喬建宇，李 凱，康 健*，宋冰雪，白永強

(1.北京石油化工學院 安全生產(chǎn)工程技術研究院，北京 102617；2.北京市勞動保護科學研究所城市有毒有害易燃易爆危險源控制北京市重點實驗室，北京 100054)

城市內(nèi)加油站分布范圍較廣，部分加油站周邊人口密度較大。由于油品具有易燃、易爆等危險性，一旦發(fā)生火災爆炸事故可能造成較大人員傷亡與社會影響[1-2]。2007年11月24日，上海浦東一加油站發(fā)生爆炸事故，造成4人死亡，40多人受傷。隨著我國城市化進程快速推進，城市居住人口數(shù)量不斷提高，汽車保有量持續(xù)增長，市區(qū)內(nèi)加油站數(shù)量不斷增加，城市加油站風險存量不斷增大。因此，建立更加有效的風險分析方法，對加油站進行更加全面深入的風險評估，可以為科學地制定加油站風險控制措施提供技術支撐，對加油站的安全運行和城市安全發(fā)展具有重要意義。

目前，由于缺少危險源特性的針對性基礎研究，系統(tǒng)全面的風險辨識理論解釋不足，加油站采用的安全評價方法主要是道化學法和模糊綜合評價法等[3-4]。道化學方法主要用于火災爆炸影響區(qū)域研究，但對人的不安全行為等不確定性因素關注較少。模糊綜合評價法可以對評價對象給出較為綜合的結(jié)論，但該方法計算過程主觀性較強。因此，筆者基于三維風險分析模型對加油站存在的風險因素進行系統(tǒng)辨識，集成優(yōu)化各風險評估指標算法，對提升加油站風險控制策略的科學性，保證加油站的安全運行具有重要的現(xiàn)實意義[5]。

1 構建三維分析的加油站安全評價流程

近年來，工程領域的多維度風險分析模型實現(xiàn)了對研究對象的多角度分析，為風險評估提供了新的視角[6-7]。在對加油站風險解釋和指標探討的基礎上，提出的基于三維風險分析的加油站風險評估流程包括以下3個基本步驟。

(1)構建基于事故發(fā)生可能性、事故后果嚴重度和社會敏感度的加油站三維風險數(shù)學模型。

首先，以事故發(fā)生的可能性和事故后果嚴重度構建平面坐標系；

其次，利用安全檢查表和危險性與可操作分析從人為因素和設備因素對加油站的風險因素進行定量和定性的分析；

再次，引入社會敏感度作為第3個維度，根據(jù)式(1)從三個維度對加油站進行風險定量計算。

R=f(P,L,S)=P×L×S

(1)

式中：R為加油站的風險值；P表示事故發(fā)生可能性，即事故發(fā)生的概率，可能性越大，事故越容易發(fā)生；L表示事故嚴重性，即事故發(fā)生可能導致的后果嚴重程度，事故越嚴重則損失越大；S表示社會敏感性，指導致社會發(fā)生的空間和人員敏感程度，特定地理位置或者特定人群發(fā)生事故后果更嚴重。

(2)確定三維風險數(shù)學模型指標數(shù)值。

首先，確定事故發(fā)生可能性風險因素估值；

其次，基于蒸汽云爆炸模型確定事故發(fā)生后果嚴重程度估值；

再次，確定事故發(fā)生的社會敏感度值。

(3)基于層次分析法對三維風險數(shù)學模型評估指標進行權重賦值。

首先，對不同種類的指標進行層次化的分析，進而構成有序的遞階層次結(jié)構；

其次，根據(jù)兩兩比較判斷對每個目標層進行比較，比較判斷結(jié)果建立每一層次的判斷矩陣，最終得到二級指標在層次結(jié)構中的權重分配；

再次，根據(jù)式(2)計算加油站三維風險值，確定風險等級。

(2)

