液氧儲(chǔ)存定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估實(shí)例及風(fēng)險(xiǎn)降低措施

陸建明

［空氣化工產(chǎn)品（中國(guó)）投資有限公司，上海 201203］

1 概況

1）在流程工業(yè)中，工程規(guī)范和過程安全管理（PSM）系統(tǒng)等管理工具提供了針對(duì)事故的層層保護(hù)。然而由于工藝中所使用的物料的危害性質(zhì)及含有的危害能量，無法完全消除嚴(yán)重事故的可能性，以空分工廠為例，產(chǎn)生和儲(chǔ)存大量液氧，一旦發(fā)生泄漏，會(huì)發(fā)生大量的蒸發(fā)，低溫氣團(tuán)在靠近地面處聚集，不易擴(kuò)散，可在數(shù)百米范圍內(nèi)形成富氧環(huán)境，一旦存在點(diǎn)火源，富氧環(huán)境中的可燃材料容易發(fā)生急速燃燒和爆炸，可造成重大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。

2）過程安全風(fēng)險(xiǎn)是由特定事故場(chǎng)景的頻率和后果組合所綜合決定的。許多公司、組織和國(guó)家已經(jīng)建立了量化風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)，即被認(rèn)為是可容忍的風(fēng)險(xiǎn)上限，組織和社會(huì)愿意承擔(dān)這些較低的風(fēng)險(xiǎn)，在確保安全前提下，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益。

如何控制過程安全風(fēng)險(xiǎn)，滿足國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求，是過程安全工作的核心內(nèi)容，定量風(fēng)險(xiǎn)分析（QRA）提供了一種定量方法來評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)，目的是與相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)比較，確定相關(guān)設(shè)施的安全風(fēng)險(xiǎn)可否接受，并確定有效的風(fēng)險(xiǎn)降低方法。

QRA 流程通常的步驟是：

①定義要分析的過程范圍，并確定風(fēng)險(xiǎn)接受 標(biāo)準(zhǔn)。②識(shí)別關(guān)注的嚴(yán)重過程危害和危險(xiǎn)場(chǎng)景。③后果分析，估計(jì)事故對(duì)人員、環(huán)境和財(cái)產(chǎn)的影響。④頻率分析，估計(jì)特定事件場(chǎng)景在一定時(shí)期內(nèi)發(fā)生的頻率。⑤結(jié)果與風(fēng)險(xiǎn)接受標(biāo)準(zhǔn)的比較。制定和評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)緩解措施。⑥如果流程和操作方法、工廠布局等發(fā)生變化，導(dǎo)致 QRA 的輸入發(fā)生變化，則評(píng)估是否需要更新 QRA 結(jié)果。

以空分工廠中液氧存儲(chǔ)和輸送單元為例介紹了 QRA 的具體實(shí)施。需要說明的是，本案例所選擇的分析方法只是方法之一，并非同類設(shè)施QRA的唯一方法。

2 QRA 流程

2.1 待分析的過程范圍

通常一個(gè)化工廠由多個(gè)單元組成，有必要確定 QRA 中包含的過程范圍，然后在該范圍內(nèi)定義危險(xiǎn)場(chǎng)景。圖1是某空分裝置液氧儲(chǔ)存輸送裝置工藝流程圖，液氧儲(chǔ)存在空分裝置下游的低壓平底罐中，罐下游有液氧泵，一個(gè)泵用于充裝拖車，與軟管連接，另外兩個(gè)泵（一個(gè)在線和一個(gè)備用）用于將 液氧 輸送到熱交換器，將液氧蒸發(fā)成氧氣，在正常情況下提供給客戶。當(dāng)空分停機(jī)時(shí)，泵還會(huì)將液氧輸送到備用氣化器，以確保連續(xù)供氣。來自不同設(shè)備（如管道、拖車、軟管）的液氧釋放將包含在 QRA 中，如圖1所示。

