基于事件链的罐区定量风险评估

赵金龙，黄　弘，李　聪，王建军



基于事件链的罐区定量风险评估

赵金龙，黄弘，李聪，王建军

（清华大学工物系/公共安全研究院，北京 100084）

摘要:罐区储罐相对集中，发生事故后容易产生连锁效应，引发灾害性后果。本文根据储罐事故的发生发展规律，将事件链效应引入罐区定量风险评估中，建立了基于事件链的罐区定量风险评估方法。该方法以罐区中实际可能发生的事故场景作为风险计算依据，定量计算了罐区个人风险和社会风险。同时，利用个人风险判定准则，对事故场景数目进行了有效的筛选，避免冗长、复杂的计算。最后，以某罐区雷击事件链为例，探讨了事件链效应对罐区风险结果的影响。得出:在考虑事件链的条件下，罐区风险明显增加，需要规划改善的区域相应扩大。因此，对于大型罐区风险评估与规划，考虑事件链效应是十分必要的。

关键词:储罐区；事件链效应；定量风险评估；个人风险；社会风险

引 言

油品储备直接关系到国家能源战略安全。随着经济发展，我国先后在沿海地区建设了多座油品储罐区，如镇海罐区、宁波罐区等。由于缺少合理的土地规划以及适当的定量风险评估方法，造成已建或者在建罐区潜在风险巨大[1]。2006年7月国家环保总局排查了7555个化工石化项目，结果表明81%的建设项目位于江河流域、人口密集区等环境敏感区域，45%为重大风险源[2]。同时，新建罐区油品储量巨大，储罐相对集中，发生事故后容易发生连锁效应，引发灾害性后果，如2015年4月6日漳州古雷石化罐区大火，最初事故储罐先后引燃了邻近3个储罐，并且罐区火灾反复复燃，持续了将近 3天，救灾过程导致6人受伤，被迫疏散周围29096名群众，造成了严重的社会影响[3]。因此，加强对储罐区的定量风险评估，尤其是针对罐区内连锁事故的风险评估是十分必要的。本文根据储罐事故的发生发展规律，将事件链效应引入到罐区定量风险评估中，建立了基于事件链的罐区定量风险评估方法。同时，利用个人风险判定准则，对事故场景数目进行了有效的筛选，避免冗长、复杂的计算。最后，以某罐区雷击事件链为例，探讨了事件链效应对罐区风险结果的影响。

1　事件链概念

本文将某一始发事件发生后，引发了一系列次生、衍生事件的现象定义为事件链[4]。基于事件链的风险评估是以初始事故作为事件链的起始端点，研究事故发展过程中的扩展事故，确定出可能形成的事故场景，针对事故发生场景及发生概率，定量计算罐区风险值，并以此制定相应的风险管理方案[5]。其中，罐区初始事故是指罐区最初发生的事故，通常以单一储罐事故作为初始事故；扩展事故是指初始事故发生后，邻近储罐在危险有害因素作用下发生失效的事故[6]；罐区事故场景指罐区所有储罐可能发生事故的组合情况[7]。

2　罐区事件链分析评估流程

基于事件链风险评估的重点在于确定事件链中的始发事故以及扩展事故之间的转换关系。在具体分析中可以分为几个部分:确定始发事故、明确扩展事故、选择有效事故场景和罐区风险计算，具体流程见图1。

2.1 确定分析始发事故

在基于事件链的定量风险评估流程中，首先需要确定储罐始发事故的类型，并计算该始发事故发生的概率。

Abdolhamidzadeh等[8]对224起化工连锁事故进行统计分析，得出爆炸作为初始事故占总连锁事故数目的57%，火灾占总事故数目的43%。本文对上述224起事故进一步分类，不考虑运输和处理加工过程中储罐事故，获得54起罐区事故，其中火灾作为初始事故占 46.3%，储罐爆炸作为初始事故占38.9%，其余初始事故占14.8%。因此，本文重点考虑火灾和爆炸作为罐区的始发事故。

图1　罐区事件链的定量风险评估流程Fig.1 Flow diagram of procedure used for quantitative assessment of risk based on event-chain

针对始发事故发生的概率，Chang等[9]对发生在1960～2003年的242起储罐事故发生原因进行了分析，绘制了罐区事故鱼刺图，图中列出了8大类导致罐区事故的原因，具体细分为52种。根据罐区事故鱼刺图，结合事件树分析即可求得初始事故的发生概率。同时，针对部分特定原因造成的储罐破坏，国外学者建立了相关的定量计算模型，如Salzano等[10-11]建立了储罐破坏程度与峰值加速度的对应关系和概率计算模型，Necci等[12-13]建立了雷击和洪水作用下储罐失效的概率模型。

