洪水誘發(fā)下化工園區(qū)儲(chǔ)罐失效概率研究分析

陳文瑛副教授 李啟華

（首都經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué) 管理工程學(xué)院，北京 100070）

0 引言

近年來，自然災(zāi)害引發(fā)的事故災(zāi)害越來越頻繁地發(fā)生。其中，洪水災(zāi)害造成的化工園區(qū)事故發(fā)生頻數(shù)較其他災(zāi)害類型明顯偏高，這類事故的發(fā)生不僅造成生產(chǎn)設(shè)備和儲(chǔ)運(yùn)裝置的破壞，其引發(fā)的環(huán)境污染、火災(zāi)爆炸等次生事件往往造成更加嚴(yán)重的災(zāi)難[1]。在處置此類災(zāi)害事件時(shí)，往往因?yàn)榛@區(qū)的環(huán)境、設(shè)備、生產(chǎn)材料較為特殊，導(dǎo)致事故演化路徑多變、發(fā)展態(tài)勢不確定，致使應(yīng)急決策主體無法提前預(yù)防并正確決策。因此，開展洪水誘發(fā)下的儲(chǔ)罐事故致因以及事故概率分析研究就顯得尤為重要。

目前，國內(nèi)外學(xué)者在洪水誘發(fā)化工園區(qū)儲(chǔ)罐事故方面進(jìn)行了一些探索性的研究，并取得了一定研究成果。劉麗川等[1]對(duì)外泄儲(chǔ)液或暴雨洪水導(dǎo)致的儲(chǔ)罐受浮力破壞現(xiàn)象進(jìn)行了分析，驗(yàn)算并確定了罐體的抗浮條件。袁雄軍等[2]根據(jù)危險(xiǎn)化學(xué)品物質(zhì)特性分類和中間演化事件場景，構(gòu)建了常見的各類危險(xiǎn)化學(xué)品發(fā)生泄漏后的通用事件樹，并對(duì)中間演化事件概率進(jìn)行取值研究。Girgin等[3]開發(fā)了RAPID-N（地震快速評(píng)估工具），該工具能以最少的數(shù)據(jù)輸入開展Natech（自然災(zāi)害誘發(fā)事故災(zāi)難）風(fēng)險(xiǎn)事件的快速評(píng)估。然而，洪水引發(fā)的Natech事件數(shù)據(jù)較難得到，使得概率評(píng)估研究舉步維艱。目前，該研究組織正在努力擴(kuò)大該工具的評(píng)估范圍，包括洪水作用下的Natech事件的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。Antonioni等[4]提出另一種Natech事件風(fēng)險(xiǎn)總體評(píng)估框架，該方法旨在將標(biāo)準(zhǔn)的定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估程序擴(kuò)大到地震和洪水造成的工業(yè)事故分析。Landucci等[5]開發(fā)了基于力學(xué)模型的立式、臥式儲(chǔ)罐失效快速評(píng)估模型，能夠基于具體的洪水場景和有限的儲(chǔ)罐參數(shù)得到儲(chǔ)罐失效的概率。其他現(xiàn)有的與洪水相關(guān)的研究使用過去事故的信息進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。例如，Cozzani等[6-9]利用事故數(shù)據(jù)庫（ARIA等）的數(shù)據(jù)來研究化工園區(qū)設(shè)備損壞情況，并模擬了洪水引發(fā)的工業(yè)事故情景。此外，Kraussman等[10]開發(fā)了針對(duì)洪水作用下特定類型工業(yè)設(shè)備設(shè)施損害定性的Natech損傷量表。

上述Natech風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法主要側(cè)重于洪水對(duì)工業(yè)設(shè)備的影響，已有文獻(xiàn)研究此類事故的演化過程，大部分研究還停留在定性描述階段，缺乏數(shù)據(jù)支撐以及定量分析模型，演化路徑分析不夠清晰。本研究建立洪水誘發(fā)下化工園區(qū)儲(chǔ)罐損壞的Bowtie模型并結(jié)合實(shí)例進(jìn)行驗(yàn)證，計(jì)算得到該類事故后果發(fā)生可能性的大小。

