基于池火災(zāi)模型與事故樹分析的石油庫安全評(píng)價(jià)

張興強(qiáng)

〔中國石化天津靜海石油分公司 天津靜海 301600〕

安全評(píng)價(jià)工作是安全生產(chǎn)工作中至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。目前，對(duì)新建或改造建設(shè)項(xiàng)目進(jìn)行安全評(píng)價(jià)已逐漸成為必須執(zhí)行的重要舉措。針對(duì)危險(xiǎn)性較大的油品生產(chǎn)儲(chǔ)運(yùn)環(huán)節(jié)，需充分運(yùn)用科學(xué)管理方法對(duì)油庫安全生產(chǎn)中潛在的風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行識(shí)別、分析、評(píng)價(jià)和控制。本文以某二級(jí)油庫2號(hào)汽油罐區(qū)為例，運(yùn)用池火災(zāi)傷害數(shù)學(xué)模型，計(jì)算出死亡半徑、重傷半徑、輕傷半徑；使用事故樹分析法綜合分析儲(chǔ)罐區(qū)發(fā)生火災(zāi)爆炸的事故原因，從而得出可以有效預(yù)防爆炸的安全生產(chǎn)管理措施，為提升油庫安全管理提供有效的對(duì)策建議。

1 儲(chǔ)罐區(qū)基本情況

2號(hào)汽油儲(chǔ)罐區(qū)現(xiàn)有立式鋼制內(nèi)浮頂罐6座，2座罐容積1 000 m3,4座罐容積3 000 m3，總罐容積為14 000 m3，儲(chǔ)存油品均為92號(hào)汽油。汽油屬于甲B類易燃液體，密度約為740 kg/m3，充裝系數(shù)為0.85，灌滿儲(chǔ)存量為8 806 t。防火堤結(jié)構(gòu)形式為鋼筋混凝土，長100 m，寬80 m，高1.5 m，容積為12 000 m3，面積為8 000 m2。儲(chǔ)罐工藝為常溫常壓。

2 池火災(zāi)傷害模型計(jì)算

采用池火災(zāi)傷害數(shù)學(xué)模型分析法可以確定當(dāng)池火傷害時(shí)最大化的影響程度，被評(píng)價(jià)的易燃液體儲(chǔ)罐一旦破裂或由于操作失誤而外溢，液體就會(huì)立即沿著罐體往地面擴(kuò)散，一直流到防火堤邊，形成液池，一旦遇到明火將會(huì)形成池火[1]。

2.1 池火火焰高度計(jì)算

無風(fēng)時(shí)，池火災(zāi)火焰高度計(jì)算見公式(1)：

(1)

式中：h為火焰高度，m；r為池火災(zāi)當(dāng)量圓半徑，m；ρ0為周圍空氣密度，ρ0=1.293 kg/m3(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))；g為重力加速度，9.8 m/s2；dm/dt為燃燒速度，kg/(m2·s)。

2.2 池火燃燒時(shí)放出的總熱輻射通量

無風(fēng)時(shí)，池火燃燒放出的總熱輻射通量計(jì)算見公式(2)：

(2)

式中：Q為總熱輻射通量，W；η為效率因子，可在0.13～0.35之間取值，取平均值0.24；Hc為液體燃燒熱，汽油的燃燒熱為43 700 kJ/kg。計(jì)算得，Q=645 016.109 kW。

2.3 目標(biāo)入射輻射強(qiáng)度

假設(shè)液池為一個(gè)數(shù)學(xué)模型，全部的熱輻射能量從液池中心點(diǎn)的小球面輻射釋放出來，則在距離池中心距離(X)處某一點(diǎn)的熱輻射強(qiáng)度(I)計(jì)

算見公式(3)：

(3)

式中：I為熱強(qiáng)度輻射，W/m2；Tc為熱傳導(dǎo)系數(shù)，在無相對(duì)理想的數(shù)據(jù)時(shí)，可取值為1；Q為總熱輻射通量，W；X為目標(biāo)點(diǎn)到液池中心距離，m。

火災(zāi)通過熱輻射的方式直接影響周邊環(huán)境和設(shè)備?；馂?zāi)傷害計(jì)算主要在熱輻射強(qiáng)度與損失等級(jí)的對(duì)應(yīng)關(guān)系上，池火災(zāi)分析法介紹了不同的熱輻射強(qiáng)度造成的傷害和損失的關(guān)系，熱輻射破壞和傷害準(zhǔn)則見表1。

