保護(hù)層分析后果嚴(yán)重度評價(jià)方法改進(jìn)初探

陳亭竹

西南石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院（四川成都610500）

保護(hù)層分析后果嚴(yán)重度評價(jià)方法改進(jìn)初探

陳亭竹

西南石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院（四川成都610500）

保護(hù)層分析中的風(fēng)險(xiǎn)分析主要是基于對危險(xiǎn)事件的發(fā)生頻率和后果嚴(yán)重度的預(yù)估，對后果嚴(yán)重度預(yù)估的不準(zhǔn)確會直接影響到風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)結(jié)果以及風(fēng)險(xiǎn)保護(hù)措施的應(yīng)用。對后果嚴(yán)重度的夸大會增加不必要的風(fēng)險(xiǎn)保護(hù)措施，而對后果嚴(yán)重度過于保守的預(yù)估會導(dǎo)致風(fēng)險(xiǎn)措施的不足。通過運(yùn)用定量計(jì)算的結(jié)果制定后果嚴(yán)重度查找表，能夠幫助保護(hù)層分析組員更好地掌握工藝流程中化學(xué)品泄漏的可燃性、爆炸性以及毒性的影響，并利用準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)來支撐保護(hù)層分析小組對后果嚴(yán)重度的評估。

保護(hù)層分析；后果嚴(yán)重度；查找表

近年來，各類危險(xiǎn)分析方法廣泛應(yīng)用于工業(yè)安全評價(jià)中，保護(hù)層分析(LOPA)是由事件樹分析發(fā)展而來的風(fēng)險(xiǎn)分析方法，LOPA由確定初始事件發(fā)生的概率開始，在大多數(shù)LOPA中這些發(fā)生概率可以從事件概率數(shù)據(jù)庫中得到，而在一些更精確的保護(hù)層分析中也利用詳細(xì)的事故樹分析及現(xiàn)場數(shù)據(jù)分析來支撐發(fā)生概率的確定。其后，確定每一個獨(dú)立保護(hù)層的失效概率，在考慮了每一個獨(dú)立保護(hù)層后計(jì)算出當(dāng)所有保護(hù)層都失效時的事件發(fā)生概率，并結(jié)合事故后果評估判斷其是否在公司容許范圍內(nèi)，增減保護(hù)層的數(shù)量。

但LOPA在后果嚴(yán)重度評估時可能因?yàn)榉治鋈藛T的不同而變化，主觀性較強(qiáng)，也因分析人員的經(jīng)驗(yàn)不同以及對定性描述理解不同而相異，導(dǎo)致后果嚴(yán)重度評估的不準(zhǔn)確與后續(xù)保護(hù)措施分析的夸大或過于保守，表1提供了一種常見后果嚴(yán)重度定性描述。由表1可知，在對后果進(jìn)行定性分級時并沒有充分考慮事故原因和過程分析，而僅憑主觀經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷，特別是當(dāng)LOPA小組成員意見出現(xiàn)分歧時，沒有一個可以作為參考的后果分級影響數(shù)據(jù)作為支撐。

Summers等[1]通過一致的后果嚴(yán)重性計(jì)算來改進(jìn)PHA/LOPA。后果嚴(yán)重度的一致性可以通過采用查表對后果嚴(yán)重度的評估提供指導(dǎo)，幫助LOPA小組通過查找表對應(yīng)實(shí)際項(xiàng)目情況對后果嚴(yán)重度進(jìn)行更符合實(shí)際情況的判斷，同時保留LOPA的簡潔和易操作性。在Summers研究的基礎(chǔ)上對查找表制定類型的劃分進(jìn)行改進(jìn)，并對常見危險(xiǎn)場景不同條件下的后果進(jìn)行模擬，將嚴(yán)重程度進(jìn)行預(yù)估并整理成查找表，以期對LOPA小組在意后果嚴(yán)重度評估有一定幫助。

1 后果嚴(yán)重度查找表的制定

1.1 初始事件的選擇

保護(hù)層分析一般將初始事件分為設(shè)備故障、外部事件及人員失誤3類。從近年發(fā)生的危險(xiǎn)化學(xué)品事故統(tǒng)計(jì)中可知，爆炸、泄漏和火災(zāi)占所有事故的90%以上，其中泄漏是發(fā)生數(shù)量最多的類型。爆炸事故數(shù)僅次于泄漏，但是爆炸是造成人員死亡最多的事故類型[2]。而在近年來引發(fā)事故的介質(zhì)統(tǒng)計(jì)中碳?xì)漕惢衔镒疃啵驗(yàn)樘細(xì)漕惢衔锊粌H易燃易爆，同時由于揮發(fā)性較強(qiáng)在生產(chǎn)過程中易發(fā)生事故[3]。因此制定了設(shè)備故障中碳?xì)漕惢衔镄孤┖蟊ǖ暮蠊麌?yán)重度查找表。

