LPG港口的定量風(fēng)險分析*

巫志鵬，李夫元

(1.中國石化青島安全工程研究院，山東青島 266104 2.中國石化鎮(zhèn)海煉化分公司，浙江寧波 315200)

0 前言

近年來我國進口低溫LPG、LNG量越來越大，LPG、LNG港口碼頭越來越多。低溫LPG主要成分是低溫丙烷，低溫丙烷沸點為-42.1 ℃，對空氣的相對密度為1.56，從石油化工安全角度講，LPG比空氣重，低溫LPG比常溫LPG氣化慢，一旦低溫LPG泄漏，擴散危害距離更遠。2015年天津港“8·12”特別重大火災(zāi)爆炸事故造成的社會影響，使政府部門、規(guī)劃單位、建設(shè)單位對LPG碼頭的規(guī)劃建設(shè)和安全風(fēng)險持更加謹慎的態(tài)度，怎樣科學(xué)地分析評估LPG港口的風(fēng)險？低溫LPG碼頭的選址規(guī)劃、總平面布置合理嗎？低溫LPG碼頭與常溫LPG碼頭風(fēng)險一樣嗎？

國際上解決化工園區(qū)、化工石化項目規(guī)劃、建設(shè)安全風(fēng)險問題的技術(shù)方法主要是定量風(fēng)險分析方法，該分析方法分兩類——基于后果的方法和基于風(fēng)險的方法。LPG碼頭是最危險的一類碼頭，近10余年來國際上關(guān)于油氣化工碼頭規(guī)劃、總平面布置的安全風(fēng)險研究文章很少，原因是定量風(fēng)險分析很耗費時間，當工程項目工期緊張時沒有充裕時間運用定量風(fēng)險分析方法進行計算。經(jīng)過國際文獻檢索，近10余年來，運用定量風(fēng)險分析方法對油氣化工港口總體布置進行風(fēng)險分析的文章僅有A. Ronza等做的工作以及一些LNG碼頭的風(fēng)險分析文章，A. Ronza等運用定量風(fēng)險分析方法對巴塞羅那港油氣化工船舶進港、裝卸的風(fēng)險進行了研究，該分析工作包含了巴塞羅那港主要危險貨種，列出的貨種有LNG、LPG、汽油等，但未報道低溫LPG，該研究給出了碼頭個人風(fēng)險曲線。國際上有一些關(guān)于LNG碼頭風(fēng)險分析的文章，但LPG比重比LNG重，LNG的風(fēng)險分析工作僅能用做LPG碼頭的參考但不能照搬，O.N. Aneziris等運用定量風(fēng)險分析方法分析了LNG碼頭的風(fēng)險，給出了LNG碼頭個人風(fēng)險曲線。

2019年以來，我國大力推廣定量風(fēng)險分析技術(shù)運用于危險化學(xué)品生產(chǎn)企業(yè)總平面布置、外部安全防護距離的確定，但國內(nèi)定量風(fēng)險分析技術(shù)運用于碼頭的文獻未見報道。

本文以實際工程為例，運用定量風(fēng)險分析方法、參考標準、國際文獻，分析低溫LPG港口風(fēng)險，給出低溫LPG碼頭個人風(fēng)險曲線，提出降低風(fēng)險的關(guān)鍵安全對策。

1 LPG碼頭可信事故場景和頻率

1.1 LPG碼頭可信事故場景

根據(jù)文獻、將油氣化工碼頭前沿裝卸臂損壞列為油氣化工碼頭泄漏事故的最可信場景，在我國，發(fā)生過2000年8月靠泊青島港的法國籍“普羅旺斯”輪船水手操作失誤導(dǎo)致?lián)p壞3臺輸油臂、油品落海等事故。綜合文獻和我國發(fā)生過的事故，將裝卸臂作業(yè)泄漏風(fēng)險列為碼頭裝卸作業(yè)最大風(fēng)險處，選擇裝卸臂泄漏場景具有實際意義，也是可信事故場景。