式中：di，dj，dk分別為第i，j，k個指標現(xiàn)實得分；ωi，ωj，ωk分別為第i，j，k個指標對于1級指標的權重；n，m，l分別為可能性、嚴重性、敏感性評價指標個數(shù)。

2 基于風險辨識確定事故發(fā)生可能性

加油站的風險水平可能受以下因素影響：油品儲存能力和方法；通過現(xiàn)場的車輛數(shù)量和分配操作發(fā)生的次數(shù)；定期在場地上或周圍的雇員和公眾人數(shù)；設備的年限和類型；與現(xiàn)場的其他活動和固定裝置有關的汽油設備(分配器、填充點、儲罐、管道等)的位置，如洗車場、商店、快餐店、車輛維修車庫等。汽油設備相對于非現(xiàn)場特征的位置，如鄰近其他被占用建筑物、地下隧道、公共通道等。

通過對加油站中人為因素和設備因素的分析，辨識加油站風險影響因素，建立加油站風險評價可能性指標體系，構成加油站的風險影響因素，如表1所示，以事故發(fā)生的可能性作為目標層，加油站的管理制度、人的行為、加油區(qū)、油罐區(qū)、卸油區(qū)5項內(nèi)容作為一級指標，事故發(fā)生的27項風險因素為二級指標[6-7]。

表1 加油站風險影響因素分析

Table 1 Risk factors impacting on the oil and gas station analysis

目標層事故發(fā)生可能性一級指標A1管理制度A2人的行為A3加油區(qū)設備A4油罐區(qū)設備A5卸油區(qū)設備二級指標P1安全生產(chǎn)責任制P2員工安全培訓制度P3安全檢查制度P4應急預案并演練P5消防設備管理制度P6設備檢修制度P7警示標志P8吸煙P9未按操作規(guī)程操作P10工作產(chǎn)生火花、火星P11未穿著防靜電服P12停車未熄火P13加油機密封失效P14加油機防爆失效P15輸油帶破損P16意外因素P17油罐泄露P18摩擦火花P19防靜電失效P20消防系統(tǒng)失靈P21液位檢測失效P22卸油膠管破損P23油罐車密封破損P24油罐車沒有消除靜電P25沒有安裝防靜電樁P26可燃氣體報警裝置失效P27卸油軟管導靜電性能差

3 基于蒸汽云模型計算加油站事故后果嚴重度

加油站內(nèi)最嚴重的事故類型是油罐內(nèi)的可燃氣體的燃燒爆炸，所以計算事故發(fā)生的半徑時，采取蒸汽云爆炸模型來計算加油站的死亡半徑。

蒸汽云爆炸是可燃氣體與空氣形成的混合氣體并且可燃氣體的濃度達到爆炸極限的區(qū)間內(nèi)，遇到明火的情況下可以導致蒸汽云爆炸。主要采用TNT當量法和TNO模型法定量計算蒸汽云爆炸造成的損失。采用TNT當量法來計算蒸汽云爆炸產(chǎn)生的半徑。蒸汽云爆炸主要因為爆炸時產(chǎn)生的強大的沖擊波對周圍的人員和建筑造成傷害，因此可以用超壓準則確定人員傷亡區(qū)域及財產(chǎn)損失區(qū)域[10-11]。

(1)計算儲罐的最大貯存質(zhì)量為：

Wf=ρv

(3)

(2)計算儲罐爆炸時的TNT當量計算式為：

(4)

式中：地面爆炸系數(shù)為1.8；a為蒸氣云當量系數(shù)，取a=0.04；Qf為汽油的爆熱，取Qf=44 000 kJ/kg；QTNT為TNT的爆熱，取QTNT=4 500 kJ/kg。

(3)確定傷害半徑R1、R2、R3：

①死亡半徑R1為：

R1=13.6(WTNT/1 000)0.37

(5)

②重傷半徑R2為：

(6)

③輕傷半徑R3為：

(7)

當發(fā)生爆炸時，如果離爆炸中心的距離之比與炸藥量Q的3次方根之比相等，則所產(chǎn)生的沖擊波超壓相同。

R/RO=(QTNT/QO)1/3，則ΔP=ΔP0

(8)

