基于N-K模型的石油罐區(qū)火災(zāi)爆炸事故風(fēng)險因素耦合研究

(東北石油大學(xué) 機械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江大慶 163318)

0 引言

由于石油儲罐中儲存的石油以及其他物質(zhì)具有易燃、易爆炸、易揮發(fā)、易產(chǎn)生靜電、易擴散等特性，因此石油罐區(qū)易發(fā)生火災(zāi)爆炸事故，造成巨大的人員傷亡及財產(chǎn)損失。

國內(nèi)外對于石油罐區(qū)安全領(lǐng)域已有一定的研究。Moshashaei等[1]通過研究浮頂油罐火災(zāi)爆炸事故，總結(jié)火災(zāi)爆炸事故原因，并運用分析網(wǎng)絡(luò)及Super Decisions軟件進行加權(quán)和優(yōu)先級排序，確定了浮頂罐火災(zāi)爆炸事故的11個主要標(biāo)準(zhǔn)及71個子標(biāo)準(zhǔn)。Halloul等[2]采用模糊故障樹分析與專家訪談相結(jié)合的方法對原油罐區(qū)火災(zāi)爆炸事故風(fēng)險進行識別與評估。Argyropoulos等[3]通過與希臘的工業(yè)安全專家進行討論，提出在塞韋索的指令的框架下、采用檢查表法對儲罐進行風(fēng)險識別，并根據(jù)導(dǎo)致罐區(qū)發(fā)生事故后果的嚴(yán)重性進行排序。Guo等[4]則針對現(xiàn)有的儲油罐區(qū)環(huán)境風(fēng)險，預(yù)測和評價了油罐爆炸引起的熱輻射和沖擊波的影響。包其富等[5]采用層次分析-模糊綜合評價方法實現(xiàn)單個儲罐的安全狀況分級，并結(jié)合區(qū)域定量風(fēng)險評價方法實現(xiàn)石油罐區(qū)整體風(fēng)險評價。任常興等[6]引入火災(zāi)風(fēng)險嚴(yán)重度指數(shù)評價石油罐區(qū)火災(zāi)風(fēng)險相對影響水平及等級。牛淑婷[7]提出主要的引發(fā)石油罐區(qū)火災(zāi)爆炸事故的風(fēng)險因素,并制定相應(yīng)的針對性措施,加強安全管理。

分析國內(nèi)外學(xué)者的研究可以看出，當(dāng)前對于石油罐區(qū)的風(fēng)險評估以及風(fēng)險管理的研究大多從單因素角度出發(fā)，而沒有從風(fēng)險因素耦合的角度進行研究，且石油罐區(qū)火災(zāi)爆炸事故多為不同風(fēng)險因素相互作用、相互耦合而發(fā)生的。因此，為有效避免石油罐區(qū)發(fā)生火災(zāi)爆炸事故，應(yīng)從風(fēng)險耦合的角度出發(fā)，研究致使罐區(qū)發(fā)生火災(zāi)爆炸事故的多種風(fēng)險因素的耦合特性，建立罐區(qū)風(fēng)險因素耦合規(guī)律，為石油罐區(qū)實現(xiàn)在風(fēng)險閾值內(nèi)的動態(tài)平衡提供理論依據(jù)。

1 石油罐區(qū)火災(zāi)爆炸事故風(fēng)險因素辨識

通過查閱相關(guān)文獻[1-10]，將石油罐區(qū)火災(zāi)爆炸事故風(fēng)險分為人員風(fēng)險因素、設(shè)備風(fēng)險因素、環(huán)境風(fēng)險因素、管理風(fēng)險因素、消防風(fēng)險因素等5個一級風(fēng)險因素，具體風(fēng)險因素辨識見表1。

