蔣 代，華 敏，潘旭海

(南京工業(yè)大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210009)

0 引言

危化品儲(chǔ)罐區(qū)作為化工園區(qū)一個(gè)多種危險(xiǎn)源高度集中的區(qū)域，極易發(fā)生泄漏擴(kuò)散、火災(zāi)、爆炸等事故引發(fā)的多米諾效應(yīng)。Kourniotis等[1-2]通過(guò)MHIDAS數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)過(guò)去事故進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)多米諾效應(yīng)事故占總事故的38.6%，并大多是以火災(zāi)引發(fā)爆炸為主。1984年墨西哥發(fā)生的一起多米諾效應(yīng)事故，造成了極大的損失，使國(guó)外高度重視對(duì)多米諾效應(yīng)的研究[3]。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)單事故破壞作用已從定性研究過(guò)渡到了定量評(píng)估。Cozzani等[4-7]從統(tǒng)計(jì)單災(zāi)種引發(fā)多米諾效應(yīng)事故數(shù)據(jù)到儲(chǔ)罐脆弱模型的建立再到定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的研究已較為成熟。但是由于不同災(zāi)種的形成、傳播形式不同，國(guó)內(nèi)外對(duì)多米諾效應(yīng)的多災(zāi)種耦合的研究分析相對(duì)較少[8-9]。然而，隨著?；愤\(yùn)用的增多，多災(zāi)種協(xié)同發(fā)生，引發(fā)事故擴(kuò)展的情況時(shí)常發(fā)生，產(chǎn)生的影響比單災(zāi)種情況下的事故后果更加嚴(yán)重，故對(duì)?；穬?chǔ)罐區(qū)中多災(zāi)種耦合引發(fā)多米諾效應(yīng)事故的研究十分有必要。

1 多米諾效應(yīng)

1.1 多米諾效應(yīng)的衍生原理

當(dāng)一個(gè)罐體或多個(gè)罐體發(fā)生池火、噴射火、火球、VCE，BLEVE等事故后，產(chǎn)生的熱輻射、沖擊波、碎片作用于相鄰罐體，若超過(guò)罐體所能承受的閾值，罐體發(fā)生失效，引發(fā)二次事故，產(chǎn)生更嚴(yán)重的事故后果，即為多米諾效應(yīng)。根據(jù)常見(jiàn)情景，構(gòu)建事故樹、事件樹，得到多米諾效應(yīng)的發(fā)生原理圖，如圖1所示。

1.2 單災(zāi)種多米諾效應(yīng)場(chǎng)景

單災(zāi)種多米諾效應(yīng)場(chǎng)景即為火災(zāi)、爆炸、地震、海嘯、洪水等單一災(zāi)種引發(fā)衍生事故，導(dǎo)致?lián)p失擴(kuò)大的場(chǎng)景。其中，火災(zāi)通過(guò)熱輻射或火焰吞沒(méi)作用于目標(biāo)罐體，使其壁面和充裝物的溫度加速上升，罐體內(nèi)部物質(zhì)受熱膨脹、壓力增大，最后導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效，產(chǎn)生二次事故——泄漏或是爆炸。同理，爆炸、地震、海嘯、洪水等單一災(zāi)種下產(chǎn)生的能量作用于目標(biāo)罐體或單災(zāi)種多事故點(diǎn)協(xié)同作用目標(biāo)罐體[8]，使罐體產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性破壞，導(dǎo)致事故的發(fā)生，即單災(zāi)種多米諾效應(yīng)場(chǎng)景。

S-安全；F-失效；B-完全毀壞；BLEVE-沸騰液體擴(kuò)展蒸汽爆炸; VCE-蒸氣云爆炸。圖1 多米諾效應(yīng)原理Fig.1 Domino effect schematic

