化工企業(yè)罐區(qū)事故成因綜合分析

嚴(yán)敏，劉毅，鄭暉杰，曠文敏，常振興*(.湖北省應(yīng)急救援中心，湖北 武漢 40064；.清華大學(xué)，北京 00084；.北京辰安科技股份有限公司，北京 00094)

0 引言

經(jīng)過多年的快速發(fā)展，中國已經(jīng)擁有了種類齊全、規(guī)模較大的化工企業(yè)體系，并在2010年化工產(chǎn)值總量超越美國成為世界第一。但是，化工工廠的快速發(fā)展必然會導(dǎo)致管理缺乏經(jīng)驗、設(shè)備相對不完善等一系列隱患。另一方面，傳統(tǒng)化工工廠的信息化程度偏低，信息傳遞速度較慢，在發(fā)生隱患時常會因為信息傳遞不及時而導(dǎo)致較大的事故，給公司、社會帶來不必要的人身財產(chǎn)損失。

在化工生產(chǎn)中，儲罐是非常重要的設(shè)備之一，化學(xué)物品的儲存、化學(xué)物品之間的反應(yīng)等等幾乎都需要儲罐等容器對其進(jìn)行控制。但是，部分化學(xué)反應(yīng)的條件需要較為嚴(yán)格的溫度與壓力控制，以及部分化學(xué)反應(yīng)需要的催化劑可能為易燃易爆或者不穩(wěn)定的物質(zhì)。種種原因?qū)е聝薜然瘜W(xué)反應(yīng)容器的事故發(fā)生率較高。并且，由于儲罐等容器的體積大多較大，發(fā)生事故后產(chǎn)生的人身財產(chǎn)損失也通常較為嚴(yán)重。因此，如何即時發(fā)現(xiàn)事故于微小之中，甚至在事故發(fā)生之前阻止事故的發(fā)生，便成了化工企業(yè)未來發(fā)展的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

國家“十四五”規(guī)劃中明確提出了“發(fā)展現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)體系，推動經(jīng)濟(jì)體系優(yōu)化升級”的產(chǎn)業(yè)鏈現(xiàn)代化目標(biāo)。而對化工企業(yè)，也提出了一系列精細(xì)化、一體化與現(xiàn)代化的目標(biāo)。近年來，對于各大工業(yè)園區(qū)的現(xiàn)代化改造，主要趨勢是將大數(shù)據(jù)與各類工業(yè)園區(qū)進(jìn)行交叉，從而實(shí)現(xiàn)智慧化、信息化管理。但是目前信息化管理中，對各工作區(qū)的管理，往往是依照原有經(jīng)驗對隱患進(jìn)行處置，通過以前發(fā)生的事故對現(xiàn)有隱患進(jìn)行防范，而經(jīng)驗往往意味著不夠全面。雖然各省市、企業(yè)都有著相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與事故發(fā)生時的應(yīng)急預(yù)案，但是常常存在對當(dāng)前企業(yè)狀況不適配等情況，如何根據(jù)企業(yè)自身情況，科學(xué)制定出針對性的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與應(yīng)急預(yù)案，是當(dāng)前信息化管理的重點(diǎn)。本文結(jié)合化工企業(yè)重大危險源辨識標(biāo)準(zhǔn)，以A化工公司為例，運(yùn)用事故樹對化工儲罐災(zāi)害與演變進(jìn)行綜合分析，對化工園區(qū)儲罐事故情景發(fā)展進(jìn)行推演，多角度對事故發(fā)生演化進(jìn)行分析，為今后化工園區(qū)儲罐事故防范標(biāo)準(zhǔn)與應(yīng)急預(yù)案的制定提供經(jīng)驗。

2 儲罐區(qū)重大危險源風(fēng)險影響度模擬分析

化工企業(yè)事故災(zāi)難可以分為以下幾種：爆炸事故、中毒和窒息事故、機(jī)械傷害事故、高處墜落事故、物體打擊事故、火災(zāi)事故、灼燙事故等。儲罐作為化工企業(yè)的重要器件，主要設(shè)計的事故大致可以分為：(1)化工儲罐儲存的化學(xué)原料由于設(shè)備原因或者人員操作不當(dāng)造成泄漏導(dǎo)致人員中毒、皮膚病等傷害，并造成環(huán)境污染；(2)化工儲罐反應(yīng)時由于設(shè)備原因或人員操作不當(dāng)造成儲罐起火，造成爆炸、人員中毒和窒息、機(jī)械傷害等一系列次生衍生災(zāi)害。

