衣健民，田　宏

(沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 安全工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110136)

0　引言

隨著科技進(jìn)步和化工行業(yè)的發(fā)展，大中型化工企業(yè)的復(fù)雜程度加大，裝置密集，儲(chǔ)存和使用的危險(xiǎn)化學(xué)品的種類和數(shù)量也愈加龐大。單個(gè)裝置發(fā)生事故往往會(huì)波及其他裝置，導(dǎo)致事故在企業(yè)內(nèi)部甚至是企業(yè)之間擴(kuò)展，最終導(dǎo)致事故及影響范圍擴(kuò)大化，多米諾效應(yīng)造成的事故擴(kuò)大化已成為1個(gè)日漸突出的問(wèn)題與難題。已有研究多數(shù)僅止步于一級(jí)多米諾事故[1-5]，事故間復(fù)雜的相互影響與協(xié)同作用方面未進(jìn)行充分研究，也不能清晰的指出整個(gè)多米諾效應(yīng)的傳播過(guò)程，從而造成對(duì)多米諾效應(yīng)認(rèn)識(shí)上的局限性[6]。另外，其防控方法也缺乏針對(duì)性和合理性，目前大多依靠經(jīng)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行隔離、防護(hù)和限制安全距離等[7-8]，這些方法作用有限而且存在較多的約束條件。針對(duì)存在的這些問(wèn)題，已有一些學(xué)者將貝葉斯網(wǎng)絡(luò)[9]、有向加權(quán)網(wǎng)絡(luò)[10]、圖論[11]等方法結(jié)合到了多米諾效應(yīng)的分析中。貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的方法中，在充分考慮裝置間的協(xié)同效應(yīng)方面有所欠缺。有向加權(quán)網(wǎng)絡(luò)和圖論的方法雖能識(shí)別出關(guān)鍵單元，但無(wú)法描繪出事故的擴(kuò)展過(guò)程。本文將以1個(gè)化工儲(chǔ)罐區(qū)為例，應(yīng)用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的方法，充分考慮協(xié)同效應(yīng)，并結(jié)合脆弱性的理念進(jìn)行分析，以期清晰的描繪出事故的擴(kuò)展途徑，確定事故擴(kuò)展到不同級(jí)別的可能性大小，識(shí)別出在整個(gè)擴(kuò)展中起關(guān)鍵作用的單元和薄弱環(huán)節(jié)，提高整體的安全性以及防控措施的合理性和高效性。

1　研究方法

1.1　多米諾效應(yīng)脆弱性的概念

脆弱性這一概念起源于對(duì)自然災(zāi)害的研究，原意是指物體易受攻擊、易受傷害和被損壞的特性[12]。Khakzad[11,13]在多米諾效應(yīng)的研究中將脆弱性定義為連鎖效應(yīng)致使初始事故擴(kuò)展，導(dǎo)致二次事故等的敏感性。脆弱性分析的目的是通過(guò)識(shí)別那些事故后對(duì)系統(tǒng)性能造成不利影響的關(guān)鍵單元，從而發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的缺陷。與傳統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)分析相比，脆弱性分析通常用來(lái)確定系統(tǒng)中對(duì)事故連鎖效應(yīng)貢獻(xiàn)最大的單元。

多米諾效應(yīng)的脆弱性包括整體脆弱性和單元脆弱性。整體脆弱性可以理解為權(quán)衡初始事故的不良影響在企業(yè)內(nèi)部能夠傳遞多遠(yuǎn)，影響到什么程度的本質(zhì)特性。這種脆弱性的理解對(duì)于化工企業(yè)設(shè)計(jì)階段的布局方式?jīng)Q策很有利，可以在幾種方案中選出魯棒性最強(qiáng)的布局。單元脆弱性分析可以識(shí)別出企業(yè)內(nèi)的關(guān)鍵單元。這種理解可以用來(lái)給薄弱點(diǎn)和關(guān)鍵單元分配主被動(dòng)防護(hù)措施，從而達(dá)到預(yù)防連鎖效應(yīng)的影響和阻礙事故擴(kuò)展的目的。

本文通過(guò)事故擴(kuò)展到不同級(jí)別的可能性大小，來(lái)表達(dá)整體脆弱性，即發(fā)生多米諾效應(yīng)的可能性越大、事故越容易擴(kuò)展、事故影響范圍越大，整體布局就越脆弱。以通過(guò)某一裝置進(jìn)行擴(kuò)展的可能性大小來(lái)表達(dá)單元脆弱性，多米諾效應(yīng)可以通過(guò)不同途徑和裝置進(jìn)行擴(kuò)展，通過(guò)某些途徑和裝置擴(kuò)展的概率可能明顯高于其他的，即這些裝置在多米諾效應(yīng)的擴(kuò)展中起到了關(guān)鍵的作用，那么這些設(shè)備就被認(rèn)為是脆弱單元。

