基于LOPA邏輯的罐區(qū)多米諾效應(yīng)定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估*

周浩霖，朱常龍，蔣軍成

(1.南京工業(yè)大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 211816；2.江蘇省危險(xiǎn)化學(xué)品本質(zhì)安全與控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 211816)

0 引言

保護(hù)層分析(Layer of Protection Analysis，LOPA)是1種簡(jiǎn)化的半定量分析理論，其應(yīng)用方法簡(jiǎn)潔有效，在化工過(guò)程行業(yè)中已被廣泛運(yùn)用，在事故預(yù)防中發(fā)揮著重要作用。相關(guān)學(xué)者圍繞LOPA開(kāi)展了各類(lèi)改進(jìn)策略的研究并在定量化方面獲得了較大成功[1-2]。然而，罐區(qū)等重大危險(xiǎn)源發(fā)生事故時(shí)往往影響范圍廣，常常會(huì)引發(fā)次生事故甚至導(dǎo)致災(zāi)難性連鎖事故，而LOPA更適合評(píng)估既定事故場(chǎng)景下的獨(dú)立安全屏障性能[3]，而非對(duì)所有安全屏障阻止事故傳播擴(kuò)展的性能作定量結(jié)論，在利用LOPA對(duì)量化安全屏障在防止事故傳播的作用研究上仍有不足。

化工事故的傳播過(guò)程，通常被形象地稱(chēng)為“多米諾效應(yīng)”。相較于單一事故場(chǎng)景，多米諾事故發(fā)生頻率低，但影響范圍更大，后果更嚴(yán)重[4]。國(guó)內(nèi)外曾發(fā)生了多起導(dǎo)致人員大量傷亡，嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失的多米諾事故，造成了極其惡劣的社會(huì)影響：2009年齋普爾印度石油公司油庫(kù)的1起轉(zhuǎn)輸作業(yè)中汽油泄漏引發(fā)的連鎖火災(zāi)爆炸事故造成11人死亡，45人受傷，當(dāng)?shù)鼐用翊笠?guī)模撤離[5]；2019年響水天嘉宜公司硝化廢料火災(zāi)引發(fā)了連鎖爆炸事故，造成了78人死亡及巨量財(cái)產(chǎn)損失[6]。這些事故引發(fā)了人們對(duì)重大危險(xiǎn)源多米諾效應(yīng)的廣泛關(guān)注，大量學(xué)者開(kāi)展了多米諾效應(yīng)中安全屏障定量評(píng)估及優(yōu)化管理方面的研究[7-9]并取得了較大進(jìn)展。

本文借鑒LOPA分析思路及表現(xiàn)形式，將LOPA中獨(dú)立保護(hù)層引申為多米諾擴(kuò)展過(guò)程中安全屏障，通過(guò)引入可用性及有效性概念量化安全屏障在阻止多米諾擴(kuò)展時(shí)的性能，實(shí)現(xiàn)LOPA及多米諾效應(yīng)定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的有機(jī)結(jié)合，擴(kuò)展LOPA邏輯適用范圍并使多米諾效應(yīng)定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估更加科學(xué)合理。

1 基于LOPA邏輯的多米諾效應(yīng)定量評(píng)估流程及分析思路

多米諾效應(yīng)定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估在傳統(tǒng)框架上[10]將獨(dú)立保護(hù)層引申為阻止多米諾擴(kuò)展的安全屏障，考慮安全屏障在罐區(qū)多米諾擴(kuò)展過(guò)程中的作用并將其以LOPA分析過(guò)程呈現(xiàn)。如流程圖1所示，步驟如下：

圖1 多米諾效應(yīng)定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估流程圖Fig.1 Flow chart of quantitative risk assessment of domino effect

1)確定初始事故場(chǎng)景的擴(kuò)展向量并計(jì)算其擴(kuò)展向量強(qiáng)度。

2)計(jì)算結(jié)果與表1[11]比較識(shí)別多米諾事故易損容器。

表1 池火災(zāi)擴(kuò)展閾值表Table 1 Escalation thresholds of pool fire

3)計(jì)算未考慮安全屏障時(shí)多米諾擴(kuò)展概率Pd1，識(shí)別初始事故與多米諾事故組合并計(jì)算未考慮安全屏障時(shí)多米諾事故發(fā)生頻率fd1。多米諾事故發(fā)生頻率fd即初始事故場(chǎng)景發(fā)生頻率fp與多米諾擴(kuò)展概率Pd之積。相關(guān)研究表明Probit模型對(duì)一級(jí)多米諾擴(kuò)展過(guò)程計(jì)算較為準(zhǔn)確[12]，Probit模型及其正態(tài)分布式見(jiàn)表2[13]及式(1)。

