定量風險評價法中泄漏失效頻率探討

尚騰飛+吳佳亮

摘 要：運用定量風險評價法進行定量分析計算的時候，一直備受關注的就是設備設施失效頻率的分析和失效數(shù)據(jù)庫的建立。用DNV（挪威船級社）開發(fā)的LEAK軟件通過舉例對泄漏失效頻率進行計算，指出失效數(shù)據(jù)庫對定量風險評價的重要性。

關鍵詞：定量風險評價法；泄漏；失效頻率；LEAK軟件；失效數(shù)據(jù)庫

中圖分類號：TB 文獻標識碼：A doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2017.34.093

1 定量風險評價法概述

定量風險評價法簡單說就是采用定量化的概率風險值（比如個人風險和社會風險）是對裝置發(fā)生事故的概率及其后果進行定量分析和計算，參考相關可接受風險標準對系統(tǒng)危險性進行風險評價并確定外部安全防護距離的方法。

2 定量風險評估技術的歷史

國外定量風險評價從化工行業(yè)開始，始于20世紀60年代。美國道（DOW）化學公司于1964年首先提出“火災、爆炸危險指數(shù)評價法”，英國帝國化學公司（ICI）蒙德（MOND）部在此基礎上加入毒性概念，提出了“蒙德火災、爆炸、毒性指標評價法”。日本勞動省以DOW指數(shù)法和MOND法作為參考，于1976年提出 “化工廠安全評價六階段法”。

20世紀70年代初，英國原子能管理局的FARMER于1967年提出了概率風險評價。美國的Rasmuessn教授于1974年發(fā)表了著名的《WASH-1400》（商用核電站輕水反應堆的風險評價）報告。英國則成為20世紀70年代以來最早系統(tǒng)研究重大危險源控制技術的國家。

荷蘭政府災害預防委員會CPR出版有黃皮書（YELLOW BOOK）、紅皮書（RED BOOK）和紫皮書（PURPLE BOOK）。黃皮書中主要提及失效后果的物理模型，紅皮書提及失效頻率的計算方法，紫皮書闡述了定量風險評估的計算方法，為定量風險評估軟件的開發(fā)打下基礎。

3 計算過程

首先要確定被模擬的事故場景，接著根據(jù)理論知識和事故經(jīng)驗進行危險源辨識，辨識過危險有害因素，識別出危險源后，失效頻率分析將估算其轉(zhuǎn)化為事故的可能性。與此同時，通過計算機模擬加上適當?shù)呐袛嗄M估算事故發(fā)生的后果影響，及其對人員、設備和結(jié)構、財產(chǎn)等造成的損失。

風險結(jié)果就是在模擬事故場景后得出的發(fā)生頻率和事故后果的估算值的最終結(jié)果。

根據(jù)定量風險分析（QRA）的結(jié)果在設計階段和裝置的安全管理上提出更多有效的安全對策措施。在整個過程當中引進一個迭代循環(huán)，通過重復定量風險分析（QRA）的計算，能夠估算出安全對策措施的可行性。參照《AQT3046-2013化工企業(yè)定量風險分析導則》，定量風險分析（QRA）基本程序如圖1所示。

圖1 定量風險分析基本程序

4 風險標準

風險標準可以理解為判斷風險是否可接受的標準。依照設定的標準比較風險級別并對其主要風險因子進行識別，這一過程即為風險分析。風險分析的目的是對不可接受風險的發(fā)生提出的改善措施，同時也為了將風險的整體等級降低到盡可能降低區(qū)（As Low As Reasonably Practicable，簡稱為ALARP）。

一般來說風險成果分為兩種風險類型，即個人風險和社會風險。定量風險分析（QRA）中對界區(qū)外的風險用個人風險等高線和F-N曲線表示。

4.1 個人風險和個人風險標準

個人風險是指單位時間內(nèi)（通常為一年）的個體死亡率。通常用個人風險等值線表示。個人風險等高線一般皆采用特定位置個人風險（Location Specific Individual Risk，簡稱為LSIR）的計算方法，其表示界區(qū)外某一個體持續(xù)出現(xiàn)在某一特定位置所遭遇的各類安全事故的頻率。基于特定位置個人風險的定義，以個人死亡風險等高線形式表示的風險結(jié)果是保守的。

