危險(xiǎn)化學(xué)品企業(yè)基于四區(qū)分離的安全風(fēng)險(xiǎn)定量分析（QRA）方法研究

＊姜永俊

（云南天安化工有限公司 云南 650309）

為提升危險(xiǎn)化學(xué)品企業(yè)本質(zhì)安全水平，規(guī)范企業(yè)總平面布局，云南省針對(duì)部分在役化工企業(yè)總圖布局不符合現(xiàn)行規(guī)范的實(shí)際，于2021 年制定發(fā)布了《云南省危險(xiǎn)化學(xué)品生產(chǎn)儲(chǔ)存企業(yè)四區(qū)分離技術(shù)指導(dǎo)意見》，要求云南省內(nèi)危化企業(yè)將行政辦公區(qū)、后勤保障區(qū)、集中控制區(qū)從生產(chǎn)作業(yè)區(qū)內(nèi)分離出來，并采取明確的分隔措施，簡稱“四區(qū)分離”。

“四區(qū)分離”的指導(dǎo)思想是將人員從高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域隔離出來，其核心是總圖，依據(jù)是《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火標(biāo)準(zhǔn)》等技術(shù)規(guī)范，具體落實(shí)則需要通過安全風(fēng)險(xiǎn)定量分析。

QRA 定量分析建立在假定場景基礎(chǔ)之上，其準(zhǔn)確度很大程度上取決于這些假定的場景是否客觀、輸入模型中的數(shù)據(jù)取值是否與分析對(duì)象一致。如果辨識(shí)過程中對(duì)數(shù)據(jù)取值進(jìn)行干預(yù)，通過忽略部分事故場景或調(diào)整取值將計(jì)算結(jié)果導(dǎo)引至期望的范圍內(nèi)，定量分析就不能客觀表達(dá)裝置的真實(shí)風(fēng)險(xiǎn)。

分析人員對(duì)定量分析過度干預(yù)或惡意擬合，將會(huì)導(dǎo)致分析結(jié)果失真。基于此，展開安全風(fēng)險(xiǎn)定量分析方法、場景及取值的研究，對(duì)危險(xiǎn)化學(xué)品企業(yè)四區(qū)分離具有重要意義。

1.基于四區(qū)分離的安全風(fēng)險(xiǎn)定量分析內(nèi)容

（1）對(duì)危險(xiǎn)源進(jìn)行事故頻率計(jì)算及后果模擬，計(jì)算特定位置個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)（LSIR）值，輸出風(fēng)險(xiǎn)等值線；根據(jù)國家風(fēng)險(xiǎn)可接受標(biāo)準(zhǔn)確定外部安全距離，計(jì)算社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)曲線（F-N 曲線）；評(píng)估廠內(nèi)人員暴露的重大事故風(fēng)險(xiǎn)，確定個(gè)人年度風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)（IRPA）。

（2）如果外部防護(hù)距離或廠內(nèi)人員暴露的重大事故風(fēng)險(xiǎn)不能滿足風(fēng)險(xiǎn)可接受準(zhǔn)則，則提出經(jīng)濟(jì)、合理、可行的風(fēng)險(xiǎn)控制措施，充分降低事故風(fēng)險(xiǎn)，直至符合風(fēng)險(xiǎn)可接受準(zhǔn)則。

2.安全風(fēng)險(xiǎn)定量分析步驟

（1）資料收集。根據(jù)分析目標(biāo)和分析范圍，收集分析所需資料，包括平面布置圖、工藝流程圖、管道及儀表流程圖（P&ID）、物料平衡表、聯(lián)鎖邏輯圖、設(shè)施所在地區(qū)的氣象條件、人員分布信息、點(diǎn)火源分布信息，作為定量風(fēng)險(xiǎn)分析的取值參數(shù)。

（2）危害場景辨識(shí)。包括識(shí)別可能的危害因素，判斷泄漏失效事件的情形。危害辨識(shí)前，需要根據(jù)設(shè)施的平面布局劃分節(jié)點(diǎn)，然后逐一識(shí)別各節(jié)點(diǎn)的主要危害。作為QRA 的輸入，危害識(shí)別將主要識(shí)別與火災(zāi)、爆炸及有毒物質(zhì)相關(guān)的單元及設(shè)備。

（3）事故后果模擬。針對(duì)識(shí)別出的各種失效事件對(duì)后果進(jìn)行模擬和分析。例如分析火災(zāi)、爆炸等事故對(duì)人員和裝備設(shè)施的影響，以及對(duì)周邊建筑物的影響。

