齊峰 蔣宏業(yè) 徐濤龍 古芃

西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院

保護(hù)層分析（Layer of Protection Analysis，簡稱LOPA）是在定性分析基礎(chǔ)上，進(jìn)一步評估獨(dú)立保護(hù)層（IPL）有效性，以確保事故風(fēng)險(xiǎn)降低到可容忍范圍內(nèi)的一種半定量評估方法。由于其分析客觀、可靠，并且簡單高效，近年來在石化企業(yè)得到廣泛應(yīng)用。

國內(nèi)外學(xué)者對傳統(tǒng)LOPA 方法進(jìn)行了改進(jìn)，MARKOWSKI等[1]將專家系統(tǒng)融入保護(hù)層分析法中，并采用改進(jìn)的保護(hù)層分析法對化學(xué)過程工業(yè)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析；YUN[2]提出貝葉斯-保護(hù)層分析方法，將已有的事故場景的失效概率和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相結(jié)合，進(jìn)而更新了失效概率，并應(yīng)用此方法分析了液化天然氣接收站的風(fēng)險(xiǎn)，結(jié)果證明該方法所得的失效概率更可靠；鄧彬等[3]將保護(hù)層分析與軌跡交叉理論相結(jié)合，對化工工藝過程的系統(tǒng)安全性進(jìn)行分析，結(jié)果證明，LOPA 與軌跡交叉理論在功能上互補(bǔ)，能更為準(zhǔn)確地找出風(fēng)險(xiǎn)較高的設(shè)備或行為。以上學(xué)者對保護(hù)層分析方法進(jìn)行了不同程度的改進(jìn)，但是都未考慮可燃?xì)怏w泄漏后由多米諾效應(yīng)引起的升級事故后果。

由于輸氣站場平面空間限制，各設(shè)備在空間上布置緊密，若某設(shè)備泄漏，進(jìn)而發(fā)生爆炸事故，在引發(fā)多米諾效應(yīng)影響下，將造成事故后果擴(kuò)大化。研究表明[4-5]，多米諾效應(yīng)直接影響事故后果嚴(yán)重性。因此本文提出在進(jìn)行后果嚴(yán)重度評估時(shí)，考慮由多米諾效應(yīng)造成的升級事故后果，以期后果嚴(yán)重度評估更加客觀實(shí)際，為風(fēng)險(xiǎn)決策提供理論依據(jù)。

1 保護(hù)層分析

保護(hù)層分析是一種簡化的風(fēng)險(xiǎn)評估方法。通過對現(xiàn)有保護(hù)措施的可靠性進(jìn)行量化，確定其消除或降低風(fēng)險(xiǎn)的能力[6]。LOPA 通常使用初始事件頻率、后果嚴(yán)重程度和獨(dú)立保護(hù)層失效概率的數(shù)量級大小來近似表征場景的風(fēng)險(xiǎn)[7]。LOPA 分析的邏輯圖如圖1所示。LOPA 的主要目的是確定是否有足夠的保護(hù)層，確保風(fēng)險(xiǎn)在可容忍范圍內(nèi)。對于一個(gè)場景有不同的獨(dú)立保護(hù)層，只要其中一個(gè)獨(dú)立保護(hù)層發(fā)揮作用，就可以避免不期望的事故后果發(fā)生。但是并沒有任何一個(gè)保護(hù)層是完全有效的，所以必須提供足夠的保護(hù)層以減小事故風(fēng)險(xiǎn)，使其滿足風(fēng)險(xiǎn)可容忍標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 保護(hù)層分析邏輯圖Fig.1 Logic diagram of protective layer analysis

1.1 后果嚴(yán)重度評估

在進(jìn)行LOPA 分析前，要對已篩選的場景進(jìn)行后果嚴(yán)重度評估。事故后果嚴(yán)重度一般體現(xiàn)在人員、財(cái)產(chǎn)、環(huán)境、聲譽(yù)四個(gè)方面。評估方法一般有以下四種[8]：①釋放規(guī)模/特征評估；②簡化的傷害/致死評估；③需要進(jìn)行頻率校正的簡化傷害/致死評估；④詳細(xì)的傷害/致死評估。目前，常用的評估方法是第②種和第③種方法。因其在實(shí)施過程中簡單易行，并且可以直接根據(jù)過去的經(jīng)驗(yàn)、總結(jié)的查詢表進(jìn)行評估，但由于沒有考慮多米諾效應(yīng)，真實(shí)事故后果可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過分析人員的計(jì)算。