表1 風(fēng)險因素辨識

2 石油罐區(qū)火災(zāi)爆炸事故風(fēng)險耦合類型及機理

風(fēng)險耦合是指系統(tǒng)內(nèi)部可導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定性失衡的因素之間相互影響、相互促進，致使系統(tǒng)風(fēng)險值上升或下降的現(xiàn)象[11]。如果數(shù)種風(fēng)險因素發(fā)生耦合后導(dǎo)致系統(tǒng)風(fēng)險值上升，此現(xiàn)象屬于風(fēng)險正耦合；如果數(shù)種風(fēng)險因素發(fā)生耦合后導(dǎo)致系統(tǒng)風(fēng)險值降低，則此現(xiàn)象稱之為風(fēng)險負(fù)耦合。本文主要研究風(fēng)險因素進行耦合過程后致使系統(tǒng)風(fēng)險值上升的現(xiàn)象，即風(fēng)險正耦合現(xiàn)象。

2.1 石油罐區(qū)火災(zāi)爆炸事故風(fēng)險耦合類型

將上文提到的石油罐區(qū)系統(tǒng)火災(zāi)爆炸事故風(fēng)險(分為人、機、環(huán)、管、消5個一級風(fēng)險因素)分別記為a,b,c,d,e。依照此分類，石油罐區(qū)火災(zāi)爆炸事故風(fēng)險耦合可分為單因素耦合、雙因素耦合及多因素耦合。

單因素耦合是指同一個一級風(fēng)險因素分類下的二級風(fēng)險因子之間發(fā)生耦合。這種耦合形式通常屬于最常見的耦合形式，但耦合后影響程度較小，一般不會超出系統(tǒng)整體風(fēng)險閾值。

雙因素耦合是指2個不同一級風(fēng)險因素分類下的二級風(fēng)險因子之間發(fā)生耦合。包括人-機耦合風(fēng)險、人-環(huán)耦合風(fēng)險、人-管耦合風(fēng)險、人-消耦合風(fēng)險、機-環(huán)耦合風(fēng)險、機-管耦合風(fēng)險、機-消耦合風(fēng)險、環(huán)-管耦合風(fēng)險、環(huán)-消耦合風(fēng)險、管-消耦合風(fēng)險，分別記為T21(a,b)，T22(a,c)，T23(a,d)，T24(a,e)，T25(b,c)，T26(b,d)，T27(b,e)，T28(c,d)，T29(c,e)，T2Ⅹ(d,e)。

多因素耦合是指3個及3個以上不同一級風(fēng)險因素分類下的二級風(fēng)險因子之間發(fā)生耦合。包括人-機-環(huán)耦合風(fēng)險、人-機-管耦合風(fēng)險、人-機-消耦合風(fēng)險、人-環(huán)-管耦合風(fēng)險、人-環(huán)-消耦合風(fēng)險、人-管-消耦合風(fēng)險、機-環(huán)-管耦合風(fēng)險、機-環(huán)-消耦合風(fēng)險、機-管-消耦合風(fēng)險、環(huán)-管-消耦合風(fēng)險、人-機-環(huán)-管耦合風(fēng)險、人-機-環(huán)-消耦合風(fēng)險、人-機-管-消耦合風(fēng)險、人-環(huán)-管-消耦合風(fēng)險、機-環(huán)-管-消耦合風(fēng)險、人-機-環(huán)-管-消耦合風(fēng)險,分別記為T31(a,b,c),T32(a,b,d),T33(a,b,e),T34(a,c,d),T35(a，c，e),T36(a,d,e),T37(b,c,d),T38(b,c,e),T39(b,d,e),T3Ⅹ(c,d,e),T41(a,b,c,d),T42(a,b,c,e),T43(a,b,d,e),T44(a,c,d,e),T45(b,c,d,e),T51(a,b,c,d,e)。

2.2 石油罐區(qū)風(fēng)險耦合機理

石油罐區(qū)系統(tǒng)中存在諸多風(fēng)險因素，其中單個風(fēng)險因素往往并不會直接致使石油罐區(qū)發(fā)生火災(zāi)爆炸事故，而是各種風(fēng)險因素之間發(fā)生耦合導(dǎo)致原油罐區(qū)整體風(fēng)險值上升至超出系統(tǒng)自身安全水平閾值，從而導(dǎo)致石油罐區(qū)發(fā)生火災(zāi)爆炸事故。國內(nèi)學(xué)者大部分只對原油罐區(qū)火災(zāi)爆炸事故基于多方面風(fēng)險因素進行致因分析，研究單個風(fēng)險因素與事故之間的聯(lián)系及影響，卻忽略了風(fēng)險因素之間的耦合作用。

