儲(chǔ)罐AD=π（R+3H）2；CD為儲(chǔ)罐位置因子，對(duì)周圍有相同高度包圍的儲(chǔ)罐取0.5。

根據(jù)DL/T 6201997[10]，年雷暴日超過(guò)20 d的地區(qū)，有

lgP=-I88 （2）

式中，I為雷電流幅值（kA）；P為當(dāng)?shù)乩纂娏鞣党^(guò)I的概率。試驗(yàn)表明，單個(gè)導(dǎo)電片電流達(dá)400 A即可產(chǎn)生點(diǎn)燃性火花[11]。浮頂儲(chǔ)罐二次密封圈內(nèi)部相鄰導(dǎo)電片間隔不超過(guò)3 m，導(dǎo)電片數(shù)量n約為儲(chǔ)罐周長(zhǎng)的1/3，產(chǎn)生雷擊火花需要的雷電流幅為n×400（A），則儲(chǔ)罐發(fā)生雷電事故引起儲(chǔ)罐密封圈火災(zāi)的數(shù)學(xué)期望為P×ND。

1.2.2鄰近儲(chǔ)罐失效概率計(jì)算。熱輻射引起的目標(biāo)設(shè)備損壞概率可通過(guò)Cozzani等[12]建立的概率函數(shù)得到：

Pd=12π∫Y-5-∞e-x22dx（3）

式中，Y為目標(biāo)設(shè)備損壞的概率單位。對(duì)常壓容器而言，有：

Y=12.54-1.847 lnt （4）

lnt=-1.128lnq（r）-2.667×10-5V+9.887 （5）

式中，t為無(wú)故障時(shí)間（s）；q（r）為距火源距離r處目標(biāo)接收到的熱通量（kW/m2）；V為目標(biāo)設(shè)備容積（m3）。

1.2.3個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算。對(duì)于初始事故周圍的n個(gè)可能目標(biāo)，空間（x，y）處對(duì)應(yīng)的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)IR（x，y）為：

IR（x，y）=2nj=1（fj·Vj）（6）

fj=f0·∏1≤i≤n[1-qi+δ（2qi-1）]，δ=1，i∈j

0，ij（7）

Vj=minV0+ni=1δ×Vi，1，δ=1，i∈j

0，ij（8）

式中，f0為初始事件發(fā)生年頻率；qi為第i個(gè)設(shè)備失效對(duì)應(yīng)的擴(kuò)展概率；V0和Vj分別為初始事故和事故造成的人員死亡概率。在此采用Pietersen火災(zāi)熱輻射概率模型[13]計(jì)算儲(chǔ)罐附近人員死亡概率：

V=∫Pr-5-∞e-x22dx（9）

Pr=-37.23+2.56ln（t·I1.33） （10）

式中，t為人員承受熱輻射時(shí)間（min）；I為危險(xiǎn)區(qū)域人員受到的熱輻射通量（kW/m2）。

1.2.4基于多米諾事故分析的儲(chǔ)罐雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估修正模型。當(dāng)前的雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 21714.2-2008）以R=N×P×L為基本公式，將建筑物單體的雷擊災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)表示為危險(xiǎn)次數(shù)、損害概率及損失率三者的乘積。對(duì)于油品儲(chǔ)罐的承災(zāi)體特性，雷電擊中儲(chǔ)罐引起的人員傷亡風(fēng)險(xiǎn)包括2個(gè)風(fēng)險(xiǎn)分量，分別為：