表1 熱輻射破壞和傷害準(zhǔn)則

根據(jù)熱輻射強(qiáng)度公式，分別計(jì)算熱輻射強(qiáng)度為37.5，25.0，12.5，4.0，1.6 kW/m2時(shí)X(目標(biāo)點(diǎn)到液池中心距離，m)的值，熱輻射強(qiáng)度與距離的關(guān)系計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 熱輻射強(qiáng)度與距離的關(guān)系

2.4 評(píng)價(jià)結(jié)果

假設(shè)汽油儲(chǔ)罐在最大儲(chǔ)量下發(fā)生泄漏后，在防火堤內(nèi)瞬間形成液池，遇明火發(fā)生池火，池火焰高度最大可達(dá)47.1 m。以泄漏的儲(chǔ)罐為中心，半徑37.01 m范圍內(nèi)的設(shè)備設(shè)施將會(huì)全部燒壞，生產(chǎn)工作人員如果在1 min內(nèi)不撤離則全部死亡；半徑在37.01～45.32 m范圍內(nèi)的設(shè)備將嚴(yán)重?zé)龎?；半徑?5.32～64.10 m范圍之內(nèi)的設(shè)施將會(huì)受到更加嚴(yán)重的損壞。

3 罐區(qū)火災(zāi)、爆炸原因事故樹分析

事故樹分析法(Fault Tree Analysis，F(xiàn)TA)是在系統(tǒng)安全分析方法中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用的一種方法，適用于各種對(duì)作業(yè)安全系統(tǒng)安全性的預(yù)測和分析，該方法以不希望發(fā)生的事件(即頂上事件)作為分析對(duì)象，通過層層深入的分析，把頂上事件與可能導(dǎo)致其發(fā)生系統(tǒng)中的各種原因之間的邏輯關(guān)系用樹性結(jié)構(gòu)表示，應(yīng)用數(shù)理邏輯找到事故樹的結(jié)構(gòu)函數(shù)，采用布爾代數(shù)方法對(duì)其進(jìn)行數(shù)學(xué)分析計(jì)算，確定最小割集或最小徑集，對(duì)基本事件的結(jié)構(gòu)重要度進(jìn)行排序，找出事故可能發(fā)生的原因，明確防范重點(diǎn)，從而達(dá)到預(yù)測與預(yù)防各類安全事故發(fā)生的目的[2-4]。

3.1 爆炸條件分析

爆炸是物質(zhì)從一種狀態(tài)迅速轉(zhuǎn)變成另一種狀態(tài)，并在瞬間放出大量能量，同時(shí)產(chǎn)生聲響的現(xiàn)象。發(fā)生爆炸必須同時(shí)具備3個(gè)基本條件：點(diǎn)火源、可燃物以及助燃物?？諝庵械难鯕鈱儆谥嘉?，其含量能夠滿足火災(zāi)爆炸的需要，因此滿足發(fā)生爆炸的助燃物這一條件。點(diǎn)火源一般由明火、撞擊火花、電氣火花、靜電火花、雷擊火花等造成，靜電火花和撞擊火花可滿足點(diǎn)火源這一條件；可燃物主要是由于油庫設(shè)備故障或者人員的操作失誤而引起的油料泄漏且罐內(nèi)的通風(fēng)不暢而積聚的油氣(其濃度已經(jīng)達(dá)到爆炸極限)[5]。

根據(jù)儲(chǔ)油罐發(fā)生火災(zāi)爆炸事故的影響因素分析，可以得出能夠直接或間接導(dǎo)致火災(zāi)爆炸事故的基本事件，如表3所示；運(yùn)用條件分析可以從引發(fā)事故的原因分層進(jìn)行剖析，得出各基本事件與上層基本事件之間的數(shù)理邏輯關(guān)系，將本來分散的基本事件串聯(lián)起來，形成一個(gè)樹狀結(jié)構(gòu)。以儲(chǔ)油罐發(fā)生火災(zāi)爆炸事故作為頂上事件T，根據(jù)火災(zāi)爆炸事故與導(dǎo)致事故的直接原因之間的邏輯關(guān)系，以及各基本事件與上層基本事件之間的理論邏輯關(guān)系，建立儲(chǔ)油罐火災(zāi)爆炸事故樹模型，如圖1所示。儲(chǔ)油罐火災(zāi)爆炸事故樹事件表詳見表3所示，儲(chǔ)油罐火災(zāi)爆炸事故樹模型詳見圖1所示。

表3 儲(chǔ)油罐火災(zāi)爆炸事故樹事件表

圖1 儲(chǔ)油罐火災(zāi)爆炸事故樹模型

3.2 事故樹定性分析

3.2.1 最小割集

應(yīng)用布爾代數(shù)法可以對(duì)事故樹模型進(jìn)行計(jì)算，由于事故樹的基本事件比較多，求解的過程比較繁瑣，不便于進(jìn)行定量計(jì)算，因此求其最小徑集。