1.2 確定初始事件頻率

初始事件一般分為外部事件、設(shè)備故障和人的失效三類[8]。本文主要考慮由設(shè)備失效造成的泄漏進(jìn)而引發(fā)的爆炸等升級事故后果。

確定初始事件頻率，可采用許多失效數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，如《化工過程定量風(fēng)險(xiǎn)分析指南》《工藝設(shè)備可靠性數(shù)據(jù)指南》以及API 581等，還可以基于公司的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析獲得。本文采用API 581的方法，通過設(shè)備損傷因子和管理因子對設(shè)備通用失效頻率修正，計(jì)算出設(shè)備失效頻率。

1.3 識別獨(dú)立保護(hù)層

美國化工過程安全中心（CCPS）將獨(dú)立保護(hù)層定義為“能夠阻止場景向不良后果繼續(xù)發(fā)展的一種設(shè)備、系統(tǒng)或行動(dòng)，并且獨(dú)立于初始事件或場景中其他獨(dú)立保護(hù)層的行動(dòng)[7]?！豹?dú)立保護(hù)層必須滿足獨(dú)立性和有效性，并且獨(dú)立性和有效性必須具有可審查性。典型的獨(dú)立保護(hù)層如圖2所示。

圖2 典型獨(dú)立保護(hù)層Fig.2 Typical independent protective layer

在LOPA 分析中，合理區(qū)分獨(dú)立保護(hù)層和保護(hù)措施非常重要。保護(hù)措施可以是阻止場景向不良后果發(fā)展的任何設(shè)備、系統(tǒng)或行動(dòng)。但是，一旦將其視為獨(dú)立保護(hù)層，將難以保證風(fēng)險(xiǎn)被控制在容忍標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

1.4 場景頻率計(jì)算及決策

場景后果頻率為初始事件頻率乘以獨(dú)立保護(hù)層的失效概率。當(dāng)計(jì)算物質(zhì)釋放后造成的后果時(shí)，還會考慮使能條件、可燃物的影響、毒性影響范圍及人員暴露于可燃物或毒性物中的影響等。

考慮可燃物質(zhì)點(diǎn)火概率、人員暴露在影響范圍內(nèi)的概率及人員傷亡概率的后果頻率計(jì)算公式為

在天然氣站場保護(hù)層分析中，點(diǎn)火概率取0.1，人員暴露在影響區(qū)的概率為1，人員發(fā)生傷亡的概率為1。

2 多米諾效應(yīng)分析

輸氣站場發(fā)生蒸氣云爆炸事故后，產(chǎn)生的熱輻射和超壓可能會因多米諾效應(yīng)造成鄰近設(shè)備失效。根據(jù)輸氣站場的特點(diǎn)和COZZANI 等[9]的研究結(jié)果，本文主要考慮設(shè)備泄漏后發(fā)生蒸氣云爆炸的沖擊波超壓對鄰近設(shè)備造成的影響。

2.1 天然氣泄漏量

當(dāng)站場中天然氣發(fā)生泄漏時(shí)，天然氣的物理性質(zhì)和所處的工藝條件決定了其泄漏速率。

式中：qm為設(shè)備發(fā)生泄漏時(shí)天然氣的泄漏速率，kg/s；Cd為泄漏系數(shù)，其取值與泄漏孔口形狀有關(guān)，泄漏孔口形狀為長方形時(shí)取0.90，三角形時(shí)取0.95，圓形時(shí)取1.00；A為泄漏孔口的面積，m2；p為當(dāng)前工況下設(shè)備運(yùn)行壓力，Pa；ps為環(huán)境大氣壓力，Pa；k為天然氣絕熱指數(shù)，取k=1.3；M為天然氣摩爾質(zhì)量，kg/mol；R為氣體常數(shù)，8.314 J/(mol·K)；T為當(dāng)前工況下天然氣溫度，K。