RA=ND×PA×rA×Lt （11）

RB=ND×PB×rP×hz×rf×Lf（12）

式中，RA為雷擊儲(chǔ)罐時(shí)距離儲(chǔ)罐3 m范圍內(nèi)因接觸和跨步電壓導(dǎo)致的人員傷亡風(fēng)險(xiǎn)分量；RB為雷擊儲(chǔ)罐因危險(xiǎn)火花放電導(dǎo)致火災(zāi)、爆炸等物理?yè)p害引起的人員傷亡風(fēng)險(xiǎn)分量；ND為儲(chǔ)罐的年預(yù)計(jì)雷擊次數(shù)；PA為雷擊儲(chǔ)罐因接觸和跨步電壓造成人員傷亡的損害概率，取決于是否敷設(shè)地網(wǎng)；rA為影響人員傷亡損失的縮減因子，取決于土壤類型；Lt為接觸和跨步電壓傷害引起的損失率；PB為雷擊儲(chǔ)罐因危險(xiǎn)火花放電觸發(fā)導(dǎo)致人員傷亡的概率，取決于雷電防護(hù)系統(tǒng)措施；rP為與防火措施有關(guān)的縮減因子，取決于防火措施；hz為有特殊危險(xiǎn)時(shí)因物理?yè)p害導(dǎo)致人員傷亡的增長(zhǎng)因子，取決于人員密度；rf為火災(zāi)危險(xiǎn)程度的縮減因子，取決于消防負(fù)荷；Lf為物理?yè)p害引起的損失率。

由雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中各因子含義可知，對(duì)于油品儲(chǔ)罐而言，當(dāng)前的評(píng)估模型未考慮連鎖事故引起的風(fēng)險(xiǎn)擴(kuò)散的情況，為對(duì)其進(jìn)行量化，該研究在RB中增加一項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)擴(kuò)散因子he，表征雷擊事件引起鄰近裝置發(fā)生多米諾事故導(dǎo)致附近人員傷亡的增長(zhǎng)因子，將其表示為：he=SeS。式中，S為初始事故引起人員傷亡的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)曲線圍成的面積；Se為考慮多米諾擴(kuò)展效應(yīng)后人員風(fēng)險(xiǎn)曲線所圍面積。則修正后的儲(chǔ)罐雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型為：

RA=ND×PA×rA×Lt （13）

RB=ND×PB×rP×hz×he×rf×Lf （14）

2結(jié)果與分析

2.1初始事故頻率郎需慶等[14]研究指出，一次密封采用機(jī)械密封形式，油氣濃度達(dá)到爆炸極限的概率為19%。同時(shí)，LASTFIRE項(xiàng)目組對(duì)世界范圍內(nèi)浮頂罐火災(zāi)事件統(tǒng)計(jì)，55次密封圈火災(zāi)中有1例升級(jí)為全表面火災(zāi)[9]。根據(jù)公式（1）、（2），計(jì)算得到儲(chǔ)罐T1因雷擊發(fā)生全表面火災(zāi)事故的年頻率約為4.54×10-5。

2.2鄰近儲(chǔ)罐失效概率通過(guò)ALOHA軟件模擬計(jì)算T1儲(chǔ)罐發(fā)生全表面火災(zāi)時(shí)周圍空間的熱輻射通量強(qiáng)度，根據(jù)公式（3）～（5），計(jì)算得到熱輻射通量強(qiáng)度和鄰近儲(chǔ)罐失效概率隨儲(chǔ)罐距離的變化情況（圖2）。由儲(chǔ)罐區(qū)平面（圖1）可知，儲(chǔ)罐T2、T3、T4與T1距離分別為16.2、16.2和39.7 m。根據(jù)鄰近儲(chǔ)罐失效概率隨儲(chǔ)罐距離變化（圖2），確定鄰近儲(chǔ)罐T2、T3、T4失效擴(kuò)展概率分別為3.12×10-2、3.12×10-2和4.29×10-4。