1.2 LPG碼頭泄漏頻率

關(guān)于碼頭泄漏風(fēng)險頻率，文獻主要采用數(shù)據(jù)庫及商用軟件進行計算。A. Ronza等的工作假設(shè)了港內(nèi)船舶碰撞、裝卸臂失效等場景，對事故后果、風(fēng)險進行了模擬計算，使用頻率參考了文獻數(shù)據(jù)。Andrzej Bak等運用事故樹等方法模擬分析了LPG船在港內(nèi)與其它船舶撞擊事故的風(fēng)險。部分文章作者發(fā)現(xiàn)各國頻率數(shù)據(jù)差異較大，給計算過程引入偏差。我國近年來強調(diào)了快速脫離裝置的應(yīng)用，裝卸臂的可靠性在不斷提高。

從實際情況分析，油氣化工碼頭泄漏頻率由2部分設(shè)施的泄漏頻率組成：碼頭裝卸臂及前沿30 m管道；碼頭前沿30 m后至陸域管道。碼頭前沿裝卸作業(yè)頻繁，由于裝卸臂是可移動的，能否安全穩(wěn)定運行受船、岸操作影響，還受到風(fēng)浪等自然條件的影響，危險性遠大于30 m后管道的運行，而碼頭前沿30 m后至陸域的管道的泄漏頻率比較小，且波動范圍小，因而，以裝卸臂作為重點研究的對象是合理的。

2 實際工程方案舉例

2.1 總平面布置、工藝條件

圖1是我國南方某低溫LPG碼頭工程規(guī)劃、總平面布置工程方案，在通用港池內(nèi)規(guī)劃了LPG碼頭，該LPG碼頭工程布置了4個泊位，圖1中“本工程位置”紅線指向的泊位為50 000 t級LPG泊位(兼顧2個5 000 t級LPG泊位)，另有2個化工泊位、1個通用泊位。

工藝條件：從中東、北美進港低溫丙烷，-45 ℃，輸油臂直徑200 mm。自然條件：港口平均風(fēng)速3.6 m/s。碼頭結(jié)構(gòu)型式：按重力式碼頭考慮。

港口受潮汐影響，水位距碼頭面的距離在變化中，由于低溫LPG比空氣重、并且是低溫液態(tài)的，水位及碼頭結(jié)構(gòu)可能對擴散結(jié)果有比較大影響，因而，模擬條件考慮了潮差、碼頭結(jié)構(gòu)，并對其影響進行了模擬研究。

圖1 LPG碼頭規(guī)劃圖實例

2.2 事故假設(shè)形態(tài)

將研究的事故假設(shè)形態(tài)、研究目的匯總列入表1中。

3 結(jié)果與討論

3.1 事故后果模擬結(jié)果與討論

運用“基于后果的分析方法”，即采用事故后果模擬的方法，對各假設(shè)事故進行模擬計算，結(jié)果匯總見表2，計算采用了商用軟件Phast 6.7。國際上普遍認為，人遭受0.045 MPa的沖擊波會死亡。

對模擬結(jié)果的分析如下。

a) 事故1是該碼頭靠泊低溫丙烷船的工況，該工況受當日風(fēng)速影響較大，當風(fēng)速5.0 m/s時，低溫丙烷裝卸臂斷裂泄漏后延遲爆炸的危害距離(死亡)是800 m；當風(fēng)速1.5 m/s時，延遲爆炸的危害距離(死亡)是1 420 m。低溫丙烷泄漏，危及到相鄰800～1 420 m距離內(nèi)泊位的安全，也影響到相鄰港池大型散貨泊位的安全。

表1 LPG泊位(低溫丙烷)模擬事故形態(tài)假設(shè)

表2 各假設(shè)事故下丙烷泄漏后延遲爆炸危害距離(影響下風(fēng)向距離) m

b) 事故2是靠泊的常溫丙烷船，對此假設(shè)事故進行模擬是為了考查、對比低溫丙烷與常溫丙烷擴散行為、火災(zāi)爆炸后果。在風(fēng)速1.5 m/s時，常溫丙烷延遲爆炸的危害距離(死亡)是251 m；當風(fēng)速5.0 m/s，延遲爆炸的危害距離(死亡)是292 m。在風(fēng)速1.5～5.0 m/s之間，擴散距離受風(fēng)速影響較小。