3.2.2 最小徑集

求最小徑集的方法與求最小割集基本相似，根據(jù)數(shù)學(xué)邏輯中的對(duì)偶原理，把圖1中的“與門”換為“或門”，“或門”換為“與門”，所有事件都加“’”表示取反，即表示該事件不會(huì)發(fā)生，得出與原事故樹對(duì)偶的成功樹，如圖2所示。

圖2 儲(chǔ)油罐火災(zāi)爆炸成功樹

成功樹的最小割集即為原事故樹的最小徑集Pi(i=1,2，…6)。

P1={a}

P2={X1, X2, …,X21, X26, X27,…,X33}

P3={ X1, X2, …, X25}

P4={ X1, X2, …, X18, X22, X23, X24, X25}

P5={ X34, X35,…, X42}

P6={ X43, X44, X45, X46}

3.3 定量分析

定量分析使用結(jié)構(gòu)重要度分析，就是從事故樹結(jié)構(gòu)上來分析各基本事件的重要程度，即不考慮各基本事件的發(fā)生概率，假設(shè)各基本事件發(fā)生的概率都相等，分析各基本事件的發(fā)生對(duì)頂上事件發(fā)生所產(chǎn)生的影響程度[6-9]，經(jīng)計(jì)算得到各基本事件的結(jié)構(gòu)重要度排序?yàn)椋篒φ(a)>Iφ(X43)= Iφ(X44)= Iφ(X45)= Iφ(X46)>Iφ(X34)= Iφ(X35)= …= Iφ(X42)>Iφ(X1)= Iφ(X2)=…= Iφ(X18)>Iφ(X23)= Iφ(X24)= Iφ(X25)>Iφ(X22)>Iφ(X19)= Iφ(X20)= Iφ(X21)>Iφ(X26)= Iφ(X27)=…= Iφ(X33)。

3.4 評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)定量分析結(jié)果，結(jié)構(gòu)重要度較大的是油氣濃度達(dá)到爆炸極限這一要素。因此，遏制這一因素是油庫安全管理的重要環(huán)節(jié)。

4 安全對(duì)策措施與建議

根據(jù)本次事故樹分析結(jié)果，油庫儲(chǔ)油罐的安全隱患主要是油氣泄漏。通過事故樹的定量分析，結(jié)構(gòu)重要度較大的是油氣濃度達(dá)到爆炸極限，其原因是設(shè)備故障或操作失誤引起的油氣泄漏，而且儲(chǔ)罐密閉空間內(nèi)未及時(shí)通風(fēng)導(dǎo)致油氣濃度超標(biāo)，給油庫的安全帶來嚴(yán)重威脅。結(jié)合池火災(zāi)數(shù)學(xué)傷害模型計(jì)算結(jié)果，該油庫一旦發(fā)生爆炸，所有人員需要在1 min中內(nèi)全部撤離，否則將面臨生命危險(xiǎn)。

為此提出以下措施與建議:

(1) 合理設(shè)置油氣濃度監(jiān)測點(diǎn)。油氣濃度超高是儲(chǔ)油罐發(fā)生火災(zāi)爆炸事故的潛在威脅。因此，要時(shí)刻掌控儲(chǔ)罐區(qū)揮發(fā)性可燃物濃度，將油氣濃度控制在安全范圍內(nèi)。在罐前的閥門、罐頂?shù)臏y量口、呼吸閥等處安裝油氣濃度報(bào)警器，實(shí)時(shí)監(jiān)測油氣濃度; 設(shè)置報(bào)警限度，周圍油氣濃度一旦超過報(bào)警限度就會(huì)自動(dòng)發(fā)出警報(bào)，提醒現(xiàn)場的消防人員和油庫相關(guān)工作人員及時(shí)到現(xiàn)場查看并確認(rèn)。

(2) 合理設(shè)置儲(chǔ)油罐液位監(jiān)測點(diǎn)。罐區(qū)所有儲(chǔ)罐均應(yīng)安裝油品液位檢測儀，實(shí)時(shí)監(jiān)測罐內(nèi)油品液面高度，同時(shí)應(yīng)設(shè)置防溢油和低液位安全報(bào)警裝置，油品在收發(fā)油過程中液位一旦高于或者低于安全高度，就發(fā)出警報(bào)，提醒油品已滿罐或者浮盤將落地，確保油罐不會(huì)發(fā)生安全事故。找出液位變化的規(guī)律，防止發(fā)生泄漏事故。