圖2鄰近儲(chǔ)罐失效概率與儲(chǔ)罐間距的關(guān)系

Fig.2Relationship between failure probability of nearby tanks and tank spacing 2.3雷擊儲(chǔ)罐引起的多米諾事故個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)根據(jù)公式（6）～（10），將罐組周邊空間區(qū)域網(wǎng)格化，計(jì)算儲(chǔ)罐T1單獨(dú)發(fā)生雷擊事故和鄰近儲(chǔ)罐發(fā)生多米諾事故的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)曲線，其中鄰近儲(chǔ)罐發(fā)生事故的多米諾場(chǎng)景分別為儲(chǔ)罐T2發(fā)生事故，儲(chǔ)罐T3發(fā)生事故，儲(chǔ)罐T4發(fā)生事故，儲(chǔ)罐T2和T3發(fā)生事故，儲(chǔ)罐T2和T3發(fā)生事故，儲(chǔ)罐T3和T4發(fā)生事故，儲(chǔ)罐T2、T3和T4發(fā)生事故。對(duì)比考慮雷擊儲(chǔ)罐多米諾效應(yīng)前后的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)（圖3）可知，當(dāng)考慮多米諾效應(yīng)時(shí)，因雷擊而引發(fā)火災(zāi)事故的傷亡半徑明顯高于不考慮多米諾效應(yīng)的危害后果，表明當(dāng)雷電擊中裝置區(qū)某儲(chǔ)罐時(shí)，由于其擴(kuò)展效應(yīng)，周邊儲(chǔ)罐也會(huì)產(chǎn)生很高的人員傷亡風(fēng)險(xiǎn)。因此，在大型油罐的雷擊災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中，對(duì)于雷擊風(fēng)險(xiǎn)的擴(kuò)展效應(yīng)的考慮十分必要。

2.4基于多米諾事故分析的儲(chǔ)罐雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估根據(jù)工業(yè)ALARP原則[15]和GB/T 21714.22008人身傷亡風(fēng)險(xiǎn)容許值的有關(guān)規(guī)定，將每年雷擊災(zāi)害引起的人員傷亡的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)等值線數(shù)值規(guī)定為1.0×10-5，從而得到風(fēng)險(xiǎn)擴(kuò)展前后風(fēng)險(xiǎn)曲線所包圍的面積，進(jìn)而計(jì)算得到儲(chǔ)罐T1的擴(kuò)張因子he為1.56，其他風(fēng)險(xiǎn)因子數(shù)值見(jiàn)表1。根據(jù)儲(chǔ)罐雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估修正模型，計(jì)算得到RA=2.05×10-6、RB=3.20×10-6，則雷擊T1儲(chǔ)罐引起的人員傷亡風(fēng)險(xiǎn)值R1=5.25×10-6，低于GB/T 21714.22008規(guī)定的人員傷亡風(fēng)險(xiǎn)容許值（10-5），屬于可接受風(fēng)險(xiǎn)。

3結(jié)論

近年來(lái)雷電災(zāi)害引起的儲(chǔ)罐火災(zāi)爆炸事故越來(lái)越多，建立合理的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型十分必要。當(dāng)前的雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于石油化工裝置存在較大的局限性。該研究以雷電災(zāi)害對(duì)大型浮頂原油儲(chǔ)罐罐組影響為切入點(diǎn)，分析了雷擊引起爆炸火災(zāi)事故的情境，確定了儲(chǔ)罐因雷擊發(fā)生全表面火災(zāi)的基礎(chǔ)概率，并采取多米諾效應(yīng)的分析方法，建立了適用于大型浮頂儲(chǔ)罐的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，細(xì)化了評(píng)估模型中雷擊風(fēng)險(xiǎn)擴(kuò)散的量化標(biāo)準(zhǔn)，最后以天津市南港工業(yè)區(qū)20 000 m3外浮頂原油罐組為實(shí)例，通過(guò)對(duì)雷電擊中儲(chǔ)罐引起的雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行計(jì)算和分析，得到如下結(jié)論：

（1）雷擊導(dǎo)致的浮頂罐密封圈電火花是引起油罐火災(zāi)事故的主要原因。雷擊誘發(fā)的儲(chǔ)罐火災(zāi)可通過(guò)熱輻射形式作用于鄰近儲(chǔ)罐，引發(fā)多米諾事故。通過(guò)實(shí)例計(jì)算表明，雷電電火花引發(fā)儲(chǔ)罐全表面火災(zāi)后，由于初始事故多米諾效應(yīng)，傷害半徑有所增加，個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)大幅上升。

（2）對(duì)于油品儲(chǔ)罐的雷擊災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，可通過(guò)引入擴(kuò)展因子的方法，將雷擊事故引起的多米諾效應(yīng)影響納入評(píng)估模型之中，使得評(píng)估方法更有針對(duì)性，為石油化工場(chǎng)所的防雷減災(zāi)工作提供服務(wù)。

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