基于多米诺效应分析的油品储罐雷电灾害风险评估

银峰 刘洋 李猛

摘要以大型外浮顶原油储罐为例，基于火灾爆炸事故的多米诺效应分析方法，分析雷击诱发罐组多米诺火灾连锁事故场景，给出雷击储罐导致多米诺火灾效应的人员伤亡风险计算方法，提出适用于油品储罐的雷电灾害风险评估模型。结果表明，雷击导致的浮顶罐密封圈电火花是引起油罐火灾事故的主要原因；雷击诱发的储罐火灾可通过热辐射形式作用于邻近储罐，使得周边人员生命安全风险大幅上升；在大型油罐的雷击灾害风险评估中，可通过引入扩展因子的方法，将雷击事故引起的多米诺效应影响纳入评估模型之中，预测雷电灾害次生事故后果，为雷电防护设计提供服务。

关键词雷电灾害风险；油品储罐；多米诺效应；个人风险

中图分类号S429文献标识码A文章编号0517-6611（2016）04-229-03

Lightning Risk Assessment of Crude Oil Storage Tanks Based on Domino Effect Analysis

YIN Feng， LIU Yang， LI Meng （Lightning Protection Center of Tianjin， Tianjin 300074 ）

AbstractWith large floating roof tank as a case， the chain accident scenes of tank group caused by lightning hitting oil tanks were analyzed based on the analysis method of domino effect analysis of fire and explosion.We provided the calculation method of individual risk， and proposed the suitable model of lightning risk assessment for large scale oil tanks.Results showed that the main causation of oil tank fire accident was the electric spark of seal ring in floating roof tank.Tank fire disaster induced by lightning transported to nearby tanks through the form of thermal radiation， so that the life safety risk enhanced greatly.During the lightning risk assessment of largescale oil storage tanks， expanding factor method could be introduced so as to bring domino effects into evaluation model， to predict the secondary consequences of lightning， and to provide services for the lightning protection and engineering design.

Key wordsLightning disaster risk； Oil storage tanks； Domino effect； Individual risk

近年來，随着经济的发展和科技的进步，我国石油工业呈现规模化、园区化发展趋势[1]，大型油库、储罐日益增多，面临的雷电灾害风险也随之增大。从损害源强度而言，石油化工企业通常选址建在旷野郊区，高大罐体易成为制高点而遭受雷击。同时，企业排放的烟尘废气能影响当地气溶胶组分，加剧雷暴生成。另一方面，从承灾体易损性角度，石油化工生产、贮存的易燃易爆危险品数量和种类的增多，增加了雷击危险事故的可能性。一旦装置因雷击事故发生泄漏或爆炸事故，极易波及相邻单元和周边人员，使得危害范围进一步扩大。因此，全面认识和评价石油工业场所的雷电灾害风险，制定合理风险评估模型，既是防灾减灾的基础环节，也是石油工业发展的迫切需要。

当前的雷击风险评估方法主要依托GB/T 21714.22008《雷电防护 第二部分—风险管理》，其适用对象为一般建筑物及与建筑物相连的服务设施。关于石油化工装置的雷击风险评估尚缺乏统一标准，为此，不同学者分别探讨了区域整体评估[2-4]和单体评估[5]方法，前者对装置群落整体考虑，不能具体反映雷电灾害源影响，易扩大风险，造成结果上的偏差；后者对装置单体雷击风险单独考虑，忽略了装置毗邻空间的公共安全问题，缺乏对装置间雷电灾害风险关联性的考量。近年来，雷击油品储罐引发的爆炸火灾事故频发，其中不乏形成多米诺效应连锁事故，如1989年8月黄岛油库5#罐因雷击起火后，连续引爆1#～4#罐，大火持续燃烧104 h，造成19人死亡、78人受伤[6]；2015年4月17日美国德克萨斯州一处页岩油罐遭雷击起火，引发周围11个油罐着火，影响恶劣[7]。笔者以大型浮顶油罐为例，在以GB/T 21714.22008雷击灾害风险评估模型为蓝本的基础上，引入多米诺效应的分析方法，对雷击储罐引发的火灾事故及事故扩展造成的人员伤亡风险进行量化分析，通过将安全评价方法与现有的防雷工程模型相结合，探讨适用于油品储罐的雷电灾害风险评估方法。

