定量風險分析（QRA）技術在環(huán)氧乙烷儲罐安全評價中的應用

郭保建

（中海煉化惠州煉化分公司，廣東惠州516086）

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定量風險分析（QRA）技術在環(huán)氧乙烷儲罐安全評價中的應用

郭保建

（中海煉化惠州煉化分公司，廣東惠州516086）

定量風險分析（QRA）是一種系統(tǒng)風險分析方法，通過對系統(tǒng)或設備的失效概率和失效后果嚴重程度進行系統(tǒng)分析，進而量化系統(tǒng)或設備的風險。對定量風險分析的概念及開展工作的步驟做了詳細介紹，并以某企業(yè)環(huán)氧乙烷儲罐的定量安全風險分析為例，闡述了定量風險分析技術在安全評價工作中的實施過程。

定量風險分析；失效概率；失效后果；環(huán)氧乙烷儲罐

1　定量風險分析概述

定量風險分析（Quantitative Risk Assessment，QRA），也稱定量風險評價，目前已廣泛應用于運輸、建筑、能源、化工、航空、軍事等諸多領域，甚至在項目計劃和財務管理等方面也時有采用［1］，在區(qū)域安全規(guī)劃、安全評價及安全設施設計等方面尤為普遍。在安全評價領域，采用QRA對系統(tǒng)或設備的事故概率和事故后果的嚴重程度進行量化分析，進而精確描述并量化系統(tǒng)的風險，通過與可接受的標準對比，從而提出防范措施，降低風險［2］。

目前，美國、英國、荷蘭已制定出符合各自國情的定量風險評價導則并推廣使用。中國國家安全監(jiān)督管理總局也于2013年發(fā)布了行業(yè)標準AQ3046—2013《化工企業(yè)定量風險評價導則》，針對數(shù)據(jù)采集、危險識別、單元選擇、事故模式和風險度量等方面做了規(guī)范，為各組織和單位開展化工項目定量風險評價工作提供了參考。

2　定量風險分析的程序［2-3］

2.1確定被分析系統(tǒng)

確定被分析系統(tǒng)的范圍，即明確將要分析的具有潛在風險的場所、裝置或作業(yè)行為，確定分析區(qū)域的邊界、裝置的種類和位置、作業(yè)行為的類別等內(nèi)容。

2.2數(shù)據(jù)資料收集及分析

收集被分析系統(tǒng)的危害信息、工藝技術數(shù)據(jù)、區(qū)域位置布置圖、總平面布置圖、設備布置圖、工藝儀表流程圖自動控制系統(tǒng)等資料；收集分析區(qū)域的氣象數(shù)據(jù)、自然條件、周邊生產(chǎn)經(jīng)營及其他場所情況、人口分布狀況；確定評價區(qū)域和周邊明顯的或潛在的點火源。

2.3危險辨識

危險辨識是定量風險評價中的重要步驟，主要是運用安全風險分析的方法對評價對象做系統(tǒng)分析，確定由于危險物質、危險能量或危險行為的存在而可能導致的安全風險，進而確定重大安全風險，以進一步進行定量風險分析。

2.4失效概率分析

分析系統(tǒng)和設備失效的常用作法是對系統(tǒng)和設備的失效模式分組，針對需要進一步分析的失效模式確定失效概率，從而對事故發(fā)生的可能性加以評估。失效概率分析主要可以通過2方面獲得：1）歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，國內(nèi)外相關組織也已經(jīng)建立了失效概率的數(shù)據(jù)庫，可供分析者直接查詢利用；2）理論模型計算，比如事故樹分析、頻率組合、馬爾科夫模型等方法。

2.5事故后果分析

事故后果分析以各種事故后果傷害模型和傷害準則為基礎，通過事故后果模擬計算得到熱輻射、沖擊波超壓或毒物濃度等隨氣象條件、環(huán)境條件和距離等參數(shù)變化的規(guī)律，通過和相應的傷害準則比較，以確定事故后果影響的范圍。事故發(fā)生后會造成人員傷亡、財產(chǎn)損失和環(huán)境破壞等多種后果，在安全評價過程中，定量風險評價則將人員傷亡作為重點分析考量內(nèi)容。