式中：R為目標與爆炸中心的距離(m)；R0為目標與基準爆炸中心的距離(m)；Q0為基準爆炸能(TNT當量，kg)；QTNT為爆炸時產(chǎn)生沖擊波所消耗的能量(TNT當量，kg)；ΔP為目標處的超壓(MPa)；ΔP0為基準目標處的超壓(MPa)。

④財產(chǎn)損失半徑R財?shù)挠嬎闶綖椋?/p>

R財=K∏WTNT1/3/(1+(3 175/WTNT)2)1/6

(9)

式中：K∏為建筑物二級破壞系數(shù)，取5.6。

(4)由死亡半徑、重傷半徑、輕傷半徑，計算出死亡、重傷、輕傷人數(shù)。

死亡人數(shù)：

N1=3.14ρ1(R死2-R02)

(10)

重傷人數(shù)：

N2=3.14ρ2(R重2-R死2)

(11)

輕傷人數(shù)：

N3=3.14ρ3(R輕2-R重2)

(12)

財產(chǎn)損失：

N4=3.14R財ρ4

(13)

式中：R0為無人區(qū)半徑，一般取R0=0；ρ1為死亡區(qū)平均人員密度；ρ2為重傷區(qū)平均人員密度；ρ3為輕傷區(qū)平均人員密度；ρ4為破壞區(qū)平均財產(chǎn)密度，通常取0.05萬元/m2[12]。

損失工作日數(shù)N：

N=6 000N1+3 000N2+105N3

(14)

事后財產(chǎn)損失：

(15)

在確定半徑范圍以后，可以確定在某個傷害范圍里的人員密度及經(jīng)濟損失。將事故發(fā)生時的爆炸半徑和經(jīng)濟損失這兩個方面作為評價加油站事故后果嚴重度的一級指標；同時采用專家打分法和層次分析法對這兩項指標進行賦值和計算一級指標在目標層中的權重；最后在計算加油站總體風險值的時候，對一級指標的四級至一級分別賦值1、2、3、4(如表2所示)，從而可以計算出加油站事故后果嚴重的風險值[13]。

表2 事故后果嚴重度分級表

4 社會敏感度判斷

即使規(guī)模相同的加油站發(fā)生相同的爆炸事故，也會因為其處于的地理位置、周圍有無建筑、周圍的人口密度等因素的差異而造成不同的傷亡人數(shù)和財產(chǎn)損失，所以在評價加油站的風險等級時，除了要考慮可能導致加油站發(fā)生事故的風險因素、風險因素發(fā)生概率的大小以及可能造成何種程度的后果，也要考慮加油站所處的地理位置和周圍的環(huán)境因素，即對加油站進行社會敏感度評價[14]。

可通過以下幾個方面對城市功能區(qū)進行定義和劃分：

(1)區(qū)域內(nèi)是否存在重大危險源。

(2)人員的易損性：如發(fā)生事故時，在區(qū)域內(nèi)人員是否可以快速撤離到安全區(qū)域。在事發(fā)的區(qū)域內(nèi)有無高層建筑或醫(yī)院等，導致在區(qū)域內(nèi)人員在短時間內(nèi)無法達到安全區(qū)域，在發(fā)生二次事故時會造成人員傷害。

(3)人員暴露的可能性：事故發(fā)生時，在區(qū)域內(nèi)暴露的人員數(shù)量。在事故發(fā)生時，暴露在外的人員數(shù)量越多，造成的人員傷亡就越大。

根據(jù)以上的幾個方面確定城市中各類功能區(qū)以及各類功能區(qū)可接受風險基準，參考《危險化學品生產(chǎn)、儲存裝置個人可接受風險標準和社會可接受風險標準(試行)》(原國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局2014年第13號令)，如表3所示。

