張希祥， 張 強(qiáng)， 張華兵， 程萬(wàn)洲， 魏然然，楊玉鋒， 王 新， 高冬東， 李明閱

(1.中國(guó)石油天然氣股份有限公司管道分公司管道科技研究中心油氣管道輸送安全國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，河北廊坊065000；2.中國(guó)石油天然氣股份有限公司管道分公司長(zhǎng)沙輸油氣分公司，湖南長(zhǎng)沙430000；3.中國(guó)石油天然氣股份有限公司管道分公司山東中油天然氣有限公司，山東濟(jì)南250000)

1 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法簡(jiǎn)述

工業(yè)生產(chǎn)中的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法主要有定性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)法、半定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)法[1]和定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)法。定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)通過(guò)對(duì)每個(gè)失效事件事故發(fā)生頻率和后果嚴(yán)重程度進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析[2-4]，從而得到具有單位的風(fēng)險(xiǎn)值來(lái)表征風(fēng)險(xiǎn)，比較有代表性的是荷蘭應(yīng)用科學(xué)院(TNO)提出的網(wǎng)格法[5]10。定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)法一般依據(jù)歷史失效數(shù)據(jù)進(jìn)行失效頻率調(diào)整，同時(shí)通過(guò)擴(kuò)散、燃燒等過(guò)程的模擬進(jìn)行后果分析，結(jié)果的精確度和準(zhǔn)確性很高。

2 基于網(wǎng)格法的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算

文獻(xiàn)[5]介紹了毒性氣體擴(kuò)散基于網(wǎng)格法的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)定量計(jì)算方法，該方法通過(guò)將目標(biāo)區(qū)域劃分為一個(gè)一個(gè)的網(wǎng)格，獨(dú)立地計(jì)算各個(gè)網(wǎng)格的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)值，最終獲得計(jì)算區(qū)域內(nèi)各處的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)值。

2.1 網(wǎng)格的劃分

采用笛卡爾直角坐標(biāo)系，選取區(qū)域中的某點(diǎn)作為起始點(diǎn)對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分的網(wǎng)格應(yīng)該足夠小，從而保證計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性，即個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)在每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)沒(méi)有特別大的變化。網(wǎng)格大小可以這樣確定：

① 如果失效事件的影響距離小于等于300 m，選取的網(wǎng)格為25 m×25 m；

② 如果失效事件的影響距離大于300 m，選取的網(wǎng)格為100 m×100 m；

③ 根據(jù)實(shí)際情況，還可以采用混合網(wǎng)格，用小網(wǎng)格計(jì)算影響距離不超過(guò)300 m的區(qū)域，而對(duì)300 m以上區(qū)域用大網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算。

確定網(wǎng)格大小的目的是為了保證網(wǎng)格內(nèi)的屬性基本一致，這樣該網(wǎng)格中心點(diǎn)的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)值能充分代表該網(wǎng)格的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)值。通過(guò)計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)值，得到整個(gè)目標(biāo)區(qū)域各網(wǎng)格的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)值，最終就可以獲得該區(qū)域個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)等值線圖，以便進(jìn)行下一步風(fēng)險(xiǎn)分析。

2.2 計(jì)算流程

① 選擇失效事件i，如發(fā)生燃燒、爆炸、有毒物質(zhì)泄漏等事件，進(jìn)而對(duì)失效事件展開(kāi)研究，如果僅考慮單個(gè)失效事件，則i=1。