定量風險分析工作中，事故后果分析的主要內(nèi)容：1）對潛在事故情景的描述（容器、管道等設備破裂等）；2）危險物質泄漏量的計算（有毒、易燃、易爆物質泄漏量）；3）針對危險物質泄漏后擴散情況的計算；4）事故后果影響的評估（熱輻射、爆炸沖擊波、毒性）。

近年來，隨著數(shù)字技術及軟件技術的發(fā)展，國內(nèi)外許多相關組織開發(fā)了定量風險評價軟件，通過對歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計及內(nèi)嵌的數(shù)學模型模塊，可方便快捷地對事故后果加以分析，比如DNV（挪威船級社）開發(fā)的SAFETI、TNO（荷蘭國家應用科學院）開發(fā)的EFFECYS和DAMAGE、中國安全生產(chǎn)科學研究院開發(fā)的CASST-QRA重大危險源區(qū)域定量風險評價軟件、交通部水運科學研究院開發(fā)的重大危險源評價軟件DANGERS等。

2.6風險計算

確定假想事故的頻率和后果后，基于風險理論中風險與事故頻率和后果的函數(shù)關系，就可以進行風險的計算。

風險度量最常用的表現(xiàn)形式有個體風險和社會風險。個體風險指個體在危險區(qū)域可能受到來自危險因素某種程度傷害的頻發(fā)程度，通常為個體死亡的發(fā)生頻率，可通過個體風險等值線加以描述［3］。社會風險指群體（包括職工和公眾）在危險區(qū)域承受某種程度傷害的頻發(fā)程度，通常表示為≥N人死亡的事故累計頻率（F），二者之間的關系采用F-N曲線圖表示［3］。

2.7風險評價

風險評價就是對假想事故的風險與選定的風險標準加以比較，判斷項目的實際風險水平是否在可接受范圍之內(nèi)，其目的是針對不可容許的風險提出降低風險的對策措施，使風險水平盡可能降低。這一過程可循環(huán)開展，直至所有風險被接受為止。

2014年5月，中國國家安監(jiān)總局于發(fā)布了《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）》（安監(jiān)總局公告，2014年第13號，以下簡稱《試行標準》），對中國危險化學品裝置個人可接受風險標準和社會可接受風險做了規(guī)定，并確定了外部安全防護距離，如構成危險化學品重大危險源，應按照《危險化學品重大危險源監(jiān)督管理暫行規(guī)定》（安監(jiān)總局公告，2011年第40號）中規(guī)定的風險標準執(zhí)行，具體內(nèi)容見表1、圖1［4］。

表1　可容許個人風險標準

圖1　可容許社會風險標準（F-N）曲線

3　定量風險分析在環(huán)氧乙烷罐區(qū)安全評價工作中的運用實例

3.1環(huán)氧乙烷罐區(qū)工程概況

某化工企業(yè)設有200 m3環(huán)氧乙烷球罐4臺，儲罐為半冷凍式，儲存溫度為-10～-5℃，冷媒為乙二醇水溶液，設計壓力為0.8 MPa。

3.2危險辨識

環(huán)氧乙烷罐區(qū)涉及的危險物質主要是環(huán)氧乙烷。環(huán)氧乙烷屬于高度易燃易爆及毒性物質，常溫下為無色氣體，低溫時為無色易流動液體，閃點＜-18℃，爆炸極限為3.0%～100%（體積比），自燃溫度為429℃，最小點火能為0.065 mJ，最大爆炸壓力為0.970 MPa。