圖1 空分廠液氧儲(chǔ)配單元工藝流程圖

2.2 風(fēng)險(xiǎn)措施和風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)

本分析主要關(guān)注液氧泄漏對(duì)廠區(qū)外人員的影響，即社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)，社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)隨著關(guān)注群體中人數(shù)的增加而增加。FN曲線、總風(fēng)險(xiǎn)、平均社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)等經(jīng)常被用作社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)度量。FN 曲線是導(dǎo)致 N 或更多個(gè)人死亡的情景頻率F相對(duì)于 N的圖。FN 曲線的優(yōu)點(diǎn)是它顯示了低死亡情景和高死亡情景之間的社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)是如何分布的。社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)可參照 GB 36894—2018[1]危險(xiǎn)化學(xué)品生產(chǎn)裝置和儲(chǔ)存設(shè)施風(fēng)險(xiǎn)基準(zhǔn)。雖然 FN 曲線可以用來評(píng)估社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)是否可以容忍，但很難用曲線來比較不同地點(diǎn)之間和不同釋放情景之間的社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)水平。為此可以使用風(fēng)險(xiǎn)積分等風(fēng)險(xiǎn)匯總度量，風(fēng)險(xiǎn)積分是綜合考慮了可能死亡人數(shù)及相應(yīng)頻率的一個(gè)單一數(shù)值，可用于比較工廠內(nèi)不同區(qū)域和不同工廠的風(fēng)險(xiǎn)大小。

2.3 危害和危險(xiǎn)場(chǎng)景的識(shí)別

對(duì)于本例分析，對(duì)公眾的危害與液氧泄漏時(shí)立刻閃蒸產(chǎn)生的氧蒸氣云、液滴落地前的氣化和液滴落地后從液池中氣化有關(guān)。蒸氣云造成的富氧環(huán)境可能會(huì)導(dǎo)致死亡/受傷，本文僅討論由于泄漏引起的富氧危害。其他危害如低溫危害等將作為另外的主題進(jìn)行評(píng)估。

液氧泄漏的泄漏場(chǎng)景如表1所示。

表1 液氧泄漏的場(chǎng)景

根據(jù)通用場(chǎng)景的類型，結(jié)合容器和管道的數(shù)量和位置信息，需要準(zhǔn)備一份具體場(chǎng)景列表進(jìn)行分析。

在 QRA 階段沒有區(qū)分各種泄漏的具體原因。這是因?yàn)闊o論事故的原因是什么，例如管道材質(zhì)缺陷、超過設(shè)計(jì)壓力或設(shè)計(jì)溫度使用，受外力損壞等，這些泄漏情況如果泄漏大小相同時(shí)會(huì)產(chǎn)生大致相同的后果。如果為每個(gè)不同的原因定義不同的場(chǎng)景，將會(huì)有過多的場(chǎng)景。此外，可用的事件通用頻率數(shù)據(jù)也往往與泄漏大小有關(guān)，而不是與原因有關(guān)。初步定義場(chǎng)景時(shí)，可以使用一些通用頻率，而不必考慮具體泄漏原因。當(dāng)尋找降低風(fēng)險(xiǎn)的措施時(shí)，檢查原因確實(shí)變得很重要。

2.4 后果分析

后果分析確定了假設(shè)所有安全措施都失效的情況下，危害物料的意外釋放的嚴(yán)重程度。包括評(píng)估受影響區(qū)域的大小和受影響區(qū)域內(nèi)的人遭受的傷害程度。后果分析需要建模計(jì)算。建模可以通過PHAST、TRACE等商業(yè)用軟件進(jìn)行。還有一些技術(shù)文獻(xiàn)也提供這方面的指南，例如AQ/T 3046—2013[2]。

