基于風(fēng)險耦合的石油罐區(qū)火災(zāi)爆炸事故風(fēng)險評價

張伯瑩(中海石油技術(shù)檢測有限公司，天津 300452)

0 引言

石油儲罐因其中儲存的介質(zhì)大都具有易燃、易爆特性而易發(fā)生火災(zāi)爆炸事故，導(dǎo)致人員傷亡及財產(chǎn)損失。石油罐區(qū)風(fēng)險管理的研究引起國內(nèi)外學(xué)者的重視。Moshashaei等研究并總結(jié)了浮頂油罐火災(zāi)爆炸事故原因，確定了11個主要因素及71個子因素。Halloul等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。C.D.Argyropoulos提出了采用檢查表法對儲罐進行風(fēng)險識別。Guo Xiaofang等則預(yù)測和評價了油罐爆炸引起的熱輻射和沖擊波的影響。目前的研究尚缺少對于風(fēng)險因素耦合的關(guān)注，而事故的發(fā)生多為不同風(fēng)險因素間相互作用的結(jié)果。因此，本文從風(fēng)險因素耦合的角度出發(fā)，評價石油罐區(qū)火災(zāi)爆炸事故風(fēng)險因素，并研究不同風(fēng)險因素之間的耦合度，希望能夠為罐區(qū)安全管理提供參考。

1 建立風(fēng)險評價指標體系

1.1 石油罐區(qū)火災(zāi)爆炸事故風(fēng)險因素辨識

通過相關(guān)文獻的查閱，將石油罐區(qū)火災(zāi)爆事故風(fēng)險評價指標分為人的風(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5個一級風(fēng)險指標，具體風(fēng)險評價指標體系如圖1所示。

圖1 石油罐區(qū)火災(zāi)爆炸事故風(fēng)險評價指標體系

1.2 基于AHP的指標權(quán)重計算

層次分析法是一種定性與定量相結(jié)合的評價方法，在安全、環(huán)境等多個領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

1.2.1 構(gòu)造判斷矩陣

通過行業(yè)內(nèi)若干名專家對各層指標兩兩比對，以1～9及其倒數(shù)作為相對重要性比例標度構(gòu)造判斷矩陣A，標度方法見表1。

表1 1～9標度方法

1.2.2 計算權(quán)重向量W

運用特征向量法求得權(quán)重向量W，將權(quán)重向量右乘判斷矩陣A，有：

式中：λmax為判斷矩陣A的最大特征值；λmax存在且唯一，將求得的W進行歸一化處理。

1.2.3 層次單排序及一致性檢驗

計算一致性指標CI，有：

計算一致性比例CR，有：

式中：RI取值見表2；若CR＜0.1，則判斷矩陣滿足一致性檢驗，若CR≥0.1，則判斷矩陣不滿足一致性檢驗，需對判斷矩陣作適當修改。

表2 平均隨機一致性指標

2 基于逆向云模型的打分及期望

云模型是由李德毅院士于1995年提出的一種使定性概念與定量描述之間發(fā)生轉(zhuǎn)換的模型，由期望Ex，熵En以及超熵He表述[6]。云發(fā)生器即實現(xiàn)定性概念與定量描述相互轉(zhuǎn)換發(fā)生的過程，包括正向云、逆向云、條件云三種。

逆向云發(fā)生器可將定性的概念量化，將專家打分情況轉(zhuǎn)換為數(shù)字特征值Ex、En、He，同時可通過數(shù)字特征剔除離散程度大的打分，保證打分的準確性。云模型特征公式如(4)～(6)所示。

由此可實現(xiàn)對底層指標的打分，并得出相應(yīng)期望值。

3 建立風(fēng)險耦合度模型

3.1 構(gòu)造功效函數(shù)

針對石油罐區(qū)火災(zāi)爆炸事故風(fēng)險系統(tǒng)，其耦合度指標的功效函數(shù)可表示為：

式中：Uij為一級底層指標對其上級子系統(tǒng)的有序度的功效，表示各項指標與目標的一致性，Uij=∈[0-9]，其值越接近0，則一致性越差；其值越接近1，則一致性越強。

此時，各個子系統(tǒng)作為二級底層指標，對其上級子系統(tǒng)的有序度的功效計算公式為：

式中：Ui為二級底層指標對其上級子系統(tǒng)的有序度的功效；ωij為一級底層指標的權(quán)重。由此可推出各個指標相對上級子系統(tǒng)的功效。

3.2 構(gòu)造耦合度模型

依據(jù)物理學(xué)范疇的容量耦合概念，可以建立石油罐區(qū)火災(zāi)爆炸事故風(fēng)險耦合度模型[11]。

兩個系統(tǒng)間的耦合度模型：

由于根據(jù)耦合度模型所得耦合度是與參與耦合子系統(tǒng)的數(shù)量相關(guān)的，不同數(shù)量的子系統(tǒng)間耦合度無法直接進行對比。故為方便對比，本文均采用兩個系統(tǒng)間的耦合度模型，對于多個系統(tǒng)間的耦合，可將其拆分為兩個子系統(tǒng)，由公式(9)求兩子系統(tǒng)的組合功效值，再由兩個系統(tǒng)間的耦合度模型(10)得出耦合度，最后根據(jù)拆分方式的不同得出的耦合度求均值即為所求。