1 Bowtie模型

Bowtie模型是將故障樹分析方法和事件樹分析方法融合為一體，全面分析某一事件的發(fā)生原因和事故后果的事故建模方法[11-12]。圖1為該模型主要組成部分，分別為事故原因、安全屏障、事故發(fā)生和事故后果。安全屏障分為預(yù)防措施和恢復(fù)措施。預(yù)防措施即為了預(yù)防事故發(fā)生而存在的，恢復(fù)措施是指事故發(fā)生后有關(guān)部門為了降低損失而采取的應(yīng)急搶險(xiǎn)舉措或者為了恢復(fù)正常而采取的辦法，事故后果是指事故發(fā)生后對(duì)周邊的影響。而預(yù)防措施和恢復(fù)措施共同構(gòu)成了安全屏障，從事故源頭到末端控制事故發(fā)生及后果。

圖1 Bowtie模型示意圖Fig.1 Bowtie model

可以看出，該方法可以比較準(zhǔn)確直觀的分析事故發(fā)生的起因和后果，并能幫助人們?cè)谑鹿拾l(fā)生前后分別采取有效的措施來預(yù)防事故發(fā)生及控制事故后果。

2 洪水誘發(fā)儲(chǔ)罐事故Bowtie模型

2.1 研究對(duì)象

國外學(xué)者Valerio Cozzani等[9]對(duì)洪水事故導(dǎo)致的456個(gè)損壞的設(shè)備進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，其中：74%為儲(chǔ)罐，17%為大直徑的管道，4%為壓縮機(jī)，5%為反應(yīng)容器。其中，儲(chǔ)罐失效形式以立式儲(chǔ)罐受洪水作用移位和臥式儲(chǔ)罐地腳螺栓破裂為主。本文選取化工園區(qū)中最為常見的平底圓柱形立式以及球形邊緣臥式圓柱體兩種儲(chǔ)罐為研究對(duì)象，材質(zhì)均為鋼制。立式儲(chǔ)罐均為油類儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)的重要儲(chǔ)液容器，多用于存貯易燃、易爆的介質(zhì)。臥式圓柱形儲(chǔ)罐簡稱臥式儲(chǔ)罐或臥罐，通常用于存儲(chǔ)液化天然氣、液化石油氣、汽油等，由于臥式儲(chǔ)罐物理結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，在實(shí)際建模過程進(jìn)行了一定的簡化，忽略接管、安全附件等結(jié)構(gòu)，只考慮儲(chǔ)罐的筒體、封頭和鞍式支座。

本文研究洪水誘發(fā)化工園區(qū)儲(chǔ)罐發(fā)生事故狀態(tài)及可能性，因此排除一切因人為過失導(dǎo)致的事故可能情形，只考慮由于洪水、設(shè)備、儲(chǔ)料等因素失效或異常引發(fā)事故的因素。

（1）設(shè)備受損情況。洪水作用下設(shè)備設(shè)施的受損情況決定了儲(chǔ)存物質(zhì)的泄漏狀態(tài)，洪水中常見的受損設(shè)備有：管道、法蘭、反應(yīng)裝置、儲(chǔ)罐等。

（2）洪水沖擊程度。洪水沖擊強(qiáng)度的強(qiáng)弱決定了洪水作用在儲(chǔ)罐上力的大小，作用力的大小決定了儲(chǔ)罐失效可能性的大小[13]。洪水沖擊程度主要取決于洪水作用時(shí)間及洪水強(qiáng)度兩個(gè)因素。作用時(shí)間越長，化工設(shè)備受水力沖擊和材料腐蝕程度就越大；洪水強(qiáng)度指標(biāo)通常選取最大水流速度（m/s）和淹沒高度（m）來表征。洪水可能造成沖擊破壞的類型有3種：水流速度可忽略，管道處于浸漬狀態(tài)；中速波浪，水流速度小于1m/s；高速波浪，水流速度大于1m/s。本文考慮以上3種洪水類型以建立洪水作用下立式、臥式儲(chǔ)罐失效的故障樹模型。