2.4.1 泄漏后環(huán)境氧氣濃度與致死概率的關(guān)系

目前有一些關(guān)于室內(nèi)、室外和交通車輛內(nèi)人口受富氧云團(tuán)影響的研究，例如BCGA TR2報(bào)告。人員致死概率與存在點(diǎn)火源的概率衣服著火的可能性、材料的燃燒速度和受害者的反應(yīng)速度有關(guān)，造成嚴(yán)重傷害的致命概率。為了QRA的目的，需要開發(fā)一個(gè)概率方程作為致死率模型，即使用概率數(shù)來估計(jì)致死概率，泄漏物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)、人員暴露時(shí)間和平均濃度決定概率數(shù)。需要考慮富氧危害致死率模型的一些具體特征：

（1）根據(jù)目前的工業(yè)研究，暴露于富氧環(huán)境的脆弱性與濃度密切相關(guān)，不受暴露時(shí)間的影響。

（2）當(dāng)車輛的發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，可以提供點(diǎn)火源和燃料供應(yīng)。因此，可以認(rèn)為道路上車輛中的人的致死率高于室外或室內(nèi)的普通人。

（3）室內(nèi)和室外人員的致死率可能不同。當(dāng)富含氧氣的云團(tuán)籠罩建筑物時(shí)，室內(nèi)的人會(huì)受到一定程度的保護(hù)。在一段時(shí)間內(nèi)，室內(nèi)的氧氣濃度會(huì)低于室外，因?yàn)樵茍F(tuán)需要時(shí)間才能滲透到建筑物中。但對(duì)于戶外的人來說，火源通常比室內(nèi)少。

因此，應(yīng)分別為室外、室內(nèi)和交通車輛內(nèi)人群開發(fā)不同的概率值計(jì)算方法，并將其應(yīng)用于每個(gè)釋放場(chǎng)景，對(duì)應(yīng)于每種關(guān)注的人群。

2.4.2 天氣條件

除了泄漏物料的特性和泄漏流量、溫度、泄漏點(diǎn)高度和方向等條件外，釋放時(shí)的天氣條件也會(huì)影響擴(kuò)散結(jié)果，需要針對(duì) QRA 中的危險(xiǎn)場(chǎng)景進(jìn)行定義，通常考慮兩個(gè)天氣條件的參數(shù)的組合。一個(gè)是穩(wěn)定性，它描述了大氣中的湍流程度，它取決于風(fēng)速、一天中的時(shí)間段和其他條件，分為六個(gè) Pasquill 穩(wěn)定性等級(jí)（用字母 A 到 F 表示）；另一個(gè)是風(fēng)速，通常指離地 10m高度處的風(fēng)速。在可能的情況下，應(yīng)盡可能從當(dāng)?shù)貧庀笥涗浿蝎@得風(fēng)速和穩(wěn)定性的可能組合，以及這些組合在全年每個(gè)風(fēng)向上的概率。通常并非所有這些信息都可以很容易地找到，最初可以使用一些通用組合。白天和晚上的天氣類型不同，例如，F(xiàn) 型天氣一般只存在于夜間。對(duì)于道路人口而言，高峰時(shí)段的交通密度（即每段道路的車輛數(shù)量）可能遠(yuǎn)高于非高峰時(shí)段，因此高峰時(shí)段是主要關(guān)注點(diǎn)。由于高峰時(shí)間通常在清晨或日落時(shí)間，F(xiàn) 1.5m/s 和 D 1.5m/s 通常發(fā)生在該時(shí)段。

因此，需要為白天、夜間和高峰時(shí)段設(shè)置天氣條件組合及其在每個(gè)風(fēng)向上的分布，然后將這些天氣組分別與室內(nèi)/室外和交通人口組一起使用。

2.5 頻率分析

頻率估算的目的是為危險(xiǎn)識(shí)別階段產(chǎn)生的每種事故情景提供每年的頻率。估計(jì)每個(gè)場(chǎng)景的頻率的起點(diǎn)是每個(gè)通用場(chǎng)景的通用頻率。這些通用頻率通常是根據(jù)公司的運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)、一些組織公布的數(shù)據(jù)，例如CCPS等來確定的。

