基于層次分析法的化工機(jī)械設(shè)備風(fēng)險影響研究
——以港口常壓儲罐為例

陳 琳，詹水芬，王緒亭，張愛利，高華梅，李 巖，劉 偉

(1.天津東方泰瑞科技有限公司，天津 300110；2.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，天津 300456)

危險貨物中涉及易燃?xì)怏w、易燃液體、有毒物質(zhì)，由于爆炸性、易燃性、腐蝕性、毒性等危險特性，一旦出現(xiàn)泄漏釋放，可能致使儲罐區(qū)誘發(fā)生產(chǎn)安全事故，形式主要為能量釋放相對穩(wěn)定的泄漏、中毒事故以及能量極具快速釋放的火災(zāi)、爆炸事故[1-2]。港口危險貨物儲罐區(qū)一旦發(fā)生儲罐泄漏事故，產(chǎn)生的熱輻射或超壓沖擊波有可能波及影響周邊相鄰儲罐，造成嚴(yán)重的事故后果[3-4]。為加強(qiáng)港口危險貨物儲罐安全源頭防范、切實提升危險貨物儲罐的本質(zhì)安全水平和安全保證能力，交通運(yùn)輸部辦公廳印發(fā)《關(guān)于加強(qiáng)港口危險貨物儲罐安全管理的意見》。

事故風(fēng)險是事故發(fā)生的可能性與事故后果嚴(yán)重度的擬合[5-7]?，F(xiàn)階段國內(nèi)外對于危險貨物儲罐區(qū)域的安全風(fēng)險研究多聚焦于風(fēng)險評估方法綜述[8]或采用計算軟件結(jié)合實際儲存現(xiàn)狀進(jìn)行定量計算，給出風(fēng)險水平數(shù)值[9-12]，但對于深入研究區(qū)域風(fēng)險水平的影響因素尚屬欠缺。但實際管控過程中，建立影響儲罐區(qū)安全風(fēng)險指標(biāo)體系，識別分析重要因子，采取切實可行的管控措施具有極強(qiáng)的必要性和現(xiàn)實意義。

本文從“通用、機(jī)械、工藝、技術(shù)”四方面系統(tǒng)構(gòu)建儲罐事故發(fā)生可能性影響因素指標(biāo)體系，采用層次分析法識別影響儲罐失效的關(guān)鍵因子?；趨^(qū)域定量風(fēng)險評估QRA計算結(jié)果，應(yīng)用Phast Risk中的Extended Risk模塊進(jìn)行儲罐風(fēng)險貢獻(xiàn)率排序，通過對區(qū)域風(fēng)險貢獻(xiàn)率高的儲罐實施合理管控，并對影響失效的關(guān)鍵因子進(jìn)行修正，降低儲罐失效概率，從而達(dá)到降低儲罐區(qū)安全風(fēng)險的目的。

1 儲罐區(qū)安全風(fēng)險水平

1.1 安全風(fēng)險水平

現(xiàn)階段我國港口危險貨物儲罐區(qū)的安全風(fēng)險水平主要從“個人風(fēng)險、社會風(fēng)險”兩個指標(biāo)進(jìn)行量化識別，其參考依據(jù)為國家安全監(jiān)管總局2014年第13號《危險化學(xué)品生產(chǎn)、儲存裝置個人可接受風(fēng)險標(biāo)準(zhǔn)和社會可接受風(fēng)險標(biāo)準(zhǔn)(試行)》、交通運(yùn)輸部交水發(fā)〔2013〕274號《港口危險貨物重大危險源監(jiān)督管理辦法(試行)》以及GB36894-2018《危險化學(xué)品生產(chǎn)裝置和儲存設(shè)施風(fēng)險標(biāo)準(zhǔn)》。

1.2 安全風(fēng)險影響因子

風(fēng)險是事故發(fā)生的可能性與事故后果嚴(yán)重度的擬合，港口危險貨物儲罐區(qū)事故后果的嚴(yán)重程度主要受儲存介質(zhì)危險性、儲存容量以及儲存條件等因素的影響，通常情況上述因素具有相對的確定性；事故發(fā)生的可能性則受到多方面因素影響，例如設(shè)備腐蝕情況、結(jié)垢情況、設(shè)備復(fù)雜性、使用年限等諸多不確定性因素。

圖1 事故發(fā)生可能性影響因素指標(biāo)體系Fig.1 Accident probability influencing factor indicator system

針對于儲罐區(qū)，各儲罐儲存介質(zhì)及容量、儲存條件等因素具有相對確定性，影響風(fēng)險水平不確定性的主要因素為事故發(fā)生的可能性。研究事故發(fā)生可能性是儲罐區(qū)安全風(fēng)險問題的原因和始端，同樣也是保障區(qū)域安全的關(guān)鍵所在?！妒b置定量風(fēng)險評估指南》[13]對影響事故可能性的分析，通過咨詢專家意見，剔除不易操作及有所重疊的因素，再經(jīng)指標(biāo)凝練、分類，最終從通用、機(jī)械、工藝、技術(shù)四方面構(gòu)建影響事故發(fā)生可能性的指標(biāo)體系U，該體系由4個一級指標(biāo)和13個二級指標(biāo)構(gòu)成，涉及管理水平、設(shè)備復(fù)雜性、使用年限、設(shè)備腐蝕等諸多因子。具體如圖1所示。

