ARAMIS體系在化工品罐區(qū)定量風(fēng)險分析中的應(yīng)用

張新梅,曾岳梅,陳 晨

(1.中國石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,山東青島 266580；2.中國石油大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院,山東青島 266580)

ARAMIS體系在化工品罐區(qū)定量風(fēng)險分析中的應(yīng)用

張新梅1,曾岳梅1,陳 晨2

(1.中國石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,山東青島 266580；2.中國石油大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院,山東青島 266580)

以某化工品罐區(qū)為研究對象,引入歐盟ARAMIS體系對該罐區(qū)進(jìn)行系統(tǒng)風(fēng)險的定量分析。在確定分析對象的設(shè)備類型及可能形成的關(guān)鍵事件的基礎(chǔ)上,運(yùn)用bow-tie圖計算得到關(guān)鍵事件的概率；利用風(fēng)險矩陣對該罐區(qū)可能形成的火災(zāi)事故進(jìn)行事故場景的選擇；以ARAMIS體系中脆弱度分析模型為基礎(chǔ)分析該罐區(qū)中受體的脆弱度,進(jìn)而得到特定事故情景下的定量風(fēng)險分析結(jié)果。結(jié)果表明,該體系在事故風(fēng)險表征及風(fēng)險擴(kuò)展分析方面具有較好的獨(dú)到性,能夠為化工區(qū)風(fēng)險評估及優(yōu)化提供相關(guān)技術(shù)支持。

工業(yè)事故風(fēng)險評估方法；事故場景；嚴(yán)重度；脆弱度；應(yīng)用

為了有效預(yù)防重大火災(zāi)爆炸事故的發(fā)生,必須加強(qiáng)對危險裝置的區(qū)域分布進(jìn)行風(fēng)險評估。目前,常用于石化行業(yè)的危險性評價方法有美國道化學(xué)公司火災(zāi)爆炸指數(shù)法(DOW法)、ICI蒙德法、中國“八五”科技攻關(guān)專題提出的易燃、易爆、有毒重大危險源評價法(重大危險源評價法)、重大事故后果分析法等方法及分析模型[1-2]。ARAMIS是一種系統(tǒng)性方法體系,綜合考慮了事故危險、安全屏障運(yùn)行、安全管理及目標(biāo)脆弱性等方面,能夠較為深入地刻畫安全系統(tǒng)中各個方面對系統(tǒng)風(fēng)險的影響。筆者采用ARAMIS對某化工品罐區(qū)進(jìn)行危險辨識、事故情景構(gòu)建、嚴(yán)重度分析及脆弱度計算等,得到在多個危險裝置相互影響下所形成的脆弱度和風(fēng)險的分析結(jié)果。

1 ARAMIS體系框架

ARAMIS體系是一種新的事故分析及評價方法論,并把決策和基本風(fēng)險分析方法相結(jié)合,其整體框架見圖1。其主要特征如下:辨識主要事故危險,辨識安全屏障并評價其運(yùn)行情況,評價安全管理對安全屏障可靠性的影響,辨識相關(guān)事故場景,評價和繪制相關(guān)事故場景的風(fēng)險嚴(yán)重度,評價和繪制工廠周圍的脆弱性[3]。

圖1 ARAMIS體系框架Fig.1 Structure diagram of ARAMIS methodology

2 ARAMIS體系計算法則

2.1 嚴(yán)重度計算

ARAMIS體系中計算關(guān)鍵事件嚴(yán)重度SCE(d)和整個裝置嚴(yán)重度S(d)[4]分別為

式中,n為關(guān)鍵事件導(dǎo)致的所有危險現(xiàn)象的個數(shù)；PDPi為第i危險現(xiàn)象發(fā)生的概率；SDPi(d)為距離危險設(shè)備d處危險現(xiàn)象嚴(yán)重度指標(biāo)值；m為某個設(shè)備相關(guān)聯(lián)的所有關(guān)鍵事件的個數(shù)；fCEj為第j個關(guān)鍵事件發(fā)生的概率；SCEj(d)為第j個關(guān)鍵事件的嚴(yán)重度。

針對整個裝置的嚴(yán)重度值,按照S值進(jìn)行分級,分別為極高(S≥750)、高(300≤S＜750)、中(50≤S＜300)、低(S＜50)。

2.2 脆弱度計算

脆弱度分析主要考慮4種事故效應(yīng):爆炸超壓、物質(zhì)毒性、火災(zāi)熱輻射及液態(tài)污染等對人、環(huán)境及其他裝置材料的影響。其中,人脆弱度層次結(jié)構(gòu)見圖2。環(huán)境和物質(zhì)的脆弱度層次結(jié)構(gòu)圖與它類似[5]。

圖2 人脆弱度層次Fig.2 Hierarchical structure for human vulnerability

根據(jù)環(huán)境脆弱性指標(biāo)(IEV),將脆弱度劃分為5個等級[6],分別為極輕(IEV＜2.2)、輕(2.2≤IEV＜2.7)、中(2.7≤IEV＜3.0)、嚴(yán)重(3.0≤IEV＜3.4)、極其嚴(yán)重(IEV＞3.4)。