圖1 石油罐區(qū)火災(zāi)爆炸事故風(fēng)險耦合機理示意

如圖1所示，在石油罐區(qū)系統(tǒng)中存在人、機、環(huán)、管、消5個子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)分類下的二級風(fēng)險因子之間相互促進、疊加，發(fā)生耦合，擴大原有風(fēng)險值，使其突破子系統(tǒng)安全防御閾值并與其他子系統(tǒng)的風(fēng)險因子再次進行耦合的過程中產(chǎn)生聚類突變，經(jīng)過耦合過程，打破原系統(tǒng)的風(fēng)險平衡狀態(tài)，或超過石油罐區(qū)系統(tǒng)的風(fēng)險閥值整體水平，最終使風(fēng)險因素耦合后的整體風(fēng)險水平高于風(fēng)險耦合前的風(fēng)險水平，從而發(fā)生火災(zāi)爆炸事故。

3 風(fēng)險耦合模型的構(gòu)建

N-K模型起源于信息理論，是一種解決復(fù)雜系統(tǒng)計算的通用模型。其中包含參數(shù)N和K，N是指構(gòu)成系統(tǒng)要素的個數(shù)，K是指網(wǎng)絡(luò)中相互依賴關(guān)系的個數(shù)，其中0≤K≤N-1[12]。

3.1 確定石油罐區(qū)風(fēng)險耦合信息交互公式

通過對石油罐區(qū)系統(tǒng)運行過程中的5類風(fēng)險因素交互信息進行計算，對由于風(fēng)險耦合作用所形成的新的風(fēng)險狀態(tài)進行評價，通過各類風(fēng)險耦合方式發(fā)生次數(shù)判斷各類耦合方式的耦合概率。即若某種耦合形式發(fā)生的次數(shù)越多，則該耦合方式的耦合發(fā)生概率越大；通過耦合值的大小反映耦合風(fēng)險值的大小，即某種耦合形式所得耦合值越大，表明該耦合方式耦合風(fēng)險值越高，發(fā)生火災(zāi)爆炸事故的概率越高。交互信息計算公式如下：

·log2[Phijkl/(Ph....·P.i...

·P..j..·P...k.·P....l)]

(1)

其中,h=1,2,…,H;i=1,2,…,I;j=1,2,…,J;k=1,2,…,K;l=1,2,…,L。

式中Phijkl——石油罐區(qū)系統(tǒng)中人的風(fēng)險處于h狀態(tài),設(shè)備風(fēng)險處于i狀態(tài)，環(huán)境風(fēng)險處于j狀態(tài)，管理風(fēng)險處于k狀態(tài)，消防風(fēng)險處于l狀態(tài)時，5種風(fēng)險發(fā)生耦合的概率。

T值是對于石油罐區(qū)系統(tǒng)火災(zāi)爆炸風(fēng)險耦合的數(shù)量化評估。T值越大，表明在該狀態(tài)下石油罐區(qū)系統(tǒng)安全水平越低，發(fā)生火災(zāi)爆炸事故的概率就越大。

3.2 構(gòu)建石油罐區(qū)火災(zāi)爆炸事故雙因素風(fēng)險耦合模型

石油罐區(qū)火災(zāi)爆炸事故風(fēng)險耦合多以局部耦合形式發(fā)生，局部耦合可以由兩種不同類型的風(fēng)險因素進行耦合，例如人-機耦合形式，即人的風(fēng)險因素與設(shè)備風(fēng)險因素進行耦合致使石油罐區(qū)系統(tǒng)安全平衡狀態(tài)失穩(wěn)，從而發(fā)生火災(zāi)爆炸事故，其他類型風(fēng)險因素在此次耦合過程中不具有決定性影響，這種耦合形式稱為局部耦合。因此，可以通過計算發(fā)生兩種風(fēng)險類型之間的信息交互來研究局部耦合情況。以人-機耦合為例構(gòu)建風(fēng)險耦合模型如式(2)，同理可構(gòu)建全部雙因素風(fēng)險耦合模型。

