危化品儲罐區(qū)多災(zāi)種耦合效應(yīng)風(fēng)險分析*

蔣 代，華 敏，潘旭海

(南京工業(yè)大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210009)

0 引言

危化品儲罐區(qū)作為化工園區(qū)一個多種危險源高度集中的區(qū)域，極易發(fā)生泄漏擴散、火災(zāi)、爆炸等事故引發(fā)的多米諾效應(yīng)。Kourniotis等[1-2]通過MHIDAS數(shù)據(jù)庫，對過去事故進行統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)多米諾效應(yīng)事故占總事故的38.6%，并大多是以火災(zāi)引發(fā)爆炸為主。1984年墨西哥發(fā)生的一起多米諾效應(yīng)事故，造成了極大的損失，使國外高度重視對多米諾效應(yīng)的研究[3]。

目前，國內(nèi)外對單事故破壞作用已從定性研究過渡到了定量評估。Cozzani等[4-7]從統(tǒng)計單災(zāi)種引發(fā)多米諾效應(yīng)事故數(shù)據(jù)到儲罐脆弱模型的建立再到定量風(fēng)險評估的研究已較為成熟。但是由于不同災(zāi)種的形成、傳播形式不同，國內(nèi)外對多米諾效應(yīng)的多災(zāi)種耦合的研究分析相對較少[8-9]。然而，隨著危化品運用的增多，多災(zāi)種協(xié)同發(fā)生，引發(fā)事故擴展的情況時常發(fā)生，產(chǎn)生的影響比單災(zāi)種情況下的事故后果更加嚴(yán)重，故對危化品儲罐區(qū)中多災(zāi)種耦合引發(fā)多米諾效應(yīng)事故的研究十分有必要。

1 多米諾效應(yīng)

1.1 多米諾效應(yīng)的衍生原理

當(dāng)一個罐體或多個罐體發(fā)生池火、噴射火、火球、VCE，BLEVE等事故后，產(chǎn)生的熱輻射、沖擊波、碎片作用于相鄰罐體，若超過罐體所能承受的閾值，罐體發(fā)生失效，引發(fā)二次事故，產(chǎn)生更嚴(yán)重的事故后果，即為多米諾效應(yīng)。根據(jù)常見情景，構(gòu)建事故樹、事件樹，得到多米諾效應(yīng)的發(fā)生原理圖，如圖1所示。

1.2 單災(zāi)種多米諾效應(yīng)場景

單災(zāi)種多米諾效應(yīng)場景即為火災(zāi)、爆炸、地震、海嘯、洪水等單一災(zāi)種引發(fā)衍生事故，導(dǎo)致?lián)p失擴大的場景。其中，火災(zāi)通過熱輻射或火焰吞沒作用于目標(biāo)罐體，使其壁面和充裝物的溫度加速上升，罐體內(nèi)部物質(zhì)受熱膨脹、壓力增大，最后導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效，產(chǎn)生二次事故——泄漏或是爆炸。同理，爆炸、地震、海嘯、洪水等單一災(zāi)種下產(chǎn)生的能量作用于目標(biāo)罐體或單災(zāi)種多事故點協(xié)同作用目標(biāo)罐體[8]，使罐體產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性破壞，導(dǎo)致事故的發(fā)生，即單災(zāi)種多米諾效應(yīng)場景。

S-安全；F-失效；B-完全毀壞；BLEVE-沸騰液體擴展蒸汽爆炸; VCE-蒸氣云爆炸。圖1 多米諾效應(yīng)原理Fig.1 Domino effect schematic

1.3 多災(zāi)種多米諾效應(yīng)場景

利用物理學(xué)中的觸發(fā)器原理分析多災(zāi)種耦合風(fēng)險形成的場景，通過觸發(fā)器的輸入和輸出結(jié)果來表明多災(zāi)種耦合致多米諾效應(yīng)的結(jié)果。耦合觸發(fā)器檢驗多災(zāi)種耦合后的輸出結(jié)果，若多災(zāi)種產(chǎn)生的風(fēng)險因素經(jīng)過耦合振蕩器后，產(chǎn)生的新脈沖破壞周圍罐體的正常平衡狀態(tài)，從而導(dǎo)致事故升級以及更高級的多米諾事故，即為多災(zāi)種多米諾效應(yīng)場景。多災(zāi)種耦合場景示意如圖2所示。然而，由于儲罐間的距離、安全裝置以及儲罐自身結(jié)構(gòu)等原因，儲罐在多災(zāi)種耦合下具有自適應(yīng)、自調(diào)節(jié)等特點，可能會減弱甚至?xí)钄喽酁?zāi)種形成的各風(fēng)險因素的耦合集成，使各風(fēng)險因子處于獨立、局部、靜止的狀態(tài)，使其產(chǎn)生的不良影響減弱、緩沖或是掩蓋，而不能達到儲罐閾值，處于弱耦合的狀態(tài)。當(dāng)多災(zāi)種的風(fēng)險因子耦合未受到干擾并不斷聚集，超過儲罐的失效閾值或是因風(fēng)險因子的聚集出現(xiàn)誘因使儲罐的失效閾值降低而達到事故升級的效果，此時多災(zāi)種產(chǎn)生的風(fēng)險因素耦合作用后的影響效果加劇，最終導(dǎo)致發(fā)生二次事故的風(fēng)險增大，此時處于強耦合狀態(tài)。