(3) 合理設(shè)置視頻監(jiān)控點(diǎn)。在油庫大門、罐區(qū)入口、辦公區(qū)域、罐區(qū)圍墻等重要部位安裝高清防爆攝像頭，實(shí)時(shí)監(jiān)控油庫進(jìn)出人員的活動(dòng)情況。時(shí)刻監(jiān)控是否有人攜帶火種和危險(xiǎn)品進(jìn)入油庫; 是否有人未穿防靜電服、未使用防爆工具或防爆照明設(shè)備進(jìn)行作業(yè); 是否有違章動(dòng)火、動(dòng)電、登高、動(dòng)土作業(yè); 是否存在故意破壞行為等。

除滿足硬件條件之外，員工素質(zhì)也是企業(yè)的重要一環(huán)。特別要重視培訓(xùn)，提高油庫基層員工的素質(zhì)。公司的基層員工是企業(yè)發(fā)展的一線中堅(jiān)力量，其綜合素質(zhì)水平直接關(guān)系著企業(yè)發(fā)展能否順利。因此，應(yīng)在以下幾方面重點(diǎn)考慮[10]：

(1)定期組織員工開展專業(yè)技能培訓(xùn)。由于油品的特殊性，油庫的管理工作在人員選擇上應(yīng)對(duì)員工素質(zhì)的要求很高。定期的專業(yè)知識(shí)培訓(xùn)有利于提高工作人員的綜合素質(zhì)，提高其自身的認(rèn)知水平。

(2)培養(yǎng)和建立一支優(yōu)秀管理隊(duì)伍。進(jìn)一步加強(qiáng)宣傳安全教育和安全培訓(xùn)，培養(yǎng)業(yè)務(wù)骨干和技術(shù)能手，努力提升每一位工作人員的安全意識(shí)，為油庫安全管理工作開展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

(3)嚴(yán)格落實(shí)油庫各項(xiàng)規(guī)章制度。在油庫管理工作中，管理制度得不到落實(shí)，發(fā)揮不出它的約束力和管理規(guī)范作用是油庫管理工作存在安全隱患的重要因素。因此，要進(jìn)一步建立并且嚴(yán)格落實(shí)安全制度，強(qiáng)化油庫工作人員的安全意識(shí)，定期給員工灌輸安全生產(chǎn)知識(shí)，嚴(yán)格按照各項(xiàng)規(guī)章制度進(jìn)行工作。

(4)建立績效獎(jiǎng)勵(lì)懲罰機(jī)制。將每個(gè)人的工資收入與其績效考核的結(jié)果結(jié)合起來，就會(huì)在一定程度上充分調(diào)動(dòng)員工對(duì)于工作和規(guī)范安全操作的積極性。懲罰那些不嚴(yán)格按規(guī)章辦事的人，獎(jiǎng)勵(lì)嚴(yán)守制度的人，最大程度滿足全體員工的物質(zhì)需求與精神需求。

(5)在安全管理過程中需要考慮的不僅是人的安全性，還要更加注重生產(chǎn)設(shè)備的安全性。設(shè)備的管理在安全生產(chǎn)領(lǐng)域中占有十分重要的地位。設(shè)備在生產(chǎn)運(yùn)行過程中是使用最多的物件。因此，需要對(duì)其進(jìn)行日常檢維修和定期保養(yǎng)，一旦出現(xiàn)問題應(yīng)及時(shí)整改，這樣就可以將安全生產(chǎn)事故的發(fā)生概率降到最低。

(6)借鑒其他石油石化企業(yè)或者國外的優(yōu)秀管理模式。隨著全球一體化時(shí)代的到來，需要更多地吸收先進(jìn)的事物和方法，來滿足我國發(fā)展的實(shí)際需求。通過對(duì)其他企業(yè)優(yōu)秀管理模式的學(xué)習(xí)，取其精華去其糟粕，將其中優(yōu)秀的并且符合我國石油石化企業(yè)發(fā)展的因素吸收進(jìn)來，與企業(yè)發(fā)展實(shí)際相結(jié)合，走出一條更符合中國石化企業(yè)發(fā)展需求的有利于安全管理的道路。

5 結(jié)束語

利用池火災(zāi)數(shù)學(xué)計(jì)算模型和事故樹安全評(píng)價(jià)法，不僅能夠了解油庫發(fā)生火災(zāi)爆炸的可能因素，同時(shí)也能了解火災(zāi)爆炸后的影響，讓生產(chǎn)經(jīng)營者清楚安全管理的重要性，對(duì)油庫進(jìn)行系統(tǒng)地隱患排查，制定并嚴(yán)格落實(shí)安全管理措施，不斷提高油庫的“本質(zhì)安全”水平。