基于三維風(fēng)險分析的加油站風(fēng)險評估

喬建宇，李 凱，康 健*，宋冰雪，白永強(qiáng)

(1.北京石油化工學(xué)院 安全生產(chǎn)工程技術(shù)研究院，北京 102617；2.北京市勞動保護(hù)科學(xué)研究所城市有毒有害易燃易爆危險源控制北京市重點實驗室，北京 100054)

城市內(nèi)加油站分布范圍較廣，部分加油站周邊人口密度較大。由于油品具有易燃、易爆等危險性，一旦發(fā)生火災(zāi)爆炸事故可能造成較大人員傷亡與社會影響[1-2]。2007年11月24日，上海浦東一加油站發(fā)生爆炸事故，造成4人死亡，40多人受傷。隨著我國城市化進(jìn)程快速推進(jìn)，城市居住人口數(shù)量不斷提高，汽車保有量持續(xù)增長，市區(qū)內(nèi)加油站數(shù)量不斷增加，城市加油站風(fēng)險存量不斷增大。因此，建立更加有效的風(fēng)險分析方法，對加油站進(jìn)行更加全面深入的風(fēng)險評估，可以為科學(xué)地制定加油站風(fēng)險控制措施提供技術(shù)支撐，對加油站的安全運行和城市安全發(fā)展具有重要意義。

目前，由于缺少危險源特性的針對性基礎(chǔ)研究，系統(tǒng)全面的風(fēng)險辨識理論解釋不足，加油站采用的安全評價方法主要是道化學(xué)法和模糊綜合評價法等[3-4]。道化學(xué)方法主要用于火災(zāi)爆炸影響區(qū)域研究，但對人的不安全行為等不確定性因素關(guān)注較少。模糊綜合評價法可以對評價對象給出較為綜合的結(jié)論，但該方法計算過程主觀性較強(qiáng)。因此，筆者基于三維風(fēng)險分析模型對加油站存在的風(fēng)險因素進(jìn)行系統(tǒng)辨識，集成優(yōu)化各風(fēng)險評估指標(biāo)算法，對提升加油站風(fēng)險控制策略的科學(xué)性，保證加油站的安全運行具有重要的現(xiàn)實意義[5]。

1 構(gòu)建三維分析的加油站安全評價流程

近年來，工程領(lǐng)域的多維度風(fēng)險分析模型實現(xiàn)了對研究對象的多角度分析，為風(fēng)險評估提供了新的視角[6-7]。在對加油站風(fēng)險解釋和指標(biāo)探討的基礎(chǔ)上，提出的基于三維風(fēng)險分析的加油站風(fēng)險評估流程包括以下3個基本步驟。

(1)構(gòu)建基于事故發(fā)生可能性、事故后果嚴(yán)重度和社會敏感度的加油站三維風(fēng)險數(shù)學(xué)模型。

首先，以事故發(fā)生的可能性和事故后果嚴(yán)重度構(gòu)建平面坐標(biāo)系；

其次，利用安全檢查表和危險性與可操作分析從人為因素和設(shè)備因素對加油站的風(fēng)險因素進(jìn)行定量和定性的分析；

再次，引入社會敏感度作為第3個維度，根據(jù)式(1)從三個維度對加油站進(jìn)行風(fēng)險定量計算。

R=f(P,L,S)=P×L×S

(1)

式中：R為加油站的風(fēng)險值；P表示事故發(fā)生可能性，即事故發(fā)生的概率，可能性越大，事故越容易發(fā)生；L表示事故嚴(yán)重性，即事故發(fā)生可能導(dǎo)致的后果嚴(yán)重程度，事故越嚴(yán)重則損失越大；S表示社會敏感性，指導(dǎo)致社會發(fā)生的空間和人員敏感程度，特定地理位置或者特定人群發(fā)生事故后果更嚴(yán)重。

(2)確定三維風(fēng)險數(shù)學(xué)模型指標(biāo)數(shù)值。

首先，確定事故發(fā)生可能性風(fēng)險因素估值；

其次，基于蒸汽云爆炸模型確定事故發(fā)生后果嚴(yán)重程度估值；

再次，確定事故發(fā)生的社會敏感度值。

(3)基于層次分析法對三維風(fēng)險數(shù)學(xué)模型評估指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重賦值。

首先，對不同種類的指標(biāo)進(jìn)行層次化的分析，進(jìn)而構(gòu)成有序的遞階層次結(jié)構(gòu)；

其次，根據(jù)兩兩比較判斷對每個目標(biāo)層進(jìn)行比較，比較判斷結(jié)果建立每一層次的判斷矩陣，最終得到二級指標(biāo)在層次結(jié)構(gòu)中的權(quán)重分配；