現(xiàn)實(shí)生活中為了預(yù)防儲罐事故的發(fā)生，通常會進(jìn)行儲罐區(qū)風(fēng)險影響度的模擬分析。通過對事故發(fā)生與演化的模擬分析判斷事故的影響力與事故損失程度，從而量化事故的影響范圍、對不同事故進(jìn)行危險等級的判斷，最后提出合理的風(fēng)險控制措施。

重大危險源的定義來自我國《危險化學(xué)品重大危險源辨識》，主要判斷特征為是否生產(chǎn)、加工、使用或儲存超臨界量的危險化學(xué)品[1]。A公司的罐區(qū)主要儲存的化學(xué)用品為甲醇、甲苯、乙醇與燃料油，日常作業(yè)人數(shù)為40余人，交接班時最多人數(shù)約為80人左右。根據(jù)《危險化學(xué)品重大危險源辨識》中有關(guān)校正系數(shù)和的規(guī)定(表1和表2)，暴露人員校正系數(shù)α取1.5，甲醇、甲苯、乙醇屬于易燃液體W5.3，校正系數(shù)取1，燃料油為易燃液體W5.4，校正系數(shù)取1。危險源風(fēng)險分級R的計算公式如下：

式中：q為園區(qū)危險化學(xué)品實(shí)際存在量；Q為危化品相對應(yīng)臨界量；α、β為校正系數(shù)，α、β的取值分別如表1和表2所示。

表1 校正技術(shù)α取值

表2 校正技術(shù)β取值

根據(jù)A公司所提供的數(shù)據(jù)，A公司包含3組罐組，T1罐組設(shè)儲罐14個，總?cè)莘e25 000 m3，存儲物料包括：甲醇、甲苯、乙醇、燃料油。T2罐組設(shè)儲罐12個，總?cè)莘e21 000 m3，存儲物料包括：甲醇、甲苯、乙醇。T3罐組設(shè)儲罐12個，總?cè)莘e42 000 m3，存儲物料包括：甲醇、甲苯。根據(jù)儲罐容積等進(jìn)行R值計算，A公司罐區(qū)事故風(fēng)險影響度預(yù)先分析如表3所示[2]。

表3 事故泄漏風(fēng)險預(yù)判斷表

本次模擬選取的參數(shù)條件為：A公司儲罐區(qū)，單個儲罐體積為3 500 m3。儲罐區(qū)四周建有防護(hù)堤，罐區(qū)內(nèi)部每個儲罐直徑D=18 m，儲存化學(xué)物品為甲醇。選取計算模擬事故為甲醇儲罐池火災(zāi)與儲罐爆炸，模擬氣溫選擇25 ℃，環(huán)境平均風(fēng)速取1.9 m/s，環(huán)境大氣密度取1.293 kg/m3。

甲醇池火災(zāi)事故發(fā)生時，會在地上形成一灘面積較小的液體，若得不到疏導(dǎo)，將迅速在防液堤或地勢低洼處聚集。甲醇燃點(diǎn)較低，因此一旦室溫較高或者有點(diǎn)火源，很容易造成甲醇液池燃燒，形成池火災(zāi)。又根據(jù)A公司所提供數(shù)據(jù)，罐區(qū)儲罐容量為3 500 m3，直徑18 m，罐區(qū)防護(hù)堤內(nèi)面積S=3 909 m2，區(qū)域內(nèi)含有4個儲罐，因此很容易算出，扣除4個儲罐后液池面積可達(dá)2 892 m2。在燃燒時，由于煙氣等影響，空氣密度取1.36 kg/m3，甲醇沸點(diǎn)337.8 K，最終可以計算得火焰高度為26.8 m。計算出火焰高度后，則可以計算出甲醇儲罐池火災(zāi)事故的熱通量。理想狀態(tài)下，熱通量計算時，火焰能量是由圓柱形火焰?zhèn)让婧晚敳肯蛑車鶆蜉椛涞?。最終可以根據(jù)熱通量來判斷得出池火災(zāi)的死亡、二度燒傷、一度燒傷的燒傷半徑，如表4所示。甲醇池火災(zāi)模擬如圖1所示。