2.2 事故扩展概率模型

罐区发生火灾或爆炸等始发事故后，产生危险因素主要为辐射和爆炸冲击波。辐射和冲击波分布可以分别依据池火模型和 TNO模型计算求得，具体可参考美国消防指导手册（SFPE）和法国黄皮书（Yellow Book）等[14-15]。

始发事故发生后，邻近储罐在危险因素作用下，失效概率增加，引发连锁事故。连锁事故扩展过程中，各类有害因素相互耦合，机理相对复杂。Cozzani等[6]根据大量的连锁事故案例，统计分析得出失效概率模型。

其中，P(j|i)代表储罐i发生事故后储罐j失效概率；中间变量Y计算方法见表1。

该模型以导致事故扩展的热辐射、冲击波、爆炸碎片等危险因素作为分析依据，经过验证能够很好地预测事故扩展概率，并且相对简单，因此得到了广泛的应用，如 Cozzani等[16-18]、季学伟等[4]利用了该模型对化工园区的连锁事故进行风险评估。本文也基于该模型对事故扩展进行定量计算。

表1　事故扩展失效概率模型参数Y[6]Table 1 Models for escalation probability used for event-chain

2.3 有效事故场景筛选

对于大型罐区，初始事故发生后，罐区内储罐相对较多，形成的事故场景数可达 2n（n为储罐数量），因此需要一种简单有效地筛选方法，确定出罐区内有效的事故场景。储罐i（i为储罐编号）发生事故后，事故场景S的发生概率为

其中，k为事故场景S中储罐失效数目，j为在始发事故影响下发生事故的储罐编号；fi为始发事故的发生概率。对罐区定量风险评估，通常以个人风险作为衡量风险大小的指标，并且部分国家给出了相关判断标准，见表 2[19]。本文以荷兰个人风险的容忍风险值作为筛选有效场景的准则，即事故场景发生概率小于10-6时，即看作无效事故场景。通过该筛选准则可减少大量事故场景，避免复杂、冗长的计算。

2.4 风险计算

个人风险是指长期出现在某一特定位置且未受保护的个体由于灾害的发生而导致死亡的概率；

表3　不同国家或地区对个人风险标准可接受标准Table 2 Individual risk acceptance criteria for different countries or regions

社会风险是指园区内任何大于或等于特定人数死亡的事件发生的概率[19]。人员暴露在不同有害因素环境中，受到的伤害不同。国外学者根据大量实验得出了在不同热辐射和爆炸冲击波作用下，人员死亡的概率为

其中，Y为中间变量，计算过程见表3。

表3　人员脆弱性模型[20]Table 3 Models for human vulnerability[20]

针对不同事故场景，危险有害因素可分为瞬时危险有害因素和持续性危险有害因素，在罐区事故中分别对应了冲击波和热辐射。

热辐射作用导致人员死亡的风险

爆炸冲击波导致人员伤亡的风险

罐区最终的个人风险计算表达式为

社会风险是评价罐区合理性的一个重要指标。Jonkman等[21]给出了相关计算公式

其中，ρ(x,y)表示罐区内某区域的人员密度。对定量风险评估，部分国家给出了个人风险判断标准，见表 2[19]。其中，荷兰提出的风险接受水平得到了国际上普遍的认可。本文采用该标准作为衡量风险大小的判定依据。

图2　社会风险评价标准图Fig.2 Map of social risk assessment criteria

对社会风险，荷兰相关部门明确要求

其中，1-FN(X)表示死亡人数超过X人的累积概率。对危化品存储装置，规范中选取n=1,C=10-2定义为风险中性区域；规范中选取n=2,C=10-2定义为风险规避区域[21]。社会风险通常以F-N曲线来表示，具体见图2。

3　事件链案例研究与讨论

选择某一罐区单元作为研究对象，分布见图3，分析雷击导致的罐区风险。储罐类型为浮顶储罐，直径为32 m，高25 m，承装油品为汽油，燃烧热值为4.6×107 J·kg-1，该地的年雷暴平日数为25 d，人口密度为0.01人·m-2，人员暴露时间为10 s。储罐的相对位置参数见表 4。在算例中，分别以每个浮顶储罐的全表面火灾作为罐区始发事故。