1.2　多米諾效應(yīng)的脆弱性分析流程

本文以儲(chǔ)罐區(qū)為研究對(duì)象，借助ALOHA軟件計(jì)算各儲(chǔ)罐之間熱輻射及沖擊波相互作用強(qiáng)度的大小，與損傷閾值進(jìn)行比較，并考慮設(shè)備間的協(xié)同作用，從而確定可能發(fā)生的多米諾事故。運(yùn)用Probit模型計(jì)算事故擴(kuò)展概率，根據(jù)計(jì)算結(jié)果通過(guò)Bayes Server軟件建立貝葉斯網(wǎng)絡(luò)，對(duì)罐區(qū)的整體脆弱性和單元脆弱性進(jìn)行分析。分析流程見圖1。

圖1　罐區(qū)脆弱性分析流程Fig.1　Flow chart of tank area vulnerability analysis

1.3　擴(kuò)展概率計(jì)算公式

擴(kuò)展概率指初始事故向周邊設(shè)備擴(kuò)展，導(dǎo)致其他設(shè)備破壞，進(jìn)而造成二次事故的概率。計(jì)算方法如下[14]：

(1)

式中：Pd為事故擴(kuò)展概率；Y為概率單位值，一般可表達(dá)為Y=a+bln(V)的形式，a和b為Probit系數(shù)；V為爆炸事故的超壓值△P或火災(zāi)事故的設(shè)備失效時(shí)間ttf，其取值[15]見表1；△P為靜態(tài)超壓值， Pa；ttf為儲(chǔ)罐失效時(shí)間，s；QHL為熱輻射強(qiáng)度，kW/m2；V為目標(biāo)設(shè)備的容積，m3；u為隨機(jī)變量。

表1　概率單位值Y的計(jì)算公式

1.4　ALOHA軟件

ALOHA(Areal Locations of Hazardous Atmospheres)軟件由美國(guó)環(huán)保署與美國(guó)海洋和大氣管理局共同開發(fā)，用于危險(xiǎn)化學(xué)品泄漏后發(fā)生的毒氣擴(kuò)散、火災(zāi)爆炸事故的后果評(píng)估，其數(shù)據(jù)庫(kù)涵蓋了約1 000種危險(xiǎn)化學(xué)品的物理特性，采用的計(jì)算模型包括高斯模型、重氣擴(kuò)散模型、火災(zāi)爆炸事故后果計(jì)算模型等。

在計(jì)算物理效應(yīng)的強(qiáng)度時(shí)，會(huì)有一系列對(duì)話框提示使用者輸入所需信息，只要根據(jù)提示依次輸入危險(xiǎn)物質(zhì)、設(shè)備參數(shù)、泄漏類型、氣象條件等，軟件就會(huì)根據(jù)相應(yīng)的計(jì)算模型對(duì)事故后果進(jìn)行計(jì)算。在顯示計(jì)算結(jié)果時(shí)，使用者可以輸入規(guī)定的毒氣濃度、熱輻射強(qiáng)度、沖擊波超壓值水平，軟件就會(huì)通過(guò)3個(gè)不同顏色的區(qū)域來(lái)表示危害值超過(guò)設(shè)定值的區(qū)域。當(dāng)只需計(jì)算某一點(diǎn)處的危害值時(shí)，比如本文所需的計(jì)算結(jié)果，可以通過(guò)更改顯示選項(xiàng)來(lái)顯示指定的某一點(diǎn)處的值。

2　實(shí)例研究

2.1　罐區(qū)簡(jiǎn)介

某企業(yè)計(jì)劃建1個(gè)含6個(gè)儲(chǔ)罐的原料罐區(qū)，6個(gè)儲(chǔ)罐均為內(nèi)浮頂儲(chǔ)罐，直徑為20 m，高度為10 m。儲(chǔ)罐1，2，3儲(chǔ)存苯，其他儲(chǔ)罐儲(chǔ)存乙醇，充裝量均為70%。

根據(jù)GB 50016-2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》的規(guī)定，2種化學(xué)品的火災(zāi)危險(xiǎn)性類別都為甲類，可以布置于同一罐區(qū)。規(guī)范中對(duì)內(nèi)浮頂儲(chǔ)罐的防火間距要求為不小于0.4D，D為相鄰較大立式儲(chǔ)罐的直徑。本次設(shè)計(jì)的儲(chǔ)罐間距為15 m，符合要求。6個(gè)儲(chǔ)罐共用1個(gè)防火堤，2種化學(xué)品的儲(chǔ)罐之間設(shè)置隔堤。

儲(chǔ)罐區(qū)所在地的全年主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槟巷L(fēng)，現(xiàn)擬定了2種布局方案，方案一、二分別如圖2和圖3所示。