圖2 自然災(zāi)害引發(fā)的危化品儲罐區(qū)發(fā)生多災(zāi)種耦合場景Fig.2 Coupling scenario of multiple disasters in hazardous chemicals storage tanks caused by natural disasters

假設(shè)自然災(zāi)害產(chǎn)生的風(fēng)險因子導(dǎo)致儲罐區(qū)發(fā)生泄漏，泄漏后引發(fā)的火災(zāi)和爆炸事故在t時刻形成的危險性脈沖為W(t)，儲罐在爆炸、火災(zāi)下受超壓、熱輻射、碎片的危險性分別為P(t)，Q(t)，F(xiàn)(t)，當(dāng)W(t)>min{P(t)，Q(t)，F(xiàn)(t)，…}時，脈沖W(t)會沖過儲罐的危險性，并經(jīng)由耦合振蕩后產(chǎn)生新的脈沖W(t)′，致使儲罐失效的風(fēng)險加劇，即多災(zāi)種作用下的“強耦合”；當(dāng)W(t)=min{P(t)，Q(t)，F(xiàn)(t)，…}時，此時脈沖W(t)不變，危險性不變，即多災(zāi)種作用下的“零耦合”；當(dāng)W(t)

2 多災(zāi)種耦合分析

2.1 單災(zāi)種作用模型

目前，國內(nèi)外對多米諾效應(yīng)的定量評估主要基于目標(biāo)設(shè)備損失概率，通過其計算場景下多米諾效應(yīng)發(fā)生概率，以此來判定事故發(fā)生的可能。現(xiàn)階段研究者對單災(zāi)種引發(fā)的多米諾效應(yīng)研究取得了許多成果，Cozzani等通過實驗發(fā)現(xiàn)容器的失效時間“ttf”在脆弱模型的建立中起主要作用，測定了目標(biāo)容器或罐體接受不同熱通量的情況下，發(fā)生的失效狀態(tài)，最后總結(jié)出火災(zāi)的熱輻射引發(fā)目標(biāo)容器或罐體失效的計算模型[7,10]。Salzano等還將“紫皮書”(TNO)定義的損失強度與Schneider提出的“極限階段”概念進行整合，得出輕微損失、整體破壞、中間狀態(tài)3種破壞結(jié)果，并把超壓峰值作為衡量容器失效情況的1個參數(shù)，故用超壓峰值表達擴大效應(yīng)計算模型[6，11]。由于爆炸過程中產(chǎn)生的碎片數(shù)量、拋射角度、幾何形狀等很難確定，故產(chǎn)生碎片的拋射路徑隨機性太大，不能確定目標(biāo)物是否在碎片最大投射距離的區(qū)域內(nèi)，故研究碎片引發(fā)多米諾效應(yīng)的情況比較復(fù)雜。一些研究者通過蒙特卡洛方法對碎片的拋射范圍進行模擬，并結(jié)合實驗推算出脆弱模型，在此不做詳細描述[12]。表1中列入了常用設(shè)備損失概率模型[6-7,10-11]。

表1 常用設(shè)備損失概率模型[6-7,10-11]Table 1 Common equipment probit models[6-7,10-11]

表1中，Y值表示初始事故風(fēng)險因子對目標(biāo)設(shè)備影響的擴展概率單位值；ttf表示目標(biāo)設(shè)備失效時間，s；Q表示目標(biāo)設(shè)備單位面積接收到的熱通量，kW/m2；V表示目標(biāo)設(shè)備的體積，m3；Ps表示目標(biāo)設(shè)備受沖擊波產(chǎn)生的峰值靜態(tài)壓力，Pa。

根據(jù)不同類型設(shè)備計算不同風(fēng)險因素下的Y值，通過公式(1)得到事故擴展概率Pd:

(1)

若已知初始事件發(fā)生概率為P0，則多米諾效應(yīng)場景事故發(fā)生概率為Pdomino，其中:

Pdomino=P0×Pd

(2)