1资料与方法

1.1实例概况以20 000 m3外浮顶原油储罐罐组为例，对雷电击中储罐引起的雷电灾害风险进行定量评估。罐组布置情况如图1所示。该罐组坐落于天津市南港工业区，当地雷暴日为28.4 d。罐组包含T1～T4共4个原油常压储罐。罐直径为40.50 m、高15.85 m，罐壁最薄处壁厚度为5.50 mm。储罐均采用一次、二次密封，一次密封采取机械密封。储罐之间设有防火堤，并配置有泡沫液间和手提式灭火器。储罐以自身金属罐体作为接闪器和引下线，储罐设计接地电阻≤10 Ω。

1.2雷击储罐的多米诺效应分析近年来大型浮顶储罐雷击事故表明，雷击浮顶储罐引起的火灾事故均为密封圈火灾，着火点位于密封圈处，均有多处燃爆点[8]。雷击储罐时，流过的雷电流或雷电感应电压在储罐导电片或机械密封金属连接件之间形成放电火花。在一定密封泄露条件下，空气进入二次密封内部，与油气混合达到爆炸下限，遇到雷电火花发生闪爆。若密封圈火灾未得到及时有效控制，则可能升级为全表面火灾，这是浮顶储罐火灾最为严重的一种形式，对周围热辐射强度最高，灭火难度最大。着火储罐以热辐射形式作用于邻近储罐的罐壁和浮顶，使其油品分层，在密封圈处形成热油区，直至热油区油品温度达到初沸点，可燃蒸汽穿过密封圈被点燃形成密封圈火灾，引发多米诺事故。随着可燃蒸汽大量产生，造成浮顶不稳定，导致储罐火灾面积扩大[9]。在此以雷击电火花引起储罐全表面火灾为初始事故，以周围储罐发生全表面火灾为二级事故，对雷击储罐火灾引起的多米诺效应概率和个人风险进行计算。

1.2.1初始事故频率的确定。为确定雷击引起储罐全表面火灾的频率，首先需得到雷电击中储罐的概率。根据GB/T 21714.22008，储罐每年遭受雷击的危险次数为：

ND=NG·AD·CD×10-6（1）

式中，NG为雷击大地密度，与雷暴日数TD的关系为NG=0.1TD；AD为截收面积，对高为H、半径为R的储罐AD=π（R+3H）2；CD为储罐位置因子，对周围有相同高度包围的储罐取0.5。

根据DL/T 6201997[10]，年雷暴日超过20 d的地区，有

lgP=-I88 （2）

式中，I為雷电流幅值（kA）；P为当地雷电流幅值超过I的概率。试验表明，单个导电片电流达400 A即可产生点燃性火花[11]。浮顶储罐二次密封圈内部相邻导电片间隔不超过3 m，导电片数量n约为储罐周长的1/3，产生雷击火花需要的雷电流幅为n×400（A），则储罐发生雷电事故引起储罐密封圈火灾的数学期望为P×ND。

