保護層分析后果嚴重度評價方法改進初探

陳亭竹

西南石油大學化學化工學院（四川成都610500）

保護層分析后果嚴重度評價方法改進初探

陳亭竹

西南石油大學化學化工學院（四川成都610500）

保護層分析中的風險分析主要是基于對危險事件的發(fā)生頻率和后果嚴重度的預估，對后果嚴重度預估的不準確會直接影響到風險評價結果以及風險保護措施的應用。對后果嚴重度的夸大會增加不必要的風險保護措施，而對后果嚴重度過于保守的預估會導致風險措施的不足。通過運用定量計算的結果制定后果嚴重度查找表，能夠幫助保護層分析組員更好地掌握工藝流程中化學品泄漏的可燃性、爆炸性以及毒性的影響，并利用準確的數(shù)據來支撐保護層分析小組對后果嚴重度的評估。

保護層分析；后果嚴重度；查找表

近年來，各類危險分析方法廣泛應用于工業(yè)安全評價中，保護層分析(LOPA)是由事件樹分析發(fā)展而來的風險分析方法，LOPA由確定初始事件發(fā)生的概率開始，在大多數(shù)LOPA中這些發(fā)生概率可以從事件概率數(shù)據庫中得到，而在一些更精確的保護層分析中也利用詳細的事故樹分析及現(xiàn)場數(shù)據分析來支撐發(fā)生概率的確定。其后，確定每一個獨立保護層的失效概率，在考慮了每一個獨立保護層后計算出當所有保護層都失效時的事件發(fā)生概率，并結合事故后果評估判斷其是否在公司容許范圍內，增減保護層的數(shù)量。

但LOPA在后果嚴重度評估時可能因為分析人員的不同而變化，主觀性較強，也因分析人員的經驗不同以及對定性描述理解不同而相異，導致后果嚴重度評估的不準確與后續(xù)保護措施分析的夸大或過于保守，表1提供了一種常見后果嚴重度定性描述。由表1可知，在對后果進行定性分級時并沒有充分考慮事故原因和過程分析，而僅憑主觀經驗進行判斷，特別是當LOPA小組成員意見出現(xiàn)分歧時，沒有一個可以作為參考的后果分級影響數(shù)據作為支撐。

Summers等[1]通過一致的后果嚴重性計算來改進PHA/LOPA。后果嚴重度的一致性可以通過采用查表對后果嚴重度的評估提供指導，幫助LOPA小組通過查找表對應實際項目情況對后果嚴重度進行更符合實際情況的判斷，同時保留LOPA的簡潔和易操作性。在Summers研究的基礎上對查找表制定類型的劃分進行改進，并對常見危險場景不同條件下的后果進行模擬，將嚴重程度進行預估并整理成查找表，以期對LOPA小組在意后果嚴重度評估有一定幫助。

1 后果嚴重度查找表的制定

1.1 初始事件的選擇

保護層分析一般將初始事件分為設備故障、外部事件及人員失誤3類。從近年發(fā)生的危險化學品事故統(tǒng)計中可知，爆炸、泄漏和火災占所有事故的90%以上，其中泄漏是發(fā)生數(shù)量最多的類型。爆炸事故數(shù)僅次于泄漏，但是爆炸是造成人員死亡最多的事故類型[2]。而在近年來引發(fā)事故的介質統(tǒng)計中碳氫類化合物最多，因為碳氫類化合物不僅易燃易爆，同時由于揮發(fā)性較強在生產過程中易發(fā)生事故[3]。因此制定了設備故障中碳氫類化合物泄漏后爆炸的后果嚴重度查找表。

表1 后果定性分級方法

1.2 泄漏類型的判斷

當確定了初始事件為碳氫類化合物泄漏后，首先對泄漏過程和對應選取的泄漏模型進行分析，對泄漏過程中的介質相態(tài)、儲存方式、周圍防護措施及泄漏時間等進行判斷后，能夠得到更加精確的泄漏量估計[4]，并為后果嚴重度的評估提供更精準的數(shù)據。泄漏類型分析如圖1所示。

對于可燃碳氫類化合物，可針對不同泄漏模型制定相應的泄漏率查找表。以氣相泄漏模型為例，提供了C1~C4的碳氫化合物泄漏后爆炸的泄漏速率查找表，并以此制定后果嚴重度的查找表。

1.3 泄漏孔徑的選擇

腐蝕、疲勞開裂和孔洞是儲罐泄漏的主要原因，在發(fā)生碰撞、超壓的情況下也有很大可能導致泄漏。選擇API推薦的6.4mm(小)、25mm(中)、102mm(大)和406mm（破裂）4組孔徑作為泄漏孔徑。

1.4 泄漏速率的查找表

通過選擇的泄漏模型（氣相泄漏模型）、泄漏孔徑（4組）以及事故場景泄漏源的壓強(0.11~20MPa)制定了泄漏率查找表，如表2所示。

其中氣相泄漏模型計算公式如下：

式中：Qm為泄漏率，kg/s；C0為泄漏系數(shù)；r為熱容比；A為泄漏通道截面積，m2；Rg為理想氣體常數(shù)，p為泄漏處壓力，Pa；T0為泄漏源溫度，K；p0為儲罐內壓，Pa；M為氣體摩爾質量，kg/mol。