2.2 多災(zāi)種耦合作用模型與分析

耦合在不同的學(xué)科中有不同的體現(xiàn)形式，在物理學(xué)中，耦合指多個電路元件在輸入、輸出之間的相互作用而產(chǎn)生相互影響的現(xiàn)象；在系統(tǒng)動力學(xué)中，耦合指存在普遍聯(lián)系的事物中，不同系統(tǒng)相互間的不同作用；在風(fēng)險管理領(lǐng)域中，對風(fēng)險的耦合被定義為風(fēng)險因素間的影響程度。火災(zāi)形成的熱輻射、爆炸產(chǎn)生的沖擊波以及地震、洪水、颶風(fēng)、海嘯等對目標(biāo)罐體產(chǎn)生作用，形成多物理場耦合效應(yīng)，會影響目標(biāo)罐失效的速度。本文運用物理學(xué)中的耦合機理為基礎(chǔ)[16-18]，建立多災(zāi)種耦合模型:

(3)

以E0表示罐體受災(zāi)影響的臨界值，E是災(zāi)害影響強度的實際值。當(dāng)E≥E0時，將會使罐體發(fā)生破損。Ci表示各災(zāi)害對目標(biāo)罐體的破壞強度；ki表示各災(zāi)害耦合系數(shù)，其正負分別代表災(zāi)害對目標(biāo)罐體的損害為加強效果和減弱效果，并令|k1|+|k2|=1。

根據(jù)數(shù)據(jù)庫統(tǒng)計[4]，多米諾效應(yīng)事故的初始事故為火災(zāi)的可能性為0.524，而爆炸的可能性為0.476，故本文以考慮爆炸與火災(zāi)對目標(biāo)罐體的耦合作用為例，對多災(zāi)種耦合作用形式進行分析。討論目標(biāo)罐體受火災(zāi)和爆炸的影響，即火災(zāi)產(chǎn)生的熱效應(yīng)和爆炸產(chǎn)生的超壓的耦合作用，以C1表示火災(zāi)的破壞強度，C2表示爆炸的破壞強度，k1，k2分表表示火災(zāi)、爆炸的耦合系數(shù)，分析如下:

1)直接耦合:干擾直接侵入的方式，是系統(tǒng)中存在的普遍形式。當(dāng)爆炸發(fā)生時，火災(zāi)作用目標(biāo)罐體已發(fā)生失效，導(dǎo)致二次事故的發(fā)生，即被認為C1?C2，k1=1，k2=0；相反，若爆炸發(fā)生時，其破壞能直接讓罐體發(fā)生二次事故，即C2≥E0時，k1=0，k2=1。對于這種耦合方式，可采取直接濾波去耦的方法，即直接防止破壞較大的事故發(fā)生。

2)電容耦合:由于分布電容的存在而產(chǎn)生的一種耦合方式。當(dāng)爆炸和火災(zāi)都作用于目標(biāo)罐體時，火災(zāi)的熱效應(yīng)對罐體結(jié)構(gòu)力造成一部分削弱，在爆炸的沖擊波超壓的作用下，目標(biāo)罐體受到小于閾值的傷害就發(fā)生失效，造成事故的擴展，此時k1，k2的值決定火災(zāi)、爆炸作用強度所占的比例。對于這種耦合方式，可采取從火災(zāi)、爆炸發(fā)生根源或是阻斷流通的方式進行預(yù)防。

3)漏電耦合：所謂漏電耦合就是電阻性耦合。當(dāng)爆炸產(chǎn)生的沖擊波對目標(biāo)罐體接受的熱輻射起一個減弱作用或是爆炸使火災(zāi)或目標(biāo)罐體發(fā)生位移，減小了目標(biāo)罐體受損的程度，即k2<0，此時只需考慮從火災(zāi)入手，減小事故發(fā)生概率。

3 實例分析

某一儲罐區(qū)由序號為D1～D8的8個常壓汽油儲罐組成，每個儲罐容量為200 t，體積為785.4 m3，分別假設(shè)罐區(qū)發(fā)生池火和蒸氣云爆炸2種場景，且初始發(fā)生概率分別為1×10-5和2×10-6，儲罐單元間的距離分布如表2所示。

根據(jù)Cozzina等提出的計算模型，分別計算在火災(zāi)產(chǎn)生的熱輻射和爆炸產(chǎn)生的超壓為上升因素的情況下，D1～D8罐體接收到的熱通量(kW/m2)和超壓(kPa)分布情況[5,14-15]，見表3。

表2 儲罐單元間的距離分布(中心距離)Table 2 Distance distribution in tank units (center distance) m

表3 熱輻射/超壓為上升因素情況[15]