图3　某罐区储罐分布图Fig.3 Distribution of storage tanks

表4　储罐的相对位置参数Table 4 Relative coordinates of the tanks

根据雷击储罐的特点，结合事故扩展规律，绘制罐区雷击事件链，见图 4。通过计算事件链中节点发生的概率，得出由于雷击导致的罐区个人风险和社会风险。

图4　罐区雷击事件链示意图Fig.4 Lighting event-chain of the storage tank areas

首先，雷击导致的始发事故发生概率fi可通过式(9) 计算得出

式中，ND每年储罐遭到雷击的频率；P为储罐遭遇雷击后发生火灾概率。

国际电工委员会提出的 IEC 62305—2给出了ND计算公式[22]

其中，CD为储罐位置因子，取值为0.5；NG为雷击大地密度，结合当地雷暴日数取值为 2.5；AD为储罐对雷电截收的有效面积

式中，D为储罐直径，H为储罐高度。

储罐遭到雷击引发火灾的概率，由式(12)[23]计算

其中，I为储罐导电片的临界电流，取值0.04 kA。

罐区火灾发生后，可根据池火模型计算不同位置处的辐射强度[14-15]

式中，E为火焰表面发射率，kW·m-2; τ为大气透射率，取值1；F12为角系数，在火焰形状一定条件下，该值取决于目标物体到火焰的距离。其中，E和F12的详细计算过程可参考SFPE中第11节[14]。

3.1 以储罐1作为初始事故储罐

根据式（9），得出Tank 1遭到雷击并发生池火的概率（f1）为0.0153次·年-1。储罐 1发生全表面火灾后，根据池火模型，计算得出罐区内热辐射的分布。结合式（1），得出邻近储罐失效的概率，计算结果见表5。

表5　储罐1发生火灾后邻近储罐发生事故概率Table 5 Failure probability of surrounded tanks under Tank 1 with a full surface fire

通过表5得出，储罐1发生全表面火灾后，储罐2和3与储罐1的距离最近，发生失效的概率相对其他储罐较大，计算结果符合实际情况。然后以周围储罐失效概率为基础，可得出不同的事故场景和相应场景发生的概率，见表6。

根据表6看出，场景2、3、5发生概率大于10—5，同时伤亡人数大于最初的事故场景 1，说明罐区扩展事故造成的风险不可忽略，需要考虑。根据不同事故场景及发生的概率，可以得出:在不考虑事件链的条件下，会忽略很多对罐区风险影响较大的事故场景，造成风险计算值与实际值存在较大偏差。为了直观分析事件链效应对罐区风险分布的影响，本文对比了储罐 1发生火灾后，是否考虑事件链效应的风险分布变化。

表6　储罐1发生火灾可导致的事故场景Table 6 Possible accident scenarios under Tank 1 with a full surface fire

根据个人风险值大小，将罐区分为死亡区（IR>10-2）、不可接受区域（10-5

通过对比图5和图6的风险分布变化，可得出:在考虑事件链的条件下，不可接受区域面积扩大了将近一倍，同时风险规划区域面积明显增加。因此，在不考虑事件链的条件下，风险计算结果与实际风险分布偏差很大，直接影响到罐区内重要装置的布置。

图5　不考虑事件链储罐1造成的个人风险分布Fig.5 Individual risk distribution of Tank 1 without considering event-chain

图6　考虑事件链储罐1造成的个人风险分布Fig.6 Individual risk distribution of Tank 1 with considering event-chain

3.2 以储罐3作为初始事故储罐

储罐3相对储罐1，周围储罐相对密集，风险相对较大。根据式（9）储罐 3遭到雷击的频率是0.0153次·年-1。表7列出了在储罐3发生事故后，邻近储罐发生破坏的概率。储罐3发生火灾后，可形成的事故场景见表8。

表7　储罐3发生火灾后邻近储罐发生事故概率Table 7 Failure probability of surrounded tanks under Tank 3 with a full surface fire

根据表6与表8比较分析，得出储罐之间距离越近，数量越多，形成的有效事故场景数量越大，事件链效应相对明显。图7和图8分别绘制了Tank 3发生火灾后是否考虑事件链效应的个人风险分布对比图。根据图7和图8风险分布变化，可以得出，考虑事件链效应时，罐区实际风险增加，尤其是不可接受区域面积明显扩大。

图7　不考虑事件链效应Tank 3造成的个人风险Fig.7 Individual risk distribution of Tank 3 without considering event-chain

3.3 罐区雷击风险分析

罐区雷击风险分析依次以单个储罐发生火灾作为初始事故，分析和筛选可形成的事故场景，根据有效事故场景计算整个单元内的风险大小，其中计算中间步骤可按照3.1节和3.2节。本文对比是否考虑事件链的个人风险分布变化，见图9、图10。

图8　考虑事件链效应Tank 3造成的个人风险Fig.8 Individual risk distribution of Tank 3 with considering event-chain