表1 后果定性分級方法

1.2 泄漏類型的判斷

當(dāng)確定了初始事件為碳?xì)漕惢衔镄孤┖螅紫葘π孤┻^程和對應(yīng)選取的泄漏模型進(jìn)行分析，對泄漏過程中的介質(zhì)相態(tài)、儲存方式、周圍防護(hù)措施及泄漏時間等進(jìn)行判斷后，能夠得到更加精確的泄漏量估計(jì)[4]，并為后果嚴(yán)重度的評估提供更精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。泄漏類型分析如圖1所示。

對于可燃碳?xì)漕惢衔铮舍槍Σ煌孤┠Ｐ椭贫ㄏ鄳?yīng)的泄漏率查找表。以氣相泄漏模型為例，提供了C1~C4的碳?xì)浠衔镄孤┖蟊ǖ男孤┧俾什檎冶恚⒁源酥贫ê蠊麌?yán)重度的查找表。

1.3 泄漏孔徑的選擇

腐蝕、疲勞開裂和孔洞是儲罐泄漏的主要原因，在發(fā)生碰撞、超壓的情況下也有很大可能導(dǎo)致泄漏。選擇API推薦的6.4mm(小)、25mm(中)、102mm(大)和406mm（破裂）4組孔徑作為泄漏孔徑。

1.4 泄漏速率的查找表

通過選擇的泄漏模型（氣相泄漏模型）、泄漏孔徑（4組）以及事故場景泄漏源的壓強(qiáng)(0.11~20MPa)制定了泄漏率查找表，如表2所示。

其中氣相泄漏模型計(jì)算公式如下：

式中：Qm為泄漏率，kg/s；C0為泄漏系數(shù)；r為熱容比；A為泄漏通道截面積，m2；Rg為理想氣體常數(shù)，p為泄漏處壓力，Pa；T0為泄漏源溫度，K；p0為儲罐內(nèi)壓，Pa；M為氣體摩爾質(zhì)量，kg/mol。

1.5 危害范圍的查找表

在危害范圍的計(jì)算中運(yùn)用ALOHA(Areal Locations of Hazardous Atmospheres)模擬軟件進(jìn)行計(jì)算。ALOHA是一款專門為應(yīng)對化學(xué)品泄漏以及應(yīng)急事件預(yù)防和演練而設(shè)計(jì)的事故后果模擬軟件，可以對關(guān)鍵危險(xiǎn)因素包括毒性、可燃性、熱輻射、超壓進(jìn)行分析，同時在進(jìn)行后果模擬時可以通過對事故發(fā)生位置（市區(qū)或郊區(qū)）、天氣（風(fēng)速、穩(wěn)定度、風(fēng)向）及儲罐材料、泄漏孔徑大小以及儲罐內(nèi)壓力等的設(shè)定得到與實(shí)際情況更相近的模擬結(jié)果[5]。用戶也可根據(jù)個人判斷選擇使用包括高斯模型、重氣模型、蒸汽云爆炸BELEVE等成熟的計(jì)算模型。

1）后果模擬天氣狀況的確定。在后果模擬計(jì)算中采用了美國環(huán)境保護(hù)局在后果模擬中推薦的最嚴(yán)重泄漏情景的假設(shè)：①風(fēng)速為2.57m/s；②濕度為50%；③溫度為35℃；④大氣穩(wěn)定度級別為B（不穩(wěn)定）。

2）泄漏時間的確定。在模擬中發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)泄漏情況在泄漏時間達(dá)到5min后，其泄漏后爆炸的影響范圍趨于一個穩(wěn)定狀態(tài)，不再隨著時間變化有太大的變化，故以5min作為泄漏時間進(jìn)行后果模擬。

圖1 泄漏分析框圖

表2 氣相泄漏模型泄漏率/（kg·mol-1）

3）影響范圍的確定。爆炸的主要危害來自沖擊波超壓，ALOHA在后果模擬中用造成建筑物損壞（0.055MPa）、人員嚴(yán)重受傷（0.024MPa）及玻璃碎裂（0.006 9MPa）3個層次的超壓強(qiáng)度來劃分蒸汽云爆炸可能造成的影響距離，以大多數(shù)公司重點(diǎn)關(guān)注的人員傷害，即可能導(dǎo)致人員嚴(yán)重傷害（0.024MPa）的范圍內(nèi)作為后果嚴(yán)重度影響范圍的確定標(biāo)準(zhǔn)。