（4）風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算。風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算是通過整合頻率以及后果得出所有事故的風(fēng)險(xiǎn)值。結(jié)合后果模擬結(jié)果及事故頻率結(jié)果，計(jì)算個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)。采用事件樹方法對(duì)各種風(fēng)險(xiǎn)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算和分析，計(jì)算輸出風(fēng)險(xiǎn)等值線圖及社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)（F-N 曲線）。

（5）后果分析。在風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算的基礎(chǔ)上，對(duì)特定條件下的火災(zāi)、爆炸、中毒等事故造成的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失情況進(jìn)行描述。為呈現(xiàn)事件演化過程、揭示事故規(guī)律，可以采用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，盡可能科學(xué)、直觀地展現(xiàn)出事件的危害與后果。

（6）編制定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)報(bào)告。風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)報(bào)告是QRA 工作輸出的成果，其核心是將風(fēng)險(xiǎn)定量分析結(jié)果與風(fēng)險(xiǎn)可接受標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，判斷風(fēng)險(xiǎn)是否可接受，并提出防護(hù)措施建議，為后續(xù)的四區(qū)分離提供指導(dǎo)和依據(jù)。

3.四區(qū)分離定量分析內(nèi)容

（1）四區(qū)分離基本要求。在役危險(xiǎn)化學(xué)品生產(chǎn)、儲(chǔ)存企業(yè)，存在劇毒氣體和爆炸危險(xiǎn)性的裝置控制室不得布置在裝置區(qū)內(nèi)。確需布置在裝置內(nèi)的，應(yīng)按照《石油化工控制室抗爆設(shè)計(jì)規(guī)范》開展抗爆分析，根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行整改和加固。

對(duì)有預(yù)留空地的企業(yè)，建議將其調(diào)整到非抗爆區(qū)（爆炸危險(xiǎn)影響區(qū)以外）。在滿足裝置實(shí)際運(yùn)行需要的前提下，可與其他建筑合建，盡量集中布置，提高本質(zhì)安全度。

對(duì)危險(xiǎn)化學(xué)品生產(chǎn)和儲(chǔ)存設(shè)施正常生產(chǎn)運(yùn)行期間的可燃、有毒氣體擴(kuò)散，火災(zāi)和爆炸等重大事故后果進(jìn)行模擬分析，確保安全風(fēng)險(xiǎn)落在可接受區(qū)。

（2）安全防護(hù)距離的確定。計(jì)算廠區(qū)外部防護(hù)目標(biāo)確定個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)和社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)，并將量化的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)和危險(xiǎn)化學(xué)品生產(chǎn)裝置及儲(chǔ)存設(shè)施風(fēng)險(xiǎn)在可接受標(biāo)準(zhǔn)下進(jìn)行對(duì)比。

通過定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估所確定的外部安全防護(hù)距離并非是給出一個(gè)具體的數(shù)值，而是對(duì)得出的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)曲線和社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)曲線進(jìn)行分析。兩者均要滿足風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)，若不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，則需要進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)敏感性分析，確定風(fēng)險(xiǎn)排名靠前的場景，最終根據(jù)企業(yè)實(shí)際情況提出降低或減緩風(fēng)險(xiǎn)的措施，以確保企業(yè)風(fēng)險(xiǎn)達(dá)到可接受程度并確定企業(yè)外部安全防護(hù)距離。

（3）人員集中建筑物抗爆風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。國內(nèi)的法律法規(guī)明確要求控制室、機(jī)柜間等人員集中建筑物需進(jìn)行抗爆分析。企業(yè)內(nèi)建筑物是否需要采用抗爆改造，可以通過定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估過程，篩選所有可能發(fā)生爆炸的場景。以此計(jì)算防護(hù)目標(biāo)在受到各個(gè)場景爆炸產(chǎn)生的沖擊波超壓、積累發(fā)生頻率。根據(jù)最大可信事故場景爆炸沖擊波參數(shù)評(píng)估是否對(duì)該建筑物造成影響。

（4）建筑物防毒風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。在計(jì)算毒性氣體導(dǎo)致的建筑物內(nèi)人員致死概率分析中采用室內(nèi)真實(shí)的毒性氣體濃度進(jìn)行致死概率評(píng)估。評(píng)估時(shí)需考慮建筑物采取的防毒措施的有效性和可靠性，并對(duì)致死概率進(jìn)行修正，最終確定需要進(jìn)行防毒設(shè)計(jì)的建筑物。通過計(jì)算推算畫出毒氣危害的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)值的危險(xiǎn)度曲線。這些曲線表示某假定個(gè)體接受至少定量毒氣的頻率（1×10-4次/每年、1×10-5次/每年、1×10-6次/每年），并被精確地繪制在網(wǎng)格化的地圖上，以此確定防毒衛(wèi)生防護(hù)距離。