圖2　方案一布置Fig.2　Layout of project 1

圖3　方案二布置Fig.3　Layout of project 2

由于整個(gè)罐區(qū)是對(duì)稱的，且風(fēng)向?yàn)槟巷L(fēng)，所以儲(chǔ)罐1與儲(chǔ)罐3發(fā)生事故導(dǎo)致的后果是相當(dāng)?shù)?，?chǔ)罐4與儲(chǔ)罐6發(fā)生事故導(dǎo)致的后果是相當(dāng)?shù)?。故本文將依次?，2，4，5號(hào)儲(chǔ)罐作為初始事故單元進(jìn)行分析。

2.2　整體脆弱性分析

2.2.1物理效應(yīng)分析

造成多米諾效應(yīng)的物理效應(yīng)有3種：熱輻射、沖擊波和碎片。閃火不會(huì)導(dǎo)致二次事故[13]，有毒蒸氣云也不會(huì)直接造成設(shè)備的損壞，本文的儲(chǔ)罐都為常壓儲(chǔ)罐，不考慮噴射火[15]，本文重點(diǎn)對(duì)池火、蒸氣云爆炸2種物理效應(yīng)進(jìn)行研究。

應(yīng)用ALOHA軟件計(jì)算各儲(chǔ)罐之間的熱輻射及爆炸沖擊波強(qiáng)度。本次研究中，根據(jù)所分析罐區(qū)所處地理位置的氣象特點(diǎn)，設(shè)定天氣狀況為局部多云，溫度為20℃，相對(duì)濕度50%，南風(fēng)5 m/s，泄漏孔徑250 mm，取各罐中心距離作為計(jì)算距離。方案一中各儲(chǔ)罐之間的熱輻射強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果見表2。

通過(guò)ALOHA軟件分析得出6個(gè)儲(chǔ)罐在設(shè)定的場(chǎng)景下發(fā)生泄漏，不會(huì)發(fā)生蒸氣云爆炸事故，故本文只對(duì)各儲(chǔ)罐之間的熱輻射作用進(jìn)行分析。根據(jù)Renier等的研究結(jié)果，熱輻射對(duì)事故擴(kuò)展的閾值取15 kW/m2，當(dāng)強(qiáng)度超過(guò)該值時(shí)認(rèn)為有多米諾效應(yīng)發(fā)生的可能[15]。將表中熱輻射強(qiáng)度與該值比較，確定可能發(fā)生的多米諾事故。

2.2.2確定多米諾效應(yīng)擴(kuò)展過(guò)程

當(dāng)罐1發(fā)生事故時(shí)，考慮到協(xié)同效應(yīng)[16-17]，如果罐2在罐1 的作用下也發(fā)生了池火災(zāi)，罐4會(huì)同時(shí)受到2個(gè)熱源的輻射。熱輻射強(qiáng)度疊加值為17.89 kW/m2，超過(guò)了閾值，存在多米諾效應(yīng)發(fā)生的可能。所以需要考慮罐1和罐2對(duì)罐4的共同作用。從罐1 開始逐步往下分析，最終得出如下的多米諾效應(yīng)擴(kuò)展過(guò)程，如圖4所示。同理對(duì)2,4,5罐作為初始事故的擴(kuò)展過(guò)程進(jìn)行分析，分析過(guò)程此處省略。

圖4　方案一中罐1發(fā)生初始事故的 多米諾效應(yīng)擴(kuò)展過(guò)程Fig.4　Domino effect propagate process result from tank 1 in project 1

2.2.3確定多米諾效應(yīng)擴(kuò)展到不同級(jí)別的概率

如圖4所示的多米諾效應(yīng)可以擴(kuò)展到3個(gè)級(jí)別[18]。罐2發(fā)生事故為多米諾效應(yīng)的一次擴(kuò)展，擴(kuò)展途徑為：罐1→罐2；罐3、罐4、罐5有大于等于1個(gè)事故發(fā)生，即認(rèn)為多米諾效應(yīng)發(fā)生了二次擴(kuò)展，擴(kuò)展途徑有3條：罐1→罐2→罐3、罐1→罐2→罐4、罐1→罐2→罐5；罐6發(fā)生事故為多米諾效應(yīng)的三次擴(kuò)展，擴(kuò)展途徑有2條：罐1→罐2→罐3→罐6、罐1→罐2→罐5→罐6。

2，4，5罐作為初始事故的情況，分析方法同上。根據(jù)式(1)及表1中的公式計(jì)算出各擴(kuò)展過(guò)程的擴(kuò)展概率，進(jìn)而確定多米諾效應(yīng)擴(kuò)展到不同級(jí)別的概率，將計(jì)算結(jié)果匯總到表3中。