（3）危險(xiǎn)物質(zhì)屬性。儲(chǔ)罐內(nèi)危險(xiǎn)物質(zhì)屬性與事故結(jié)果有著密切關(guān)聯(lián)，它通常決定著事故發(fā)生類型和走向。不同危險(xiǎn)物質(zhì)對(duì)應(yīng)的溶水性、揮發(fā)性等物理性質(zhì)和易燃性、毒性等化學(xué)性質(zhì)也不盡相同，甚至一些儲(chǔ)料遇水會(huì)發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生新的有毒有害物質(zhì)，這也就造成了事故結(jié)果的不確定性。因此按照歐盟理事會(huì)指令中危險(xiǎn)化學(xué)品分類標(biāo)準(zhǔn)[14]，將儲(chǔ)料按物質(zhì)屬性大致劃分為3個(gè)類別：易燃易爆類儲(chǔ)料、有毒類儲(chǔ)料、遇水反應(yīng)類儲(chǔ)料，其中，易燃易爆儲(chǔ)料以汽油、石油、柴油基礎(chǔ)油類為最多的儲(chǔ)料，所以本文選擇存儲(chǔ)易燃易爆類儲(chǔ)料的立、臥式儲(chǔ)罐作為主要研究對(duì)象。

本文將從洪水沖擊程度、設(shè)備受損情況和危險(xiǎn)物質(zhì)屬性3個(gè)方面分析構(gòu)建Bowtie模型。

2.2 建立Bowtie模型

根據(jù)2.1章研究對(duì)象的基礎(chǔ)，建立儲(chǔ)料泄漏原因和危險(xiǎn)物質(zhì)類型兩個(gè)子系統(tǒng)。故障樹的頂事件為不期望發(fā)生的事件，因此將儲(chǔ)料泄漏及泄漏原因劃分為兩個(gè)子系統(tǒng)分別設(shè)為頂上事件，分別為立式儲(chǔ)罐失效導(dǎo)致儲(chǔ)料泄漏以及地腳螺栓破裂造成臥式儲(chǔ)罐移位導(dǎo)致儲(chǔ)料泄漏。危險(xiǎn)物質(zhì)類型子系統(tǒng)選取易燃易爆類儲(chǔ)料子系統(tǒng)為研究對(duì)象。結(jié)合兩個(gè)子系統(tǒng)的特點(diǎn)，不同泄漏原因?qū)?yīng)不同危險(xiǎn)物質(zhì)類型泄漏，共構(gòu)建2個(gè)Bowtie模型，如圖2、圖3。

可以看出，洪水作用下儲(chǔ)罐失效事件Bowtie模型能直觀展示事故發(fā)生的起因和后果及其相互關(guān)系。本研究使用Bowtie模型對(duì)洪水誘發(fā)下立式、臥式儲(chǔ)罐各后果事件的失效概率進(jìn)行定量分析與比較。

2.3 定量分析

（1）情景參數(shù)。為了分析Bowtie模型事件樹中各結(jié)果事件的發(fā)生概率，對(duì)洪水作用下儲(chǔ)罐事故風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行定量評(píng)估，文獻(xiàn)[15]、[16]中提供了4種洪水情景下20種不同規(guī)格的立、臥式儲(chǔ)罐的?LOC數(shù)據(jù)，本文選擇了與國內(nèi)相關(guān)研究制式相同的儲(chǔ)罐規(guī)格，且引用文獻(xiàn)中只從歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)考慮泄露的概率，具體數(shù)據(jù)，見表1。臥式儲(chǔ)罐主要因地腳螺栓受力異常、質(zhì)量、連接不符合標(biāo)準(zhǔn)所引發(fā)，立式儲(chǔ)罐因外殼破裂或立式儲(chǔ)罐移位分別為事故發(fā)生的主因。假設(shè)所有臥式儲(chǔ)罐鞍座固定在地面上，因此有效洪水高度等于洪水實(shí)際高度。研究表明洪水情景1和洪水情景2更容易導(dǎo)致立式、臥式儲(chǔ)罐失效[15-16]，2種情景的重現(xiàn)期T為500年，洪水的返回周期與發(fā)生頻率之間存在如式（1）的所示關(guān)系：

其中P洪水發(fā)生的概率，在這2種情景下重現(xiàn)期內(nèi)儲(chǔ)存物質(zhì)泄漏的概率?LOC（Loss of Containment，LOC）的計(jì)算公式如（2）：

images/BZ_55_1306_2529_1342_2564.pngimages/BZ_55_1306_2574_1341_2609.pngimages/BZ_55_1306_2906_1342_2941.pngimages/BZ_55_1306_2951_1341_2986.png