為避免過于繁瑣或復(fù)雜的計(jì)算情況，也可以考慮使用半定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，如LOPA 分析等。針對(duì)高風(fēng)險(xiǎn)場景，則需要采用定量風(fēng)險(xiǎn)分析方法來進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)比較和決策。

4.取值對(duì)定量分析結(jié)果偏差的影響分析

(1)泄漏概率取值

泄漏概率取值的關(guān)鍵在于確定設(shè)備類型，反應(yīng)容器和儲(chǔ)存容器的概率值是有較大差異的[3]。需要根據(jù)泄漏時(shí)長確定是屬于連續(xù)性泄漏還是短時(shí)泄漏。

以液氨球罐為例：液氨球罐若發(fā)生蒸氣云霧爆炸，將造成極大破壞。同時(shí)應(yīng)注意，在發(fā)生爆炸后可能會(huì)使液氨球罐泄漏加劇，一次爆炸的能量有可能加速液氨的揮發(fā)，也有可能形成二次爆炸，或者形成多米諾效應(yīng)，造成更嚴(yán)重的危害。

液氨球罐泄漏后存在有毒氣體擴(kuò)散和蒸氣云霧爆炸兩種可能性，需對(duì)液氨泄漏后形成有毒氣體擴(kuò)散和蒸氣云霧爆炸分別進(jìn)行模擬計(jì)算。在使用定量分析軟件進(jìn)行模擬分析計(jì)算時(shí)還應(yīng)當(dāng)考慮以下因素：

模擬計(jì)算是均以一個(gè)液氨球罐發(fā)生嚴(yán)重泄漏事故的后果進(jìn)行，還是對(duì)發(fā)生連環(huán)爆炸的情況進(jìn)行計(jì)算。不同的場景其計(jì)算結(jié)果將產(chǎn)生巨大差異，甚至是幾個(gè)數(shù)量級(jí)的差異。

在軟件計(jì)算過程中，人員密度和財(cái)產(chǎn)密度的數(shù)據(jù)取值也會(huì)導(dǎo)致與計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生巨大差異。

在爆炸模型模擬分析評(píng)估中，以燃爆點(diǎn)主要選取裝置、設(shè)備的中心點(diǎn)為基準(zhǔn)。在蒸氣云爆炸事故模擬計(jì)算中，選取不同的氣云爆炸當(dāng)量系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，氣云爆炸當(dāng)量系數(shù)的取值與可燃?xì)怏w和空氣的混合程度、地形地貌、氣溫、風(fēng)速、空氣的穩(wěn)定程度均有關(guān)，不同的經(jīng)驗(yàn)取值也會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生較大的影響。

(2)泄漏場景取值的影響分析

①氣體泄漏場景分析。可燃?xì)怏w泄漏到空氣中達(dá)到燃燒極限時(shí)，遇到點(diǎn)火源就會(huì)發(fā)生燃燒或爆炸。如果從容器中泄漏出的可燃?xì)怏w被即時(shí)點(diǎn)燃，則會(huì)發(fā)生擴(kuò)散型燃燒，形成火球或噴射性火焰，一般不會(huì)影響到界區(qū)外，只會(huì)迅速危及泄漏事故現(xiàn)場。

可燃?xì)怏w泄出后沒有立即點(diǎn)燃，則會(huì)與空氣混合形成云團(tuán)隨風(fēng)飄移，如果遇火源發(fā)生爆炸或爆轟，破壞范圍較大。

有毒氣體泄漏后形成云團(tuán)隨風(fēng)飄移和擴(kuò)散，對(duì)廠內(nèi)和廠外會(huì)造成較大危害。

氣體從裂口泄漏的速度與其流動(dòng)狀態(tài)、容器內(nèi)壓有關(guān)。當(dāng)泄漏液體屬于強(qiáng)揮發(fā)性液體，能夠快速全部蒸發(fā)成氣體時(shí)應(yīng)按氣體泄漏公式進(jìn)行計(jì)算。如果泄漏液體蒸發(fā)量小，則按液體泄漏公式進(jìn)行計(jì)算。

②液體泄漏場景分析。常溫常壓下，揮發(fā)性液體泄漏后果與液體的性質(zhì)和貯存溫度、壓力有關(guān)。這種液體泄漏后易形成液池，主要危害形式是池火災(zāi)，影響范圍相對(duì)固定。

加壓液化氣體泄漏蒸發(fā)的比例取決于物質(zhì)的物理特性和環(huán)境溫度。揮發(fā)性強(qiáng)的液體泄漏后將快速全部蒸發(fā)而不會(huì)形成液池；揮發(fā)性弱的液體泄漏后則會(huì)形成液池，吸收周圍的熱量繼續(xù)蒸發(fā)。

