基于多米諾效應的輸氣站場保護層分析研究

齊峰 蔣宏業(yè) 徐濤龍 古芃

西南石油大學石油與天然氣工程學院

保護層分析（Layer of Protection Analysis，簡稱LOPA）是在定性分析基礎上，進一步評估獨立保護層（IPL）有效性，以確保事故風險降低到可容忍范圍內(nèi)的一種半定量評估方法。由于其分析客觀、可靠，并且簡單高效，近年來在石化企業(yè)得到廣泛應用。

國內(nèi)外學者對傳統(tǒng)LOPA 方法進行了改進，MARKOWSKI等[1]將專家系統(tǒng)融入保護層分析法中，并采用改進的保護層分析法對化學過程工業(yè)進行風險分析；YUN[2]提出貝葉斯-保護層分析方法，將已有的事故場景的失效概率和實驗數(shù)據(jù)相結(jié)合，進而更新了失效概率，并應用此方法分析了液化天然氣接收站的風險，結(jié)果證明該方法所得的失效概率更可靠；鄧彬等[3]將保護層分析與軌跡交叉理論相結(jié)合，對化工工藝過程的系統(tǒng)安全性進行分析，結(jié)果證明，LOPA 與軌跡交叉理論在功能上互補，能更為準確地找出風險較高的設備或行為。以上學者對保護層分析方法進行了不同程度的改進，但是都未考慮可燃氣體泄漏后由多米諾效應引起的升級事故后果。

由于輸氣站場平面空間限制，各設備在空間上布置緊密，若某設備泄漏，進而發(fā)生爆炸事故，在引發(fā)多米諾效應影響下，將造成事故后果擴大化。研究表明[4-5]，多米諾效應直接影響事故后果嚴重性。因此本文提出在進行后果嚴重度評估時，考慮由多米諾效應造成的升級事故后果，以期后果嚴重度評估更加客觀實際，為風險決策提供理論依據(jù)。

1 保護層分析

保護層分析是一種簡化的風險評估方法。通過對現(xiàn)有保護措施的可靠性進行量化，確定其消除或降低風險的能力[6]。LOPA 通常使用初始事件頻率、后果嚴重程度和獨立保護層失效概率的數(shù)量級大小來近似表征場景的風險[7]。LOPA 分析的邏輯圖如圖1所示。LOPA 的主要目的是確定是否有足夠的保護層，確保風險在可容忍范圍內(nèi)。對于一個場景有不同的獨立保護層，只要其中一個獨立保護層發(fā)揮作用，就可以避免不期望的事故后果發(fā)生。但是并沒有任何一個保護層是完全有效的，所以必須提供足夠的保護層以減小事故風險，使其滿足風險可容忍標準。

圖1 保護層分析邏輯圖Fig.1 Logic diagram of protective layer analysis

1.1 后果嚴重度評估

在進行LOPA 分析前，要對已篩選的場景進行后果嚴重度評估。事故后果嚴重度一般體現(xiàn)在人員、財產(chǎn)、環(huán)境、聲譽四個方面。評估方法一般有以下四種[8]：①釋放規(guī)模/特征評估；②簡化的傷害/致死評估；③需要進行頻率校正的簡化傷害/致死評估；④詳細的傷害/致死評估。目前，常用的評估方法是第②種和第③種方法。因其在實施過程中簡單易行，并且可以直接根據(jù)過去的經(jīng)驗、總結(jié)的查詢表進行評估，但由于沒有考慮多米諾效應，真實事故后果可能遠遠超過分析人員的計算。

1.2 確定初始事件頻率

初始事件一般分為外部事件、設備故障和人的失效三類[8]。本文主要考慮由設備失效造成的泄漏進而引發(fā)的爆炸等升級事故后果。

確定初始事件頻率，可采用許多失效數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，如《化工過程定量風險分析指南》《工藝設備可靠性數(shù)據(jù)指南》以及API 581等，還可以基于公司的經(jīng)驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析獲得。本文采用API 581的方法，通過設備損傷因子和管理因子對設備通用失效頻率修正，計算出設備失效頻率。

1.3 識別獨立保護層

美國化工過程安全中心（CCPS）將獨立保護層定義為“能夠阻止場景向不良后果繼續(xù)發(fā)展的一種設備、系統(tǒng)或行動，并且獨立于初始事件或場景中其他獨立保護層的行動[7]?！豹毩⒈Ｗo層必須滿足獨立性和有效性，并且獨立性和有效性必須具有可審查性。典型的獨立保護層如圖2所示。

