包麗雅

(中國人民武裝警察部隊(duì)學(xué)院研究生隊(duì)，河北 廊坊 065000)

0 引言

石油庫作為接收、儲存和發(fā)放油品的重要設(shè)施，安全生產(chǎn)是關(guān)鍵。石油庫儲罐區(qū)由于儲罐數(shù)量集中且盛裝的介質(zhì)種類不一，一旦發(fā)生火災(zāi)，必然導(dǎo)致重大后果［1］。當(dāng)前，對石油儲罐區(qū)的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評估主要停留在定性和半定量方法。定性風(fēng)險(xiǎn)評估主要用安全檢查表等方法，該方法簡單明了，易于進(jìn)行，花費(fèi)時(shí)間精力較少。不過這種方法只能大致描述儲罐區(qū)的每個(gè)部分的危險(xiǎn)性，而無法對整體做出評價(jià)，難以確定具體危險(xiǎn)等級。半定量方法主要有等價(jià)社會成本指數(shù)法(ESCI)、致命事故等級法、火災(zāi)－爆炸風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)法等、道化學(xué)公司(DOW)火災(zāi)、爆炸指數(shù)評價(jià)法以及MOND火災(zāi)、爆炸及毒性指數(shù)法等。由于收集數(shù)據(jù)資料難，計(jì)算復(fù)雜等原因，進(jìn)行定量的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評估很難實(shí)現(xiàn)。基于事件樹的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評估方法作為定量風(fēng)險(xiǎn)評估法，是安全系統(tǒng)工程的重要分析方法之一，它不僅可以對油庫事故及不安全因素進(jìn)行事前預(yù)測，估計(jì)事故的可能后果，還可以對事故原因進(jìn)行事后分析。因此，基于事件樹的定量評估方法有著較強(qiáng)的優(yōu)越性和靈活性，能顯著提高石油儲罐區(qū)作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)評估的科學(xué)性和有效性。

1 基于事件樹方法的油庫火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評估原理

作為運(yùn)籌學(xué)中的決策樹分析在安全系統(tǒng)工程領(lǐng)域的應(yīng)用，事件樹(Event Tree)是一種從原因到結(jié)果按時(shí)間順序描繪事故發(fā)生的樹形模型圖，利用事件樹可以對事故因果關(guān)系進(jìn)行邏輯推理分析［2］。系統(tǒng)中的每個(gè)要素都完成規(guī)定的功能，則稱為成功(或可靠)，某要素未完成規(guī)定的功能，則稱為失敗(或不可靠)。事件樹分析(ETA)的理論基礎(chǔ)是系統(tǒng)工程的決策論。任何事故都是一個(gè)多環(huán)節(jié)事故發(fā)展變化的結(jié)果，因此，事件樹分析也稱為事故過程分析。通過宏觀地分析事故的發(fā)展過程，對掌握事故發(fā)生規(guī)律，控制事故的發(fā)生是極其有益的。

基于事件樹的完整的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)分析一般包括幾個(gè)步驟:(1)項(xiàng)目概況及危險(xiǎn)源辨識;(2)可接受風(fēng)險(xiǎn)水平;(3)損失場景設(shè)計(jì)與事件樹構(gòu)建;(4)初始事件可能性;(5)危害模型的建立;(6)各事件概率確定;(7)風(fēng)險(xiǎn)評估以及與風(fēng)險(xiǎn)容忍度比較。下面主要介紹幾個(gè)關(guān)鍵步驟。

1.1 危險(xiǎn)源辨識

危險(xiǎn)源是指可能引起事故的根源，包括系統(tǒng)、過程或設(shè)備可能造成的事故、人員傷害、財(cái)產(chǎn)損失或環(huán)境破壞的危險(xiǎn)物質(zhì)、生產(chǎn)裝置、設(shè)施或場所以及個(gè)人作業(yè)的不安全行為或組織管理失誤等［3］。按照在事故發(fā)生、發(fā)展過程中的作用，危險(xiǎn)源可分為兩類:生產(chǎn)過程中存在的、可能發(fā)生意外釋放的能量或危險(xiǎn)物質(zhì)為第一類危險(xiǎn)源，導(dǎo)致能量或危險(xiǎn)物質(zhì)約束和限制措施破壞及失效的各種因素為第二類危險(xiǎn)源。目前使用最廣泛的危險(xiǎn)源辨識方法為直觀經(jīng)驗(yàn)法，即對照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、法規(guī)、檢查表或依靠分析人員的觀察能力，借助其經(jīng)驗(yàn)和判斷能力，直觀地對分析對象的危險(xiǎn)因素和風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)進(jìn)行分析。