图9　不考虑事件链效应的罐区雷击个人风险分布图Fig.9 Individual risk distribution because of lighting based on traditional method

图10　考虑事件链效应的罐区雷击个人风险分布图Fig.10 Individual risk distribution because of lighting based on event-chain method

通过图9、图10的个人风险分布图，得出雷击对于该地罐区影响较大，需要重点预防。对比风险规划区域和不可接受区域的面积变化，说明事件链效应对于罐区影响十分明显。对于重要控制装置的布置如阀门等，应该避免出现在不可接受区域内。

基于个人风险大小，结合罐区周边人口密度，社会风险的计算结果见图11。

结合社会风险判断曲线（图 2），该罐区单元内储罐布置需要适当调整或降低周围人口密度，避免罐区社会风险进入风险规避区域内（红线以上区域）。根据社会风险图，可以看出是否考虑事件链效应对评估结果影响很大，需要重点关注。因此，对于大型罐区风险评估，考虑储罐之间的相互作用是十分必要的。

图11　罐区社会风险图Fig.11 F-N societal risk curves obtained from analysis of storage tank areas

4　结 论

（1）基于事件链风险评估，考虑了罐区事故的动态发展过程，符合事故发展的实际规律。同时，以事故场景作为定量风险分析的依据，结果符合实际。

（2）大型罐区储罐数量多，相对密集，引入事件链效应后，考虑了更多合理的事故场景，罐区风险明显增加，需要重点规划改善的区域扩大。因此，在实际规划中需要重点考虑事件链效应。

（3）风险分析过程中引入了个人风险接受准则，对事故场景进行了有效的筛选，避免了冗长、复杂的计算，使该方法能够适用于大型储罐区，扩大了评估方法的应用范围。

符 号 说 明

Ps——超压值, kPa

q——热辐射强度，kw·m-2

te——人员暴露时间，s

ttf——储罐失效时间，s

V——储罐容积，m-3

下角标

e——单次爆炸冲击波

ep——多次爆炸冲击波

rd——热辐射

total——总和

References

[1] 吴宗之, 许铭. 化工园区土地利用安全规划优化方法[J]. 化工学报, 2011, 62(1):125-131.

WU Z Z, XU M. Optimization method of land—use safety planningfor chemical industry park [J]. CIESC Journal, 2011, 62(1): 125-131.

[2] 国家环保总局. 环保总局公布全国化工石化建设项目环境风险排查结果[R]. 北京:国家环保总局, 2006.

State Environmental Protection Administration. The results of the investigation to environmental risk of petrochemical and chemical construction projects in Chin [R]. Beijing: SEPA, 2006.

[3] 项开来,沈汝发,王成. 福建漳州古雷石化大火环境未现异常[N]. http://www.fj.xinhuanet.com/xhs/2015-04/111114936832 .htm.

XIANG K L, SHEN R F, WANG C. The environmental condition of Zhangzhou Gulei did not appear abnormal under the petrochemical fires [N]. http://www.fj.xinhuanet.com/xhs/2015-04/111114936832. htm.

[4] 季学伟, 翁文国, 赵前胜. 突发事件链的定量风险分析方法[J]. 清华大学学报(自然科学版), 2009, (11): 1749-1752.

JI X W, WENG W G, ZHAO Q S. Quantitative disaster chain risk analysis[J]. Journal of Tsinghua University(Natural Science Edition), 2009, (11): 1749-1752.

[5] KHAN F I, ABBASI S A. An assessment of the likelihood of occurrence, and the damage potential of domino effect (chain of accidents) in a typical cluster of industries[J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2001, 14(4): 283-306.

[6] COZZANI V, GUBINELLI G, ANTONIONI G, et al. The assessment of risk caused by domino effect in quantitative area risk analysis[J]. Journal of hazardous Materials, 2005, 127(1): 14-30.

[7] 马科伟, 朱建新, 包士毅. 基于多米诺效应的化工园区定量风险评估方法研究[J]. 浙江工业大学学报, 2011, 39(1): 29-33.

MA K W, ZHU J X, BAO S Y. Research on quantitative risk assessment in chemical park based on domino effect model [J]. Journal of Zhejiang University of Technology, 2011, 39(1): 29-33.

[8] ABDOLHAMIDZADEH B, ABBASI T, RASHTCHIAN D, et al. Domino effect in process-industry accidents—an inventory of past events and identification of some patterns[J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2011, 24(5): 575-593.

[9] CHANG J I, LIN C C. A study of storage tank accidents[J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2006, 19(1): 51-59.