一定時(shí)間內(nèi)，天然氣泄漏總量為

式中：W為一定時(shí)間內(nèi)天然氣泄漏總質(zhì)量，kg；t為天然氣泄漏的持續(xù)時(shí)間，s。

2.2 沖擊波超壓值

天然氣發(fā)生蒸氣云爆炸所產(chǎn)生的總能量為

式中：E為發(fā)生蒸氣云爆炸時(shí)釋放的總能量，kJ；1.8為地面爆炸系數(shù)；α為天然氣蒸氣云當(dāng)量系數(shù)，取0.04；W為蒸氣云中天然氣總質(zhì)量，kg；Q為天然氣的燃燒熱，kJ/kg。

目前有兩種方法計(jì)算爆炸沖擊波超壓，分別為TNT當(dāng)量法和直接計(jì)算法，本文采用直接計(jì)算法對蒸氣云爆炸進(jìn)行計(jì)算。蒸氣云爆炸沖擊波正相最大超壓為

式中：Δp為沖擊波正相最大超壓，kPa；r為無量綱距離；D為目標(biāo)設(shè)備到蒸氣云爆炸中心距離，m。

2.3 多米諾效應(yīng)概率

目前，計(jì)算由多米諾效應(yīng)造成的鄰近設(shè)備損壞的概率最常用的數(shù)學(xué)模型是基于經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擴(kuò)展函數(shù)概率模型[9]。因此，本文應(yīng)用此模型計(jì)算沖擊波超壓造成鄰近目標(biāo)設(shè)備損壞的概率為

式中：f為目標(biāo)損壞的概率；Y為目標(biāo)損壞的概率單位值，根據(jù)表1[10]中不同類型設(shè)備計(jì)算其取值。

表1 事故擴(kuò)展概率計(jì)算模型Tab.1 Calculation model of accident extended probability

通過以上計(jì)算可以確定蒸氣云爆炸發(fā)生后的多米諾效應(yīng)概率向量F為

式中：fi表示第i個(gè)設(shè)備因多米諾效應(yīng)導(dǎo)致失效的概率；n為設(shè)備數(shù)。

3 案例分析

本文以某分輸站為例進(jìn)行保護(hù)層分析。經(jīng)定性風(fēng)險(xiǎn)評估，篩選出分離器泄漏場景。在分析前首先評估后果嚴(yán)重度，計(jì)算由多米諾效應(yīng)引起的升級事故后果。為簡化計(jì)算，僅考慮一級多米諾效應(yīng)影響，不考慮進(jìn)一步的擴(kuò)大事故。

3.1 分輸站概述

該分輸站于2006年投產(chǎn)，目前運(yùn)行壓力為8.0 MPa，天然氣日處理量為2 400 m3，站場內(nèi)的設(shè)備均為露天設(shè)置。根據(jù)研究表明，在輸氣站場中，設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)明顯高于管道的風(fēng)險(xiǎn)[11]。因此，僅對分輸站內(nèi)設(shè)備失效的情況進(jìn)行分析，如清管器收發(fā)裝置、計(jì)量裝置、調(diào)壓裝置以及組合式分離器等。站場內(nèi)各設(shè)備的布置如圖3所示。

在本案例中，對分離器4發(fā)生泄漏的情況進(jìn)行分析，當(dāng)前工況下，分離器內(nèi)天然氣溫度為20 ℃，燃燒熱值為5 100 kJ/kg。根據(jù)歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)得知，該分離器存在不同程度的外腐蝕和內(nèi)腐蝕，外腐蝕速率為0.014 mm/a；內(nèi)腐蝕為局部腐蝕，腐蝕形狀呈直徑為6 mm 的圓形分布，腐蝕速率為0.11 mm/a。

3.2 分離器失效頻率

采用API 581計(jì)算分離器失效頻率方法為

式中：Pf為設(shè)備失效概率；gff為通用失效頻率；Df為設(shè)備損傷因子；FMS為企業(yè)管理因子。

查詢API 581源文件中同類設(shè)備失效數(shù)據(jù)庫[12]，得到分離器的通用失效頻率為1.0×10-4。根據(jù)站場內(nèi)歷史檢測數(shù)據(jù)和設(shè)備運(yùn)行條件，通過API 581中方法計(jì)算得到分離器的設(shè)備損傷因子為9.14。通過對站場管理系統(tǒng)評價(jià)后得到管理修正因子為0.37。基于以上數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得到分離器失效頻率為3.38×10-4。