(1)

式中：P為概率單位值對(duì)應(yīng)概率；u為積分變量。

表2中Y為概率單位值；ttf為無(wú)安全屏障下容器的失效時(shí)間，min；I為容器所受熱輻射強(qiáng)度，kW/m2；概率單位值Y服從正態(tài)分布，將Y代入式(1)求得多米諾擴(kuò)展概率。

表2 Probit模型Table 2 Probit model

4)由于擴(kuò)展向量類(lèi)型及作用時(shí)間不同，主動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)僅對(duì)擴(kuò)展向量長(zhǎng)時(shí)間作用的多米諾事故有效[14]，需識(shí)別對(duì)應(yīng)場(chǎng)景下阻止多米諾擴(kuò)展的安全屏障。

5)安全屏障量化評(píng)估，步驟見(jiàn)后文。

6)列出考慮安全屏障時(shí)多米諾擴(kuò)展事件樹(shù)。

7)計(jì)算考慮安全屏障時(shí)多米諾擴(kuò)展概率Pd2及事故發(fā)生頻率fd2。

8)人體脆弱性模型計(jì)算區(qū)域內(nèi)個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)值IR并繪制個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)等值線(xiàn)圖。表3為人體脆弱性Probit模型[10]，求得個(gè)人死亡概率Pf后使用式(2)求得個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)值。

表3 人體脆弱性概率模型Table 3 Probabilistic model of human vulnerability

表3中：Y為概率單位值；D為劑量；I為人體所受熱輻射強(qiáng)度，W/m2；te為暴露時(shí)間，min。個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)值計(jì)算式為：

IRi=fi×Pf,i

(2)

式中：IRi為第i個(gè)事故造成的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)；fi為第i個(gè)儲(chǔ)罐發(fā)生事故的頻率，次/a；Pf,i為第i個(gè)儲(chǔ)罐事故個(gè)人死亡概率。

9)若區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)高于容許值的等值線(xiàn)，需另提出安全屏障將個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)降低至容許值以下。

2 安全屏障對(duì)多米諾擴(kuò)展概率的影響

2.1 可用性及有效性

Landucci等[7]引入安全屏障的有效性及可用性?？捎眯员欢x為安全屏障的需求時(shí)的失效概率(probability of failure on demand,PFD)；有效性被定義為啟用安全屏障時(shí)阻止擴(kuò)展的概率，以η表示。

2.2 安全屏障定量評(píng)估

2.2.1 可用性及有效性的量化

表4為各安全屏障對(duì)應(yīng)的可用性與有效性參考值及定義[7]，表中：ttfp為考慮防火層時(shí)容器失效時(shí)間，min；ttfc為防火層延長(zhǎng)容器失效時(shí)間，min；tfm為控制事故所需時(shí)間，min；IWDS為考慮噴淋冷卻水時(shí)容器表面所受熱輻射強(qiáng)度，kW/m2；θ為熱輻射強(qiáng)度減緩系數(shù)；IHL為未考慮噴淋冷卻水時(shí)容器表面所受熱輻射強(qiáng)度，kW/m2。

表4 安全屏障對(duì)應(yīng)的可用性，有效性參考值Table 4 Reference values of availability and effectiveness of safety barriers

2.2.2 可用性及有效性計(jì)算邏輯

根據(jù)安全屏障的類(lèi)型不同引入3種邏輯門(mén)用于定量評(píng)估安全屏障性能，見(jiàn)表5。

表5 安全屏障的邏輯門(mén)Table 5 Logic gates of safety barriers

3 案例分析

3.1 罐區(qū)基本情況

苯乙烯屬乙A類(lèi)可燃液體，閃點(diǎn)31 ℃，沸點(diǎn)146 ℃，相對(duì)密度0.91，分子量104.1，飽和蒸汽壓0.7 kPa(20 ℃)。設(shè)2×2 000 m3苯乙烯罐組如圖2，參數(shù)見(jiàn)表6。