對比事故1與事故2，經(jīng)計算，低溫丙烷延遲爆炸危害距離是常溫丙烷延遲爆炸危害距離的2.7～5.7倍，低溫丙烷泄漏后的危害明顯更大。在考慮港口規(guī)劃、總平面布置時，應(yīng)考慮對相鄰碼頭(其它港池)、相鄰泊位的安全影響。LPG貨種分為低溫LPG和常溫LPG，不同港口裝卸LPG貨種不同，而現(xiàn)行碼頭防火規(guī)范沒有再細分低溫LPG和常溫LPG，具體港口的事故后果模擬結(jié)果可做為規(guī)范的有益補充。

c) 事故3與事故1工況條件相同，只是事故3模擬條件沒有考慮碼頭尺度、結(jié)構(gòu)、潮差。當假設(shè)事故為裝卸臂斷裂，當風(fēng)速1.5 m/s時：考慮碼頭高程、結(jié)構(gòu)，擴散危害距離(死亡)1 420 m，不考慮碼頭高程(同港池)，擴散危害距離(死亡)1 640 m，相差220 m。當風(fēng)速為5.0 m/s時：二者數(shù)據(jù)分別為800 m和850 m，相差50 m。重力式碼頭就像一堵墻，擋在丙烷擴散的路徑上。上述模擬結(jié)果顯示，碼頭高程、結(jié)構(gòu)、潮差對丙烷泄漏擴散距離有一定影響。

d) 事故4、事故5是可信事故、國際上常用的中等程度泄漏為25 mm孔徑泄漏。模擬結(jié)果顯示，低溫丙烷、常溫丙烷中孔泄漏，延遲爆炸的危害距離(死亡)均是202 m，可影響到相鄰泊位的安全。

總體看，對模擬結(jié)果影響最大的因素是物料丙烷的溫度等工況條件。如果風(fēng)速在1.5～5.0 m/s時，風(fēng)速影響為次要因素。碼頭結(jié)構(gòu)、潮差影響為再次要因素。對結(jié)果要根據(jù)當日具體工況、氣象情況、泄漏情況予以判定。

3.2 定量風(fēng)險評估QRA結(jié)果與討論

采用定量風(fēng)險評估(QRA)方法對包括低溫LPG泊位的碼頭工程(圖1中“本工程位置”)進行計算(表3)，頻率計算采用商用軟件Leak3.3及參考文獻，風(fēng)險計算采用商用軟件Phast Risk 6.7。

表3 低溫LPG碼頭泄漏頻率計算數(shù)據(jù) a-1

圖2為LPG碼頭個人風(fēng)險曲線，外面綠色線是1×10/a風(fēng)險線，其次咖啡色線是3×10/a風(fēng)險線，然后依次為1×10/a，1×10/a，1×10/a，1×10/a，雖然風(fēng)險線滿足GB36894—2018對周邊高敏感防護目標、重要防護目標、一般防護目標中的要求，但要注意工程各風(fēng)險線處于相鄰大型散貨港池的邊緣，散貨碼頭上運載汽車通常是不防爆的，一旦物料嚴重泄漏，周邊引火源會引燃LPG、發(fā)生爆炸事故。因此，低溫LPG泊位與相鄰大型散貨泊位之間存在一定安全風(fēng)險，必須提高安全設(shè)施水平、采取進一步的安全措施；低溫LPG泊位與遠處的泊位、庫場之間的安全風(fēng)險是可以接受的。在進行港口總體規(guī)劃時應(yīng)該考慮到這些細節(jié)，把規(guī)劃、總平面布置、安全措施考慮地更細致一些。