3.3 后果嚴(yán)重度評估

3.3.1 泄漏速率計(jì)算

根據(jù)站場的歷史檢測數(shù)據(jù)，內(nèi)腐蝕較外腐蝕嚴(yán)重，且腐蝕坑為直徑6 mm 的圓形，因此假設(shè)分離器4發(fā)生直徑為6.4 mm 的圓孔泄漏。經(jīng)計(jì)算，在當(dāng)前工況下，天然氣呈音速流動(dòng)，其泄漏速率為13.89 kg/s。

3.3.2 泄漏總量計(jì)算

根據(jù)該站場的監(jiān)測系統(tǒng)，設(shè)泄漏時(shí)間為20 min，根據(jù)公式（4）計(jì)算得天然氣的總泄漏量為1.67×104kg。

3.3.3 多米諾效應(yīng)概率

根據(jù)分輸站場平面布置圖中各設(shè)備與分離器4的距離，以及公式（5）～（8）計(jì)算得到各設(shè)備所受到的沖擊波超壓值及設(shè)備損壞的概率，結(jié)果如表2所示。

表2 沖擊波超壓值及設(shè)備損壞概率計(jì)算結(jié)果Tab.2 Calculation results of shock wave overpressure value and equipment damage probability

由表2可知，當(dāng)發(fā)生蒸氣云爆炸后，各設(shè)備的多米諾效應(yīng)概率向量為：F=[0.967，0.967，0.834，0，0.375，0.379，0.379，0.375，1，1，1]。

3.3.4 多米諾效應(yīng)后果嚴(yán)重度

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，當(dāng)分離器4泄漏之后發(fā)生蒸氣云爆炸，則其他3臺分離器均因沖擊波超壓造成損壞，并且對其他設(shè)備也會造成不同程度的損壞，明顯增加了后果嚴(yán)重度。根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)矩陣，后果嚴(yán)重度等級為5級。經(jīng)過分析，對于設(shè)備泄漏的事故場景，站場內(nèi)并沒有可以作為獨(dú)立保護(hù)層的保護(hù)措施。

3.4 場景頻率計(jì)算及決策

根據(jù)以上分析以及場景頻率計(jì)算公式，該場景的頻率為3.38×10-5/a。應(yīng)適當(dāng)增加保護(hù)措施，使風(fēng)險(xiǎn)降低到可容忍范圍內(nèi)。分析小組決定提出兩點(diǎn)建議：①在設(shè)備處增加可燃?xì)怏w監(jiān)測報(bào)警裝置，并對該報(bào)警建立相應(yīng)的人員應(yīng)急處理機(jī)制；②對設(shè)備定期進(jìn)行腐蝕檢測，對危險(xiǎn)腐蝕點(diǎn)及時(shí)處理。

4 結(jié)束語

在計(jì)算多米諾效應(yīng)時(shí)，采用直接計(jì)算法計(jì)算沖擊波超壓值，得出鄰近設(shè)備所受的正相最大超壓值，并根據(jù)基于經(jīng)驗(yàn)的擴(kuò)展函數(shù)概率模型計(jì)算了引發(fā)鄰近設(shè)備損壞的概率。通過API 581中的方法對設(shè)備失效概率進(jìn)行計(jì)算，確定初始事件的發(fā)生頻率。該初始事件概率結(jié)合了站場的管理因子及基于歷史檢測數(shù)據(jù)的設(shè)備損傷因子，計(jì)算得到的失效概率更符合實(shí)際。

由于空間限制，一旦輸氣站發(fā)生爆炸，極易發(fā)生多米諾效應(yīng)，造成重大安全事故。將多米諾效應(yīng)引入保護(hù)層分析，可以更加客觀地對事故后果進(jìn)行評估，為后期風(fēng)險(xiǎn)決策提供可靠依據(jù)。