表6 案例分析：苯乙烯儲(chǔ)罐參數(shù)設(shè)置Table 6 Case study:parameters settings of styrene storage tanks

圖2 案例分析：苯乙烯儲(chǔ)罐布局Fig.2 Case study:layout of styrene tank farm

3.2 初始事故場(chǎng)景及頻率

苯乙烯罐常因儲(chǔ)存不當(dāng)發(fā)生物料聚合導(dǎo)致容器爆裂，泄漏大量物料形成可燃液池[15]。據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，80%的初始火災(zāi)事故類(lèi)型為池火災(zāi)[16]，苯乙烯罐泄漏的發(fā)生頻率假設(shè)為5×10-5次/a，參考如圖3的可燃液體泄漏事件樹(shù)[17]，可得出初始事故場(chǎng)景(池火災(zāi))發(fā)生頻率fp為3.47×10-6次/a(池火+閃火階段晚期池火)。

圖3 案例分析：可燃液體泄漏事件樹(shù)Fig.3 Case study:event tree of flammable liquid leakage

3.3 未考慮安全屏障時(shí)的多米諾擴(kuò)展概率

據(jù)第1章所述步驟1)～3)，確定初始事故場(chǎng)景：假設(shè)初始事故場(chǎng)景為泄漏全部物料導(dǎo)致池火災(zāi)，池火焰為圓柱形，使用Mudan模型計(jì)算TK1罐池火災(zāi)對(duì)TK2罐表面受到的熱輻射，得出TK2儲(chǔ)罐接受熱輻射值為51.06 kW/m2，大于多米諾效應(yīng)擴(kuò)展閾值(見(jiàn)表1)，則確定TK2儲(chǔ)罐為唯一多米諾易損單元。儲(chǔ)罐所受擴(kuò)展向量強(qiáng)度、失效時(shí)間及未考慮安全屏障時(shí)多米諾事故發(fā)生頻率，見(jiàn)表7。

表7 案例分析：未考慮安全屏障的多米諾效應(yīng)評(píng)估結(jié)果Table 7 Case study:results of domino effect assessment without considering safety barriers

3.4 考慮安全屏障時(shí)的多米諾擴(kuò)展概率

據(jù)第1章步驟4)～7)步識(shí)別安全屏障并計(jì)算多米諾擴(kuò)展概率及事故發(fā)生概率。TK1初始事故場(chǎng)景為池火災(zāi)，主動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)有足夠時(shí)間啟動(dòng)，可考慮主動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)。常用的安全屏障有泡沫滅火系統(tǒng)、噴淋冷卻水系統(tǒng)、防火層。對(duì)于泄漏引發(fā)的池火災(zāi)，泡沫滅火裝置作為安全屏障無(wú)法有效降低初始事故擴(kuò)展，因此識(shí)別噴淋冷卻系統(tǒng)及防火層為安全屏障(邏輯門(mén)a)，1.89×10-2與4.33×10-2，有效性定義、數(shù)值及邏輯計(jì)算模式見(jiàn)表4及表5。案例中ttfc取15 min，θ取70%。圖4為考慮安全屏障時(shí)的池火災(zāi)多米諾事件樹(shù)；表8為考慮安全屏障前后的池火災(zāi)多米諾擴(kuò)展概率及多米諾事故發(fā)生頻率。

表8 案例分析：考慮安全屏障后多米諾效應(yīng)評(píng)估結(jié)果Table 8 Case study:results of domino effect assessment considering safety barriers

圖4 案例分析：考慮安全屏障下的池火災(zāi)事件樹(shù)Fig.4 Case study:event tree of pool fire considering safety barriers

對(duì)比表7與表9，考慮安全屏障后的多米諾事故發(fā)生頻率為減輕與未減輕多米諾事故發(fā)生頻率之和(3.236×10-7次/a)，較未考慮安全屏障的多米諾事故發(fā)生頻率(3.36×10-6次/a)少了1個(gè)數(shù)量級(jí)，即安全屏障可以有效減少多米諾發(fā)生概率。