表3 城市功能區(qū)劃分

在評價事故發(fā)生的社會敏感度時，以加油站所在的不同城市功能區(qū)(即空間因素)和評價目標周圍的人口密度(即人群種類)作為二級指標評價加油站事故發(fā)生后的社會敏感度；同時采用專家打分法和層次分析法對這兩項指標進行賦值和計算一級指標在目標層中的權重；最后在計算加油站總體風險值時，對一級指標的四級至一級分別賦值1～4。如表4所示。

表4 社會敏感度分級

5 基于三維風險的加油風險等級評估模型

第四類風險區(qū)域：在三維模型中的風險值范圍為1～12。在這個區(qū)間內(nèi)的加油站事故發(fā)生可能性比較小，不太可能發(fā)生比較嚴重的事故，并且相對位于第四類城市功能區(qū)中。這樣的加油站在平時的生產(chǎn)生活中要繼續(xù)保持已有的管理制度和檢查制度。屬于安全的加油站。

第三類風險區(qū)域：在三維模型中的風險值范圍為12～32。在這個區(qū)間內(nèi)的加油站事故發(fā)生可能性比較低，有時可能發(fā)生比較嚴重的事故，并且相對位于第四類城市功能區(qū)或者第三類城市功能區(qū)中。這樣的加油站在平時的生產(chǎn)生活應加強對管理制度和檢查制度的實施，同時第三類城市功能區(qū)中的加油站要定期對安全預案進行演習并宣傳，屬于安全較高的加油站。

第二類風險區(qū)域：在三維模型中的風險值范圍為32～52。在這個區(qū)間內(nèi)的加油站事故發(fā)生可能性比較高，可能發(fā)生比較嚴重的事故，并且相對位于第三類城市功能區(qū)或者第二類城市功能區(qū)中。這樣的加油站在平時的生產(chǎn)生活中根據(jù)辨識出的風險因素改進管理制度和檢查制度。同時要在加油站附近進行應急事故的宣傳，使周圍群眾在事故發(fā)生時可以快速的離開危險區(qū)域，屬于安全性比較低的加油站。

第一類風險區(qū)域：在三維模型中的風險值范圍為52～64。在這個區(qū)間內(nèi)的加油站事故發(fā)生可能性很高，會發(fā)生比較嚴重的事故，并且相對位于第一類城市功能區(qū)或者第二類城市功能區(qū)中。這樣的加油站在平時的生產(chǎn)生活中針對辨識出的風險因素制定相應的管理制度和檢查制度，并對檢查出的風險因素進行整改，必要時可停業(yè)整改。同時要在加油站附近進行應急事故的宣傳，使周圍群眾在事故發(fā)生時可以快速的離開危險區(qū)域，屬于安全性最低的加油站。

6 結(jié)論

提出了基于三維分析的加油站安全評價程序和模型，全面辨識加油站風險影響因素，建立加油站事故發(fā)生可能性評估指標體系，基于蒸汽云爆炸模型確定事故發(fā)生后果嚴重程度，根據(jù)加油站在城市中的不同區(qū)域界定事故社會敏感度，基于三個維度的分析，最終確定加油風險等級，提高了加油站安全評價工作的科學性和準確性。并制定針對性的控制策略。

(1)從加油站人為因素和設備因素角度出發(fā)，將影響加油站風險因素分為管理制度、人的行為、加油區(qū)、油罐區(qū)、卸油區(qū)五類，基于此建立事故發(fā)生可能性評價指標體系；以蒸汽云爆炸沖擊波對周圍的人員和建筑造成傷害為依據(jù)，確定事故后果嚴重程度；根據(jù)加油站處于的地理位置、周圍有無建筑、周圍的人口密度等特征確定事故社會敏感度模型。

(2)運用AHP構造不同層次的判斷矩陣確定各分析維度中的指標權重，通過簡單數(shù)學模型確定加油站風險值，為加油站提供風險分級標準，將加油站根據(jù)風險進行分級，可針對不同的風險等級采取不同的安全監(jiān)管措施。