同理，計(jì)算出方案二中各級(jí)多米諾效應(yīng)發(fā)生概率，計(jì)算結(jié)果見表4。

表3　方案一發(fā)生各級(jí)多米諾效應(yīng)的概率

表4　方案二發(fā)生各級(jí)多米諾效應(yīng)的概率

對(duì)比表3和表4的結(jié)果，可以得出：

1)方案一中最容易導(dǎo)致多米諾效應(yīng)的儲(chǔ)罐4和儲(chǔ)罐5，發(fā)生事故一次擴(kuò)展的概率分別為5.289×10-4和 5.301×10-4；方案二中最容易導(dǎo)致多米諾效應(yīng)的儲(chǔ)罐1和儲(chǔ)罐2，發(fā)生事故一次擴(kuò)展的概率分別為4.965×10-3和2.488×10-3。通過(guò)比較危險(xiǎn)儲(chǔ)罐發(fā)生事故擴(kuò)展的概率可知，方案一的安全性更高。

2)當(dāng)方案二中儲(chǔ)罐2發(fā)生事故時(shí)，只需一次擴(kuò)展就波及到了所有儲(chǔ)罐，可以摧毀整個(gè)罐區(qū)，而且擴(kuò)展概率較大。在這種擴(kuò)展方式下，整個(gè)罐區(qū)表現(xiàn)出很高的脆弱性。這種潛在高頻率、高損失事故的方案，不建議選取。

3)方案一和方案二中6個(gè)儲(chǔ)罐發(fā)生事故一次擴(kuò)展的概率分別為0.001 627和0.012 38，總共可能波及到的儲(chǔ)罐數(shù)分別為11和15?？梢?，方案一發(fā)生事故一次擴(kuò)展的概率和波及儲(chǔ)罐數(shù)量都低于方案二，方案二比方案一更脆弱。

綜合以上分析，在考慮多米諾效應(yīng)時(shí)，方案一與方案二相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)，因此，建議選擇方案一。

2.3　單元脆弱性分析

優(yōu)選出的方案一中最可能造成多米諾效應(yīng)一次擴(kuò)展的儲(chǔ)罐為儲(chǔ)罐5，即儲(chǔ)罐5為容易導(dǎo)致多米諾效應(yīng)的脆弱單元。儲(chǔ)罐5事故后發(fā)生多米諾效應(yīng)的一次和二次擴(kuò)展的分析結(jié)果分別如圖5和圖6所示。

圖5　儲(chǔ)罐5事故后發(fā)生一次擴(kuò)展的分析結(jié)果Fig.5　Primary escalation analysis result following a fire in tank 5

圖6　儲(chǔ)罐5事故后發(fā)生二次擴(kuò)展的分析結(jié)果Fig.6　Secondary escalation analysis result following a fire in tank 5

發(fā)生一次擴(kuò)展時(shí)，有99.55%的可能是通過(guò)罐5→罐2途徑擴(kuò)展的，通過(guò)罐5→罐4和罐5→罐6途徑擴(kuò)展的概率只有0.23%；發(fā)生二次擴(kuò)展時(shí)，通過(guò)儲(chǔ)罐2擴(kuò)展到儲(chǔ)罐1或儲(chǔ)罐3的概率為80.61%，通過(guò)儲(chǔ)罐4和儲(chǔ)罐6擴(kuò)展到儲(chǔ)罐1或儲(chǔ)罐3的概率只有9.87%?？梢?，在儲(chǔ)罐5發(fā)生事故的情況下，儲(chǔ)罐2為容易擴(kuò)展多米諾效應(yīng)的脆弱單元。

為預(yù)防事故多米諾效應(yīng)的發(fā)生，可以給儲(chǔ)罐5設(shè)置主動(dòng)安全防護(hù)措施，如自動(dòng)滅火系統(tǒng)，以削弱其對(duì)周邊儲(chǔ)罐的熱輻射；給儲(chǔ)罐2設(shè)置被動(dòng)安全防護(hù)措施，如設(shè)置隔熱材料涂層，以減少其接收到的熱輻射。

3　結(jié)論

1)利用ALOHA軟件和Probit模型，借助于Bayes Server軟件建立的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)，可以確定事故擴(kuò)展到不同級(jí)別的可能性大小，從而確定整體脆弱性和脆弱單元；利用整體脆弱性可以進(jìn)行設(shè)計(jì)方案優(yōu)選，利用單元脆弱性可以有針對(duì)性的采取防控措施，從根本上降低多米諾事故發(fā)生的可能性。

2)借助于Bayes Server軟件建立的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)可以清晰地描繪出多級(jí)多米諾事故的擴(kuò)展過(guò)程，以及各次擴(kuò)展所波及具體儲(chǔ)罐及其概率大小，便于理解多米諾效應(yīng)在罐區(qū)中的動(dòng)態(tài)發(fā)展過(guò)程，更加準(zhǔn)確地掌握事故發(fā)展情況，以便采取應(yīng)對(duì)措施。

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