1.3 多災(zāi)種多米諾效應(yīng)場(chǎng)景

利用物理學(xué)中的觸發(fā)器原理分析多災(zāi)種耦合風(fēng)險(xiǎn)形成的場(chǎng)景，通過(guò)觸發(fā)器的輸入和輸出結(jié)果來(lái)表明多災(zāi)種耦合致多米諾效應(yīng)的結(jié)果。耦合觸發(fā)器檢驗(yàn)多災(zāi)種耦合后的輸出結(jié)果，若多災(zāi)種產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)因素經(jīng)過(guò)耦合振蕩器后，產(chǎn)生的新脈沖破壞周圍罐體的正常平衡狀態(tài)，從而導(dǎo)致事故升級(jí)以及更高級(jí)的多米諾事故，即為多災(zāi)種多米諾效應(yīng)場(chǎng)景。多災(zāi)種耦合場(chǎng)景示意如圖2所示。然而，由于儲(chǔ)罐間的距離、安全裝置以及儲(chǔ)罐自身結(jié)構(gòu)等原因，儲(chǔ)罐在多災(zāi)種耦合下具有自適應(yīng)、自調(diào)節(jié)等特點(diǎn)，可能會(huì)減弱甚至?xí)钄喽酁?zāi)種形成的各風(fēng)險(xiǎn)因素的耦合集成，使各風(fēng)險(xiǎn)因子處于獨(dú)立、局部、靜止的狀態(tài)，使其產(chǎn)生的不良影響減弱、緩沖或是掩蓋，而不能達(dá)到儲(chǔ)罐閾值，處于弱耦合的狀態(tài)。當(dāng)多災(zāi)種的風(fēng)險(xiǎn)因子耦合未受到干擾并不斷聚集，超過(guò)儲(chǔ)罐的失效閾值或是因風(fēng)險(xiǎn)因子的聚集出現(xiàn)誘因使儲(chǔ)罐的失效閾值降低而達(dá)到事故升級(jí)的效果，此時(shí)多災(zāi)種產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)因素耦合作用后的影響效果加劇，最終導(dǎo)致發(fā)生二次事故的風(fēng)險(xiǎn)增大，此時(shí)處于強(qiáng)耦合狀態(tài)。

圖2 自然災(zāi)害引發(fā)的危化品儲(chǔ)罐區(qū)發(fā)生多災(zāi)種耦合場(chǎng)景Fig.2 Coupling scenario of multiple disasters in hazardous chemicals storage tanks caused by natural disasters

假設(shè)自然災(zāi)害產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)因子導(dǎo)致儲(chǔ)罐區(qū)發(fā)生泄漏，泄漏后引發(fā)的火災(zāi)和爆炸事故在t時(shí)刻形成的危險(xiǎn)性脈沖為W(t)，儲(chǔ)罐在爆炸、火災(zāi)下受超壓、熱輻射、碎片的危險(xiǎn)性分別為P(t)，Q(t)，F(xiàn)(t)，當(dāng)W(t)>min{P(t)，Q(t)，F(xiàn)(t)，…}時(shí)，脈沖W(t)會(huì)沖過(guò)儲(chǔ)罐的危險(xiǎn)性，并經(jīng)由耦合振蕩后產(chǎn)生新的脈沖W(t)′，致使儲(chǔ)罐失效的風(fēng)險(xiǎn)加劇，即多災(zāi)種作用下的“強(qiáng)耦合”；當(dāng)W(t)=min{P(t)，Q(t)，F(xiàn)(t)，…}時(shí)，此時(shí)脈沖W(t)不變，危險(xiǎn)性不變，即多災(zāi)種作用下的“零耦合”；當(dāng)W(t)

2 多災(zāi)種耦合分析

2.1 單災(zāi)種作用模型

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)多米諾效應(yīng)的定量評(píng)估主要基于目標(biāo)設(shè)備損失概率，通過(guò)其計(jì)算場(chǎng)景下多米諾效應(yīng)發(fā)生概率，以此來(lái)判定事故發(fā)生的可能。現(xiàn)階段研究者對(duì)單災(zāi)種引發(fā)的多米諾效應(yīng)研究取得了許多成果，Cozzani等通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)容器的失效時(shí)間“ttf”在脆弱模型的建立中起主要作用，測(cè)定了目標(biāo)容器或罐體接受不同熱通量的情況下，發(fā)生的失效狀態(tài)，最后總結(jié)出火災(zāi)的熱輻射引發(fā)目標(biāo)容器或罐體失效的計(jì)算模型[7,10]。Salzano等還將“紫皮書”(TNO)定義的損失強(qiáng)度與Schneider提出的“極限階段”概念進(jìn)行整合，得出輕微損失、整體破壞、中間狀態(tài)3種破壞結(jié)果，并把超壓峰值作為衡量容器失效情況的1個(gè)參數(shù)，故用超壓峰值表達(dá)擴(kuò)大效應(yīng)計(jì)算模型[6，11]。由于爆炸過(guò)程中產(chǎn)生的碎片數(shù)量、拋射角度、幾何形狀等很難確定，故產(chǎn)生碎片的拋射路徑隨機(jī)性太大，不能確定目標(biāo)物是否在碎片最大投射距離的區(qū)域內(nèi)，故研究碎片引發(fā)多米諾效應(yīng)的情況比較復(fù)雜。一些研究者通過(guò)蒙特卡洛方法對(duì)碎片的拋射范圍進(jìn)行模擬，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)推算出脆弱模型，在此不做詳細(xì)描述[12]。表1中列入了常用設(shè)備損失概率模型[6-7,10-11]。