再次，根據(jù)式(2)計算加油站三維風(fēng)險值，確定風(fēng)險等級。

(2)

式中：di，dj，dk分別為第i，j，k個指標(biāo)現(xiàn)實得分；ωi，ωj，ωk分別為第i，j，k個指標(biāo)對于1級指標(biāo)的權(quán)重；n，m，l分別為可能性、嚴(yán)重性、敏感性評價指標(biāo)個數(shù)。

2 基于風(fēng)險辨識確定事故發(fā)生可能性

加油站的風(fēng)險水平可能受以下因素影響：油品儲存能力和方法；通過現(xiàn)場的車輛數(shù)量和分配操作發(fā)生的次數(shù)；定期在場地上或周圍的雇員和公眾人數(shù)；設(shè)備的年限和類型；與現(xiàn)場的其他活動和固定裝置有關(guān)的汽油設(shè)備(分配器、填充點、儲罐、管道等)的位置，如洗車場、商店、快餐店、車輛維修車庫等。汽油設(shè)備相對于非現(xiàn)場特征的位置，如鄰近其他被占用建筑物、地下隧道、公共通道等。

通過對加油站中人為因素和設(shè)備因素的分析，辨識加油站風(fēng)險影響因素，建立加油站風(fēng)險評價可能性指標(biāo)體系，構(gòu)成加油站的風(fēng)險影響因素，如表1所示，以事故發(fā)生的可能性作為目標(biāo)層，加油站的管理制度、人的行為、加油區(qū)、油罐區(qū)、卸油區(qū)5項內(nèi)容作為一級指標(biāo)，事故發(fā)生的27項風(fēng)險因素為二級指標(biāo)[6-7]。

表1 加油站風(fēng)險影響因素分析

Table 1 Risk factors impacting on the oil and gas station analysis

目標(biāo)層事故發(fā)生可能性一級指標(biāo)A1管理制度A2人的行為A3加油區(qū)設(shè)備A4油罐區(qū)設(shè)備A5卸油區(qū)設(shè)備二級指標(biāo)P1安全生產(chǎn)責(zé)任制P2員工安全培訓(xùn)制度P3安全檢查制度P4應(yīng)急預(yù)案并演練P5消防設(shè)備管理制度P6設(shè)備檢修制度P7警示標(biāo)志P8吸煙P9未按操作規(guī)程操作P10工作產(chǎn)生火花、火星P11未穿著防靜電服P12停車未熄火P13加油機(jī)密封失效P14加油機(jī)防爆失效P15輸油帶破損P16意外因素P17油罐泄露P18摩擦火花P19防靜電失效P20消防系統(tǒng)失靈P21液位檢測失效P22卸油膠管破損P23油罐車密封破損P24油罐車沒有消除靜電P25沒有安裝防靜電樁P26可燃?xì)怏w報警裝置失效P27卸油軟管導(dǎo)靜電性能差

3 基于蒸汽云模型計算加油站事故后果嚴(yán)重度

加油站內(nèi)最嚴(yán)重的事故類型是油罐內(nèi)的可燃?xì)怏w的燃燒爆炸，所以計算事故發(fā)生的半徑時，采取蒸汽云爆炸模型來計算加油站的死亡半徑。

蒸汽云爆炸是可燃?xì)怏w與空氣形成的混合氣體并且可燃?xì)怏w的濃度達(dá)到爆炸極限的區(qū)間內(nèi)，遇到明火的情況下可以導(dǎo)致蒸汽云爆炸。主要采用TNT當(dāng)量法和TNO模型法定量計算蒸汽云爆炸造成的損失。采用TNT當(dāng)量法來計算蒸汽云爆炸產(chǎn)生的半徑。蒸汽云爆炸主要因為爆炸時產(chǎn)生的強(qiáng)大的沖擊波對周圍的人員和建筑造成傷害，因此可以用超壓準(zhǔn)則確定人員傷亡區(qū)域及財產(chǎn)損失區(qū)域[10-11]。

(1)計算儲罐的最大貯存質(zhì)量為：

Wf=ρv

(3)

(2)計算儲罐爆炸時的TNT當(dāng)量計算式為：

(4)

式中：地面爆炸系數(shù)為1.8；a為蒸氣云當(dāng)量系數(shù)，取a=0.04；Qf為汽油的爆熱，取Qf=44 000 kJ/kg；QTNT為TNT的爆熱，取QTNT=4 500 kJ/kg。

(3)確定傷害半徑R1、R2、R3：

①死亡半徑R1為：

R1=13.6(WTNT/1 000)0.37

(5)

②重傷半徑R2為：

(6)

