基于QRA的多米諾效應在化工園區的應用

韋洪龍，吳昊

（1.青島康安保化工安全咨詢有限公司，266000；2.青島科技大學化工學院，266042：山東 青島）

隨著國民經濟的快速發展，土地利用率提高，化工企業開始進入化學工業園區進行統一管理。園區內危化企業多，危險化學品種類多、數量大，且各企業重大危險源存在距離較近的情況，一旦某企業發生火災爆炸事故，特別容易引發多米諾效應，造成周邊企業甚至整個園區發生災難性的事故。特別是江蘇響水“3·21”事故等特別重大化工安全生產事故的頻發，給化工園區的整體安全敲響了警鐘[1]。

安委辦〔2012〕37 號提出，園區內的企業要有整體安全意識，防范系統風險，避免發生“多米諾”效應，進而波及到周圍的企業[2]。當一個企業在生產過程中出現了異常狀況或者存在很大安全風險的時候，應該及時向園區的安全生產管理部門或管理委員會匯報，并通知周邊企業，采取相應的預防措施。

應急〔2019〕78 號中要求，化工園區安全生產管理機構應該至少每5 年對整個化工園區進行1次安全風險評估，根據評估結果提出相應的措施，以消除、減少和控制安全風險[3]。在對園區進行整體安全風險評估時，應與國家相關的法律法規、標準規范的要求相結合，同時也應對園區進行多米諾效應的分析，在此基礎上提出相應的安全風險預防對策，以減少地區的安全風險，規避多米諾效應。

綜上所述，對化工園區多米諾效應的分析十分必要。通過分析不僅可以知道化工園區的整體性安全風險，還可通過對周邊企業的影響，提前做好應急預案和防范措施，防止事故的擴大[4-5]。

QRA（Quantitative Risk Analysis，定量風險評估）是一種重要的安全風險評估技術，它能夠準確地識別出易燃易爆、有毒物質泄漏所帶來的火災、爆炸以及中毒等嚴重的安全隱患，并且已經被廣泛地應用于各種行業，獲得了普遍的認可[6]。

1 QRA分析方法

QRA 通過定量風險評估，為企業進行抗爆設計、安全間距的選取、火災爆炸影響范圍確定、風險管理和應急預案的制定等提供決策和依據。

QRA的程序如圖1所示。

圖1 QRA程序Fig 1 Procedure of QRA

2 多米諾效應

多米諾效應（Domino Effect），重大危險源因其所蘊含的巨大能量，往往會產生極大的危害，同時，一個企業或工業園區往往由多個危險源構成，其中1個危險源的爆炸將會引發其他危險源的爆炸，進而引發更大的災害，這就是“多米諾”效應。

2.1 多米諾效應機理

從有關的研究數據和過去的工業事故來看，重大危險源的多米諾效應主要是由火災、爆炸沖擊波以及爆炸產生的碎片碰撞引起的。有研究表明，毒氣泄漏也會引起多米諾效應，這種多米諾事故是工人中毒后影響工廠的緊急響應，或者是由于操作失誤而間接導致的[7-8]。事故的多米諾效應機理見圖2。

圖2 事故的多米諾效應機理Fig 2 The domino effect mechanism of the accident

各種初級事故引發多米諾效應的破壞方式及預期二級事故的場景列表見表1。

表1 各種初級場景的“破壞方式”和預期二級場景Tab 1"Modes of destruction"and expected secondary scenarios for various primary scenarios

2.2 破壞閾值

要評估多米諾效應的影響，必須先確定被測裝置在何種條件下發生損壞。為了便于分析，通常采用與失效影響有關的物理參量的門限來判斷是否發生多米諾事故。表2所示為火災、爆炸沖擊波和毒性誘發多米諾效應的傷害閾值[9]。

表2 各類初級事故場景下的多米諾效應閾值Tab 2 Domino effect thresholds for each type of primary accident scenario

2.3 場景風險分析

開展多米諾效應的風險分析，涉及到的信息很多，包括評估區域的布局，風險源（危害裝備）的位置與相對距離，可能引發的初始事故的類型，各種初始事故的綜合特性（預期發生概率和后果分析），以及可能擴大影響范圍的地點（臨近的裝備）等。所需要的數據可以通過傳統的QRA方法來獲得。

多米諾效應定量風險評價流程如圖3所示。

圖3 多米諾效應定量風險評價流程Fig 3 Domino effect quantitative risk evaluation process

在評價流程中，初始事故的場景選擇至關重要，這些場景包含火災（池火災、噴射火）、爆炸沖擊波、爆炸碎片、毒性氣體泄漏等[10-11]。

2.3.1 火 災

火災是一種易燃物在空氣中發生強烈的氧化反應，并釋放出巨大的熱量。火災引起多米諾事故的途徑主要有2種：第1種是目標設備被火源包裹或與火源接觸，第2種是目標設備由于火災的熱輻射導致失效而引發多米諾效應。

以往的研究大多在考慮工藝裝置時只考慮強度而忽略了暴露時間。如果工藝設備受到穩定的熱輻射強度，受到熱輻射的材料溫度將升高，直到達到穩定的溫度。為了確定允許的熱輻射強度，通常采用一些標準。這些標準是從避免在較高溫度下材料結構特性發生不可接受的影響中得出的。

在熱輻射超過37.5 kW/m2時，持續時間超過10 min的池火和噴射火可能會造成結構損壞、裸露的壓力設備（容積大于1 m3，概率高于50%）和常壓設備（概率高于85%）的失效。