4 評價模型的應(yīng)用

文章以大連某大型石油罐區(qū)為研究對象進行火災(zāi)爆炸事故風(fēng)險耦合評價。

4.1 構(gòu)造耦合度模型

為簡化計算，運用matlab8.3編程計算層次分析結(jié)果。求得各指標權(quán)重見表3。

表3 風(fēng)險指標權(quán)重

4.2 專家打分及期望求值

在罐區(qū)HSE部門，技術(shù)部門，現(xiàn)場操作工人中共選取10人對30個底層指標分別進行打分，利用matlab8.3對逆向云發(fā)生器編碼并運算，若數(shù)字特征為復(fù)數(shù)，則需要剔除離散程度大的打分并補入新的專家打分，打分為百分制，0～20分為輕度風(fēng)險；20～40分為低度風(fēng)險；40～60分為中度風(fēng)險；60～80分為重度風(fēng)險；80～100分為極度風(fēng)險。最后所得期望結(jié)果表4。

表4 底層指標期望

4.3 功效值計算

針對4.2節(jié)所得期望結(jié)合(7)～(9)式計算各項指標的功效值。計算結(jié)果見表5。

表5 風(fēng)險指標功效

4.4 一級指標雙因素耦合度計算

一級指標雙因素耦合共有10種耦合方式，包括人-機耦合、人-環(huán)耦合、人-管耦合、人-消耦合、機-環(huán)耦合、機-管耦合、機-消耦合、環(huán)-管耦合、環(huán)-消耦合、管-消耦合，分別記為C21、C22、C23、C24、C25、C26、C27、C28、C29、C2X。依照公式(10)計算耦合度結(jié)果見表5。

4.5 標多因素一級指耦合度計算

一級指標多因素耦合包括包括人-機-環(huán)耦合、人-機-管耦合、人-機-消耦合、人-環(huán)-管耦合、人-環(huán)-消耦合、人-管-消耦合、機-環(huán)-管耦合、機-環(huán)-消耦合、機-管-消耦合、環(huán)-管-消耦合、人-機-環(huán)-管耦合、人-機-環(huán)-消耦合、人-機-管-消耦合、人-環(huán)-管-消耦合、機-環(huán)-管-消耦合、人-機-環(huán)-管-消耦合，分別記為C31、C32、C33、C34、C35、C36、C37、C38、C39、C3X、C41、C42、C43、C44、C45、C5。依 照3.2節(jié)的拆分原則及式(10)計算耦合度結(jié)果見表6。

4.6 耦合度計算結(jié)果分析

將所求得耦合度按照降序排列可得：

(1)雙因素耦合中，人-環(huán)耦合、人-管耦合的耦合度相對最高；其中有消防風(fēng)險因素參與的耦合方式耦合度最小 ；不考慮消防風(fēng)險因素參與的雙因素耦合方式，機、管風(fēng)險因素的非全面耦合的耦合度大于其全面耦合的耦合度；人、環(huán)風(fēng)險因素的非全面耦合的耦合度小于全面耦合的耦合度。

(2)三因素耦合中人-機-環(huán)耦合、人-環(huán)-管耦合、人-機-管耦合的耦合度相對最高，其中有消防風(fēng)險因素參與的耦合方式耦合度最??；不考慮消防風(fēng)險因素，所有耦合方式中有人的風(fēng)險因素參與的三風(fēng)險因素耦合方式耦合度最高。

(3)四風(fēng)險因素耦合中，人-機-環(huán)-管耦合、人-機-環(huán)-消耦合的耦合度相對較高；有人的風(fēng)險因素參與的耦合形式耦合度較高，有消防風(fēng)險因素參與的耦合形式耦合度較低；人、機風(fēng)險因素全面耦合大于其非全面耦合。

表6 耦合度計算結(jié)果

5 結(jié)語

(1)針對石油罐區(qū)火災(zāi)爆炸事故，在傳統(tǒng)的人-機-環(huán)-管四類風(fēng)險因素基礎(chǔ)上引入消防風(fēng)險因素，建立以人-機-環(huán)-管-消為一級風(fēng)險評價指標的石油罐區(qū)火災(zāi)爆炸事故風(fēng)險評價體系，并結(jié)合層次分析法確定各項指標的權(quán)重。

(2)逆向云模型的應(yīng)用將專家對于各風(fēng)險指標的評價分數(shù)轉(zhuǎn)化為數(shù)字特征，并對其合理性進行檢驗，從而降低了專家打分的離散程度，使得評價方法更科學(xué)。

(3)運用耦合度模型對石油罐區(qū)火災(zāi)爆炸事故風(fēng)險因素耦合度進行評價，定量評價了各種耦合形式的耦合度強弱關(guān)系，對安全管理工作具有重要意義。

(4)從耦合度模型的應(yīng)用可知，有人的風(fēng)險因素參與的耦合方式耦合度較高，有消防風(fēng)險因素參與的耦合方式耦合度較低。因此在該罐區(qū)安全管理工作中應(yīng)充分發(fā)揮人的主觀能動性，提升人員的安全意識及專業(yè)素質(zhì)，避免其與其他風(fēng)險因素耦合。