根據(jù)GBZ 230—2010《職業(yè)性接觸毒物危害程度分級》的描述，環(huán)氧乙烷應屬高度危害類（Ⅱ級）化學品，吸入、食入、經(jīng)皮吸收會造成急性中毒，出現(xiàn)頭暈、惡心、胸悶、呼吸困難等癥狀，重者甚至會出現(xiàn)神志不清、昏迷的情況，還可能造成心肌損害和肝功能異常，長期少量接觸還會造成神經(jīng)系統(tǒng)的慢性影響。皮膚接觸會發(fā)生紅腫、起泡，反復接觸可致敏。

環(huán)氧乙烷罐區(qū)在裝卸及外輸過程中，由于環(huán)氧乙烷泄漏容易引發(fā)火災、爆炸及人員中毒事故，有可能導致重大的人身傷亡和財產(chǎn)損失，是本罐區(qū)需要主要防范的安全風險。

3.3失效模式和失效概率的確定

針對環(huán)氧乙烷儲罐進出物料的管道，筆者采用CASST-QRA軟件將失效模式分為小孔泄漏、中孔泄漏及全管徑破裂，并針對每一種失效模式的失效概率做了分析，具體數(shù)據(jù)見表2。

表2　環(huán)氧乙烷儲罐進出料管道失效模式及泄漏概率

3.4定量風險分析

3.4.1事故后果模式

液化環(huán)氧乙烷發(fā)生大量泄漏后，由于氣象條件和點火方式的不同，可能形成閃火、池火災以及蒸氣云爆炸事故，筆者選取在環(huán)氧乙烷裝卸過程中出料管線發(fā)生泄漏后，在罐區(qū)發(fā)生的池火災事故為例，對事故后果做了模擬分析。池火災的主要危害因素是火焰和熱輻射，對設備設施和人員可能造成嚴重的破壞和傷害。

熱輻射傷害/破壞判定準則反映的是不同程度的熱輻射強度及暴露時間對人體或設備設施造成危害的嚴重程度，具體見表3。池火災燃燒穩(wěn)定，持續(xù)時間較長，屬于穩(wěn)態(tài)火災，較為符合熱輻射傷害/破壞準則。

表3　熱輻射傷害/破壞準則［1］

3.4.2泄漏擴散事故情景模擬

1）危險有害物質的選取。本工程裝卸儲運的貨物是環(huán)氧乙烷，因此選取環(huán)氧乙烷作為危險有害物質進行模擬計算與評價。

2）泄漏源、泄漏方式及泄漏事故規(guī)模的選取。

泄漏源：環(huán)氧乙烷儲罐出料管線。

泄漏方式：假定正在進行出料作業(yè)，管道內(nèi)充滿物料，發(fā)生連續(xù)性環(huán)氧乙烷液態(tài)泄漏。

泄漏事故規(guī)模：在裝卸壓力和管徑確定的情況下，管道泄漏事故規(guī)模取決于泄漏孔徑的大小。

3）泄漏持續(xù)時間的選取。實際生產(chǎn)過程中，由于現(xiàn)場設有相關自動控制措施以及巡視人員，因此泄漏時間通?！?0 min。模擬實驗中，CASST-QRA按持續(xù)泄漏10 min考慮泄漏量。

4）典型擴散氣象條件的選取。對氣體擴散有較大影響的氣象條件為風速、風向、大氣穩(wěn)定度、混合層高度、氣溫等。根據(jù)本工程所在區(qū)域的自然條件，模擬計算選擇正常的氣象條件，主要氣象環(huán)境參數(shù)：大氣穩(wěn)定度為D級（中性），風速為4.1m/s，環(huán)境溫度為25.0℃。

3.4.3事故影響范圍計算結果

利用CASST-QRA軟件包內(nèi)嵌的計算模型，在環(huán)氧乙烷儲罐出料管線泄漏發(fā)生池火災事故模擬情景下，得到有關事故的影響范圍，結果見表4。