需要注意的是風險等高線沒有提供任何關于人數(shù)受到影響的信息，只是人員存在于特定位置的死亡機率。個人風險等高線一般是用來評估外界對設施風險的可接受度，例如居民區(qū)、商業(yè)區(qū)和化工園區(qū)等。

通過定量風險分析，危險化學品單位周邊重要目標和敏感場所承受的個人風險應滿足相關法律法規(guī)和標準規(guī)范的規(guī)定。主要是針對低密度人員場所、居住類高密度場所和公眾聚集類高密度場所以及高敏感場所、重要目標和特殊高密度場所等防護目標的失效概率，在針對新建裝置和已建在役裝置上的要求各有不同。

4.2 社會風險和F-N曲線

社會風險是對個人風險的補充，指在個人風險確定的基礎上，考慮到危險源周邊區(qū)域的人口密度，以免發(fā)生群死群傷事故的概率超過社會公眾的可接受范圍。通常用F-N曲線表示。

可容許社會風險標準采用ALARP原則作為可接受原則。ALARP原則通過兩個風險分界線將風險劃分為3個區(qū)域：不可容許區(qū)、盡可能降低區(qū)（ALARP）和可容許區(qū)。

如果F-N曲線處于不可接受區(qū)域，這意味著周邊人群暴露于偏高的風險，必須盡全力降低其風險。如果F-N曲線處于可接受區(qū)域，意味著周邊人群暴露于可以接受的風險，因此無需采取更進一步的風險降低措施。如果F-N曲線處于盡可能降低（ALARP）的區(qū)域內(nèi)，企業(yè)應根據(jù)自身的經(jīng)濟狀況和現(xiàn)實情況來確定是否應采取特定的安全對策措施來降低風險，提高安全生產(chǎn)水平。

4.3 風險計算

通過給定時間內(nèi)熱輻射強度、沖擊波超壓、毒物擴散濃度的概率可計算出火災、爆炸、有毒氣體泄漏事故的死亡概率。

假設區(qū)域內(nèi)一危險源，其在區(qū)域內(nèi)某一空間地理坐標為（x，y）處產(chǎn)生的個人風險值可以在頻率和后果分析基礎上，經(jīng)過一系列復雜的演算得出，計算公式如下：

但是在通常情況下，失效后果及個人風險計算量非常大，一般需借助專業(yè)的風險評估軟件實現(xiàn)較為準確的計算。endprint

5 DNV公司定量風險分析軟件介紹

挪威船級社（DNV）的定量風險分析軟件（SAFETI）已在世界許多國家得到廣泛運用并受到多方好評。國家安監(jiān)總局在相關文件中也推薦使用此軟件進行定量風險評估，軟件主要包括PHAST、SAFETI和LEAK。其中PHAST軟件主要用于事故后果的模擬計算；LEAK軟件是用于計算不同設備或裝置的事故發(fā)生概率（失效頻率）；SAFETI軟件（部分版本也叫RISK）主要用于定量風險分析。SAFETI軟件對前期數(shù)據(jù)的收集，模型的創(chuàng)建，事故場景的模擬等具有非常高的要求，要求操作者充分熟悉現(xiàn)場情況，準確分析可能發(fā)生的事故情景，精確輸入相關的工藝設備參數(shù)、氣象參數(shù)、著火點分布和人口分布等。通過對事故發(fā)生后其熱輻射強度、爆炸壓力及毒性擴散區(qū)域進行分析計算，加入失效頻率，得出每一個可能發(fā)生的事故對每個風險觀測點和周邊環(huán)境造成的影響，并在評估報告中提出相應的對策措施。

運用SAFETI軟件進行定量風險計算，根據(jù)事故狀態(tài)的不同，選用不同的模型進行計算，以數(shù)字或者圖標的形式顯示風險結(jié)果，然后將該結(jié)果與相應的風險標準進行比較得出其風險是否可接受。若得到的風險結(jié)果是可以接受的，則工作完成；若風險結(jié)果不能接受，則應考慮相應的安全措施，例如加設保護層，然后進行重復計算，直到降低風險只可以接受的程度。