(2)

3.3 構(gòu)建石油罐區(qū)火災(zāi)爆炸事故多因素風(fēng)險耦合模型

同理，局部耦合也可以由3種或4種不同類型風(fēng)險因素進行耦合，例如人-機-環(huán)耦合，此種耦合方式中管理風(fēng)險與消防風(fēng)險無決定性影響；人-機-環(huán)-管耦合，此種耦合方式中消防風(fēng)險無決定性影響。以人-機-環(huán)耦合為例構(gòu)建三因素風(fēng)險耦合模型如式(3)，以人-機-環(huán)-管耦合為例構(gòu)建四因素風(fēng)險耦合模型如式(4)，同理可構(gòu)建全部多因素風(fēng)險耦合模型。

·P.i...·P..j..)]

(3)

·P.i...·P..j..·P...k .)]

(4)

4 石油罐區(qū)火災(zāi)爆炸風(fēng)險耦合實證分析

4.1 風(fēng)險耦合計算

根據(jù)相關(guān)資料[8]及實地調(diào)研統(tǒng)計出1972～2018年國內(nèi)外石油罐區(qū)火災(zāi)爆炸事故案例82起，通過對事故統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析，得出風(fēng)險耦合次數(shù)及風(fēng)險耦合頻率，風(fēng)險未發(fā)生用“0”表示，風(fēng)險發(fā)生用“1”表示，則5類風(fēng)險分類共有32種可能的風(fēng)險耦合形式結(jié)果見表2。

表2 1972～2018年石油罐區(qū)火災(zāi)爆炸風(fēng)險耦合次數(shù)及頻率

為計算T值，首先需要計算以下不同方式風(fēng)險耦合的概率。

(1)單因素耦合不同情況下發(fā)生的概率。

人的風(fēng)險因素不參與風(fēng)險耦合時石油罐區(qū)發(fā)生火災(zāi)爆炸事故的概率為P0....=P00000+P01000+P00100+P00010+P00001+P01100+P01010+P01001+P00110+P00101+P00011+P01110+P01101+P01011+P00111+P01111=0.0000+0.0000+0.0976+0.0000+0.0000+0.0488+0.0122+0.0000+0.0244+0.0366+0.0000+0.0122+0.0366+0.0366+0.0122+0.0244=0.3416,同理可求得其余結(jié)果。計算結(jié)果見表3。

表3 單因素風(fēng)險變化概率

(2)雙因素耦合不同情況下發(fā)生的概率。

人的風(fēng)險因素與設(shè)備風(fēng)險因素均不參與風(fēng)險耦合時石油罐區(qū)發(fā)生火災(zāi)爆炸事故的概率為P00...=P00000+P00100+P00010+P00001+P00110+P00101+P00011+P00111=0.0000+0.0976+0.0000+0.0000+0.0244+0.0366+0.0000+0.0122=0.1708,同理可求得其余結(jié)果,計算結(jié)果如表4所示。

表4 雙因素風(fēng)險變化概率

(3)多因素耦合不同情況下發(fā)生的概率。

人的風(fēng)險因素與設(shè)備風(fēng)險因素及消防風(fēng)險因素均不參與風(fēng)險耦合時石油罐區(qū)發(fā)生火災(zāi)爆炸事故的概率為P00..0=P00000+P00100+P00010+P00110=0.0000+0.0976+0.0000+0.0244=0.1220。同理可以求得其余結(jié)果，計算結(jié)果見表5。

表5 多因素風(fēng)險變化概率

(續(xù)表5)