② 選擇氣象等級(jí)M和一定角度范圍的風(fēng)向φ，確定聯(lián)合分布概率。氣象等級(jí)M包括大氣穩(wěn)定度和代表性風(fēng)速，出現(xiàn)的概率為PM。氣象等級(jí)數(shù)據(jù)可以參考?xì)庀笮袠I(yè)的Rotterdam數(shù)據(jù)庫(kù)或Pasquill數(shù)據(jù)庫(kù)，也可使用蒙特卡洛法模擬某地區(qū)氣象等級(jí)出現(xiàn)的概率。我國(guó)一般推薦使用Pasquill數(shù)據(jù)庫(kù)，將大氣穩(wěn)定度等級(jí)分為強(qiáng)不穩(wěn)定、不穩(wěn)定、弱不穩(wěn)定、中性、較穩(wěn)定和穩(wěn)定6級(jí)，分別用大寫(xiě)字母A、B、C、D、E、F表示。在每個(gè)大氣穩(wěn)定度等級(jí)后面加上代表性風(fēng)速即代表一個(gè)氣象等級(jí)，如C 3.0 m/s表示在弱不穩(wěn)定條件下3 m/s風(fēng)速的氣象等級(jí)。該氣象等級(jí)條件下某個(gè)角度范圍的風(fēng)向的概率為Pφ，φ為風(fēng)向的編號(hào)，風(fēng)向角度以正北為0°，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)一周360°重合到0°結(jié)束，例如某一風(fēng)向φ對(duì)應(yīng)的風(fēng)向角度為60°～90°，代表我們考慮60°～90°角度范圍內(nèi)的風(fēng)向。不管使用經(jīng)典氣象數(shù)據(jù)還是使用蒙特卡洛法模擬，通過(guò)確定氣象等級(jí)M和一定角度范圍的風(fēng)向φ，查詢上文提到的數(shù)據(jù)庫(kù)即可得到該地區(qū)氣象等級(jí)和一定角度范圍風(fēng)向的出現(xiàn)概率，用PM×Pφ的值來(lái)表示。

③ 根據(jù)選擇的失效事件，展開(kāi)研究，選擇引發(fā)事件S并查詢其發(fā)生頻率fS(單位為a-1)。例如閥門(mén)失效導(dǎo)致存放有毒氣體的儲(chǔ)罐發(fā)生泄漏，則閥門(mén)失效就是一個(gè)引發(fā)事件，可以從文獻(xiàn)[5]78中查詢各種引發(fā)事件的發(fā)生頻率。如果僅考慮一個(gè)引發(fā)事件，則S=1。

④ 在確定失效事件、氣象等級(jí)和風(fēng)向、引發(fā)事件情況下，計(jì)算網(wǎng)格中心點(diǎn)的死亡概率Pd。

網(wǎng)格中心點(diǎn)的死亡概率用式(1)計(jì)算。

Pd=PclPci

(1)

式中Pd——該網(wǎng)格中心點(diǎn)的死亡概率

Pcl——該網(wǎng)格中心點(diǎn)處于有毒氣體范圍內(nèi)導(dǎo)致人員死亡的概率

Pci——該網(wǎng)格中心點(diǎn)在有毒氣體范圍內(nèi)概率

處于有毒氣體范圍內(nèi)導(dǎo)致人員死亡的概率Pcl與死亡概率函數(shù)偏差值Pr相關(guān)，在文獻(xiàn)[5]中有二者直接的對(duì)應(yīng)表，根據(jù)Pr可確定Pcl，部分對(duì)應(yīng)關(guān)系數(shù)據(jù)見(jiàn)表1[5]113。

表1 Pcl與死亡概率函數(shù)偏差值Pr的對(duì)應(yīng)關(guān)系

死亡概率函數(shù)偏差值Pr通過(guò)式(2)確定[5]114。

Pr=a+bln(tρc)

(2)

式中Pr——死亡概率函數(shù)偏差值

a、b、c——描述不同物質(zhì)毒性的常數(shù)

t——人員處于有毒氣體中的時(shí)間，min

ρ——有毒氣體質(zhì)量濃度，mg/m3

有毒氣體質(zhì)量濃度ρ可通過(guò)高斯經(jīng)典擴(kuò)散模型獲得[5]63，不同物質(zhì)毒性的常數(shù)a、b和c可以通過(guò)表2查詢，表2取自文獻(xiàn)中數(shù)據(jù)[5]116。