表1 常用設(shè)備損失概率模型[6-7,10-11]Table 1 Common equipment probit models[6-7,10-11]

表1中，Y值表示初始事故風(fēng)險(xiǎn)因子對(duì)目標(biāo)設(shè)備影響的擴(kuò)展概率單位值；ttf表示目標(biāo)設(shè)備失效時(shí)間，s；Q表示目標(biāo)設(shè)備單位面積接收到的熱通量，kW/m2；V表示目標(biāo)設(shè)備的體積，m3；Ps表示目標(biāo)設(shè)備受沖擊波產(chǎn)生的峰值靜態(tài)壓力，Pa。

根據(jù)不同類型設(shè)備計(jì)算不同風(fēng)險(xiǎn)因素下的Y值，通過(guò)公式(1)得到事故擴(kuò)展概率Pd:

(1)

若已知初始事件發(fā)生概率為P0，則多米諾效應(yīng)場(chǎng)景事故發(fā)生概率為Pdomino，其中:

Pdomino=P0×Pd

(2)

2.2 多災(zāi)種耦合作用模型與分析

耦合在不同的學(xué)科中有不同的體現(xiàn)形式，在物理學(xué)中，耦合指多個(gè)電路元件在輸入、輸出之間的相互作用而產(chǎn)生相互影響的現(xiàn)象；在系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)中，耦合指存在普遍聯(lián)系的事物中，不同系統(tǒng)相互間的不同作用；在風(fēng)險(xiǎn)管理領(lǐng)域中，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的耦合被定義為風(fēng)險(xiǎn)因素間的影響程度。火災(zāi)形成的熱輻射、爆炸產(chǎn)生的沖擊波以及地震、洪水、颶風(fēng)、海嘯等對(duì)目標(biāo)罐體產(chǎn)生作用，形成多物理場(chǎng)耦合效應(yīng)，會(huì)影響目標(biāo)罐失效的速度。本文運(yùn)用物理學(xué)中的耦合機(jī)理為基礎(chǔ)[16-18]，建立多災(zāi)種耦合模型:

(3)

以E0表示罐體受災(zāi)影響的臨界值，E是災(zāi)害影響強(qiáng)度的實(shí)際值。當(dāng)E≥E0時(shí)，將會(huì)使罐體發(fā)生破損。Ci表示各災(zāi)害對(duì)目標(biāo)罐體的破壞強(qiáng)度；ki表示各災(zāi)害耦合系數(shù)，其正負(fù)分別代表災(zāi)害對(duì)目標(biāo)罐體的損害為加強(qiáng)效果和減弱效果，并令|k1|+|k2|=1。

根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)統(tǒng)計(jì)[4]，多米諾效應(yīng)事故的初始事故為火災(zāi)的可能性為0.524，而爆炸的可能性為0.476，故本文以考慮爆炸與火災(zāi)對(duì)目標(biāo)罐體的耦合作用為例，對(duì)多災(zāi)種耦合作用形式進(jìn)行分析。討論目標(biāo)罐體受火災(zāi)和爆炸的影響，即火災(zāi)產(chǎn)生的熱效應(yīng)和爆炸產(chǎn)生的超壓的耦合作用，以C1表示火災(zāi)的破壞強(qiáng)度，C2表示爆炸的破壞強(qiáng)度，k1，k2分表表示火災(zāi)、爆炸的耦合系數(shù)，分析如下:

1)直接耦合:干擾直接侵入的方式，是系統(tǒng)中存在的普遍形式。當(dāng)爆炸發(fā)生時(shí)，火災(zāi)作用目標(biāo)罐體已發(fā)生失效，導(dǎo)致二次事故的發(fā)生，即被認(rèn)為C1?C2，k1=1，k2=0；相反，若爆炸發(fā)生時(shí)，其破壞能直接讓罐體發(fā)生二次事故，即C2≥E0時(shí)，k1=0，k2=1。對(duì)于這種耦合方式，可采取直接濾波去耦的方法，即直接防止破壞較大的事故發(fā)生。

2)電容耦合:由于分布電容的存在而產(chǎn)生的一種耦合方式。當(dāng)爆炸和火災(zāi)都作用于目標(biāo)罐體時(shí)，火災(zāi)的熱效應(yīng)對(duì)罐體結(jié)構(gòu)力造成一部分削弱，在爆炸的沖擊波超壓的作用下，目標(biāo)罐體受到小于閾值的傷害就發(fā)生失效，造成事故的擴(kuò)展，此時(shí)k1，k2的值決定火災(zāi)、爆炸作用強(qiáng)度所占的比例。對(duì)于這種耦合方式，可采取從火災(zāi)、爆炸發(fā)生根源或是阻斷流通的方式進(jìn)行預(yù)防。

3)漏電耦合：所謂漏電耦合就是電阻性耦合。當(dāng)爆炸產(chǎn)生的沖擊波對(duì)目標(biāo)罐體接受的熱輻射起一個(gè)減弱作用或是爆炸使火災(zāi)或目標(biāo)罐體發(fā)生位移，減小了目標(biāo)罐體受損的程度，即k2<0，此時(shí)只需考慮從火災(zāi)入手，減小事故發(fā)生概率。

3 實(shí)例分析

某一儲(chǔ)罐區(qū)由序號(hào)為D1～D8的8個(gè)常壓汽油儲(chǔ)罐組成，每個(gè)儲(chǔ)罐容量為200 t，體積為785.4 m3，分別假設(shè)罐區(qū)發(fā)生池火和蒸氣云爆炸2種場(chǎng)景，且初始發(fā)生概率分別為1×10-5和2×10-6，儲(chǔ)罐單元間的距離分布如表2所示。

根據(jù)Cozzina等提出的計(jì)算模型，分別計(jì)算在火災(zāi)產(chǎn)生的熱輻射和爆炸產(chǎn)生的超壓為上升因素的情況下，D1～D8罐體接收到的熱通量(kW/m2)和超壓(kPa)分布情況[5,14-15]，見(jiàn)表3。

表2 儲(chǔ)罐單元間的距離分布(中心距離)Table 2 Distance distribution in tank units (center distance) m

表3 熱輻射/超壓為上升因素情況[15]

根據(jù)Cozzina等[15]的研究，在單災(zāi)種事故場(chǎng)景中，假設(shè)D1發(fā)生初始事故為池火時(shí)，D2，D4可能發(fā)生一級(jí)多米諾效應(yīng)事故，D3，D5，D7可能發(fā)生二級(jí)多米諾效應(yīng)事故，D6，D8可能發(fā)生三級(jí)；同理，假設(shè)D1發(fā)生初始事故為蒸氣云時(shí)，D2，D4，D5可能發(fā)生一級(jí)多米諾效應(yīng)事故，D3，D7其次，最后是D6，D8。然而，在實(shí)際事故場(chǎng)景中，假設(shè)D1發(fā)生初始事故為池火時(shí)，可能引發(fā)D2，D4都發(fā)生池火或蒸汽云，也可能是D2發(fā)生池火、D4蒸氣云事故，所以接下來(lái)鄰近罐體可能受到多災(zāi)種耦合作用發(fā)生事故擴(kuò)展。在此，考慮多米諾效應(yīng)事故情景下，單災(zāi)種和多災(zāi)種耦合作用下，分析儲(chǔ)罐的失效風(fēng)險(xiǎn)。分別取熱輻射、超壓的閾值為15 kW/m2和7 kPa，并利用表1模型和公式(1)計(jì)算D1～D8罐在火災(zāi)或爆炸情況下各儲(chǔ)罐的擴(kuò)展概率，并以擴(kuò)展概率為邊權(quán)建立儲(chǔ)罐區(qū)單災(zāi)種擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)圖，如圖3所示[14,16]。