表9 案例分析：考慮安全屏障后事故發(fā)生頻率匯總Table 9 Case study:summary of accident frequencies considering safety barriers

3.5 罐組個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)

根據(jù)第1章步驟8)同樣使用Mudan池火災(zāi)模型計(jì)算熱輻射強(qiáng)度，據(jù)表3及式(2)可計(jì)算個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)值IR。

為方便討論，設(shè)IRprimary為初始事故個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)值，IRdomino為多米諾事故個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)值。根據(jù)表10個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)疊加情況，得到對(duì)應(yīng)個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)等值線(xiàn)圖5。

表10 案例分析：3種假設(shè)情況下的多米諾效應(yīng)個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算表達(dá)式Table 10 Case study:expressions for calculating individual risk of domino effect under three presumptions

通過(guò)圖5(a)～(b)對(duì)比可知：1)同一事故中，多米諾效應(yīng)發(fā)生時(shí)個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)等值線(xiàn)范圍較廣。2)多米諾效應(yīng)下，有安全屏障時(shí)代表1×10-5的風(fēng)險(xiǎn)等值線(xiàn)從區(qū)域中消失。3)有安全屏障時(shí)，多米諾效應(yīng)個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)等值線(xiàn)范圍變小，幾乎與無(wú)多米諾效應(yīng)時(shí)一致。以上表明安全屏障顯著地降低了多米諾事故個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)。

圖5 池火災(zāi)個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)等值線(xiàn)Fig.5 Isogram of pool fire individual risk

3.6 基于LOPA邏輯的多米諾效應(yīng)定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估表

根據(jù)第1章步驟9)檢驗(yàn)區(qū)域內(nèi)個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)是否超過(guò)不可接受值；若大于不可接受值，則更換有效性及可用性更高的安全屏障或增加安全屏障數(shù)量。基于以上思路，遵循LOPA邏輯，以表格形式直觀展示考慮安全屏障的多米諾效應(yīng)定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果，如表11所示，其可作為企業(yè)開(kāi)展多米諾效應(yīng)定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、檢驗(yàn)所識(shí)別的安全屏障阻止多米諾效應(yīng)擴(kuò)展性能的參考。

表11 基于LOPA邏輯的多米諾效應(yīng)定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估Table 11 Quantitative risk assessment of domino effect based on LOPA logic

4 結(jié)論

1)將保護(hù)層等安全屏障按功能劃分為降低罐體失效可能性、降低初始事故的影響、外部事故減緩措施3個(gè)類(lèi)型，對(duì)不同類(lèi)型的安全屏障指定相應(yīng)的可用性、有效性屬性及邏輯關(guān)系，采用事件樹(shù)分析計(jì)算罐區(qū)多米諾擴(kuò)展概率，改進(jìn)對(duì)罐區(qū)多米諾效應(yīng)定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。提出基于LOPA邏輯的多米諾效應(yīng)定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估表，拓展LOPA方法的應(yīng)用并形成較為直觀的分析結(jié)果，為化工企業(yè)開(kāi)展多米諾效應(yīng)定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、檢驗(yàn)安全屏障性能提供參考。

2)基于改進(jìn)的罐區(qū)多米諾效應(yīng)定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法對(duì)某苯乙烯罐區(qū)開(kāi)展案例分析，得出：多米諾效應(yīng)增加了區(qū)域內(nèi)個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)水平。相較完全未考慮安全屏障的情境，識(shí)別防火層，噴淋冷卻水系統(tǒng)作為安全屏障下的多米諾事故頻率及個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)降低了1個(gè)數(shù)量級(jí)，添加安全屏障可顯著降低罐區(qū)多米諾事故發(fā)生頻率及個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)。

3)主要針對(duì)罐區(qū)多米諾場(chǎng)景，所識(shí)別的安全屏障種類(lèi)有限，后續(xù)需要進(jìn)一步研究生產(chǎn)、運(yùn)輸環(huán)節(jié)等場(chǎng)景下適用的安全屏障量化屬性。此外，僅考慮了1級(jí)多米諾擴(kuò)展，而多級(jí)擴(kuò)展過(guò)程對(duì)安全屏障可用性和有效性的影響較為復(fù)雜，還有待進(jìn)一步的研究。