基于事件树的石油储罐区火灾风险的定量评估

包丽雅

(中国人民武装警察部队学院研究生队，河北 廊坊 065000)

0 引言

石油库作为接收、储存和发放油品的重要设施，安全生产是关键。石油库储罐区由于储罐数量集中且盛装的介质种类不一，一旦发生火灾，必然导致重大后果［1］。当前，对石油储罐区的火灾风险评估主要停留在定性和半定量方法。定性风险评估主要用安全检查表等方法，该方法简单明了，易于进行，花费时间精力较少。不过这种方法只能大致描述储罐区的每个部分的危险性，而无法对整体做出评价，难以确定具体危险等级。半定量方法主要有等价社会成本指数法(ESCI)、致命事故等级法、火灾－爆炸风险指数法等、道化学公司(DOW)火灾、爆炸指数评价法以及MOND火灾、爆炸及毒性指数法等。由于收集数据资料难，计算复杂等原因，进行定量的火灾风险评估很难实现。基于事件树的火灾风险评估方法作为定量风险评估法，是安全系统工程的重要分析方法之一，它不仅可以对油库事故及不安全因素进行事前预测，估计事故的可能后果，还可以对事故原因进行事后分析。因此，基于事件树的定量评估方法有着较强的优越性和灵活性，能显著提高石油储罐区作业安全风险评估的科学性和有效性。

1 基于事件树方法的油库火灾风险评估原理

作为运筹学中的决策树分析在安全系统工程领域的应用，事件树(Event Tree)是一种从原因到结果按时间顺序描绘事故发生的树形模型图，利用事件树可以对事故因果关系进行逻辑推理分析［2］。系统中的每个要素都完成规定的功能，则称为成功(或可靠)，某要素未完成规定的功能，则称为失败(或不可靠)。事件树分析(ETA)的理论基础是系统工程的决策论。任何事故都是一个多环节事故发展变化的结果，因此，事件树分析也称为事故过程分析。通过宏观地分析事故的发展过程，对掌握事故发生规律，控制事故的发生是极其有益的。

基于事件树的完整的火灾风险分析一般包括几个步骤:(1)项目概况及危险源辨识;(2)可接受风险水平;(3)损失场景设计与事件树构建;(4)初始事件可能性;(5)危害模型的建立;(6)各事件概率确定;(7)风险评估以及与风险容忍度比较。下面主要介绍几个关键步骤。

1.1 危险源辨识

危险源是指可能引起事故的根源，包括系统、过程或设备可能造成的事故、人员伤害、财产损失或环境破坏的危险物质、生产装置、设施或场所以及个人作业的不安全行为或组织管理失误等［3］。按照在事故发生、发展过程中的作用，危险源可分为两类:生产过程中存在的、可能发生意外释放的能量或危险物质为第一类危险源，导致能量或危险物质约束和限制措施破坏及失效的各种因素为第二类危险源。目前使用最广泛的危险源辨识方法为直观经验法，即对照有关标准、法规、检查表或依靠分析人员的观察能力，借助其经验和判断能力，直观地对分析对象的危险因素和风险点进行分析。

1.2 可接受风险水平

可接受风险水平就是人们可以承受的风险的大小，低于这个风险可以容忍，超出范围就必须采取措施。可接受风险水平一般可用等价货币值(Equivalent Monetary Value)来度量。可接受风险水平分为两种，一种是社会可接受风险水平，以全社会对各种同类性质的风险的接受程度为准，不仅要考虑事故发生的概率，还要考虑处于危险状况人员的数目，它反映了一个社会整体对风险的容忍程度;二是个人可接受风险水平，一般以特定的单位个体为对象，表示为个体事故中受到既定伤害程度的频率。

对人员生命赋值是一件困难且有很多争议的工作。目前，给生命安全赋EMV值还没有正式形成评估标准，查阅以往的火灾案例，2010年上海静安区11.15火灾事故中，事故责任单位承担65万元人民币的一次性死亡赔偿金。本文根据《人身损害赔偿司法解释第二十九条》标准，以50万元人民币对人员生命赋值。按照国际一般认可的生命风险可接受标准，选取1.0×10－4人/年作为可接受生命风险水平，即人员死亡水平。

财产风险可接受标准的确定与所属国家、地区、经济条件、建筑类型以及人们对风险认知程度等因素密切相关。在实际应用中，应以实际评估项目财产价值为准，合理考虑火灾损失等级与财产损失的对应关系。本文研究中，按照国际一般认可的标准，以不发生较大、重大、特别重大火灾为准，直接财产损失以不超过1 000万元人民币为限。总风险的等价货币值也以不超过1 000万元人民币为限。

1.3 事件树构建

1.3.1 确定火灾初始事件

初始事件是构建火灾事件树场景时辨识的第一事件。这个事件可能是系统或设备失效、人员失误、物质自燃或外部事件如地震、人为纵火等。辨识初始事件可以综合运用场景辨识工作表、事故树分析、历史事故记录分析、企业数据和历史情况等方法。