圖2 典型獨立保護層Fig.2 Typical independent protective layer

在LOPA 分析中，合理區(qū)分獨立保護層和保護措施非常重要。保護措施可以是阻止場景向不良后果發(fā)展的任何設備、系統(tǒng)或行動。但是，一旦將其視為獨立保護層，將難以保證風險被控制在容忍標準范圍內(nèi)。

1.4 場景頻率計算及決策

場景后果頻率為初始事件頻率乘以獨立保護層的失效概率。當計算物質(zhì)釋放后造成的后果時，還會考慮使能條件、可燃物的影響、毒性影響范圍及人員暴露于可燃物或毒性物中的影響等。

考慮可燃物質(zhì)點火概率、人員暴露在影響范圍內(nèi)的概率及人員傷亡概率的后果頻率計算公式為

在天然氣站場保護層分析中，點火概率取0.1，人員暴露在影響區(qū)的概率為1，人員發(fā)生傷亡的概率為1。

2 多米諾效應分析

輸氣站場發(fā)生蒸氣云爆炸事故后，產(chǎn)生的熱輻射和超壓可能會因多米諾效應造成鄰近設備失效。根據(jù)輸氣站場的特點和COZZANI 等[9]的研究結(jié)果，本文主要考慮設備泄漏后發(fā)生蒸氣云爆炸的沖擊波超壓對鄰近設備造成的影響。

2.1 天然氣泄漏量

當站場中天然氣發(fā)生泄漏時，天然氣的物理性質(zhì)和所處的工藝條件決定了其泄漏速率。

式中：qm為設備發(fā)生泄漏時天然氣的泄漏速率，kg/s；Cd為泄漏系數(shù)，其取值與泄漏孔口形狀有關，泄漏孔口形狀為長方形時取0.90，三角形時取0.95，圓形時取1.00；A為泄漏孔口的面積，m2；p為當前工況下設備運行壓力，Pa；ps為環(huán)境大氣壓力，Pa；k為天然氣絕熱指數(shù)，取k=1.3；M為天然氣摩爾質(zhì)量，kg/mol；R為氣體常數(shù)，8.314 J/(mol·K)；T為當前工況下天然氣溫度，K。

一定時間內(nèi)，天然氣泄漏總量為

式中：W為一定時間內(nèi)天然氣泄漏總質(zhì)量，kg；t為天然氣泄漏的持續(xù)時間，s。

2.2 沖擊波超壓值

天然氣發(fā)生蒸氣云爆炸所產(chǎn)生的總能量為

式中：E為發(fā)生蒸氣云爆炸時釋放的總能量，kJ；1.8為地面爆炸系數(shù)；α為天然氣蒸氣云當量系數(shù)，取0.04；W為蒸氣云中天然氣總質(zhì)量，kg；Q為天然氣的燃燒熱，kJ/kg。

目前有兩種方法計算爆炸沖擊波超壓，分別為TNT當量法和直接計算法，本文采用直接計算法對蒸氣云爆炸進行計算。蒸氣云爆炸沖擊波正相最大超壓為

式中：Δp為沖擊波正相最大超壓，kPa；r為無量綱距離；D為目標設備到蒸氣云爆炸中心距離，m。

2.3 多米諾效應概率

目前，計算由多米諾效應造成的鄰近設備損壞的概率最常用的數(shù)學模型是基于經(jīng)驗數(shù)據(jù)的擴展函數(shù)概率模型[9]。因此，本文應用此模型計算沖擊波超壓造成鄰近目標設備損壞的概率為

式中：f為目標損壞的概率；Y為目標損壞的概率單位值，根據(jù)表1[10]中不同類型設備計算其取值。

表1 事故擴展概率計算模型Tab.1 Calculation model of accident extended probability

通過以上計算可以確定蒸氣云爆炸發(fā)生后的多米諾效應概率向量F為

式中：fi表示第i個設備因多米諾效應導致失效的概率；n為設備數(shù)。

3 案例分析

本文以某分輸站為例進行保護層分析。經(jīng)定性風險評估，篩選出分離器泄漏場景。在分析前首先評估后果嚴重度，計算由多米諾效應引起的升級事故后果。為簡化計算，僅考慮一級多米諾效應影響，不考慮進一步的擴大事故。

