石化行業(yè)定量風險評價研究

＊陳斯桂

（泉州市安全生產(chǎn)執(zhí)法支隊 福建 362000）

1.引言

定量風險評價（Quantitative Risk Assessment，QRA），是對某一設施或作業(yè)活動中發(fā)生事故頻率和后果進行定量分析，并與風險可接受標準比較的系統(tǒng)方法[1]，在石油化工行業(yè)中涉及復雜和風險性大的系統(tǒng)的安全性評估方面有著重要的地位。與傳統(tǒng)的風險評價手段不同，該方法針對不同的事故狀況，在定性分析的基礎上，需要引入不同的數(shù)學模型對系統(tǒng)失效概率和引發(fā)的后果進行定量分析，相對比較復雜，以使得風險評價的結果更加的合理、可行。

2.QRA的研究現(xiàn)狀

目前定量風險評價的研究大致分為4個類型，即概率風險評估類、危險指數(shù)評估類、事故范圍評估類和過程安全風險評估類。

(1)概率風險評估類研究

概率安全評估是在定量風險評估方法中應用最廣的分析方法，其主要目的是計算基本事件、危險事件發(fā)生概率的點估計和區(qū)間估計以及不確定性，以分析各種不同因素對風險影響的重要程度，核心是風險模型的建立和定量化。但是在實際工作中，由于數(shù)據(jù)不足、資料不準確、可比條件與環(huán)境不易確定等原因，事件發(fā)生的概率難以定量估算。隨著模糊數(shù)學理論[2]、灰色系統(tǒng)理論[3]和神經(jīng)網(wǎng)絡理論[4]等方法在概率安全評估中的應用，很好地解決了這些不足，擴大了概率風險評估方法的應用范圍。

(2)危險指數(shù)評估類研究

危險指數(shù)評估方法主要是應用系統(tǒng)的事故危險指數(shù)模型，根據(jù)系統(tǒng)的基本性質和狀態(tài)進行推算，從而判斷事故損失、危險性以及安全措施有效性的風險評估方法。常用的危險指數(shù)評估方法主要是道化學公司火災爆炸指數(shù)法以及在此基礎上改進的ICI蒙德法，重大危險源評估法[5]等。其特點是通過對評估系統(tǒng)進行單元劃分，使得復雜系統(tǒng)簡單化。相較于概率安全評估方法，危險指數(shù)評估方法可以同時確定事故發(fā)生的可能性和嚴重性。但是該類方法無法對系統(tǒng)中存在的安全保障措施的多少、優(yōu)劣進行評估，也無法評估安全措施與系統(tǒng)中存在的危險物質之間的相互作用，評估結果無法隨時間變化而變化。

(3)事故影響評估類研究

事故影響評估法是根據(jù)發(fā)生事故類型，建立相應的數(shù)學模型，通過數(shù)學計算以求取事故對造成人員傷害、財產(chǎn)損失和環(huán)境污染范圍的風險評估方法。常見的事故模型有液體泄漏模型、氣體泄漏模型、氣液兩相泄漏模型、氣體絕熱擴散模型、毒物泄漏擴散模型、池火火焰與輻射強度評價模型、火球爆炸傷害模型、爆炸沖擊波模型、蒸氣云爆炸TNO多能法和鍋爐爆炸傷害TNT當量法等等。此類方法評估結果較為直觀，可信度高。但是該類模型并不是完美的，也存在一些缺點，比如：

①無法估算事故對臨近裝置造成二次事故甚至三次事故的概率及后果。因此，有學者提出了多米諾效應分析法以及優(yōu)化后的基于事件樹的多米諾效應分析、綜合貝葉斯-petri網(wǎng)的多米諾效應分析以探究對人的影響、模糊多米諾效應分析以探究不確定情境下的事故危害以及協(xié)同效應下的多米諾效應影響等等。