2 層次風(fēng)險法(AHP)權(quán)重

層次分析法(Analytic Hierarchy Process)是計算指標(biāo)權(quán)重最為常見的評估方法，通過將問題分解為不同的組成因素，并按照因素間的相互關(guān)聯(lián)影響以及隸屬關(guān)系將因素按不同層次聚集組合，形成一個多層次的分析結(jié)構(gòu)模型。其主要計算步驟如下。

2.1 構(gòu)造判斷矩陣

采用1-9標(biāo)度法構(gòu)造判斷矩陣，以P表示目標(biāo)，PXY表示PX對PY的相對重要性數(shù)值?？纱_定判斷矩陣為

(1)

2.2 計算單一權(quán)重向量

對判斷矩陣P的最大特征根λmax所對應(yīng)的特征向量進(jìn)行歸一化處理，得到單一權(quán)重向量。采用方根法進(jìn)行簡化，計算公式為

(2)

2.3 一致性檢驗

計算判斷矩陣的一致性指標(biāo)CI

(3)

(4)

式中：PW為對應(yīng)λmax的特征向量。

表1 換算的修正因子表Tab.1 Modified correction factor

3 失效概率修正

圖2 修正系數(shù)與分值的對應(yīng)圖Fig.2 Correspondence map between correction coefficient and score

基于前文識別出的影響儲罐事故發(fā)生可能性的關(guān)鍵因子，采取有效管控措施對事故發(fā)生概率進(jìn)行修正。在事故后果一定的前提下，通過降低事故發(fā)生可能性降低儲罐區(qū)風(fēng)險水平。調(diào)整后的失效概率為F調(diào)整后，F(xiàn)調(diào)整后=F原始×F指標(biāo)，F(xiàn)指標(biāo)主要參照《石化裝置定量風(fēng)險評估指南》進(jìn)行計算，針對關(guān)鍵指標(biāo)對各個要素進(jìn)行分析，并賦予數(shù)值。分析了這些子系數(shù)之后，將所有分項確定值相加，得到最終修正數(shù)值。最終的修正系數(shù)可以為正也可以為負(fù)，通常范圍為-10～20。最終數(shù)值將換算為FE，修正系數(shù)與分值的對應(yīng)關(guān)系如表1所示，修正系數(shù)與分值的對應(yīng)關(guān)系如圖2所示。

4 實例驗證

2016年，天津港南疆港區(qū)南疆石化小區(qū)在用儲罐118個，總?cè)萘?52×104m3。裝卸作業(yè)貨種包括乙烯、液化石油氣、汽油、甲苯、二氯乙烷等近85種。據(jù)統(tǒng)計，當(dāng)時經(jīng)計算，其個人風(fēng)險、社會風(fēng)險均處于不可接受區(qū)。初始風(fēng)險計算結(jié)果如下圖3和圖4所示。

(1)風(fēng)險貢獻(xiàn)率的確定以QRA定量風(fēng)險評估方法計算儲罐區(qū)初始狀態(tài)下的個人風(fēng)險、社會風(fēng)險水平為基礎(chǔ)，應(yīng)用Phast Risk中的Extended Risk模塊對118個正常運(yùn)行儲罐的個人風(fēng)險、社會風(fēng)險貢獻(xiàn)值進(jìn)行排序，自動識別出風(fēng)險貢獻(xiàn)值排在前十位的設(shè)備，結(jié)果如圖5及表2所示。

圖3 初次個人風(fēng)險計算結(jié)果Fig.3 Initial personal risk calculation result圖4 初次社會風(fēng)險計算結(jié)果Fig.4 Initial social risk calculation result圖5 區(qū)域當(dāng)前設(shè)備風(fēng)險貢獻(xiàn)率排名柱狀圖Fig.5 Regional current equipment risk contribution rate ranking histogram

表2 區(qū)域風(fēng)險貢獻(xiàn)率前十位儲蓄信息表Tab.2 Top ten tank information table for regional risk contribution rate

從圖5和表2中可以看出，乙烯球罐(052#)、液化石油氣球罐(041#)、汽油罐(013#)、苯儲罐(076#)、甲苯儲罐(082#、002#)6個化工設(shè)備對區(qū)域的危險風(fēng)險水平貢獻(xiàn)率較高，為區(qū)域重要風(fēng)險點。

表3 各影響因子權(quán)重值計算結(jié)果表Tab.3 Calculation result table of each impact factor weight value