4 關(guān)鍵的安全措施建議

以往公開報道的案例沒有披露是否安裝了緊急情況下可切斷管路并與船舶接口脫離的裝置(ERC)及其事故時的動作情況。徐坤等報道目前的緊急脫離裝置的液壓油泵、液壓元件動作頻繁，可能導(dǎo)致不能正常脫離。因此，雖然ERC是關(guān)鍵安全措施之一，但不能僅依賴ERC這一措施，LPG碼頭風(fēng)險大，還應(yīng)有其它可靠的安全保護措施。

事故后果模擬和定量風(fēng)險評估均分析到低溫LPG碼頭最大風(fēng)險在碼頭前沿(裝卸臂附近)，應(yīng)該采取針對性的安全措施以降低風(fēng)險。實際低溫LPG碼頭安全分析、安全設(shè)計、建設(shè)過程中，由于各單位對低溫LPG碼頭風(fēng)險、安全設(shè)計理解不同，安全措施水平是不同的。有些單位HAZOP分析、SIL評估考慮到在碼頭前沿設(shè)緊急切斷閥；有些單位則沒有考慮到碼頭前沿緊急切斷閥，認為依據(jù)JTS158—2019《油氣化工碼頭設(shè)計防火規(guī)范》第5.2.2.7條在水陸域分界附近、引堤根部設(shè)置緊急切斷閥就符合要求了，而沒有考慮到碼頭前沿至引堤根部這段管道內(nèi)有130 t以上的低溫LPG(管道長度1 km左右)，這個量是個大風(fēng)險(參考GB l8218—2018《危險化學(xué)品重大危險源辨識》)，需要予以控制。應(yīng)認識到標準規(guī)范是必須做到的最低要求，但不是控制風(fēng)險的全部要求。經(jīng)過上述分析，以下建議可以降低風(fēng)險約一個數(shù)量級。

圖2 LPG碼頭個人風(fēng)險曲線示例

a) 建議在LPG碼頭前沿、裝卸臂后設(shè)置緊急切斷閥。碼頭前沿緊急切斷閥的位置應(yīng)符合GB50160—2008(2018年版)《石油化工企業(yè)設(shè)計防火標準》第6.4.4條第4款“在距離泊位20 m以外”(JTS158—2019第5.2.2.7條中也有類似規(guī)定)，緊急切斷閥應(yīng)采取自動、遙控和手動等組合設(shè)計，應(yīng)具有可靠的遠傳、遙控和就地操作功能。LPG緊急切斷閥宜采用氣動形式。

b) 根據(jù)安監(jiān)總管三〔2014〕116號《國家安全監(jiān)管總局關(guān)于加強化工安全儀表系統(tǒng)管理的指導(dǎo)意見》和事故案例，建議該緊急切斷閥進入SIS系統(tǒng)，碼頭前沿至少設(shè)置一臺緊急切斷閥，該閥門等級需根據(jù)SIL評估確定。也可考慮碼頭前沿雙切斷閥中第二個閥設(shè)為緊急切斷閥。

5 結(jié)論

a) 低溫LPG泄漏后影響的危害距離超過常溫LPG，是常溫LPG危害距離的2.7倍以上，低溫LPG碼頭的安全風(fēng)險大于常溫LPG碼頭的安全風(fēng)險。給出了低溫LPG碼頭個人風(fēng)險曲線，提出了能有效降低風(fēng)險約1個數(shù)量級的安全措施。

b) 在進行港口規(guī)劃、LPG碼頭總平面布置時，應(yīng)更加重視LPG碼頭與周邊港池、鄰近泊位相互的安全影響。除落實標準規(guī)范外，還應(yīng)進一步采取能夠有效降低LPG碼頭風(fēng)險的安全措施。

c) 從實例看出，在低溫LPG碼頭選址、總平面布置時，應(yīng)落實JTS158—2019《石油化工碼頭設(shè)計防火規(guī)范》第4.1.3條，進行安全專項評價，提出選址建議和安全措施。定量安全風(fēng)險分析是標準規(guī)范的有益補充和參考，我國應(yīng)更加重視定量安全風(fēng)險分析在LPG碼頭的應(yīng)用與技術(shù)研究，重視港口安全數(shù)據(jù)庫的建設(shè)。