相同條件下泄漏量與泄漏時(shí)間成正比。對(duì)同一種物質(zhì)來說，決定泄漏事故后果嚴(yán)重程度的主要因素是泄漏量的多少，可見泄漏量的時(shí)間參數(shù)和壓力參數(shù)、孔口參數(shù)決定了事故后果的嚴(yán)重程度。

當(dāng)泄漏設(shè)備的裂口不規(guī)則時(shí)，可采用等效裂口尺寸計(jì)算。

泄漏液體的蒸發(fā)速度等于泄漏速度時(shí)，液池中的液體量將維持平衡。如果泄漏的液體揮發(fā)度低，則不易形成氣云，一般只會(huì)形成池火災(zāi)，不會(huì)對(duì)廠外人員造成危害。

揮發(fā)性液體或低溫液體泄漏，則會(huì)形成蒸氣云向外擴(kuò)散，對(duì)界區(qū)外人員造成危害。

常壓儲(chǔ)槽內(nèi)液體的泄漏速度，則取決于裂口的泄漏位置，泄漏位置高則壓力小，相對(duì)泄漏量少。承壓容器內(nèi)的液體泄漏速度主要取決于介質(zhì)壓力及漏點(diǎn)液層高度，可見泄漏場景中漏點(diǎn)位置的選取對(duì)泄漏事故后果有直接影響。

(3)環(huán)境對(duì)泄漏后果的影響分析

液體泄漏后呈自然流散狀態(tài)，向低洼處匯集或在防火堤、岸墻內(nèi)形成液池。液體蒸發(fā)可分為熱量蒸發(fā)、質(zhì)量蒸發(fā)和閃蒸，不同的蒸發(fā)模式將產(chǎn)生不同的蒸發(fā)量，導(dǎo)致的事故后果也將大相徑庭。過熱液體泄漏后由于液體的自身熱量而直接蒸發(fā)的現(xiàn)象稱為閃蒸。

在液體閃蒸過程中，轉(zhuǎn)變成氣體的部分由于升騰作用會(huì)帶走一部分以液滴的形式懸浮在氣體中的液體，也就是說，閃蒸不但帶走氣體,同時(shí)還會(huì)帶走部分液體。當(dāng)揮發(fā)系數(shù)大于0.2 時(shí)，液體被全部帶走，地面無液池形成。揮發(fā)系數(shù)小于0.2 時(shí)，地面就會(huì)殘留液體，形成液池。

當(dāng)液體泄漏流散在地面形成液池，液體會(huì)吸收地面熱量而蒸發(fā)稱為熱量蒸發(fā)，不同的地面的導(dǎo)熱系數(shù)和熱擴(kuò)散系數(shù)存在巨大差異，相同的液體，針對(duì)不同的地面，其熱蒸發(fā)量也會(huì)產(chǎn)生較大差異。

泄漏液池的半徑取決于泄漏點(diǎn)附近的地域構(gòu)型以及泄漏的連續(xù)性。有圍堰時(shí)，以圍堰最大等效半徑為液池半徑。無圍堰呈自然流散時(shí)，與地形和地面材質(zhì)及粗糙程度密切相關(guān)。一般按照液體泄漏時(shí)間內(nèi)擴(kuò)散到最小厚度時(shí)，推算液池半徑。在沒有圍堰的情況下，最小物料層厚度決定了泄漏面積的大小。不同性質(zhì)的環(huán)境地面對(duì)液池面積會(huì)產(chǎn)生重大影響。例如，草地的最小物料層厚度是0.02 m，平整地面的物料層厚度是0.01 m，混凝土地面的最小物料層厚度是0.005 m，而平靜水面的物料層厚度則只有0.0018 m。

綜上所述，不同的事故場景，其泄漏量、物態(tài)、環(huán)境及參數(shù)取值，對(duì)定量分析結(jié)果和事故后果模擬都會(huì)不同程度地產(chǎn)生影響。

5.結(jié)語

在危險(xiǎn)化學(xué)品企業(yè)四區(qū)分離定量分析過程中，不同的事故場景、物理參數(shù)值及事故環(huán)境的選擇都將導(dǎo)致定量分析結(jié)果產(chǎn)生巨大的偏差。取值的合理性、場景選擇與評(píng)價(jià)對(duì)象的貼合性都會(huì)影響四區(qū)分離安全風(fēng)險(xiǎn)定量分析的結(jié)果和客觀可信度。提高四區(qū)分離安全風(fēng)險(xiǎn)定量分析精度的關(guān)鍵在于避免惡意擬合，避免主觀引導(dǎo)計(jì)算結(jié)果。只有客觀真實(shí)地反映危化裝置的本質(zhì)屬性，才能通過安全風(fēng)險(xiǎn)定量分析正確指導(dǎo)危化企業(yè)開展四區(qū)分離工作。