表2 常見(jiàn)有毒物質(zhì)的常數(shù)a、b和c的值

網(wǎng)格中心點(diǎn)處在有毒氣體范圍內(nèi)的概率Pci的計(jì)算方法如下。

有毒氣體的擴(kuò)散是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，本文采用一種簡(jiǎn)化的近似模型，即只考慮從泄漏點(diǎn)到網(wǎng)格中心點(diǎn)方向的擴(kuò)散形式。以有毒氣體泄漏點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)O，正北方向?yàn)閥軸正向，正東方向?yàn)閤軸正向，建立直角坐標(biāo)系。本文不考慮有毒氣體擴(kuò)散高度，僅考慮平面擴(kuò)散，結(jié)合文獻(xiàn)[5]提到的近似模型，近似地認(rèn)為有毒氣體在水平面上擴(kuò)散到網(wǎng)格中心點(diǎn)的形狀為一個(gè)等腰三角形，即等腰三角形區(qū)域內(nèi)為有毒氣體擴(kuò)散后覆蓋的區(qū)域，見(jiàn)圖1。其中，網(wǎng)格中心點(diǎn)C為底邊的中點(diǎn)，坐標(biāo)原點(diǎn)O到網(wǎng)格中心點(diǎn)C的直線為等腰三角形的高，則△OAB即為擴(kuò)散區(qū)域。將等腰三角形底邊AB的長(zhǎng)度稱(chēng)為有毒氣體寬度，用LE來(lái)表示，LE與氣體擴(kuò)散性質(zhì)和當(dāng)?shù)貧庀髼l件相關(guān)。

網(wǎng)格中心點(diǎn)處于有毒氣體范圍內(nèi)的概率Pci可按式(3)近似計(jì)算[5]237。

(3)

式中U——風(fēng)向φ的總數(shù)

LE——有毒氣體寬度，m

d——網(wǎng)格中心點(diǎn)距泄漏點(diǎn)距離，m

U表示在計(jì)算過(guò)程中考慮的一定角度范圍風(fēng)向的總數(shù)，例如，如果僅考慮1種角度范圍的風(fēng)向，則U=1；如果考慮2種角度范圍的風(fēng)向，則U=2，以此類(lèi)推。

有毒氣體寬度LE通過(guò)該處引起死亡的概率代表值PT來(lái)查詢，PT表示在模擬工況下人員死亡的概率，模擬工況包括有毒氣體的種類(lèi)、有毒氣體的濃度、氣象等級(jí)、風(fēng)速等條件。例如，PT=10%表示模擬引起10%的人員死亡。不同的氣體由于擴(kuò)散性質(zhì)和對(duì)人體的毒性不同，其概率代表值PT也不盡相同，需要大量的模型函數(shù)和實(shí)際對(duì)照才可以準(zhǔn)確地進(jìn)行模擬。通常選擇PT=10%進(jìn)行計(jì)算。CO在氣象等級(jí)為D 5.0 m/s，風(fēng)向?yàn)?96°～225°，CO質(zhì)量濃度為21.3 g/m3條件下，有毒氣體寬度LE與該處引起死亡的概率代表值PT的對(duì)應(yīng)關(guān)系來(lái)自文獻(xiàn)[5]149，見(jiàn)圖2。

確定了Pcl和Pci的值后，通過(guò)式(1)確定網(wǎng)格中心點(diǎn)上的死亡概率Pd。

⑤ 計(jì)算網(wǎng)格中心點(diǎn)在失效事件i、氣象等級(jí)M、風(fēng)向φ和引發(fā)事件S單一條件下的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)值ΔIr。

ΔIr=PdfSPMPφ

(4)

式中 ΔIr——網(wǎng)格中心點(diǎn)單一條件下個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)值，a-1

fS——引發(fā)事件S的發(fā)生頻率，a-1

S——引發(fā)事件編號(hào)

PM——?dú)庀蟮燃?jí)M出現(xiàn)的概率

M——?dú)庀蟮燃?jí)編號(hào)