其中f為儲(chǔ)罐發(fā)生泄漏的概率，臥式、立式儲(chǔ)罐相應(yīng)的參數(shù)及計(jì)算結(jié)果，見表2。根據(jù)文獻(xiàn)[9]和文獻(xiàn)[17]，化工園區(qū)加壓和常壓儲(chǔ)罐各占比分別為0.28和0.45，其他類型儲(chǔ)罐占比為0.27，對(duì)瞬間點(diǎn)火概率、延遲點(diǎn)火概率、蒸氣云擴(kuò)散受限事件概率依次取值為0.3、0.27和0.4，取值結(jié)果如圖2、3中事件樹各路徑上所示[17]。

表2 儲(chǔ)罐參數(shù)及泄漏概率Tab.2 Tank parameter and probability of LOC

圖2 洪水誘發(fā)下易燃易爆類儲(chǔ)料因臥式儲(chǔ)罐失效泄漏BowtieFig.2 Bowtie of flammable and combustible substance leakage resulting from horizontal tank rupture induced by flood

圖3 洪水誘發(fā)下易燃易爆類儲(chǔ)料因立式儲(chǔ)罐失效泄漏BowtieFig.3 Bowtie of flammable and combustible substance leakage resulting from vertical tank rupture induced by flood

（2）事故后果概率計(jì)算。根據(jù)建立的Bowtie模型，后果的概率計(jì)算公式應(yīng)為：

根據(jù)公式輸入相應(yīng)概率即可以得到兩種儲(chǔ)罐Bowtie模型事件樹的不同后果事件概率，見表3、4。

表3 洪水誘發(fā)下臥式儲(chǔ)罐失效泄漏Bowtie模型各結(jié)果事件發(fā)生概率Tab.3 Probability of Bowtie consequence events resulting from horizontal tank rupture induced by flood

表4 洪水誘發(fā)下立式儲(chǔ)罐失效泄漏Bowtie模型各結(jié)果事件發(fā)生概率Tab.4 Probability of Bowtie consequence events resulting from vertical tank rupture induced by flood

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 相同情景下加壓、常壓儲(chǔ)罐失效概率分析

圖4是洪水情景1#誘導(dǎo)下常壓、加壓臥式儲(chǔ)罐1#各結(jié)果事件概率對(duì)比分析圖?？梢园l(fā)現(xiàn)，在同一洪水情景作用下，儲(chǔ)罐處于加壓狀態(tài)還是常壓狀態(tài)，蒸氣云爆炸、閃燃、泄漏、火球以及池火災(zāi)結(jié)果事件的發(fā)生概率均不同，說明儲(chǔ)罐處于加壓、常壓狀態(tài)對(duì)結(jié)果事件發(fā)生概率有一定影響作用。除泄漏事件外，常壓儲(chǔ)罐結(jié)果事件發(fā)生概率要大于加壓儲(chǔ)罐。無論常壓還是加壓儲(chǔ)罐，而無火災(zāi)爆炸的泄漏事件是所有結(jié)果事件發(fā)生概率最大的事件。針對(duì)其他洪水情景亦呈現(xiàn)此規(guī)律。

圖4 洪水情景1#誘導(dǎo)下臥式儲(chǔ)罐1#失效泄漏各結(jié)果事件概率對(duì)比Fig.4 Probability comparision of Bowtie consequence events resulting from horizontal tank 1# (atmosphere and pressure) rupture induced by flood scenario 1#

3.2 不同洪水情景誘導(dǎo)下儲(chǔ)罐失效泄漏概率分析

為了分析不同洪水情景對(duì)同一儲(chǔ)罐結(jié)果事件概率影響規(guī)律，本文將洪水情景1#、2#對(duì)臥式加壓儲(chǔ)罐的結(jié)果事件發(fā)生概率進(jìn)行對(duì)比分析，如圖5。分析發(fā)現(xiàn)，洪水情景1#作用下各結(jié)果事件發(fā)生概率均大于洪水情景2#，說明洪水情景1#對(duì)臥式儲(chǔ)罐的影響更大。不同洪水情景作用下立式加壓、常壓儲(chǔ)罐可得到同樣結(jié)果。究其深層次原因，洪水情景1#是高深度洪水，洪水情景2#是高速洪水，說明洪水深度相比于洪水速度對(duì)儲(chǔ)罐失效泄漏各結(jié)果事件發(fā)生概率影響更為明顯。