1.5 危害范圍的查找表

在危害范圍的計算中運用ALOHA(Areal Locations of Hazardous Atmospheres)模擬軟件進行計算。ALOHA是一款專門為應對化學品泄漏以及應急事件預防和演練而設計的事故后果模擬軟件，可以對關鍵危險因素包括毒性、可燃性、熱輻射、超壓進行分析，同時在進行后果模擬時可以通過對事故發(fā)生位置（市區(qū)或郊區(qū)）、天氣（風速、穩(wěn)定度、風向）及儲罐材料、泄漏孔徑大小以及儲罐內壓力等的設定得到與實際情況更相近的模擬結果[5]。用戶也可根據個人判斷選擇使用包括高斯模型、重氣模型、蒸汽云爆炸BELEVE等成熟的計算模型。

1）后果模擬天氣狀況的確定。在后果模擬計算中采用了美國環(huán)境保護局在后果模擬中推薦的最嚴重泄漏情景的假設：①風速為2.57m/s；②濕度為50%；③溫度為35℃；④大氣穩(wěn)定度級別為B（不穩(wěn)定）。

2）泄漏時間的確定。在模擬中發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)泄漏情況在泄漏時間達到5min后，其泄漏后爆炸的影響范圍趨于一個穩(wěn)定狀態(tài)，不再隨著時間變化有太大的變化，故以5min作為泄漏時間進行后果模擬。

圖1 泄漏分析框圖

表2 氣相泄漏模型泄漏率/（kg·mol-1）

3）影響范圍的確定。爆炸的主要危害來自沖擊波超壓，ALOHA在后果模擬中用造成建筑物損壞（0.055MPa）、人員嚴重受傷（0.024MPa）及玻璃碎裂（0.006 9MPa）3個層次的超壓強度來劃分蒸汽云爆炸可能造成的影響距離，以大多數(shù)公司重點關注的人員傷害，即可能導致人員嚴重傷害（0.024MPa）的范圍內作為后果嚴重度影響范圍的確定標準。

當影響范圍越大，人員受傷及周圍設備設施受到損壞的可能性也就越大，以120m×120m作為一個典型生產單元的大小為例，以ALOHA模擬結果的影響范圍（0.024MPa）和廠區(qū)面積的比例作為劃分事故后果嚴重度的依據，氣體泄漏爆炸超壓的后果嚴重度劃分見表3。

2 后果嚴重度查找表的應用

2.1 事故場景

以某天然氣凈化廠原料氣管道泄漏為例。由于原料氣壓力高、酸性氣體含量高，因此容易造成超壓及腐蝕性泄漏。案例中原料氣管道壓力為8MPa，泄漏孔徑選取2.54cm。

2.2 應用步驟及結果

圖2 查找表應用步驟圖

后果嚴重度查找表的應用步驟與查找表的制定步驟一致，通過對初始事件、泄漏類型的判斷（圖1），泄漏孔徑的確定來對應泄漏率查找表（表2）查找泄漏率的大小，然后利用泄漏率大小對應后果嚴重度劃分表（表3）查詢影響范圍的大小，并計算影響范圍占整個廠區(qū)的比例，最后得出后果嚴重度的參考值。具體應用過程見圖2?？芍獏⒖己蠊麌乐囟葹?級。

表3 后果嚴重度劃分表

3 結論

通過分析LOPA中存在對后果嚴重度評估的主觀性和不準確性，引出了以制作后果嚴重度查找表來為LOPA小組提供數(shù)據支撐的改進方法。并以事故發(fā)生數(shù)最多的泄漏為例介紹了制作查找表的具體步驟和方法?？蓱糜贚OPA對大多數(shù)常見事故的后果嚴重度評價分析中，對常見后果嚴重度中用含糊的低、較低、高、較高等文字敘述分級提供了更精準、更易讓LOPA小組成員意見統(tǒng)一的數(shù)據支撐，同時，查找表的方式保持了LOPA分析的簡單和快速，對準確分析保護層是否足夠防止意外事故發(fā)生具有一定的參考價值。

[1]Summers A,Vogtmann W,Smolen S.Improving PHA/LOPA by consistent consequence severity estimation[J].Journal of Loss Prevention in the Process Industries,2011,24(1):879-885.

[2]李健,白曉昀,任正中,等.2011～2013年我國危險化學品事故統(tǒng)計分析及對策研究[J].中國安全生產科學技術, 2014,10(6)：142-147.DOI:10.11731/j.issn.1673-193x.2014. 06.023.

[3]關文玲,蔣軍成.我國化工企業(yè)火災爆炸事故統(tǒng)計分析及事故表征物探討[J].中國安全科學學報,2008,18(3):103-107.DOI:10.3969/j.issn.1003-3033.2008.03.018.

[4]潘旭海,蔣軍成.事故泄漏源模型研究與分析[J].南京工業(yè)大學學報（自然科學版）,2002,24(1):105-110.DOI:10.3969/ j.issn.1671-7627.2002.01.023.

[5]邵輝,候麗娟,段國寧,等.ALOHA在苯泄漏事故中的模擬分析[J].常州大學學報（自然科學版）,2012,24(3):48-52.

The risk analysis of protection layer is mainly based on the prediction of the occurrence frequency and the consequence severity of dangerous events,and the inaccurate estimation of the consequence severity will directly affect the results of risk assessment and the application of risk protection measures.The exaggerated estimation of the consequence severity will increase unnecessary risk protection measures,and the inadequate estimation of the consequence severity will lead to lack of adequate risk protection measures.To create a consequence severity lookup table according to the quantitative calculation results can help the protective layer analysis team members to better grasp the influence of the combustibility,explosiveness and toxicity of the leakage chemicals in the technological process,and the accurate data can support the consequence severity assessment of the protective layer analysis team.

protection layer analysis;consequence severity;lookup table

學敏

2015-09-23

陳亭竹(1990－)，女，主要從事安全評價和危險模擬及相關方面的研究。