6 失效頻率分析

6.1 失效頻率

在定量風險評估軟件計算過程中，對結(jié)果有影響的包括很多方面，其中一直備受關注的就是失效頻率的分析。事故失效頻率的分析包括固定泄漏場景下設備設施泄漏頻率和泄漏發(fā)生后產(chǎn)生的事故后果的概率。泄漏頻率主要來源于企業(yè)失效數(shù)據(jù)庫、事故歷史數(shù)據(jù)、供應商提供的數(shù)據(jù)以及失效概率模型。

6.2 泄漏場景

事故概率的分析和定量風險評價首先要將事故發(fā)生的場景進行模擬和識別。泄漏場景的選定應綜合考慮設備設施的工藝流程、工藝參數(shù)、事故模擬和實際運行情況。泄漏場景根據(jù)泄漏孔徑大小分為小孔泄漏、中孔泄漏、大孔泄漏和完全破裂。當設備設施直徑小于150mm時，取小于設備設施直徑的孔徑的泄漏場景或完全破裂場景。表1中列出了四種現(xiàn)在常用的泄漏場景。

6.3 數(shù)據(jù)庫

在失效頻率數(shù)據(jù)庫方面，基礎泄漏頻率分析數(shù)據(jù)通過歷史事故統(tǒng)計分析得到。目前我們接觸到的常用失效數(shù)據(jù)庫包括美國化學工程師協(xié)會的PERD數(shù)據(jù)庫、挪威船級社的DPD數(shù)據(jù)庫和OREDA數(shù)據(jù)庫等。中國已推出《石油天然氣工業(yè)設備可靠性和維修數(shù)據(jù)的交集與交換》（GB/T 20172-2006）標準，但是目前國內(nèi)沒有完整的失效數(shù)據(jù)庫，通常的做法是采用國外數(shù)據(jù)庫的失效概率并根據(jù)國內(nèi)設備情況和管理情況進行修正，并不能精確反映國內(nèi)設備的失效情況。

在實際運用中，我們通常選擇計算機軟件來完成失效頻率的選擇，本文采用挪威船級社（DNV）開發(fā)的LEAK軟件進行分析計算，并結(jié)合浙江省安全生產(chǎn)科學研究院的數(shù)據(jù)庫進行相應的篩選和調(diào)整。

浙江省安全生產(chǎn)科學研究院建立的企業(yè)安全基礎數(shù)據(jù)庫是一個開放的、實時更新的、不斷完善的、系統(tǒng)化的數(shù)據(jù)平臺。數(shù)據(jù)庫包含法律法規(guī)、標準規(guī)范、氣象條件、水文條件、危險化學品理化性質(zhì)（MSDS）、典型危險工藝分析、化工操作單元的危險性分析、常用危險化學品事故處置方案、典型事故應急處置方案、安全事故案例、事故調(diào)查報告、定量計算模型、設備設施失效統(tǒng)計、地理信息系統(tǒng)等板塊。數(shù)據(jù)庫平臺的搭建是為了更好的指導和服務于安全生產(chǎn)。

在前文提到的，挪威船級社在失效概率數(shù)據(jù)庫的開發(fā)上做了很多的努力，數(shù)據(jù)庫中的大部分數(shù)據(jù)來源于海洋石油公司。此外，DNV針對泄漏失效的問題，專門開發(fā)了泄漏評價軟件（LEAK），以幫助企業(yè)計算出符合企業(yè)自身條件的失效概率數(shù)據(jù)，從而為創(chuàng)建失效數(shù)據(jù)庫做好充分的準備。

7 LEAK軟件計算泄漏失效頻率

LEAK軟件計算失效頻率可以通過孔徑和泄漏速率兩種途徑來進行，LEAK軟件的工作流程如下：

收集數(shù)據(jù)—創(chuàng)建項目—明確項目的特性—明確LEAK TREE的架構—設置設備數(shù)據(jù)—設置輸出種類—計算泄漏失效頻率。