1.3.2 确定路径因素

路径因素是初始事件后序发生的事件。建立事件树，分析人员需要对影响火灾蔓延或限制初始事件的相关因素进行辨识。中间路径因素代表了条件状态和失效作用，在分析时需要用条件概率予以处理。通常影响火灾发展的主要因素有燃料性质、点燃情况、通风作用、消防控制系统等。

1.4 初始事件可能性

确定初始事件的可能性是构建事件树的关键，直接影响着事故后果频率的取值。表征和估计初始火灾发生可能性的方法包括:(1)统计火灾损失事故的历史数据;(2)诸如事故树(FTA)等模拟方法;在火灾历史数据不足时，可用这些模拟方法估计初始火灾事件发生的可能性;(3)工程判断，根据专家对潜在火灾可能性的认识和理解进行量化。这种认识可能基于历史数据、以往的危险或风险分析、经验、工厂具体信息以及对这些因素的综合。

1.5 风险计算与比较

风险计算过程包括支线频率计算、等量货币值的估算、年度风险水平的计算。风险计算通常可表示为危险发生的频率(possibility)与危险后果(consequences)的乘积［4］:

式中，Pi表示单个火灾事件的发生频率;Ci表示该事件产生的预期后果。

计算所得人员年度死亡风险值和等价货币值等与可接受风险水平做比较，从而评估项目风险是否处在可接受范围内，若不可接受，则采取措施将风险降低到可接受风险范围内。

2 工程实例

2.1 工程概况

本文中评价实例对象为内蒙古某能源有限公司包头油库工程，规划总库容为92 000 m3，属于二级油库。一期新建工程42 000 m3，二期预留工程50 000 m3，本项目为一期工程。工程主要包括油品火车装卸车、储存、倒罐、汽车装车等设施。一期工程共有地上立式钢结构储罐8座，其中3 000 m3内浮顶汽油储罐2座，5 000 m3内浮顶柴油罐6座。

根据现场调查，该油库西侧为储备局609处油库，南侧有学校、居民居住区和企业，一旦发生火灾，引燃旁边储备油库内的油品，整个包头市将面临重大威胁，后果不堪设想。

2.2 危险源辨识

根据重大危险源辨识指标，若满足下式则定义为重大危险源。

式中，q1、q2……qn为各种危险物质实际存在量(单位:吨);Q1、Q2……Qn为与各种物质相对应的生产或储存场所的临界量。根据工程概况计算如下:

计算可知，该油罐区内储存油品量属于重大危险源，因此准确地辨识火灾危险源是有效控制和减少火灾危害的前提。笔者通过油罐火灾案例统计分析、问卷调查以及实地调研等不同形式辨识危险源如下:

2.3 事件树的构建

2.3.1 分支路径确定

大量火灾案例表明，泄漏是油罐发生火灾的主要原因。本文以油罐泄漏作为事件树的初始事件。TNO(The Netherlands Organization for Applied Science Research)定义了承压设备、常压设备和储罐等工艺设施的泄漏情景，大致分为三种情况:瞬时全部泄漏到大气、连续10 min内泄漏到大气和连续10 min内从当量直径10 mm小孔泄漏到大气并对每种泄漏情景的频率给出了一些数值，这些频率可以当作初始事件的频率，用来进行事故情景分析［5］。本文设定初始事件为汽油储罐内油品连续10 min内泄漏到大气，频率值为5×10－6/y。储罐泄漏后的分支路径主要包括检测到泄漏并成功堵漏、形成蒸气云、立即点火、延迟点火、泡沫灭火系统成功启动等。构建事件树如图1所示。

表1 危险源辨识表Table 1 Identification of Hazard Source

2.3.2 事件频率确定

(1)点火频率的确定

点火频率是指可燃物质泄漏后被点火源点燃的频率。Davies等统计了51件储罐破裂事故，包括氨、LNG、丙烷、甲醇、汽油、乙烯、原油以及柴油、煤油，这些化学品大多是易燃气体或液化气。根据统计结果，Davies等对储罐完全破裂发生灾难性释放的过程给定了0.6的点火频率。Davies同时给出庚烷(汽油的典型成分)发生灾难性泄漏后的点火频率为0.3［6］。美国消防工程师手册中给出间断性强点火源在基于可燃物被可燃蒸气包围时的点火频率为0.9，综合HSE考虑点火源的分布情况和泄漏量的大小，本文立即点火概率取平均值0.4。延迟点火频率按照HSE考虑可燃物的性质、泄漏源、点火源存在的情况、点火源的类型、预防点火的安全措施，取值0.5。

图1 油罐区火灾事件树分析Fig.1 Event Tree Analysis of Fire in Oil Tank Area

(2)消防设施启动频率

国外研究机构对消防设施成功频率进行了大量研究。其中日本东京消防厅在1989—1998年十年间对各种消防设备完好率进行了统计研究［7］，其研究结果如表 2:

表2 日本东京消防厅消防设备完好率统计表Table 2 Fire Equipment Intact Rate of Tokyo Fire Protection Department，Japan

国外有研究通过统计历史数据来估计消防系统成功概率，如表3所示:

表3 消防系统成功概率统计数据Table 3 Statistical Data of Fire Protection System Success Probability

泡沫灭火系统成功启动并灭火的概率，结合以上两个表中数值，取平均值，即0.9。

(3)其他事件发生频率

检测失效概率和隔离失效概率一般的取值为:小泄漏的检测失效概率为0.05，中等或大的泄漏的检测失效概率为0;隔离失效概率为0.1。

形成蒸气云的概率取决于在蒸气压扩散方向是否存在障碍物。若某个区域有障碍物，则形成蒸气云的概率较大。TNO取值为0.67，SAFATI取值0.4，Less根据泄漏速率，对于慢速泄漏(＜1 kg/s)取0.04，对于中速泄漏取(1～50 kg/s)取0.12，而对于快速泄漏(＞50 kg/s)取0.30。本论文评估对象为油罐，油罐高度并不高，不足以对扩散的油气形成阻挡，进而形成蒸气云，故形成蒸气云的频率取0.1。

根据事件路径和频率，绘制事件树如图1:

2.4 火灾场景后果发生频率计算

各种不同火灾场景出现的频率可以通过初期火灾发生频率与分支事件发生频率的乘积求得。各火灾场景出现频率的计算结果如表4所示:

表4 各火灾场景发生频率Table4 Frequency of Fire Scene Occurrence

2.5 事件后果分析

2.5.1 火灾财产损失

在事件树中，不同路径的选择对应不同场景，不同的火灾场景对应不同的火灾规模，不同的火灾规模导致的火灾损失后果严重程度不同，财产风险等级也不同。本文为计算简便，将财产风险等级用1～5数字来代表“轻度”、“较轻”、“中度”、“较重”、“重大”这5个火灾财产风险等级。通过分析事件树中的不同路径的成功与否来判断财产风险等级，该油库工程总投资1.4亿元，设定不同财产损失等级与火灾类型、损失货币价值对应如表5:

表5 财产损失等级与火灾类型Table 5 Property Loss and Fire Type

事件树中不同火灾场景财产损失等级见表6:

表6 各火灾场景财产损失等级Table 6 Property Loss Level of Different Fire Scene

在获得了评价目标可能发生火灾的概率以及发生火灾后可能造成损失后果的基础上，可以通过式(1.1)来计算各火灾场景的风险大小。而生命风险、财产风险的等价货币值按下式计算［7］:

式中，RYL表示生命风险等价货币值;RL为生命风险;Y为生命货币价值;P为火灾发生概率;RYD表示财产风险等价货币值;RD是财产风险等级;RYDu为RD所属财产风险等级区间上阈等价货币值;RYDl为RD所属财产风险等级区间下阈等价货币值;RDu为RD所属财产风险等级区间上阈值;RDl为RD所属财产风险等级区间下阈值。

评估得出的结果与可接受火灾风险水平相比较，低于可接受水平，则目标火灾风险属于人们可接受的程度，目标处于安全状态。高于可接受水平，则目标发生重大火灾事故的风险较大，必须制定相应安全措施使风险水平降低到可接受水平的范围内。

2.5.2 风险评估

(1)生命风险分析

由于本文评估的是油罐区，区内的人员与商场、室内建筑等人员密集场所相比，人员分散且较少，通过走访调研，本罐区工作人员、技术人员与企业消防人员等约为150人，计算时不针对各个场景单独计算风险，取最危险情况即全部人员均在罐区内计算。生命风险计算如下:

(2)财产风险分析

各个不同火灾场景财产风险等级计算如下:

3 结论

通过构建油罐泄漏火灾事件树，并计算可知，该油罐区的人员死亡风险为7.5×10－4人/年，大于人员死亡风险容忍度1×10－4人/年;财产风险等级为1.1239，会发生“较轻度火灾”;生命风险等级货币值为7 500万元，财产风险等价货币值为549.56万元，总风险等价货币值为8 049.56万元，远远大于可容忍度1 000万元。该油罐区一旦发生火灾，将造成巨大的人员伤亡和财产损失。应加强油罐区的设备以及消防设施的安全检查;加强员工的安全意识和职业素养，防止人的不安全因素;制定应急措施，未雨绸缪，防患于未然。

［1］ 范继义.油库安全工程管理［M］.北京:中国石化出版社，2009.

［2］ 仲伟瑞.基于ETA的油库作业安全风险评估研究［J］.物流科技，2009(12):128－130.

［3］ 范维澄，孙金华，陆守香.火灾风险评估方法学［M］.北京:科学出版社，2004.

［4］ 丁平华.浅谈危险源辨识和风险评价［J］.煤炭科技，2004(2):51－53.

［5］ 舒中俊，徐晓楠.工业火灾预防与控制［M］.北京:化学工业出版社，2006.

［6］ 白永忠，于安峰，党文义，等.石化装置泄漏事故点火源及点火概率的确定［J］.中国安全科学学报，2010，20(1):61－66.

［7］ 李鹏.基于事件树的高层建筑火灾风险评估［D］.河北:中国人民武装警察部队学院，2008.