③輕傷半徑R3為：

(7)

當(dāng)發(fā)生爆炸時，如果離爆炸中心的距離之比與炸藥量Q的3次方根之比相等，則所產(chǎn)生的沖擊波超壓相同。

R/RO=(QTNT/QO)1/3，則ΔP=ΔP0

(8)

式中：R為目標(biāo)與爆炸中心的距離(m)；R0為目標(biāo)與基準(zhǔn)爆炸中心的距離(m)；Q0為基準(zhǔn)爆炸能(TNT當(dāng)量，kg)；QTNT為爆炸時產(chǎn)生沖擊波所消耗的能量(TNT當(dāng)量，kg)；ΔP為目標(biāo)處的超壓(MPa)；ΔP0為基準(zhǔn)目標(biāo)處的超壓(MPa)。

④財產(chǎn)損失半徑R財?shù)挠嬎闶綖椋?/p>

R財=K∏WTNT1/3/(1+(3 175/WTNT)2)1/6

(9)

式中：K∏為建筑物二級破壞系數(shù)，取5.6。

(4)由死亡半徑、重傷半徑、輕傷半徑，計算出死亡、重傷、輕傷人數(shù)。

死亡人數(shù)：

N1=3.14ρ1(R死2-R02)

(10)

重傷人數(shù)：

N2=3.14ρ2(R重2-R死2)

(11)

輕傷人數(shù)：

N3=3.14ρ3(R輕2-R重2)

(12)

財產(chǎn)損失：

N4=3.14R財ρ4

(13)

式中：R0為無人區(qū)半徑，一般取R0=0；ρ1為死亡區(qū)平均人員密度；ρ2為重傷區(qū)平均人員密度；ρ3為輕傷區(qū)平均人員密度；ρ4為破壞區(qū)平均財產(chǎn)密度，通常取0.05萬元/m2[12]。

損失工作日數(shù)N：

N=6 000N1+3 000N2+105N3

(14)

事后財產(chǎn)損失：

(15)

在確定半徑范圍以后，可以確定在某個傷害范圍里的人員密度及經(jīng)濟(jì)損失。將事故發(fā)生時的爆炸半徑和經(jīng)濟(jì)損失這兩個方面作為評價加油站事故后果嚴(yán)重度的一級指標(biāo)；同時采用專家打分法和層次分析法對這兩項指標(biāo)進(jìn)行賦值和計算一級指標(biāo)在目標(biāo)層中的權(quán)重；最后在計算加油站總體風(fēng)險值的時候，對一級指標(biāo)的四級至一級分別賦值1、2、3、4(如表2所示)，從而可以計算出加油站事故后果嚴(yán)重的風(fēng)險值[13]。

表2 事故后果嚴(yán)重度分級表

4 社會敏感度判斷

即使規(guī)模相同的加油站發(fā)生相同的爆炸事故，也會因為其處于的地理位置、周圍有無建筑、周圍的人口密度等因素的差異而造成不同的傷亡人數(shù)和財產(chǎn)損失，所以在評價加油站的風(fēng)險等級時，除了要考慮可能導(dǎo)致加油站發(fā)生事故的風(fēng)險因素、風(fēng)險因素發(fā)生概率的大小以及可能造成何種程度的后果，也要考慮加油站所處的地理位置和周圍的環(huán)境因素，即對加油站進(jìn)行社會敏感度評價[14]。

可通過以下幾個方面對城市功能區(qū)進(jìn)行定義和劃分：

(1)區(qū)域內(nèi)是否存在重大危險源。

(2)人員的易損性：如發(fā)生事故時，在區(qū)域內(nèi)人員是否可以快速撤離到安全區(qū)域。在事發(fā)的區(qū)域內(nèi)有無高層建筑或醫(yī)院等，導(dǎo)致在區(qū)域內(nèi)人員在短時間內(nèi)無法達(dá)到安全區(qū)域，在發(fā)生二次事故時會造成人員傷害。

(3)人員暴露的可能性：事故發(fā)生時，在區(qū)域內(nèi)暴露的人員數(shù)量。在事故發(fā)生時，暴露在外的人員數(shù)量越多，造成的人員傷亡就越大。

根據(jù)以上的幾個方面確定城市中各類功能區(qū)以及各類功能區(qū)可接受風(fēng)險基準(zhǔn)，參考《危險化學(xué)品生產(chǎn)、儲存裝置個人可接受風(fēng)險標(biāo)準(zhǔn)和社會可接受風(fēng)險標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(原國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局2014年第13號令)，如表3所示。