表4 甲醇池火災(zāi)影響范圍

圖1 甲醇池火災(zāi)模擬圖

而對于化工儲罐的爆炸事故，甲醇發(fā)生火災(zāi)事故時的影響區(qū)域相比于甲醇泄漏池火災(zāi)要小，但在劇烈程度上，比后者要嚴(yán)重的多。在此我們選擇容積為3 500 m3的T3罐組12號罐，選取儲存化學(xué)物品為甲醇，假設(shè)甲醇罐內(nèi)充滿甲醇蒸汽(約4.5 t)，與空氣形成爆炸性氣氛，在激發(fā)能源情況下發(fā)生蒸汽云爆炸。估算全部參與蒸汽云爆炸的影響范圍。

在不考慮風(fēng)速等影響的情況下，在計算甲醇爆炸范圍時，TNT單量系數(shù)取4%，燃料質(zhì)量4 500 kg。在考慮蒸汽云爆炸的情況下，計算可得甲醇爆炸時工作人員的死亡半徑、重傷半徑和輕傷半徑，如表5所示。甲醇蒸汽云爆炸模擬圖如圖2所示。

圖2 甲醇蒸汽云爆炸模擬圖

3 園區(qū)儲罐事故樹模型分析

但是，在實(shí)際管理中，僅僅依靠事故模擬來進(jìn)行儲罐安全管理的參考是不夠的，還需要借助其他方面的考量。因此，本文調(diào)研基于化工儲罐區(qū)發(fā)生事故的主要原因與衍生災(zāi)害，所繪制出的儲罐事故樹圖，在現(xiàn)實(shí)情況中，可以通過實(shí)地調(diào)研增添或減少考慮事故參數(shù)。事故編號如表6所示，事故樹如圖3所示。其中X22與X28、X17與X26、X25與X27原因相同，在計算過程中可合并[3]。

表6 事件編號對照表

利用事故樹構(gòu)建對應(yīng)成功樹，并求解割集T=M1+M2+M3=X1+X2+M4×M5+M6×M7×M8=X1+X2+(M9+M10+M11+M12+M13)×M14×M15+(X20+X21)×(X22+X23+X24+X25)×(X26+X27+X28)=X1+X2+(X3+X4+X5+X6+X7+X8+X9+X10+M16+M17)×(X15+X16)×(X17+X18+X19)+(X20+X21)×(X22+X23+X24+X25)×(X26+X27+X28)=X1+X2+(X3+X4+X5+X6+X7+X8+X9+X10+X11+X12+X13+X14)×(X15+X16)×(X17+X18+X19)+(X20+X21)×(X22+X23+X24+X25)×(X23+X25+X26)

根據(jù)上式我們也可以得到化工罐區(qū)事故的各階割集數(shù)量，如表7所示。

表7 事件編號對照表

通常來說，事故樹中割集越小，意味著導(dǎo)致事故發(fā)生的基本事件越少，則此基本事件的重要程度便越高，危險性也越大。同時，單個基本事件在不同割集中出現(xiàn)次數(shù)越多，代表這個事件對多種事故樹都有影響，其重要性也越高[4]。