軟件運算過程中用到的數(shù)據(jù)包括設備設施數(shù)量（包含設備設施的組成），系統(tǒng)壓力，系統(tǒng)氣液相比，孔徑和流速等。

我們選取某石化公司主裝置區(qū)某一反應器，根據(jù)企業(yè)提供的相應數(shù)據(jù)應用LEAK軟件統(tǒng)計出設備設施的泄漏失效頻率。

7.1 項目概況

某石化公司廠區(qū)內(nèi)生產(chǎn)裝置區(qū)中的某一反應器，設計壓力為3.7MPa，設計溫度400℃，容積約為300m3，進口管徑1300mm，出口管徑1100mm，其中的主要反應物料為氫氣、油氣和相應催化劑。

7.2 模型建立

在LEAK軟件中，以反應器作為一個獨立單元新建模型：（1）插入裝置模塊；（2）在裝置模塊下插入?yún)^(qū)域模塊；（3）在區(qū)域模塊下插入?yún)^(qū)段模塊；（4）在區(qū)段模塊下插入設備模塊；（5）在設備模塊下插入該設備所具備的一些組件的類型（由上至下分別為壓縮機，過濾器，法蘭，熱交換器，管道，泵，截面連接件，閥門，壓力容器）；（6）對企業(yè)提供的數(shù)據(jù)進行篩選后，選擇最終的模型。整個流程圖如圖2。

7.3 主要參數(shù)選擇

模型選定后，我們針對每個模型模塊進行參數(shù)的選擇，所需要輸入的參數(shù)如圖3所示（數(shù)量，尺寸，壓力，汽液相比，泄漏類型，孔徑等）。

7.4 失效頻率結(jié)果

將設備管線參數(shù)、修正系數(shù)和管理修正系數(shù)錄入LEAK軟件后，就可以得出這個反應器總體的和各個組件在各類泄漏模式下的泄漏失效頻率，見圖4。

以上僅為舉例闡述LEAK軟件計算泄漏失效頻率的流程，在實際運用中，失效頻率的有效與否還是需要靠現(xiàn)場勘查和資料收集，所收集的信息越全面得出的結(jié)果越可靠。

8 結(jié)語

（1）歐美部分國家和地區(qū)在針對設備設施的泄漏失效后所采取的措施方面已經(jīng)取得很大的進展，通過加設保護層、加強設計分析等技術措施使得泄漏的風險降低到可接受的范圍。然而國內(nèi)目前在定量風險評價方面的發(fā)展存在很大的瓶頸，主要在于缺少一套適用于國內(nèi)企業(yè)設備設施的失效數(shù)據(jù)庫。因此，失效數(shù)據(jù)庫的建立QRA發(fā)展的基礎。

（2）失效數(shù)據(jù)庫的建設是基礎工作，也是最為關鍵的工作，需要大量的人力、物力、財力和時間。浙江省安全生產(chǎn)科學研究院建立的企業(yè)安全基礎數(shù)據(jù)庫雖然已經(jīng)對相關的失效數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計，但是范圍有限，需要有大量的基礎數(shù)據(jù)累積而成，也需要時間和經(jīng)驗的累積。

（3）國內(nèi)大部分企業(yè)運用先進的定量風險分析軟件（例如DNV的SAFETI軟件）卻在參考國外數(shù)據(jù)庫中的失效數(shù)據(jù)，導致風險分析結(jié)果不精確甚至錯誤。通過應用LEAK軟件統(tǒng)計出每個企業(yè)的失效數(shù)據(jù)從而建立屬于企業(yè)自身的失效數(shù)據(jù)庫是風險管理工作中的重要任務。

（4）在使用失效頻率計算軟件的時候，必須結(jié)合工程的實際情況，積累事故經(jīng)驗，并對計算過程中每一個參數(shù)的抉擇都要加以斟酌和了解，確保每一個輸入項的合理性和自身的符合性，保證精確地模擬實際情形，從而得出相對精確的失效頻率數(shù)據(jù)。

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