表3 城市功能區(qū)劃分

在評價事故發(fā)生的社會敏感度時，以加油站所在的不同城市功能區(qū)(即空間因素)和評價目標(biāo)周圍的人口密度(即人群種類)作為二級指標(biāo)評價加油站事故發(fā)生后的社會敏感度；同時采用專家打分法和層次分析法對這兩項指標(biāo)進(jìn)行賦值和計算一級指標(biāo)在目標(biāo)層中的權(quán)重；最后在計算加油站總體風(fēng)險值時，對一級指標(biāo)的四級至一級分別賦值1～4。如表4所示。

表4 社會敏感度分級

5 基于三維風(fēng)險的加油風(fēng)險等級評估模型

第四類風(fēng)險區(qū)域：在三維模型中的風(fēng)險值范圍為1～12。在這個區(qū)間內(nèi)的加油站事故發(fā)生可能性比較小，不太可能發(fā)生比較嚴(yán)重的事故，并且相對位于第四類城市功能區(qū)中。這樣的加油站在平時的生產(chǎn)生活中要繼續(xù)保持已有的管理制度和檢查制度。屬于安全的加油站。

第三類風(fēng)險區(qū)域：在三維模型中的風(fēng)險值范圍為12～32。在這個區(qū)間內(nèi)的加油站事故發(fā)生可能性比較低，有時可能發(fā)生比較嚴(yán)重的事故，并且相對位于第四類城市功能區(qū)或者第三類城市功能區(qū)中。這樣的加油站在平時的生產(chǎn)生活應(yīng)加強(qiáng)對管理制度和檢查制度的實施，同時第三類城市功能區(qū)中的加油站要定期對安全預(yù)案進(jìn)行演習(xí)并宣傳，屬于安全較高的加油站。

第二類風(fēng)險區(qū)域：在三維模型中的風(fēng)險值范圍為32～52。在這個區(qū)間內(nèi)的加油站事故發(fā)生可能性比較高，可能發(fā)生比較嚴(yán)重的事故，并且相對位于第三類城市功能區(qū)或者第二類城市功能區(qū)中。這樣的加油站在平時的生產(chǎn)生活中根據(jù)辨識出的風(fēng)險因素改進(jìn)管理制度和檢查制度。同時要在加油站附近進(jìn)行應(yīng)急事故的宣傳，使周圍群眾在事故發(fā)生時可以快速的離開危險區(qū)域，屬于安全性比較低的加油站。

第一類風(fēng)險區(qū)域：在三維模型中的風(fēng)險值范圍為52～64。在這個區(qū)間內(nèi)的加油站事故發(fā)生可能性很高，會發(fā)生比較嚴(yán)重的事故，并且相對位于第一類城市功能區(qū)或者第二類城市功能區(qū)中。這樣的加油站在平時的生產(chǎn)生活中針對辨識出的風(fēng)險因素制定相應(yīng)的管理制度和檢查制度，并對檢查出的風(fēng)險因素進(jìn)行整改，必要時可停業(yè)整改。同時要在加油站附近進(jìn)行應(yīng)急事故的宣傳，使周圍群眾在事故發(fā)生時可以快速的離開危險區(qū)域，屬于安全性最低的加油站。

6 結(jié)論

提出了基于三維分析的加油站安全評價程序和模型，全面辨識加油站風(fēng)險影響因素，建立加油站事故發(fā)生可能性評估指標(biāo)體系，基于蒸汽云爆炸模型確定事故發(fā)生后果嚴(yán)重程度，根據(jù)加油站在城市中的不同區(qū)域界定事故社會敏感度，基于三個維度的分析，最終確定加油風(fēng)險等級，提高了加油站安全評價工作的科學(xué)性和準(zhǔn)確性。并制定針對性的控制策略。

(1)從加油站人為因素和設(shè)備因素角度出發(fā)，將影響加油站風(fēng)險因素分為管理制度、人的行為、加油區(qū)、油罐區(qū)、卸油區(qū)五類，基于此建立事故發(fā)生可能性評價指標(biāo)體系；以蒸汽云爆炸沖擊波對周圍的人員和建筑造成傷害為依據(jù)，確定事故后果嚴(yán)重程度；根據(jù)加油站處于的地理位置、周圍有無建筑、周圍的人口密度等特征確定事故社會敏感度模型。

(2)運用AHP構(gòu)造不同層次的判斷矩陣確定各分析維度中的指標(biāo)權(quán)重，通過簡單數(shù)學(xué)模型確定加油站風(fēng)險值，為加油站提供風(fēng)險分級標(biāo)準(zhǔn)，將加油站根據(jù)風(fēng)險進(jìn)行分級，可針對不同的風(fēng)險等級采取不同的安全監(jiān)管措施。