同樣，事故樹還可以分析最小徑集，最小徑集表示能夠使事故不發(fā)生的基本事件之和，最小徑集越多代表防止事故發(fā)生的方法越多，該事件最小徑集為：

綜上，能夠判斷出該事故樹重要度排序為：

由以上可知，X1、X2對事故影響最為重要，X12、X13、X14對事故影響最輕。其他事件對于事故影響在這兩者之間[5]。

4 應(yīng)急輔助統(tǒng)計分析

在進(jìn)行模擬和事故樹分析后，為了使結(jié)果更有可信度，還可以引進(jìn)統(tǒng)計學(xué)對化工罐區(qū)事故進(jìn)行分析。由于2016年之前的數(shù)據(jù)并不全面，因此我們只對2017年之后的化工事故數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計。根據(jù)數(shù)據(jù)，我們可以得到在2017—2019年中，爆炸事故共發(fā)生105起，導(dǎo)致294人死亡；中毒和窒息事故發(fā)生83起，導(dǎo)致125人死亡；火災(zāi)事故發(fā)生63起，導(dǎo)致51人死亡。根據(jù)數(shù)據(jù)我們可知爆炸與火災(zāi)事故數(shù)量加起來是中毒和窒息事故的兩倍左右，發(fā)生概率相對中毒窒息事故來說較高。并且，從死亡人數(shù)來看，爆炸火災(zāi)事故所造成的后果比中毒窒息事故要更為嚴(yán)重，以爆炸事故為例，也與我們第一部分模擬的結(jié)果較為吻合。因此我們在進(jìn)行化學(xué)罐區(qū)事故應(yīng)急分析時，應(yīng)當(dāng)著重考慮防爆與防火方面的基本事件[6]。

最后，如何綜合事故樹、事件烈度以及事件發(fā)生頻率，對今后化工園區(qū)儲罐事故防范標(biāo)準(zhǔn)與應(yīng)急預(yù)案編寫與應(yīng)對措施進(jìn)行完善?，F(xiàn)在也存在著很多實(shí)際應(yīng)用：如康德禮等考慮到采集數(shù)據(jù)的不確定性和噪聲[7]，在構(gòu)建化工園區(qū)智能應(yīng)急平臺時加入信息融合技術(shù)保證智能決策的快速性和規(guī)劃正確性。陳運(yùn)啟等采用FP-Growth算法與支持置信度融合的方法，對隱患數(shù)據(jù)與事故中較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)規(guī)則進(jìn)行標(biāo)記，從而加強(qiáng)對特定隱患的防治[8]。這里由于數(shù)據(jù)限制，我們預(yù)測兩種方法，可能能夠綜合分析基本事件權(quán)重，得出較為科學(xué)的決策與事故防治措施。

4.1 灰色關(guān)聯(lián)度分析

在化工行業(yè)中，由于事故成因復(fù)雜，通過邏輯分析得出的原因有時會忽略某些關(guān)鍵因素對事故產(chǎn)生的重要影響。而灰色關(guān)聯(lián)度分析則可以在一定程度上解決由于忽略帶來的影響，同時對化工事故分析中各類由于缺少數(shù)據(jù)所引發(fā)的結(jié)論不準(zhǔn)確、可信度不高等缺陷有著良好的校正優(yōu)化作用?；舅悸肥谴_定母序列和子序列，而后通過無量綱化等操作處理各類數(shù)據(jù)，形成關(guān)聯(lián)序列，最終得到不同因素對主事件的影響程度大小。對于目前信息化程度不夠的化工行業(yè)來說，灰色關(guān)聯(lián)度分析是對其很好的補(bǔ)充。

4.2 層次分析法

對于分析復(fù)雜問題，層次分析法屬于比較成熟的方法之一。其主要理論類似于事故樹，基于問題的傳導(dǎo)機(jī)制來進(jìn)行分析。對于化工企業(yè)來說，傳統(tǒng)的管理辦法對問題同樣分為很多等級。并且對問題等級之間的傳導(dǎo)也有著較為豐富的經(jīng)驗，層次分析法可以通過原有經(jīng)驗進(jìn)行訓(xùn)練，進(jìn)而量化各類問題成因，對企業(yè)罐區(qū)事故管理有著良好的補(bǔ)充作用。

5 結(jié)語

在信息化浪潮下，化工園區(qū)的管理與事故的應(yīng)急決策都處在飛速發(fā)展變化之中，傳統(tǒng)的經(jīng)驗可能已經(jīng)與現(xiàn)有生產(chǎn)力發(fā)生脫節(jié)。因此，需要利用更先進(jìn)的理論技術(shù)優(yōu)化完善原有的管理模式。本文進(jìn)行了模擬化工企業(yè)罐區(qū)泄漏和爆炸的事故，并嘗試與事故樹與數(shù)據(jù)分析結(jié)合。但因為現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)權(quán)重的不足，仍未得出一個可靠的結(jié)論，但不失為一個可以嘗試的思路。隨著風(fēng)險評估與應(yīng)急決策理論不斷發(fā)展，相信我國化工企業(yè)事故應(yīng)對決策機(jī)制定會日益完善。

致謝：感謝湖北省應(yīng)急救援中心《危險化學(xué)品重特大事故情景構(gòu)建分析及應(yīng)急輔助決策研究課題》對本論文的數(shù)據(jù)支持。