1）池火災。池火災是指易燃液體泄露，在形成池水后，遇著火源被點燃，而引發的一種火災。池火災引起的多米諾事故有2 種情形：1 種是目標設備完全或部分暴露在火焰內；另1種是火焰并沒有與目標裝置直接接觸，而是以熱輻射的形式作用于裝置。其中，第1種情況在池火災引發多米諾事故中占有較大比重。

2）噴射火。含有可燃性氣體或閃蒸液體的壓力容器或管路一旦泄露被引燃，就會引起噴射火。噴射火為湍流火焰，具有較大的射流動能，能夠沿泄漏方向形成較遠的射流火焰。因為其頻繁出現且傷害半徑大，噴射火也極易引起多米諾事故。與池火災相似，噴射火也可能因其直接受熱或受熱輻射而導致火勢上升。相關研究顯示，即使是在有水噴淋、有隔熱層的條件下，噴出的火焰與容器壁面相接觸，產生的“熱點”，也會引起沸騰的BLEVE，或者發生容器的物理爆炸。

2.3.2 爆炸沖擊波

在大多數情況下，強烈的沖擊波都會給周邊的建筑、設備等帶來巨大的破壞，同時也會造成大量的生命損失。因此，一旦發生爆炸，其產生的沖擊波極有可能波及到附近的其他危險源，從而引發多米諾事故。爆炸沖擊波引發的多米諾效應，除了與沖擊波的強度相關外，還受到沖擊波反射、阻力效應、與目標裝置的相對距離、目標裝置的力學性質等多種因素的影響，因此是一種極為復雜的情況。

對于沖擊波引發多米諾效應在工業中最常見的初級事故場景包括凝聚相爆炸、VCE、物理爆炸和BLEVE 等。基于最嚴重后果的考慮，在計算時往往選取發生VCE的初始后果。

在爆炸超壓值超過70 kPa 時，VCE 可能引起受影響的壓力的、細長的和小型的設備（概率高于80%）及常壓設備（概率高于95%）的災難性破裂。

2.3.3 爆炸碎片

當裝置發生物理爆炸或者BLEVE 時，產生的沖擊波，會對裝置造成破壞，導致產生大量的裝置碎片飛出。這些碎片不僅速度快，而且因其性質的原因，其飛行距離也非常遠，穿透力很強，極易波及到遠處的建筑物和裝置，引發“多米諾”事故。

爆炸碎片對設備的影響復雜，研究也相對困難，計算復雜且準確性差。產生碎片的場景僅考慮儲存溫度低于沸點的物料，如低溫液化烴、液氨等，這些物料儲罐經過火災火焰一段時間的烘烤，設備因許用應力下降而發生劇烈爆炸，該爆炸可形成很大的火球，并且爆炸容器殘骸飛離很遠，一旦撞擊到設備，則會造成多米諾效應。

2.3.4 毒氣泄漏

毒氣泄漏也會引發多米諾效應，這種多米諾事故主要是人員中毒之后，會影響到應急或者出現錯誤操作而間接造成的。毒性的多米諾效應區按照99%致死率作為計算閾值。

3 基于QRA的多米諾效應應用

以某市某一化工園區為例，基于QRA 最嚴重后果分析方法，用QRA 定量風險評估軟件完成相關計算。

通過對園區內30 多家企業涉及易燃易爆、有毒的化學品發生VCE 爆炸、池火、噴射火、毒氣泄漏、碎片等初始事故場景進行計算，得到其初始事故的影響范圍，最終確定其中16 家企業發生初始事故可能引發多米諾效應。各化工企業多米諾效應相互影響范圍如圖4。

圖4 多米諾效應影響范圍Fig 4 Scope of the domino effect

化工園區各化工企業爆炸超壓（70 kPa）和熱輻射（37.5 kW/m2）、BLEVE爆炸碎片、毒性氣體和液體多米諾效應影響范圍分別見表3～表5。

表3 爆炸超壓和熱輻射引發多米諾效應Tab 3 Explosive overpressure and thermal radiation trigger domino effect

表4 BLEVE爆炸碎片引發的多米諾效應Tab 4 BLEVE explosive fragments trigger domino effect

表5 毒性氣體、液體引發多米諾效應Tab 5 Toxic gases/liquids trigger domino effect

4 結 論

研究得到園區的多米諾效應結論為：

1） 可燃物料泄漏擴散發生蒸汽云爆炸（VCE）的爆炸超壓影響周邊企業較小，引發其他企業內的二次多米諾事故可能性較小。

2）可燃物料泄漏后發生噴射火，如無建筑外墻等防護措施，會引發臨近企業設備的引發次生多米諾效應。

3）化工園區主要毒性物料有液氨、液氯、硫化氫、溴素、乙胺和氟化氫等毒性物料，擴散距離相對較遠，產生的災害范圍比較廣，容易引發次生多米諾效應。涉及到這些毒性物料的企業平時應加強毒性物料的泄漏檢測、設備維護等管理措施，并與周邊企業進行有毒物料泄漏應急演練等。

4）液氨、液化氣等物料BLEVE 爆炸產生的碎片拋射距離較遠，在碎片散射范圍內，有可能會引發次生多米諾事故，危害極大。相關企業應該加強這類危險源的管理，形成專項應急預案。

企業應針對多米諾效應區制定相應的應急響應計劃，規劃合適的逃生路線，以規避可能發生多米諾效應的區域；針對可能引發多米諾效應的初始事故的設備進行重點維護管理，以降低多米諾效應帶來的風險。