通用頻率用于通過乘以因子來計(jì)算場(chǎng)景頻率，需考慮以下因素：

（1）可能發(fā)生泄漏的管道和軟管的長(zhǎng)度。

（2）管道每年每米的故障頻率，故障類型可分為輕微、中度、大型泄漏或破裂。

（3）軟管的利用率，即軟管在一年中使用了多少次。

（4）緊急切斷閥起作用的概率，例如緊急切斷閥下游的管道，有兩種情況，即緊急切斷閥沒有被操作人員關(guān)閉或未能關(guān)閉，連續(xù)泄漏；或閥門關(guān)閉，在一定時(shí)間內(nèi)泄漏停止。

（5）泄漏方向的概率。

（6）軟管破裂的頻率，由于軟管在灌裝過程中被拖曳是造成破裂的主要原因，頻率與拖曳保護(hù)的設(shè)計(jì)密切相關(guān)。

（7）液氧拖車在灌裝過程中因超壓而破裂的概率，取決于超壓保護(hù)類型和由超壓比決定的破裂概率。

例如，在這個(gè) QRA 中，每個(gè)充裝站一年有 500 輛液氧拖車，如果軟管破裂，拖車附近的司機(jī)有 90% 的概率會(huì)在 10min內(nèi)按下緊急按鈕。假設(shè)在有適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)前提下，例如車輪擋塊和車輛制動(dòng)聯(lián)鎖；軟管和接頭檢查和泄漏測(cè)試等，軟管破裂的一般頻率是f次每年，那么這個(gè)充裝站發(fā)生兩種軟管破裂的頻率如下：

①軟管破裂，緊急切斷閥 關(guān)閉，10min釋放：頻率=f* 500*0.9

②軟管破裂，緊急切斷閥 未關(guān)閉，60min釋放：頻率=f* 500*0.1

單位是每個(gè)日歷年的事件數(shù)。

如果認(rèn)為數(shù)據(jù)更合適，也可以根據(jù)每個(gè)公司的運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)和事件記錄來確定。

2.6 風(fēng)險(xiǎn)結(jié)果

由于各種泄漏場(chǎng)景，天氣條件，受影響人員類型等的組合數(shù)非常龐大，通常使用軟件如SAFETI等進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算，如表2列出了每種情景/受影響人群組合對(duì)社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)的貢獻(xiàn)，這是通過使用上述輸入運(yùn)行 SAFETI軟件獲得的。可以看出，95%的社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)是由泄漏場(chǎng)景/受影響人群的4種組合引起的。從結(jié)果中可以得到如何有效降低風(fēng)險(xiǎn)的主要關(guān)注方向。

表2 液氧泄漏場(chǎng)景對(duì)社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)的影響程度

2.7 制定風(fēng)險(xiǎn)緩解措施

（1）降低泄漏頻率，例如通過減少或避免使用泄漏頻率高的設(shè)備，緊急切斷閥上游管道盡可能短，保護(hù)管道免受外部沖擊損壞；足夠的管壁厚度；防止管道中形成非流動(dòng)死區(qū)，例如未使用的泵連接管道，這是由于死區(qū)中的液氧不斷蒸發(fā)，碳?xì)浠衔餄舛葧?huì)不斷增加，碳?xì)浠衔飼?huì)與氧發(fā)生反應(yīng)并導(dǎo)致能量釋放，從而損壞管道。

（2）減少泄漏的后果（例如通過提供泄漏收集來降低液池蒸發(fā)量）。

（3）提高對(duì)泄漏的響應(yīng)（例如通過安裝氣體檢測(cè)、攝像頭和緊急切斷系統(tǒng)）。

（4）減少暴露與泄漏（例如通過提供廠界氣體屏障，減少液氧蒸氣流出廠界，降低第三方風(fēng)險(xiǎn)）。