2.3 風(fēng)險準(zhǔn)則

風(fēng)險評價ALARP準(zhǔn)則:如果風(fēng)險水平超過上限(10-3/a),則落入“不可容忍區(qū)”；如果風(fēng)險水平低于下限(10-6/a),則落入“可忽略區(qū)”；如果風(fēng)險水平在上限與下限之間,則落入“可容忍區(qū)(ALARP區(qū))”,見圖3[7]。

圖3 風(fēng)險評價“最低合理可行”原則Fig.3 “As low as reasonably practicable”principle of risk assessment

3 應(yīng) 用

3.1 某油品庫區(qū)概況

某油品庫有3個罐區(qū):第一個罐區(qū)有4個油罐,容積均為5.5×104m3；第二個、第三個罐區(qū)分別有6個和8個油罐,容積均為3×104m3；所有油罐都是立式圓筒浮頂罐,儲存的物質(zhì)都為柴油,其分布情況見圖4。

3.2 計 算

3.2.1 主要事故危險的辨識

(1)工廠里潛在的危險設(shè)備。根據(jù)《中石油銷售總公司石油庫設(shè)備完好標(biāo)準(zhǔn)》對油庫設(shè)備的分類,油庫設(shè)備從總體上可以分為儲輸油設(shè)備、裝卸油設(shè)施、電氣設(shè)備、動力機(jī)械、消防設(shè)備、機(jī)修設(shè)備、主要生產(chǎn)建筑設(shè)施。其中危險設(shè)備主要有油罐、管線兩類。

圖4 某油品庫平面圖Fig.4 Lay-out of oil storage

(2)相關(guān)危險設(shè)備選擇。以罐區(qū)中的油罐PC0301為例,設(shè)備類型為室外儲存型設(shè)備(EQ6),儲存物質(zhì)為柴油,常溫儲存,分解溫度為270℃,危險類別碼為R7、R2,儲罐的基準(zhǔn)質(zhì)量為1000 kg。根據(jù)Christian等[8]提出的計算公式得到設(shè)備的系數(shù)S1為3.5×10-3、S2為0。得到這個設(shè)備對應(yīng)的質(zhì)量為285714[8],因此將這個設(shè)備選擇為相關(guān)危險設(shè)備。

(3)關(guān)鍵事件。ARAMIS主要考慮了12種關(guān)鍵事件,包括分解(CE1)、爆炸(CE2)、氣體運(yùn)輸(CE3)、液體運(yùn)輸(CE4)、火災(zāi)(CE5)、氣相容器泄漏(CE6)、液相容器泄漏(CE7)、液體管道泄漏(CE8)、氣體管道泄漏(CE9)、重大破裂(CE10)、容器崩裂(CE11)、頂部坍塌(CE12)[8-9]。設(shè)備和儲存物質(zhì)狀態(tài)都與12種關(guān)鍵事件存在一定關(guān)系,可根據(jù)設(shè)備和關(guān)鍵事件的類型運(yùn)用矩陣進(jìn)行選擇。該罐區(qū)中與設(shè)備EQ6相關(guān)的關(guān)鍵事件主要為火災(zāi)(CE5)、液相容器泄漏(CE7)。

3.2.2 相關(guān)事故場景辨識

(1)建立bow-tie圖并計算關(guān)鍵事件概率和危險現(xiàn)象頻率。以PC0301容器著火為例,結(jié)合文獻(xiàn)[10],[11]和設(shè)備本身特性建立bow-tie圖(圖5)。

圖5 油罐著火的bow-tie圖Fig.5 Bow-tie diagram of oil tank fire

由于該油品庫屬于新建油庫,暫時沒有事故統(tǒng)計資料,所以,根據(jù)初始事件的定性表[8],估算初始事件發(fā)生的頻率。圖5中“+”和“×”分別代表事故樹中的“與門”與“或門”,根據(jù)事故樹和事件樹計算法則,計算出各危險現(xiàn)象頻率[12]。

(2)估計危險現(xiàn)象的后果級別。危險現(xiàn)象后果等級劃分見表1。

根據(jù)表1中的后果等級劃分準(zhǔn)則,該罐區(qū)可能發(fā)生火災(zāi)的后果嚴(yán)重度等級分別為油罐火災(zāi)(C2)、噴射火(C2)、爆炸(C3)。

表1 后果等級劃分Table 1 Classification of consequence

(3)用風(fēng)險矩陣選擇相關(guān)事故場景。風(fēng)險矩陣見圖6[8]。該矩陣由3個區(qū)域組成,分別為低影響、中影響和高影響區(qū)域,處于中影響及高影響區(qū)域的危險現(xiàn)象會對其嚴(yán)重度造成一定的影響,而處于低影響區(qū)域的危險現(xiàn)象處于可接受的范圍。選擇位于中影響區(qū)域或高影響區(qū)域的危險現(xiàn)象視為相關(guān)事故場景,并且對其進(jìn)行嚴(yán)重度計算。由圖6可知,相關(guān)事故場景:油罐火災(zāi)、噴射火、爆炸的風(fēng)險都相對較高,需要進(jìn)行深入的定量風(fēng)險分析。