[10] SALZANO E, IERVOLINO I, FABBROCINO G. Seismic risk of atmospheric storage tanks in the framework of quantitative risk analysis[J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2003, 16(5): 403-409.

[11] FABBROCINO G, IERVOLINO I, ORLANDO F, et al. Quantitative risk analysis of oil storage facilities in seismic areas[J]. Journal of Hazardous Materials, 2005, 123(1): 61-69.

[12] NECCI A, ANTONIONI G, COZZANI V, et al. A model for process equipment damage probability assessment due to lightning[J]. Reliability Engineering & System Safety, 2013, 115: 91-99.

[13] LANDUCCI G, ANTONIONI G, TUGNOLI A, et al. Release of hazardous substances in flood events: damage model for atmospheric storage tanks[J]. Reliability Engineering & System Safety, 2012, 106: 200-216.

[14] DINENNO P J. SFPE Handbook of Fire Protection Engineering[M]. New York: John Wiley & Sons Inc., 2008.

[15] VAN DEN BOSCH C, WETERINGS R. Methods for the calculation of physical effects: due to releases of hazardous materials (liquids and gases)[M]. The Hague, 1997.

[16] GUBINELLI G, ZANELLI S, COZZANI V. A simplified model for the assessment of the impact probability of fragments [J]. Journal of Hazardous Materials, 2004, 116(3): 175-187.

[17] CAMPEDEL M, COZZANI V, GARCIA-AGREDA A, et al. Extending the quantitative assessment of industrial risks to earthquake effects [J]. Risk Analysis, 2008, 28(5): 1231-1246.

[18] ANTONIONI G, SPADONI G, COZZANI V. Application of domino effect quantitative risk assessment to an extended industrial area [J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2009, 22(5): 614-624.

[19] CHRISTOU M D, AMENDOLA A, SMEDER M. The control of major accident hazards: the land-use planning issue [J]. Journal of Hazardous Materials, 1999, 65(1): 151-178.

[20] LEES F. Lees' Loss Prevention in the Process Industries: Hazard Identification, Assessment and Control [M]. Butterworth-Heinemann, 2012.

[21] JONKMAN S N, VAN GELDER P, VRIJLING J K. An overview of quantitative risk measures for loss of life and economic damage[J]. Journal of Hazardous Materials, 2003, 99(1): 1-30.

[22] International Electrotechnical Commission. Protection against Lighting-Part 2: Risk Management: IEC62305-2 [S]. London: European Standards, 2006.

[23] 中华人民共和国电力工业部. 流电气装置的过电压保护和绝缘配合: DL/T 620-1997 [S]. 北京: 中国标准出版社,1997.

Electric Power Industry Ministry of the People’s Republic of China. Overvoltage protection and insulation coordination for AC electrical installations: DL/T 620-1997 [S]. Beijing: Standards Press of China, 1997.

2015-12-25收到初稿，2016-02-24收到修改稿。

联系人:黄弘。第一作者:赵金龙（1988—），男，博士研究生。

Received date: 2015-12-25.

中图分类号:X 4

文献标志码:A

文章编号:0438—1157（2016）07—3084—07

DOI:10.11949/j.issn.0438-1157.20151908

基金项目:“十二五”国家科技支撑计划项目（2015BAK12B01）；化学品安全控制国家重点实验室开放课题（10010104-15-ZC0613-0107）。

Corresponding author:Prof. HUANG hong, hhong@tsinghua.edu.cn supported by the National Key Technology Research and Development Program of the Ministry of Science and Technology of China (2015BAK12B01) and the State Key Laboratory of Safety and Control for Chemicals(10010104-15-ZC0613-0107).

Quantitative risk assessment in storage tank areas based on event-chains

ZHAO Jinlong, HUANG Hong, LI Cong, WANG Jianjun
(Institute of Physical Engineering/Institute of Public Safety Research, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

Abstract:Large storage tank areas are easily involved into severe accidents because of event-chains. According to the accidental escalation’s law of tank accidents, the quantitative risk assessment method based on event-chains is developed. In the method, the individual risk (IR) and societal risk (SR) are calculated based on the practical accident scenarios that may occur because of event-chains. Moreover, the principals of individual risk are introduced to determine the effective scenarios, and thus many practical scenarios will be cut down. In the paper, the lightning event chain of tank areas is taken as an example. From the result, it can conclude that some common scenarios that have obvious effects are neglected and the calculated results are conservative by using the traditional method. Moreover, the planning areas enlarge obviously as the event chains are considered. Therefore, it is essential to consider the event chain especially for big tank areas.

Key words:tank areas; event-chain; quantitative risk assessment; individual risk; societal risk