3.1 分輸站概述

該分輸站于2006年投產(chǎn)，目前運行壓力為8.0 MPa，天然氣日處理量為2 400 m3，站場內(nèi)的設備均為露天設置。根據(jù)研究表明，在輸氣站場中，設備的風險明顯高于管道的風險[11]。因此，僅對分輸站內(nèi)設備失效的情況進行分析，如清管器收發(fā)裝置、計量裝置、調(diào)壓裝置以及組合式分離器等。站場內(nèi)各設備的布置如圖3所示。

在本案例中，對分離器4發(fā)生泄漏的情況進行分析，當前工況下，分離器內(nèi)天然氣溫度為20 ℃，燃燒熱值為5 100 kJ/kg。根據(jù)歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)得知，該分離器存在不同程度的外腐蝕和內(nèi)腐蝕，外腐蝕速率為0.014 mm/a；內(nèi)腐蝕為局部腐蝕，腐蝕形狀呈直徑為6 mm 的圓形分布，腐蝕速率為0.11 mm/a。

3.2 分離器失效頻率

采用API 581計算分離器失效頻率方法為

式中：Pf為設備失效概率；gff為通用失效頻率；Df為設備損傷因子；FMS為企業(yè)管理因子。

查詢API 581源文件中同類設備失效數(shù)據(jù)庫[12]，得到分離器的通用失效頻率為1.0×10-4。根據(jù)站場內(nèi)歷史檢測數(shù)據(jù)和設備運行條件，通過API 581中方法計算得到分離器的設備損傷因子為9.14。通過對站場管理系統(tǒng)評價后得到管理修正因子為0.37。基于以上數(shù)據(jù)進行計算，得到分離器失效頻率為3.38×10-4。

3.3 后果嚴重度評估

3.3.1 泄漏速率計算

根據(jù)站場的歷史檢測數(shù)據(jù)，內(nèi)腐蝕較外腐蝕嚴重，且腐蝕坑為直徑6 mm 的圓形，因此假設分離器4發(fā)生直徑為6.4 mm 的圓孔泄漏。經(jīng)計算，在當前工況下，天然氣呈音速流動，其泄漏速率為13.89 kg/s。

3.3.2 泄漏總量計算

根據(jù)該站場的監(jiān)測系統(tǒng)，設泄漏時間為20 min，根據(jù)公式（4）計算得天然氣的總泄漏量為1.67×104kg。

3.3.3 多米諾效應概率

根據(jù)分輸站場平面布置圖中各設備與分離器4的距離，以及公式（5）～（8）計算得到各設備所受到的沖擊波超壓值及設備損壞的概率，結(jié)果如表2所示。

表2 沖擊波超壓值及設備損壞概率計算結(jié)果Tab.2 Calculation results of shock wave overpressure value and equipment damage probability

由表2可知，當發(fā)生蒸氣云爆炸后，各設備的多米諾效應概率向量為：F=[0.967，0.967，0.834，0，0.375，0.379，0.379，0.375，1，1，1]。

3.3.4 多米諾效應后果嚴重度

根據(jù)以上計算結(jié)果，當分離器4泄漏之后發(fā)生蒸氣云爆炸，則其他3臺分離器均因沖擊波超壓造成損壞，并且對其他設備也會造成不同程度的損壞，明顯增加了后果嚴重度。根據(jù)風險矩陣，后果嚴重度等級為5級。經(jīng)過分析，對于設備泄漏的事故場景，站場內(nèi)并沒有可以作為獨立保護層的保護措施。

3.4 場景頻率計算及決策

根據(jù)以上分析以及場景頻率計算公式，該場景的頻率為3.38×10-5/a。應適當增加保護措施，使風險降低到可容忍范圍內(nèi)。分析小組決定提出兩點建議：①在設備處增加可燃氣體監(jiān)測報警裝置，并對該報警建立相應的人員應急處理機制；②對設備定期進行腐蝕檢測，對危險腐蝕點及時處理。

4 結(jié)束語

在計算多米諾效應時，采用直接計算法計算沖擊波超壓值，得出鄰近設備所受的正相最大超壓值，并根據(jù)基于經(jīng)驗的擴展函數(shù)概率模型計算了引發(fā)鄰近設備損壞的概率。通過API 581中的方法對設備失效概率進行計算，確定初始事件的發(fā)生頻率。該初始事件概率結(jié)合了站場的管理因子及基于歷史檢測數(shù)據(jù)的設備損傷因子，計算得到的失效概率更符合實際。

由于空間限制，一旦輸氣站發(fā)生爆炸，極易發(fā)生多米諾效應，造成重大安全事故。將多米諾效應引入保護層分析，可以更加客觀地對事故后果進行評估，為后期風險決策提供可靠依據(jù)。