根據(jù)Cozzina等[15]的研究，在單災(zāi)種事故場景中，假設(shè)D1發(fā)生初始事故為池火時，D2，D4可能發(fā)生一級多米諾效應(yīng)事故，D3，D5，D7可能發(fā)生二級多米諾效應(yīng)事故，D6，D8可能發(fā)生三級；同理，假設(shè)D1發(fā)生初始事故為蒸氣云時，D2，D4，D5可能發(fā)生一級多米諾效應(yīng)事故，D3，D7其次，最后是D6，D8。然而，在實際事故場景中，假設(shè)D1發(fā)生初始事故為池火時，可能引發(fā)D2，D4都發(fā)生池火或蒸汽云，也可能是D2發(fā)生池火、D4蒸氣云事故，所以接下來鄰近罐體可能受到多災(zāi)種耦合作用發(fā)生事故擴展。在此，考慮多米諾效應(yīng)事故情景下，單災(zāi)種和多災(zāi)種耦合作用下，分析儲罐的失效風(fēng)險。分別取熱輻射、超壓的閾值為15 kW/m2和7 kPa，并利用表1模型和公式(1)計算D1～D8罐在火災(zāi)或爆炸情況下各儲罐的擴展概率，并以擴展概率為邊權(quán)建立儲罐區(qū)單災(zāi)種擴展網(wǎng)絡(luò)圖，如圖3所示[14,16]。

圖3 單災(zāi)種事故網(wǎng)絡(luò)圖Fig.3 Network diagram of single disaster accidents

圖4 儲罐區(qū)綜合災(zāi)害擴展網(wǎng)絡(luò)圖Fig.4 Network diagram of integrated disaster expansion in the storage area

根據(jù)近年來，國內(nèi)外事故數(shù)據(jù)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)化工園儲罐區(qū)災(zāi)害的發(fā)生由恐怖主義行為誘發(fā)占很大比例，故研究多儲罐同時發(fā)生災(zāi)害對鄰近罐體產(chǎn)生耦合效應(yīng)引發(fā)災(zāi)害擴展的概率很重要。在此，基于儲罐區(qū)綜合災(zāi)害擴展網(wǎng)絡(luò)圖，對多儲罐多災(zāi)種耦合下鄰近儲罐發(fā)生事故擴展的概率進行計算，部分結(jié)果如表5所示。

分析表5可得，當(dāng)D1，D2發(fā)生災(zāi)害時，D4，D5發(fā)生災(zāi)害擴展的概率最大；當(dāng)D1，D3發(fā)生災(zāi)害時，D2發(fā)生災(zāi)害擴展的概率最大；同理，當(dāng)儲罐區(qū)多儲罐發(fā)生災(zāi)害耦合時，利用儲罐區(qū)綜合災(zāi)害擴展網(wǎng)絡(luò)圖均可得到各儲罐災(zāi)害擴展的概率，能為罐區(qū)災(zāi)害預(yù)測及災(zāi)害防護提供建議。

4 多災(zāi)種耦合效應(yīng)演化分析

由于化工園儲罐區(qū)具有復(fù)雜、集中等特點，發(fā)生多災(zāi)種耦合效應(yīng)時，不僅僅是火災(zāi)、爆炸等災(zāi)害引發(fā)儲罐之間的災(zāi)害擴展，還經(jīng)常包括地震、雷電、洪水等災(zāi)害對罐區(qū)影響產(chǎn)生的多災(zāi)種耦合效應(yīng)。與此同時，人、化工園區(qū)布置、環(huán)境等對耦合產(chǎn)生的影響也不可忽略。為全面分析多災(zāi)種耦合效應(yīng)，基于儲罐受多危險因素影響下的耦合效應(yīng)的聯(lián)系，建立多災(zāi)種耦合效應(yīng)之間的關(guān)聯(lián)圖，如圖5所示。

表4 熱輻射/超壓無量綱化后的風(fēng)險因素值分布Table 4 Distribution of heat radiation/overpressure by using dimensionless method

表5 多儲罐多災(zāi)種耦合下儲罐事故擴展概率分布Table 5 Probability distribution of accident expansion under the coupling of multiple tanks and multiple disasters

圖5 多災(zāi)種耦合效應(yīng)關(guān)聯(lián)示意Fig.5 Multi-hazard coupling effect correlation diagram

5 結(jié)論

2)針對某一儲罐區(qū)單一和多災(zāi)種耦合下的多米諾效應(yīng)事故，分析可得出儲罐區(qū)單一災(zāi)害擴展網(wǎng)絡(luò)圖和多災(zāi)種耦合情況下的災(zāi)害擴展網(wǎng)絡(luò)圖，可為分析災(zāi)害擴展風(fēng)險和減少多米諾效應(yīng)奠定基礎(chǔ)。

3)分析多災(zāi)種耦合作用對目標(biāo)罐體的影響并建立多災(zāi)種耦合效應(yīng)關(guān)聯(lián)圖，采取對災(zāi)害耦合前控制耦合關(guān)聯(lián)因素和災(zāi)害耦合后防護擴展概率最大的目標(biāo)罐體，即可抑制多米諾效應(yīng)的發(fā)生。