圖6 風(fēng)險矩陣圖Fig.6 Risk matrix

3.2.3 嚴(yán)重度計算

以罐區(qū)中容量較大的PC0301罐著火事故為例,其主要的影響形式為熱輻射和爆炸沖擊波。運(yùn)用PHAST軟件分別模擬油罐火災(zāi)和噴射火及爆炸3種事故類型下所形成的熱輻射及爆炸沖擊波的特征距離見表2。

根據(jù)式(1)得出距該油罐23 m處關(guān)鍵事件著火的嚴(yán)重度SCE1(23)=0.0106。由式(2)得出距該油罐23 m處,該點(diǎn)整體嚴(yán)重度值S(23)= 0.000 29。依據(jù)嚴(yán)重度的劃分等級表,該點(diǎn)屬于低嚴(yán)重度級。用同樣的方法可以計算出每個位置的嚴(yán)重度。

表2 油罐火災(zāi)熱輻射特征距離Table 2 Characteristic distances of heat radiation caused by tank fire

3.2.4 脆弱度計算

ARAMIS中脆弱度從人、環(huán)境、材料3個方面分別計算,由于某油品庫特殊的地理位置,除工作人員外,油庫周邊無其他人口,所以不考慮人這個目標(biāo),即VH=0。根據(jù)ARAMIS的計算法則[5],取E1=0, E2=0,E3=0,E4=0.5(水體主要是海洋,假設(shè)周邊海洋的面積是按整個研究區(qū)域的一半來計算),得VE=0. 155；取M1=0.617 6,M2=0,M3=0,M4= 1.462,得VM=0. 4748；最后得出Vglobal=0.0547。整體脆弱度屬于”極輕”等級。

3.2.5 風(fēng)險分析結(jié)果

根據(jù)ARAMIS體系中定義:風(fēng)險=頻率×強(qiáng)度×脆弱度,可最終獲得風(fēng)險值為1.598 6×10-5。根據(jù)風(fēng)險可接受水平的準(zhǔn)則(ALARP準(zhǔn)則)可知,該風(fēng)險值屬于“可接受”的范圍內(nèi)。

4 結(jié)束語

辨識主要事故危險及識別相關(guān)事故場景是ARAMIS的核心部分,其關(guān)鍵在于關(guān)鍵事件bow-tie圖的建立,通過建立事故樹和事件樹對關(guān)鍵事件和關(guān)鍵事件所引起的危險事件進(jìn)行概括,并用bow-tie圖分別表示出來,能對石化企業(yè)的潛在危險和不安全因素進(jìn)行比較完整的系統(tǒng)分析。同時ARAMIS以事故發(fā)生概率、事故嚴(yán)重度及目標(biāo)受體脆弱度三者的乘積來表征風(fēng)險,能更準(zhǔn)確地刻畫事故風(fēng)險在化工區(qū)的擴(kuò)展特性。通過對該方法體系的系統(tǒng)應(yīng)用,表明該方法在石化危險裝置的危險性分析及土地使用優(yōu)化方面具有良好的實(shí)用性。

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(編輯 沈玉英)

Application of ARAMIS in quantitative risk analysis of chemicals tank field

ZHANG Xin-mei1,ZENG Yue-mei1,CHEN Chen2
(1.College of Mechanical and Electronic Engineering in China University of Petroleum,Qingdao 266580,China；
2.College of Economics and Management in China University of Petroleum,Qingdao 266580,China)

ARAMIS(accidental risk assessment methodology for industries system)proposed in European Commission was introduced into the quantitative analysis of a chemical tank field.Based on the selection of equipment type and referred critical event,the probability of critical event was calculated by the establishment of bow-tie figure.Then accident scenario of fire of the tank field was determined according to the risk matrix which is coexisted by the probability and consequence of the accident.The target vulnerability of the plant surroundings was achieved by the models of the ARAMIS and the quantitative risk analysis results of specific accident scenarios were given.The results indicate that ARAMIS reveals good performance in the analysis of risk characteristic and risk expansion and it can provide the technique support for the risk assessment and optimization in chemical industry zones.

ARAMIS；accident scenario；severity；vulnerability；applications

X 937

A

1673-5005(2013)03-0147-05

10.3969/j.issn.1673-5005.2013.03.026

2012-12-06

國家自然科學(xué)基金項目(51104174)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(14CX02067A；14CX04024B)

張新梅(1980-),女,副教授,博士,研究方向為過程裝備可靠性及定量風(fēng)險評價。E-mail:zhangxm@upc.edu.cn。