當(dāng)影響范圍越大，人員受傷及周圍設(shè)備設(shè)施受到損壞的可能性也就越大，以120m×120m作為一個典型生產(chǎn)單元的大小為例，以ALOHA模擬結(jié)果的影響范圍（0.024MPa）和廠區(qū)面積的比例作為劃分事故后果嚴(yán)重度的依據(jù)，氣體泄漏爆炸超壓的后果嚴(yán)重度劃分見表3。

2 后果嚴(yán)重度查找表的應(yīng)用

2.1 事故場景

以某天然氣凈化廠原料氣管道泄漏為例。由于原料氣壓力高、酸性氣體含量高，因此容易造成超壓及腐蝕性泄漏。案例中原料氣管道壓力為8MPa，泄漏孔徑選取2.54cm。

2.2 應(yīng)用步驟及結(jié)果

圖2 查找表應(yīng)用步驟圖

后果嚴(yán)重度查找表的應(yīng)用步驟與查找表的制定步驟一致，通過對初始事件、泄漏類型的判斷（圖1），泄漏孔徑的確定來對應(yīng)泄漏率查找表（表2）查找泄漏率的大小，然后利用泄漏率大小對應(yīng)后果嚴(yán)重度劃分表（表3）查詢影響范圍的大小，并計(jì)算影響范圍占整個廠區(qū)的比例，最后得出后果嚴(yán)重度的參考值。具體應(yīng)用過程見圖2。可知參考后果嚴(yán)重度為1級。

表3 后果嚴(yán)重度劃分表

3 結(jié)論

通過分析LOPA中存在對后果嚴(yán)重度評估的主觀性和不準(zhǔn)確性，引出了以制作后果嚴(yán)重度查找表來為LOPA小組提供數(shù)據(jù)支撐的改進(jìn)方法。并以事故發(fā)生數(shù)最多的泄漏為例介紹了制作查找表的具體步驟和方法。可應(yīng)用于LOPA對大多數(shù)常見事故的后果嚴(yán)重度評價(jià)分析中，對常見后果嚴(yán)重度中用含糊的低、較低、高、較高等文字?jǐn)⑹龇旨壧峁┝烁珳?zhǔn)、更易讓LOPA小組成員意見統(tǒng)一的數(shù)據(jù)支撐，同時，查找表的方式保持了LOPA分析的簡單和快速，對準(zhǔn)確分析保護(hù)層是否足夠防止意外事故發(fā)生具有一定的參考價(jià)值。

[1]Summers A,Vogtmann W,Smolen S.Improving PHA/LOPA by consistent consequence severity estimation[J].Journal of Loss Prevention in the Process Industries,2011,24(1):879-885.

[2]李健,白曉昀,任正中,等.2011～2013年我國危險(xiǎn)化學(xué)品事故統(tǒng)計(jì)分析及對策研究[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù), 2014,10(6)：142-147.DOI:10.11731/j.issn.1673-193x.2014. 06.023.

[3]關(guān)文玲,蔣軍成.我國化工企業(yè)火災(zāi)爆炸事故統(tǒng)計(jì)分析及事故表征物探討[J].中國安全科學(xué)學(xué)報(bào),2008,18(3):103-107.DOI:10.3969/j.issn.1003-3033.2008.03.018.

[4]潘旭海,蔣軍成.事故泄漏源模型研究與分析[J].南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）,2002,24(1):105-110.DOI:10.3969/ j.issn.1671-7627.2002.01.023.

[5]邵輝,候麗娟,段國寧,等.ALOHA在苯泄漏事故中的模擬分析[J].常州大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）,2012,24(3):48-52.

The risk analysis of protection layer is mainly based on the prediction of the occurrence frequency and the consequence severity of dangerous events,and the inaccurate estimation of the consequence severity will directly affect the results of risk assessment and the application of risk protection measures.The exaggerated estimation of the consequence severity will increase unnecessary risk protection measures,and the inadequate estimation of the consequence severity will lead to lack of adequate risk protection measures.To create a consequence severity lookup table according to the quantitative calculation results can help the protective layer analysis team members to better grasp the influence of the combustibility,explosiveness and toxicity of the leakage chemicals in the technological process,and the accurate data can support the consequence severity assessment of the protective layer analysis team.

protection layer analysis;consequence severity;lookup table

學(xué)敏

2015-09-23

陳亭竹(1990－)，女，主要從事安全評價(jià)和危險(xiǎn)模擬及相關(guān)方面的研究。