(2)指標(biāo)計算。

針對1.2章節(jié)構(gòu)建的指標(biāo)體系，對港口危險貨物現(xiàn)場管理人員、行業(yè)專家進(jìn)行問卷調(diào)查及調(diào)研交流，借助一線作業(yè)人員及行業(yè)專家的經(jīng)驗優(yōu)勢，識別分析影響事故發(fā)生可能性因素的關(guān)鍵指標(biāo)。通過對近20份統(tǒng)計問卷的統(tǒng)計整理，按照2.1～2.3的分析過程計算各指標(biāo)權(quán)重，經(jīng)反復(fù)計算，得出數(shù)值如表3所示。

通過上述計算結(jié)果，可以看出影響事故發(fā)生可能性的關(guān)鍵影響指標(biāo)為：設(shè)備腐蝕性>使用年限>設(shè)備復(fù)雜性>管理水平>結(jié)垢情況。

(3)提出管控措施。

步驟一:鑒于乙烯球罐(052#)、液化石油氣球罐(041#)化工設(shè)備老化嚴(yán)重，建議企業(yè)停止使用。

步驟二：在考慮企業(yè)設(shè)備狀態(tài)和管理水平的基礎(chǔ)上，結(jié)合實際運(yùn)行狀況，對典型儲罐汽油儲罐(013#)、苯儲罐(076#)、甲苯儲罐(082#)、甲苯儲罐(002#)、汽油儲罐(037#)的失效概率進(jìn)行調(diào)整。主要調(diào)整指標(biāo)為設(shè)備腐蝕性、使用年限、設(shè)備復(fù)雜性、管理水平、結(jié)垢情況，對應(yīng)管控措施如表4所示。

表4 調(diào)整指標(biāo)管控措施表Fig.4 Adjustment indicator control measures

(4)儲罐失效概率修正。

結(jié)合各儲罐失效場景，初始概率數(shù)值選取主要依據(jù)SY/T6714-2008《基于風(fēng)險檢驗的基礎(chǔ)方法》，在此基礎(chǔ)上按照表4的方式及換算，得出儲罐修正后的失效概率，數(shù)據(jù)如表5所示。

圖6 對關(guān)鍵因子實施管控后區(qū)域個人風(fēng)險水平Fig.6 Regional individual risk after management of key factors圖7 對關(guān)鍵因子實施管控后區(qū)域社會風(fēng)險水平Fig.7 Regional social risk after management of key factors

表5 儲罐失效概率修正系數(shù)統(tǒng)計表Fig.5 Tank failure probability correction coefficient statistics

按照上述方案重新對的南疆石化小區(qū)風(fēng)險水平進(jìn)行計算，得出其個人風(fēng)險、社會風(fēng)險等值線計算結(jié)果出現(xiàn)顯著變化。以3×10-6個人風(fēng)險等值線影響范圍為例，其包絡(luò)線影響范圍明顯縮小，如圖6所示。

經(jīng)兩次管控措施后，區(qū)域社會風(fēng)險已由圖7的不可接受水平降低為可接受水平，圖7中分別為落實步驟1及落實步驟1、2的風(fēng)險水平。以死亡10人為例，僅考慮停止使用乙烯、液化石油氣儲罐，死亡10人的發(fā)生概率為2.8×10-5，而同時考慮013#汽油儲罐、076#苯儲罐、082#甲苯儲罐、002#甲苯儲罐、037#汽油儲罐增加防腐、清垢、管理等措施，儲罐自身失效概率降低，整體區(qū)域死亡10人的失效概率為4×10-7。

5 總結(jié)

(1)港口危險貨物儲罐集中區(qū)域由于儲罐分布集中、儲存危險貨物種類多、危險性高，一旦發(fā)生泄漏或其他失效事故，易誘發(fā)區(qū)域性生產(chǎn)安全事故，使區(qū)域安全風(fēng)險水平不可接受。

(2)從“通用、機(jī)械、工藝、技術(shù)”四方面系統(tǒng)構(gòu)建儲罐事故發(fā)生可能性影響因素指標(biāo)體系，采用層次分析法識別出“設(shè)備腐蝕性、使用年限、設(shè)備復(fù)雜性、管理水平”是影響儲罐失效的關(guān)鍵因子。

(3)結(jié)合個人風(fēng)險、社會風(fēng)險計算原理，計算初始模式區(qū)域風(fēng)險水平。應(yīng)用Phast Risk中的Extended Risk模塊對各儲罐進(jìn)行風(fēng)險貢獻(xiàn)排序，識別重要風(fēng)險點，明確區(qū)域風(fēng)險重點管控對象。

(4)針對判別出的設(shè)備腐蝕、使用年限、管理水平、結(jié)垢情況等關(guān)鍵指標(biāo)，制定管控措施，結(jié)合概率修正方法，調(diào)整設(shè)備失效概率值。

(5)研究成果為港口危險貨物儲罐集中區(qū)域合理管控，識別重要風(fēng)險源，有效合理降低區(qū)域風(fēng)險水平提供研究依據(jù)。