表4　環(huán)氧乙烷罐區(qū)池火災事故危害范圍

3.4.4社會風險曲線圖

根據(jù)CASST-QRA軟件包模擬結果繪制了環(huán)氧乙烷罐區(qū)社會風險曲線圖，具體見圖2。

圖2　社會風險曲線圖（F-N曲線）

3.4.5個體風險等值線計算結果

根據(jù)CASST-QRA軟件包模擬計算結果，確定環(huán)氧乙烷罐區(qū)全管徑破裂時個體風險等值線量極分別為1×10-6次/a和3×10-7次/a。

4　定量風險分析結論

通過應用定量風險分析技術，并結合CASSTQRA重大危險源區(qū)域定量風險評價軟件對某化工企業(yè)環(huán)氧乙烷罐區(qū)開展了定量風險評價工作，闡述了定量風險分析的實施過程，得出主要結論。

1）因液化環(huán)氧乙烷泄漏引發(fā)池火災的熱輻射危害相當嚴重，由表4模擬計算結果可知，當因環(huán)氧乙烷儲罐出料管線全管徑破裂而引起池火災事故時，因火焰熱輻射造成的人員輕度燒傷、嚴重燒傷及死亡距離分別達到117、79、65 m。

2）全管徑破裂引發(fā)池火災事故屬于極端不利事故后果，發(fā)生概率極低，根據(jù)CASST-QRA軟件提供的數(shù)據(jù)，全管徑破裂發(fā)生的基礎概率為10-7量級，但是不排除因地震導致設備設施連接管路整體斷裂的情況。

3）從環(huán)氧乙烷儲罐發(fā)生火災、爆炸生產(chǎn)安全事故，個人風險等值線的模擬分析結果來看，個體風險1×10-6和3×10-7均位于企業(yè)廠區(qū)范圍內(nèi)，不存在居住類和公共聚集類高密度場所、高敏感場所、重要目標和特殊高密度場所。根據(jù)《試行標準》的相關規(guī)定，個人風險水平可接受。

4）從圖2結果可見，可接受風險值位于F-N曲線中的可容許區(qū)和盡可能降低區(qū)，根據(jù)《試行標準》的相關規(guī)定，社會風險水平可接受。

5）10-6量級個體風險等值線覆蓋半徑約為82 m，對于居住類高密度場所和公共聚集類高密度場所，其外部安全防護距離為82 m，因該距離小于GB 50160—2008《石油化工企業(yè)防火設計規(guī)范》第4.1.9條的中150 m的要求，其外部安全防護距離尚未達標，應按照標準嚴格執(zhí)行；3×10-7次/a個體風險等值線覆蓋半徑約為176 m，因此對于高敏感場所、重要目標和特殊高密度場所，其外部安全防護距離應為176 m。

［1］陳網(wǎng)樺.安全評價師［M］.北京：中國勞動社會保障出版社，2005.

［2］盧衛(wèi).定量風險評估技術在石化項目安全評價中的應用［J］.廣州化工，2012，40：217-220.

［3］AQ 3046—2013化工企業(yè)定量風險評價導則［S］.

［4］國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局.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）［Z］.2014.

［5］國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局.危險化學品重大危險源監(jiān)督管理暫行規(guī)定［Z］.2011.

聯(lián)系方式：guobj@cnooc.com.cn

Application of quantitative risk analysis（QRA）technique in safety assessment of epoxy ethane storage tanks

Guo Baojian
（Huizhou Branch，CNOOC Oil&Petrochemicals Co.，Ltd.，Huizhou 516086，China）

Quantitative risk analysis（QRA）is a systematic risk analysis method.The risk of system or equipment can be quantized by the systematic analysis on its failure probability and severity degree of failure consequences.The QRA′s concept and working procedures were introduced in detail.Taking a QRA on an enterprise′s epoxy ethane storage tank as an example，the implementation process of QRA technique in the safety assessment was reviewed.

quantitative risk analysis；failure probability；failure consequences；epoxy ethane

TQ086.1

A

1006-4990（2016）08-0063-04

2016-02-10

郭保建（1976—），男，HSE工程師，主要從事安全監(jiān)督工作。