圖5 洪水情景1#、2#誘導(dǎo)下臥式加壓儲(chǔ)罐1失效泄漏各結(jié)果事件概率對(duì)比Fig.5 Probability comparision of Bowtie consequence events resulting from horizontal pressure tank 1# rupture induced by flood scenario 1# and scenario 2#

3.3 相同洪水情景下臥、立式常壓儲(chǔ)罐失效概率分析

對(duì)計(jì)算結(jié)果中的洪水情景1#誘導(dǎo)下常壓臥式、立式儲(chǔ)罐1#結(jié)果事件概率進(jìn)行對(duì)比分析，如圖6，不難發(fā)現(xiàn)在洪水情景1#作用下，立式儲(chǔ)罐各結(jié)果事件的發(fā)生概率都要大于臥式儲(chǔ)罐結(jié)果事件發(fā)生概率，說明在情景1#的高深度洪水誘發(fā)下立式儲(chǔ)罐相對(duì)于臥式儲(chǔ)罐更容易發(fā)生事故，此結(jié)論對(duì)于其他洪水情景和不同儲(chǔ)罐型號(hào)的情況則不適用。

圖6 洪水情景1#誘導(dǎo)下常壓臥式儲(chǔ)罐1#、立式儲(chǔ)罐1#失效泄漏各結(jié)果事件概率對(duì)比Fig.6 Probability comparision of Bowtie consequence events resulting from horizontal tank 1# and vertical tank 1# (both are atmosphere)rupture induced by flood scenario 1#

4 結(jié)論

本文通過洪水作用下化工園區(qū)儲(chǔ)罐危險(xiǎn)性分析，構(gòu)建了洪水作用下立式、臥式儲(chǔ)罐失效的Bowtie模型，該模型能夠在不同洪水情景下對(duì)立式、臥式儲(chǔ)罐失效泄漏風(fēng)險(xiǎn)開展定性定量研究。

（1）本文研究洪水誘導(dǎo)下化工園區(qū)發(fā)生事故狀態(tài)及可能性，排除一切因人為過失導(dǎo)致的事故可能情形，只考慮由于洪水、設(shè)備、儲(chǔ)料等元素失效或異常引發(fā)事故的因素?；趯?duì)洪水沖擊程度、設(shè)備受損情況和危險(xiǎn)物質(zhì)屬性的分析，建立了洪水作用下立式、臥式儲(chǔ)罐易燃易爆物質(zhì)泄漏的Bowtie模型，該模型能夠直觀展現(xiàn)洪水引起儲(chǔ)罐失效物質(zhì)泄漏的前因后果，對(duì)化工園區(qū)立式、臥式儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)以及事故預(yù)防具有一定指導(dǎo)意義。

（2）基于洪水作用下立式、臥式儲(chǔ)罐泄漏的Bowtie模型，借鑒國內(nèi)外文獻(xiàn)數(shù)據(jù)開展定量分析，計(jì)算得到了立式、臥式儲(chǔ)罐失效易燃易爆物質(zhì)泄漏后蒸氣云爆炸、閃燃、火球和池火災(zāi)等事件發(fā)生的概率，計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，洪水深度相對(duì)于洪水速度對(duì)立式、臥式儲(chǔ)罐失效泄漏各結(jié)果事件發(fā)生概率影響更為明顯；其次，洪水情景1#誘發(fā)下常壓立式儲(chǔ)罐相對(duì)于臥式儲(chǔ)罐更容易發(fā)生事故；總的來看，除了泄漏事件，常壓儲(chǔ)罐失效泄漏后各結(jié)果事件概率要大于加壓儲(chǔ)罐，且泄漏事件是所有結(jié)果事件中發(fā)生概率最大的事件。

需要說明的是，本文所建立的泄漏Bowtie模型沒有考慮罐區(qū)內(nèi)防泄漏及泄漏后控制措施對(duì)事故發(fā)生發(fā)展的干預(yù)，計(jì)算結(jié)果為儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)和事故預(yù)防提供了保守的估計(jì)；另外，儲(chǔ)罐內(nèi)易燃易爆類物質(zhì)不考慮遇熱源、摩擦、力沖擊等會(huì)發(fā)生變化的物質(zhì)。