②該類方法計算量較大、計算過程較為復雜，部分參數(shù)難以選取，結果會根據(jù)模型的不同產(chǎn)生較大偏差，而且氣體擴散過程受到重力、環(huán)境條件、初始狀態(tài)等諸多因素的影響，表現(xiàn)形式往往為湍流，理論方法的局限性被進一步放大。而且計算模型往往是對計算對象進行抽象和簡化得到的，準確性往往受到所做假設的限制，而且對于非線性情況，通常很難得到解析解。因此，有學者提出借助計算流體動力學，對包含有可燃、有毒物質的擴散等物理現(xiàn)象通過計算機數(shù)值計算和圖像顯示進行分析，可以得到極其復雜的流場內各個位置上的基本物理量（例如溫度、壓力、速率、濃度等）的分布，以及其在時間軸上的變化情況，還可以根據(jù)此推算出其他物理量。除了用于設施設備的化學品泄漏擴散，還有學者將其應用于工業(yè)VOCs排放的監(jiān)測、事故狀態(tài)下的人員疏散和應急救援、輸油/氣管道、多米諾效應分析等方面。比較常用的方法和模型有雷諾平均法、FEM模型、HEAVYGAS模型等。

(4)過程安全評估類研究

過程安全評估類方法是在本質安全思想的基礎上，對整個化工過程生命周期進行風險評估的方法，對于化工工藝的不同時期有不同的風險評估方法。常用的方法有反應熱風險評估法、保護層分析法（LOPA）、F-N曲線分析法等

反應熱風險評估法是研究化學反應過程中的熱效應、壓力效應和破壞效應之間關系的方法，該方法通過物質熱敏性分析、反應量熱等測試，分析計算反應熱平衡及失控反應的邊界條件，對反應風險的可能性和嚴重度進行綜合評估得出目標工藝的危險度。常用的物質熱敏性分析方法有差示掃描量熱法、微量熱法、加速度量熱法、低熱慣性絕熱量熱法等；常用反應量熱方法有熱流法、功率補償法、熱平衡法及帕爾帖法等。

保護層分析法（LOPA）主要是通過將系統(tǒng)的安全防護措施劃分為8類保護層，在設定的事故模式下，計算各個保護層的失效概率，從而計算事故風險。可以應用于安全儀表系統(tǒng)（SIS）的安全完整性等級（SIL）確定及降低，也可以利用其他方法（例如模糊數(shù)學理論、貝葉斯網(wǎng)絡模型等）對其進行優(yōu)化改善、確定保護層失效概率等。

F-N曲線分析法是一種采用雙對數(shù)坐標系劃分可容忍風險區(qū)，以對發(fā)生傷亡事故的累積頻率和傷亡人數(shù)分布情況的圖形描述方法。該方法適用于具有充分數(shù)據(jù)情況下的風險比較，便于理解，有利于風險決策，但是該方法無法說明事故的影響范圍、發(fā)生方式等情況，通常情況下與其他方法結合使用（例如保護層分析法等）。

3.應用

定量風險評價被廣泛應用于石油化工、水利、核工業(yè)以及航空航天等行業(yè)領域。以下主要對石油化工行業(yè)的應用進行論述。

(1)職業(yè)衛(wèi)生評估

石化企業(yè)的工程人員長期暴露在有毒有害氣體、粉塵環(huán)境中，容易引起職業(yè)疾病。國際上通常采用的是國際采礦與金屬委員會（ICMM）職業(yè)健康風險評估方法和新加坡半定量風險評估法，充分考慮職業(yè)病危害因素的危害水平和作業(yè)位的暴露水平等情況，半定量評估職業(yè)健康風險，評估標準較客觀。我國在2017年發(fā)布了《工作場所化學有害因素職業(yè)健康風險評估技術導則》（GBZ/T 298-2017），提出了危害特征評估的半定量風險評價模型以及致癌性、非致癌性兩種定量風險評價模型，進一步完善了工作場所職業(yè)危害評估體系。