1.2 可接受風(fēng)險(xiǎn)水平

可接受風(fēng)險(xiǎn)水平就是人們可以承受的風(fēng)險(xiǎn)的大小，低于這個(gè)風(fēng)險(xiǎn)可以容忍，超出范圍就必須采取措施?？山邮茱L(fēng)險(xiǎn)水平一般可用等價(jià)貨幣值(Equivalent Monetary Value)來度量。可接受風(fēng)險(xiǎn)水平分為兩種，一種是社會可接受風(fēng)險(xiǎn)水平，以全社會對各種同類性質(zhì)的風(fēng)險(xiǎn)的接受程度為準(zhǔn)，不僅要考慮事故發(fā)生的概率，還要考慮處于危險(xiǎn)狀況人員的數(shù)目，它反映了一個(gè)社會整體對風(fēng)險(xiǎn)的容忍程度;二是個(gè)人可接受風(fēng)險(xiǎn)水平，一般以特定的單位個(gè)體為對象，表示為個(gè)體事故中受到既定傷害程度的頻率。

對人員生命賦值是一件困難且有很多爭議的工作。目前，給生命安全賦EMV值還沒有正式形成評估標(biāo)準(zhǔn)，查閱以往的火災(zāi)案例，2010年上海靜安區(qū)11.15火災(zāi)事故中，事故責(zé)任單位承擔(dān)65萬元人民幣的一次性死亡賠償金。本文根據(jù)《人身損害賠償司法解釋第二十九條》標(biāo)準(zhǔn)，以50萬元人民幣對人員生命賦值。按照國際一般認(rèn)可的生命風(fēng)險(xiǎn)可接受標(biāo)準(zhǔn)，選取1.0×10－4人/年作為可接受生命風(fēng)險(xiǎn)水平，即人員死亡水平。

財(cái)產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)可接受標(biāo)準(zhǔn)的確定與所屬國家、地區(qū)、經(jīng)濟(jì)條件、建筑類型以及人們對風(fēng)險(xiǎn)認(rèn)知程度等因素密切相關(guān)。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)以實(shí)際評估項(xiàng)目財(cái)產(chǎn)價(jià)值為準(zhǔn)，合理考慮火災(zāi)損失等級與財(cái)產(chǎn)損失的對應(yīng)關(guān)系。本文研究中，按照國際一般認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)，以不發(fā)生較大、重大、特別重大火災(zāi)為準(zhǔn)，直接財(cái)產(chǎn)損失以不超過1 000萬元人民幣為限。總風(fēng)險(xiǎn)的等價(jià)貨幣值也以不超過1 000萬元人民幣為限。

1.3 事件樹構(gòu)建

1.3.1 確定火災(zāi)初始事件

初始事件是構(gòu)建火災(zāi)事件樹場景時(shí)辨識的第一事件。這個(gè)事件可能是系統(tǒng)或設(shè)備失效、人員失誤、物質(zhì)自燃或外部事件如地震、人為縱火等。辨識初始事件可以綜合運(yùn)用場景辨識工作表、事故樹分析、歷史事故記錄分析、企業(yè)數(shù)據(jù)和歷史情況等方法。

1.3.2 確定路徑因素

路徑因素是初始事件后序發(fā)生的事件。建立事件樹，分析人員需要對影響火災(zāi)蔓延或限制初始事件的相關(guān)因素進(jìn)行辨識。中間路徑因素代表了條件狀態(tài)和失效作用，在分析時(shí)需要用條件概率予以處理。通常影響火災(zāi)發(fā)展的主要因素有燃料性質(zhì)、點(diǎn)燃情況、通風(fēng)作用、消防控制系統(tǒng)等。