通過已構(gòu)建風(fēng)險耦合模型,可計算出石油罐區(qū)各項風(fēng)險耦合的T值，計算結(jié)果如下：

T21=0.023467427,T22=0.156375293,

T23=0.100106004,T24=0.039581477,

T25=0.016828638,T26=0.000016532,

T27=0.003747548,T28=0.217325925,

T29=0.014844345,T2Ⅹ=0.002121561,

T31=0.272014739,T32=0.204785229,

T33=0.120081086,T34=0.447377565,

T35=0.252879588,T36=0.220010281,

T37=0.331434599,T38=0.095687131,

T39=0.079904587,T3Ⅹ=0.260460098,

T41=0.621386225,T42=0.319736817,

T43=0.276255606,T44=0.515568031,

T45=0.365189486,T5=0.721525291。

對所得T值按降序排列可得：

T5>T41>T44>T34>T45>T37>T42>T43>T31>T3Ⅹ>T35>T36>T28>T32>T22>T33>T23>T38>T39>T24>T21>T29>T25>T27>T2Ⅹ>T26

按耦合因素數(shù)量升序作T值分布圖，如圖2所示。

圖2 不同類型風(fēng)險耦合T值分布圖

求雙因素耦合T值、三因素耦合T值、四因素耦合T值平均值得：

4.2 計算結(jié)果分析

(1)隨著參與耦合風(fēng)險數(shù)量的增加，T值總體呈上升趨勢；且隨著耦合風(fēng)險種類的增加，T值均值遞增，即參與風(fēng)險耦合的風(fēng)險因素越多，石油罐區(qū)發(fā)生火災(zāi)爆炸事故風(fēng)險越大。管理者應(yīng)找出關(guān)鍵風(fēng)險因素，消弱風(fēng)險因素風(fēng)險水平，減少參與耦合的風(fēng)險種類。

(2)在雙因素風(fēng)險耦合中，環(huán)-管耦合、人-環(huán)耦合、人-管耦合的T值相對較大，具有較強的耦合性；在三因素風(fēng)險耦合中，人-環(huán)-管耦合、機-環(huán)-管耦合、人-機-環(huán)耦合具有較強的耦合性；在四因素風(fēng)險耦合中，人-機-環(huán)-管耦合與人-環(huán)-管-消耦合具有較強的耦合性。以上耦合形式應(yīng)作為控制石油罐區(qū)火災(zāi)爆炸風(fēng)險優(yōu)先考慮的耦合形式。

(3)由單因素變化概率值及風(fēng)險耦合T值可以得出，在石油罐區(qū)火災(zāi)爆炸5個風(fēng)險因素中，有人的風(fēng)險因素參與的風(fēng)險耦合次數(shù)最多，且風(fēng)險耦合的T值較大。

5 結(jié)語

(1)將消防風(fēng)險因素加入石油罐區(qū)火災(zāi)爆炸事故風(fēng)險因素分類，并將其引入風(fēng)險耦合T值計算，提高了石油罐區(qū)火災(zāi)爆炸事故風(fēng)險耦合分析的全面性。

(2)對石油罐區(qū)火災(zāi)爆炸事故風(fēng)險耦合作用進行分析，建立了耦合視角下火災(zāi)爆炸事故致因模型，指出石油罐區(qū)發(fā)生火災(zāi)爆炸事故是由致使風(fēng)險擴大導(dǎo)致的，并利用N-K模型對各類耦合形式進行度量。

(3)在進行石油罐區(qū)的風(fēng)險管理過程中，應(yīng)避免多個因素發(fā)生耦合作用，當(dāng)某一因素出現(xiàn)危險源時，其他因素存在風(fēng)險的可能也很大，在及時消除該風(fēng)險因素的同時，應(yīng)避免與其他潛在風(fēng)險因素發(fā)生耦合效應(yīng)，尤其注意避免具有較強耦合性的耦合方式發(fā)生。

(4)在石油罐區(qū)火災(zāi)爆炸風(fēng)險耦合中，人是關(guān)鍵耦合因素，應(yīng)充分發(fā)揮人的主觀能動性，提高管理強度，并加強對設(shè)備因素，環(huán)境因素以及消防因素的管理，從而降低罐區(qū)發(fā)生火災(zāi)爆炸的頻率。