(2)過程安全管理

多米諾效應分析：通過分析重大危險源裝置設備等發(fā)生火災、爆炸、泄漏等事故類型及可能造成的后果，計算得到對臨近裝置、廠房造成的危害，分析造成二次、三次事故的概率[6]。工藝優(yōu)化設計改造：通過保護層分析，計算在設定的事故模式下，各個保護層的失效概率，從而對容易失效的保護層進行升級；通過物質熱敏性分析、反應量熱等測試，分析計算反應熱平衡及失控反應的邊界條件，對反應風險的可能性和嚴重度進行綜合評估得出目標工藝的危險度，從而對工藝進行優(yōu)化等。

(3)廠區(qū)布局設計

石化企業(yè)廠區(qū)建設前期或改造的過程中存在周邊安全條件以及與已有設施是否匹配等問題。可以通過建立在不同事故場景下的數(shù)學模型，計算事故對設備設施及人員的影響范圍。在頻率和后果分析的基礎上，通過風險計算得出死亡半徑、重傷半徑、輕傷半徑等參數(shù)，確定個人風險等值線及社會風險F-N曲線。依據(jù)風險標準，判斷個人風險及社會風險是否滿足規(guī)范要求。下面以某液化石油氣儲存企業(yè)為例，通過對風險計算可以得出死亡半徑、重傷半徑、輕傷半徑等參數(shù)，表1是80000m3液化石油氣儲罐管道完全破裂事故后果模擬表。圖1和圖2是采用CASST-QRA重大危險源區(qū)域定量風險評價軟件對某液化石油氣儲存企業(yè)進行事故后果模擬分析，得到個人風險等值線圖和社會風險等值線圖。分析結果顯示，該公司儲罐區(qū)3×10-7次/年個人風險等值線范圍內不存在高敏感場所、特殊高密度場所、重要目標，1×10-6次/年個人風險等值線范圍內不存在居住類高密度場所、公眾聚集類高密度場所，公司個人風險是可接受的；社會風險曲線處于可容許區(qū)內，社會風險是可接受的。綜合以上，本項目外部安全防護距離可滿足要求。定量風險評價通過確定安全防護距離，考慮事故發(fā)生時對已有設施的影響及對周邊敏感區(qū)域產(chǎn)生的安全風險，合理優(yōu)化廠區(qū)布局。

表1 80000m3液化石油氣儲罐管道完全破裂事故后果模擬表

圖1 個人風險等值線圖

圖2 社會風險等值線圖

(4)建筑抗爆改造

控制室等重要場所遭受爆炸沖擊波的破壞，會使整個廠區(qū)陷入癱瘓無法運行，造成嚴重的財產(chǎn)損失，直接威脅到人員的生命安全。《石油化工建筑物抗爆設計標準》（GB/T 50779）、《石油化工企業(yè)設計防火標準》（GB 50160-2018）、《危險化學品安全專項整治三年行動實施方案》等法律法規(guī)均指向控制室等人員集中建筑物需要進行抗爆分析。由于工藝條件、地理位置等其他因素的限制，很多情況下無法通過調整布局來減少爆炸沖擊波對建筑的影響。因此在控制室的抗爆改造中，需要進行更嚴格的計算及材料選擇，以滿足抗爆要求。通過事故影響法篩選所有可能的爆炸事故場景，計算出不同區(qū)域的超壓值及作用時間。參考中石化的風險標準要求，確定目標建筑物在受到各個場景可能發(fā)生爆炸事故產(chǎn)生的沖擊波超壓6.9kPa以上，或者爆炸沖量在207kPa·ms以上。將爆炸發(fā)生的概率作為參考因素，使用累積頻率法，得到一萬年發(fā)生一次事故或根據(jù)最大可信事故場景確定的爆炸沖擊波參數(shù)，作為控制室抗爆改造的設計基礎。根據(jù)側向超壓超出曲線確定目標建筑物的超壓設計載荷，以此對已建成投用的控制室等重要建筑進行抗爆改造。