1.4 初始事件可能性

確定初始事件的可能性是構(gòu)建事件樹的關(guān)鍵，直接影響著事故后果頻率的取值。表征和估計(jì)初始火災(zāi)發(fā)生可能性的方法包括:(1)統(tǒng)計(jì)火災(zāi)損失事故的歷史數(shù)據(jù);(2)諸如事故樹(FTA)等模擬方法;在火災(zāi)歷史數(shù)據(jù)不足時(shí)，可用這些模擬方法估計(jì)初始火災(zāi)事件發(fā)生的可能性;(3)工程判斷，根據(jù)專家對潛在火災(zāi)可能性的認(rèn)識和理解進(jìn)行量化。這種認(rèn)識可能基于歷史數(shù)據(jù)、以往的危險(xiǎn)或風(fēng)險(xiǎn)分析、經(jīng)驗(yàn)、工廠具體信息以及對這些因素的綜合。

1.5 風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算與比較

風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算過程包括支線頻率計(jì)算、等量貨幣值的估算、年度風(fēng)險(xiǎn)水平的計(jì)算。風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算通常可表示為危險(xiǎn)發(fā)生的頻率(possibility)與危險(xiǎn)后果(consequences)的乘積［4］:

式中，Pi表示單個(gè)火災(zāi)事件的發(fā)生頻率;Ci表示該事件產(chǎn)生的預(yù)期后果。

計(jì)算所得人員年度死亡風(fēng)險(xiǎn)值和等價(jià)貨幣值等與可接受風(fēng)險(xiǎn)水平做比較，從而評估項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)是否處在可接受范圍內(nèi)，若不可接受，則采取措施將風(fēng)險(xiǎn)降低到可接受風(fēng)險(xiǎn)范圍內(nèi)。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

本文中評價(jià)實(shí)例對象為內(nèi)蒙古某能源有限公司包頭油庫工程，規(guī)劃總庫容為92 000 m3，屬于二級油庫。一期新建工程42 000 m3，二期預(yù)留工程50 000 m3，本項(xiàng)目為一期工程。工程主要包括油品火車裝卸車、儲存、倒罐、汽車裝車等設(shè)施。一期工程共有地上立式鋼結(jié)構(gòu)儲罐8座，其中3 000 m3內(nèi)浮頂汽油儲罐2座，5 000 m3內(nèi)浮頂柴油罐6座。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，該油庫西側(cè)為儲備局609處油庫，南側(cè)有學(xué)校、居民居住區(qū)和企業(yè)，一旦發(fā)生火災(zāi)，引燃旁邊儲備油庫內(nèi)的油品，整個(gè)包頭市將面臨重大威脅，后果不堪設(shè)想。

2.2 危險(xiǎn)源辨識

根據(jù)重大危險(xiǎn)源辨識指標(biāo)，若滿足下式則定義為重大危險(xiǎn)源。

式中，q1、q2……qn為各種危險(xiǎn)物質(zhì)實(shí)際存在量(單位:噸);Q1、Q2……Qn為與各種物質(zhì)相對應(yīng)的生產(chǎn)或儲存場所的臨界量。根據(jù)工程概況計(jì)算如下:

計(jì)算可知，該油罐區(qū)內(nèi)儲存油品量屬于重大危險(xiǎn)源，因此準(zhǔn)確地辨識火災(zāi)危險(xiǎn)源是有效控制和減少火災(zāi)危害的前提。筆者通過油罐火災(zāi)案例統(tǒng)計(jì)分析、問卷調(diào)查以及實(shí)地調(diào)研等不同形式辨識危險(xiǎn)源如下:

2.3 事件樹的構(gòu)建

2.3.1 分支路徑確定

大量火災(zāi)案例表明，泄漏是油罐發(fā)生火災(zāi)的主要原因。本文以油罐泄漏作為事件樹的初始事件。TNO(The Netherlands Organization for Applied Science Research)定義了承壓設(shè)備、常壓設(shè)備和儲罐等工藝設(shè)施的泄漏情景，大致分為三種情況:瞬時(shí)全部泄漏到大氣、連續(xù)10 min內(nèi)泄漏到大氣和連續(xù)10 min內(nèi)從當(dāng)量直徑10 mm小孔泄漏到大氣并對每種泄漏情景的頻率給出了一些數(shù)值，這些頻率可以當(dāng)作初始事件的頻率，用來進(jìn)行事故情景分析［5］。本文設(shè)定初始事件為汽油儲罐內(nèi)油品連續(xù)10 min內(nèi)泄漏到大氣，頻率值為5×10－6/y。儲罐泄漏后的分支路徑主要包括檢測到泄漏并成功堵漏、形成蒸氣云、立即點(diǎn)火、延遲點(diǎn)火、泡沫滅火系統(tǒng)成功啟動等。構(gòu)建事件樹如圖1所示。