圖3 單災(zāi)種事故網(wǎng)絡(luò)圖Fig.3 Network diagram of single disaster accidents

圖4 儲(chǔ)罐區(qū)綜合災(zāi)害擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)圖Fig.4 Network diagram of integrated disaster expansion in the storage area

根據(jù)近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外事故數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)化工園儲(chǔ)罐區(qū)災(zāi)害的發(fā)生由恐怖主義行為誘發(fā)占很大比例，故研究多儲(chǔ)罐同時(shí)發(fā)生災(zāi)害對(duì)鄰近罐體產(chǎn)生耦合效應(yīng)引發(fā)災(zāi)害擴(kuò)展的概率很重要。在此，基于儲(chǔ)罐區(qū)綜合災(zāi)害擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)圖，對(duì)多儲(chǔ)罐多災(zāi)種耦合下鄰近儲(chǔ)罐發(fā)生事故擴(kuò)展的概率進(jìn)行計(jì)算，部分結(jié)果如表5所示。

分析表5可得，當(dāng)D1，D2發(fā)生災(zāi)害時(shí)，D4，D5發(fā)生災(zāi)害擴(kuò)展的概率最大；當(dāng)D1，D3發(fā)生災(zāi)害時(shí)，D2發(fā)生災(zāi)害擴(kuò)展的概率最大；同理，當(dāng)儲(chǔ)罐區(qū)多儲(chǔ)罐發(fā)生災(zāi)害耦合時(shí)，利用儲(chǔ)罐區(qū)綜合災(zāi)害擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)圖均可得到各儲(chǔ)罐災(zāi)害擴(kuò)展的概率，能為罐區(qū)災(zāi)害預(yù)測(cè)及災(zāi)害防護(hù)提供建議。

4 多災(zāi)種耦合效應(yīng)演化分析

由于化工園儲(chǔ)罐區(qū)具有復(fù)雜、集中等特點(diǎn)，發(fā)生多災(zāi)種耦合效應(yīng)時(shí)，不僅僅是火災(zāi)、爆炸等災(zāi)害引發(fā)儲(chǔ)罐之間的災(zāi)害擴(kuò)展，還經(jīng)常包括地震、雷電、洪水等災(zāi)害對(duì)罐區(qū)影響產(chǎn)生的多災(zāi)種耦合效應(yīng)。與此同時(shí)，人、化工園區(qū)布置、環(huán)境等對(duì)耦合產(chǎn)生的影響也不可忽略。為全面分析多災(zāi)種耦合效應(yīng)，基于儲(chǔ)罐受多危險(xiǎn)因素影響下的耦合效應(yīng)的聯(lián)系，建立多災(zāi)種耦合效應(yīng)之間的關(guān)聯(lián)圖，如圖5所示。

表4 熱輻射/超壓無(wú)量綱化后的風(fēng)險(xiǎn)因素值分布Table 4 Distribution of heat radiation/overpressure by using dimensionless method

表5 多儲(chǔ)罐多災(zāi)種耦合下儲(chǔ)罐事故擴(kuò)展概率分布Table 5 Probability distribution of accident expansion under the coupling of multiple tanks and multiple disasters

圖5 多災(zāi)種耦合效應(yīng)關(guān)聯(lián)示意Fig.5 Multi-hazard coupling effect correlation diagram

5 結(jié)論

2)針對(duì)某一儲(chǔ)罐區(qū)單一和多災(zāi)種耦合下的多米諾效應(yīng)事故，分析可得出儲(chǔ)罐區(qū)單一災(zāi)害擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)圖和多災(zāi)種耦合情況下的災(zāi)害擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)圖，可為分析災(zāi)害擴(kuò)展風(fēng)險(xiǎn)和減少多米諾效應(yīng)奠定基礎(chǔ)。

3)分析多災(zāi)種耦合作用對(duì)目標(biāo)罐體的影響并建立多災(zāi)種耦合效應(yīng)關(guān)聯(lián)圖，采取對(duì)災(zāi)害耦合前控制耦合關(guān)聯(lián)因素和災(zāi)害耦合后防護(hù)擴(kuò)展概率最大的目標(biāo)罐體，即可抑制多米諾效應(yīng)的發(fā)生。