(5)應急措施建立

缺乏有效的應急反應是一些重大工藝安全事故發(fā)生的重要原因之一。因此，石化企業(yè)需要編制應對緊急情況的計劃，提升員工的應急反應能力，以防止小的異常事件或事故演變成大事故或災難，從而減少人員傷害、減輕環(huán)境破壞和免遭財產(chǎn)損失。通過事故影響評價法，模擬計算事故發(fā)生過程，確定事故發(fā)生時離事故中心不同距離的區(qū)域可能受到的影響和存在的危險，如熱輻射、沖擊波及毒性氣體擴散等。在此基礎上對工藝系統(tǒng)進行工藝危害分析，提出準備應急救援設備、急救與醫(yī)療搶救、設計緊急撤退路線、逃生出口、避難區(qū)域、消防設施分布、外部救援及現(xiàn)場具體的應急反應程序等措施，形成應急預案或指南，以完善企業(yè)應急反應系統(tǒng)。定量風險評價針對石化企業(yè)可能發(fā)生的事故場景，通過計算模擬了解相關后果，為應急設施的建立及應急預案的編制提供數(shù)據(jù)支持，有助于提高相關人員的應急能力，是防止緊急情況演變?yōu)橹卮笫鹿剩瑴p輕事故后果的重要途徑。

4.定量風險評價局限性與展望

(1)局限性

定量風險評價存在較多局限性，例如，計算量大，需要依賴強大的邏輯思維能力或借助計算機等輔助設備。對于系統(tǒng)計算中涉及到的裝置失效概率、偏離因子等各類參數(shù)的確定需要投入大量的精力，例如需要收集各裝置工藝操作條件和設備臺賬，對裝置和儲運系統(tǒng)設備進行定量計算，確定每一個泄漏單元內的危險物料、工藝參數(shù)（溫度、壓力等）、設備設施及規(guī)格（主要設備、工藝管道、法蘭、閥門、儀表接管等）、泄漏單元的物料存量等信息。各類數(shù)據(jù)的準確度和適應性也難以確定。各國國情不同，他國的數(shù)據(jù)對于我國國內適應性也必然不同，而且國內不同地點，不同的環(huán)境，變量較多，難以確保數(shù)據(jù)的準確性和適應性。

(2)展望

伴隨著社會的發(fā)展，計算機數(shù)據(jù)分析技術、地理位置信息系統(tǒng)技術（GIS）、遙感技術等日益成熟，而定量風險評價作為一種數(shù)學分析方法，也必然會跟隨著社會的進步而進步，以上技術也必定在定量風險評價中得到綜合應用。

①計算機數(shù)據(jù)分析技術在定量風險評價中的應用

對于定量風險評價在計算機數(shù)據(jù)分析技術中的應用主要包含數(shù)據(jù)基礎邏輯分析技術、數(shù)據(jù)可視化技術及大數(shù)據(jù)分析技術等方面。由于在某一具體單位進行定量風險評價時會涉及較多的事故場景，對于各個事故場景又對應不同的事故劇情，數(shù)據(jù)復雜，事故數(shù)學模型較多，工作量大，因此需要借助計算機進行分析。對于長時間累積收集的數(shù)據(jù)運用大數(shù)據(jù)分析技術進行儲存、歸納、總結，省時省力。對于風險計算的結果可以以可視化風險地圖的形式進行展示，例如毒氣擴散后果、火災輻射后果、個人風險影響等都可以在地圖中直觀表示出來，直觀生動。

②地理位置信息系統(tǒng)技術在定量風險評價中的應用

工業(yè)風險地圖主要用于標識工業(yè)裝置對周邊脆弱人口的影響，隨著地理信息系統(tǒng)（GIS）技術的不斷成熟，風險地圖中數(shù)據(jù)嵌入模式也會發(fā)生變化。但是目前風險可視化研究中，風險均為靜態(tài)風險，無法做到動態(tài)監(jiān)控，這也是未來發(fā)展的一個比較重要的方向。

③遙感技術在定量風險評價中的應用

遙感技術由于其信息直觀、豐富、簡單易行的優(yōu)點越來越被大眾所接受和喜愛。隨著國內的遙感衛(wèi)星商化率的提高和激光雷達技術的日益成熟，遙感技術在應急管理領域的應用已經(jīng)迎來了發(fā)展的黃金時期，其在危險品監(jiān)測監(jiān)控、應急疏散、環(huán)境治理上存在巨大潛力。