表1 危險(xiǎn)源辨識表Table 1 Identification of Hazard Source

2.3.2 事件頻率確定

(1)點(diǎn)火頻率的確定

點(diǎn)火頻率是指可燃物質(zhì)泄漏后被點(diǎn)火源點(diǎn)燃的頻率。Davies等統(tǒng)計(jì)了51件儲罐破裂事故，包括氨、LNG、丙烷、甲醇、汽油、乙烯、原油以及柴油、煤油，這些化學(xué)品大多是易燃?xì)怏w或液化氣。根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，Davies等對儲罐完全破裂發(fā)生災(zāi)難性釋放的過程給定了0.6的點(diǎn)火頻率。Davies同時(shí)給出庚烷(汽油的典型成分)發(fā)生災(zāi)難性泄漏后的點(diǎn)火頻率為0.3［6］。美國消防工程師手冊中給出間斷性強(qiáng)點(diǎn)火源在基于可燃物被可燃蒸氣包圍時(shí)的點(diǎn)火頻率為0.9，綜合HSE考慮點(diǎn)火源的分布情況和泄漏量的大小，本文立即點(diǎn)火概率取平均值0.4。延遲點(diǎn)火頻率按照HSE考慮可燃物的性質(zhì)、泄漏源、點(diǎn)火源存在的情況、點(diǎn)火源的類型、預(yù)防點(diǎn)火的安全措施，取值0.5。

圖1 油罐區(qū)火災(zāi)事件樹分析Fig.1 Event Tree Analysis of Fire in Oil Tank Area

(2)消防設(shè)施啟動頻率

國外研究機(jī)構(gòu)對消防設(shè)施成功頻率進(jìn)行了大量研究。其中日本東京消防廳在1989—1998年十年間對各種消防設(shè)備完好率進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)研究［7］，其研究結(jié)果如表 2:

表2 日本東京消防廳消防設(shè)備完好率統(tǒng)計(jì)表Table 2 Fire Equipment Intact Rate of Tokyo Fire Protection Department，Japan

國外有研究通過統(tǒng)計(jì)歷史數(shù)據(jù)來估計(jì)消防系統(tǒng)成功概率，如表3所示:

表3 消防系統(tǒng)成功概率統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)Table 3 Statistical Data of Fire Protection System Success Probability

泡沫滅火系統(tǒng)成功啟動并滅火的概率，結(jié)合以上兩個(gè)表中數(shù)值，取平均值，即0.9。

(3)其他事件發(fā)生頻率

檢測失效概率和隔離失效概率一般的取值為:小泄漏的檢測失效概率為0.05，中等或大的泄漏的檢測失效概率為0;隔離失效概率為0.1。

形成蒸氣云的概率取決于在蒸氣壓擴(kuò)散方向是否存在障礙物。若某個(gè)區(qū)域有障礙物，則形成蒸氣云的概率較大。TNO取值為0.67，SAFATI取值0.4，Less根據(jù)泄漏速率，對于慢速泄漏(＜1 kg/s)取0.04，對于中速泄漏取(1～50 kg/s)取0.12，而對于快速泄漏(＞50 kg/s)取0.30。本論文評估對象為油罐，油罐高度并不高，不足以對擴(kuò)散的油氣形成阻擋，進(jìn)而形成蒸氣云，故形成蒸氣云的頻率取0.1。

根據(jù)事件路徑和頻率，繪制事件樹如圖1:

2.4 火災(zāi)場景后果發(fā)生頻率計(jì)算

各種不同火災(zāi)場景出現(xiàn)的頻率可以通過初期火災(zāi)發(fā)生頻率與分支事件發(fā)生頻率的乘積求得。各火災(zāi)場景出現(xiàn)頻率的計(jì)算結(jié)果如表4所示:

表4 各火災(zāi)場景發(fā)生頻率Table4 Frequency of Fire Scene Occurrence

2.5 事件后果分析

2.5.1 火災(zāi)財(cái)產(chǎn)損失

在事件樹中，不同路徑的選擇對應(yīng)不同場景，不同的火災(zāi)場景對應(yīng)不同的火災(zāi)規(guī)模，不同的火災(zāi)規(guī)模導(dǎo)致的火災(zāi)損失后果嚴(yán)重程度不同，財(cái)產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)等級也不同。本文為計(jì)算簡便，將財(cái)產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)等級用1～5數(shù)字來代表“輕度”、“較輕”、“中度”、“較重”、“重大”這5個(gè)火災(zāi)財(cái)產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)等級。通過分析事件樹中的不同路徑的成功與否來判斷財(cái)產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)等級，該油庫工程總投資1.4億元，設(shè)定不同財(cái)產(chǎn)損失等級與火災(zāi)類型、損失貨幣價(jià)值對應(yīng)如表5:

表5 財(cái)產(chǎn)損失等級與火災(zāi)類型Table 5 Property Loss and Fire Type

事件樹中不同火災(zāi)場景財(cái)產(chǎn)損失等級見表6:

表6 各火災(zāi)場景財(cái)產(chǎn)損失等級Table 6 Property Loss Level of Different Fire Scene

在獲得了評價(jià)目標(biāo)可能發(fā)生火災(zāi)的概率以及發(fā)生火災(zāi)后可能造成損失后果的基礎(chǔ)上，可以通過式(1.1)來計(jì)算各火災(zāi)場景的風(fēng)險(xiǎn)大小。而生命風(fēng)險(xiǎn)、財(cái)產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)的等價(jià)貨幣值按下式計(jì)算［7］:

式中，RYL表示生命風(fēng)險(xiǎn)等價(jià)貨幣值;RL為生命風(fēng)險(xiǎn);Y為生命貨幣價(jià)值;P為火災(zāi)發(fā)生概率;RYD表示財(cái)產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)等價(jià)貨幣值;RD是財(cái)產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)等級;RYDu為RD所屬財(cái)產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)等級區(qū)間上閾等價(jià)貨幣值;RYDl為RD所屬財(cái)產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)等級區(qū)間下閾等價(jià)貨幣值;RDu為RD所屬財(cái)產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)等級區(qū)間上閾值;RDl為RD所屬財(cái)產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)等級區(qū)間下閾值。

評估得出的結(jié)果與可接受火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)水平相比較，低于可接受水平，則目標(biāo)火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)屬于人們可接受的程度，目標(biāo)處于安全狀態(tài)。高于可接受水平，則目標(biāo)發(fā)生重大火災(zāi)事故的風(fēng)險(xiǎn)較大，必須制定相應(yīng)安全措施使風(fēng)險(xiǎn)水平降低到可接受水平的范圍內(nèi)。

2.5.2 風(fēng)險(xiǎn)評估

(1)生命風(fēng)險(xiǎn)分析

由于本文評估的是油罐區(qū)，區(qū)內(nèi)的人員與商場、室內(nèi)建筑等人員密集場所相比，人員分散且較少，通過走訪調(diào)研，本罐區(qū)工作人員、技術(shù)人員與企業(yè)消防人員等約為150人，計(jì)算時(shí)不針對各個(gè)場景單獨(dú)計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)，取最危險(xiǎn)情況即全部人員均在罐區(qū)內(nèi)計(jì)算。生命風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算如下:

(2)財(cái)產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)分析

各個(gè)不同火災(zāi)場景財(cái)產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)等級計(jì)算如下:

3 結(jié)論

通過構(gòu)建油罐泄漏火災(zāi)事件樹，并計(jì)算可知，該油罐區(qū)的人員死亡風(fēng)險(xiǎn)為7.5×10－4人/年，大于人員死亡風(fēng)險(xiǎn)容忍度1×10－4人/年;財(cái)產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)等級為1.1239，會發(fā)生“較輕度火災(zāi)”;生命風(fēng)險(xiǎn)等級貨幣值為7 500萬元，財(cái)產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)等價(jià)貨幣值為549.56萬元，總風(fēng)險(xiǎn)等價(jià)貨幣值為8 049.56萬元，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于可容忍度1 000萬元。該油罐區(qū)一旦發(fā)生火災(zāi)，將造成巨大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。應(yīng)加強(qiáng)油罐區(qū)的設(shè)備以及消防設(shè)施的安全檢查;加強(qiáng)員工的安全意識和職業(yè)素養(yǎng)，防止人的不安全因素;制定應(yīng)急措施，未雨綢繆，防患于未然。

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