Pφ——風(fēng)向φ出現(xiàn)的概率

φ——風(fēng)向編號(hào)

⑥ 對(duì)于所有失效事件重復(fù)以上計(jì)算步驟。則該網(wǎng)格中心點(diǎn)總的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)值Ir計(jì)算如下：

(5)

式中Ir——該網(wǎng)格中心點(diǎn)總的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)值，a-1

J——失效事件總數(shù)

i——失效事件編號(hào)

K——?dú)庀蟮燃?jí)總數(shù)

Q——引發(fā)事件總數(shù)

3 毒性氣體泄漏個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算實(shí)例

本文根據(jù)文獻(xiàn)[5]提到的計(jì)算例子進(jìn)行個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算。某煤化工廠使用煤氣作為燃料，煤氣的主要成分是具有毒性的CO氣體(我們將此處煤氣近似為純CO氣體進(jìn)行分析)。假設(shè)運(yùn)輸煤氣的管道發(fā)生破裂引起煤氣泄漏(全孔徑破裂，泄漏質(zhì)量流量為100 kg/s)[5]148，則失效事件為煤氣泄漏，引發(fā)事件為管道破裂。設(shè)引發(fā)事件的發(fā)生頻率fS為5×10-7a-1 [5]148，使用Rotterdam氣象觀測(cè)站的數(shù)據(jù)(氣象等級(jí)為D 5.0 m/s條件，僅考慮出現(xiàn)1個(gè)角度范圍的風(fēng)向，即196°～225°角度范圍的風(fēng)向，PM和Pφ的乘積為0.036 8)[5]148。以煤氣管道泄漏位置作為坐標(biāo)原點(diǎn)，計(jì)算此次失效事件下，人員辦公區(qū)域的網(wǎng)格中心點(diǎn) (200 m,300 m)的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)值(CO擴(kuò)散到該中心點(diǎn)有毒氣體質(zhì)量濃度為21.3 g/m3，計(jì)算使用的引起死亡的概率代表值PT為10 %，人員處于有毒氣體的時(shí)間按30 min考慮)[5]148。

具體計(jì)算步驟如下：

① 選擇失效事件，為管道發(fā)生煤氣泄漏。

② 查詢氣象等級(jí)D代表性風(fēng)速5.0 m/s，196°～225°角度范圍的風(fēng)向條件下，PM和Pφ的乘積為0.036 8。

③ 選擇引發(fā)事件，為管道發(fā)生破裂，其發(fā)生頻率為fS=5×10-7a-1。

④ 以泄漏點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，正北方向?yàn)閥軸正向，正東方向?yàn)閤軸正向，建立笛卡爾坐標(biāo)系。網(wǎng)格中心點(diǎn)(200 m，300 m)和原點(diǎn)(0，0)的距離d=361 m，網(wǎng)格中心點(diǎn)處有毒氣體質(zhì)量濃度ρ=21.3 g/m3。查表2，CO氣體的毒性常數(shù)為a=-7.4,b=1,c=1。根據(jù)式(2)得，死亡概率函數(shù)偏差值Pr=5.97。根據(jù)概率偏差值Pr，查表1得Pcl=0.835。

根據(jù)圖2，當(dāng)PT=10%時(shí)，得LE=52 m。則由式(4)得有毒氣體寬度LE=62.28 m。本例僅考慮出現(xiàn)1個(gè)風(fēng)向，因此，U=1，根據(jù)式(3)計(jì)算，則網(wǎng)格中心點(diǎn)(200 m，300 m)在有毒氣體范圍內(nèi)的概率Pci=0.023。

根據(jù)式(1)計(jì)算，則網(wǎng)格中心點(diǎn)(200 m，300 m)的死亡概率Pd=0.019。

⑤ 根據(jù)式(4)計(jì)算，則該失效事件對(duì)網(wǎng)格中心點(diǎn)(200 m，300 m)處給定條件下的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)值為ΔIr=3.5×10-10a-1。