1.2.2邻近储罐失效概率计算。热辐射引起的目标设备损坏概率可通过Cozzani等[12]建立的概率函数得到：

Pd=12π∫Y-5-∞e-x22dx（3）

式中，Y为目标设备损坏的概率单位。对常压容器而言，有：

Y=12.54-1.847 lnt （4）

lnt=-1.128lnq（r）-2.667×10-5V+9.887 （5）

式中，t为无故障时间（s）；q（r）为距火源距离r处目标接收到的热通量（kW/m2）；V为目标设备容积（m3）。

1.2.3个人风险计算。对于初始事故周围的n个可能目标，空间（x，y）处对应的个人风险IR（x，y）为：

IR（x，y）=2nj=1（fj·Vj）（6）

fj=f0·∏1≤i≤n[1-qi+δ（2qi-1）]，δ=1，i∈j

0，ij（7）

Vj=minV0+ni=1δ×Vi，1，δ=1，i∈j

0，ij（8）

式中，f0为初始事件发生年频率；qi为第i个设备失效对应的扩展概率；V0和Vj分别为初始事故和事故造成的人员死亡概率。在此采用Pietersen火灾热辐射概率模型[13]计算储罐附近人员死亡概率：

V=∫Pr-5-∞e-x22dx（9）

Pr=-37.23+2.56ln（t·I1.33） （10）

式中，t为人员承受热辐射时间（min）；I为危险区域人员受到的热辐射通量（kW/m2）。

1.2.4基于多米诺事故分析的储罐雷电灾害风险评估修正模型。当前的雷电灾害风险评估标准（GB/T 21714.2-2008）以R=N×P×L为基本公式，将建筑物单体的雷击灾害风险表示为危险次数、损害概率及损失率三者的乘积。对于油品储罐的承灾体特性，雷电击中储罐引起的人员伤亡风险包括2个风险分量，分别为：

RA=ND×PA×rA×Lt （11）

RB=ND×PB×rP×hz×rf×Lf（12）

式中，RA为雷击储罐时距离储罐3 m范围内因接触和跨步电压导致的人员伤亡风险分量；RB为雷击储罐因危险火花放电导致火灾、爆炸等物理损害引起的人员伤亡风险分量；ND为储罐的年预计雷击次数；PA为雷击储罐因接触和跨步电压造成人员伤亡的损害概率，取决于是否敷设地网；rA为影响人员伤亡损失的缩减因子，取决于土壤类型；Lt为接触和跨步电压伤害引起的损失率；PB为雷击储罐因危险火花放电触发导致人员伤亡的概率，取决于雷电防护系统措施；rP为与防火措施有关的缩减因子，取决于防火措施；hz为有特殊危险时因物理损害导致人员伤亡的增长因子，取决于人员密度；rf为火灾危险程度的缩减因子，取决于消防负荷；Lf为物理损害引起的损失率。

由雷电灾害风险评估中各因子含义可知，对于油品储罐而言，当前的评估模型未考虑连锁事故引起的风险扩散的情况，为对其进行量化，该研究在RB中增加一项风险扩散因子he，表征雷击事件引起邻近装置发生多米诺事故导致附近人员伤亡的增长因子，将其表示为：he=SeS。式中，S为初始事故引起人员伤亡的个人风险曲线围成的面积；Se为考虑多米诺扩展效应后人员风险曲线所围面积。则修正后的储罐雷击风险评估模型为：

RA=ND×PA×rA×Lt （13）

RB=ND×PB×rP×hz×he×rf×Lf （14）

2结果与分析

2.1初始事故频率郎需庆等[14]研究指出，一次密封采用机械密封形式，油气浓度达到爆炸极限的概率为19%。同时，LASTFIRE项目组对世界范围内浮顶罐火灾事件统计，55次密封圈火灾中有1例升级为全表面火灾[9]。根据公式（1）、（2），计算得到储罐T1因雷击发生全表面火灾事故的年频率约为4.54×10-5。

2.2邻近储罐失效概率通过ALOHA软件模拟计算T1储罐发生全表面火灾时周围空间的热辐射通量强度，根据公式（3）～（5），计算得到热辐射通量强度和邻近储罐失效概率随储罐距离的变化情况（图2）。由储罐区平面（图1）可知，储罐T2、T3、T4与T1距离分别为16.2、16.2和39.7 m。根据邻近储罐失效概率随储罐距离变化（图2），确定邻近储罐T2、T3、T4失效扩展概率分别为3.12×10-2、3.12×10-2和4.29×10-4。

图2邻近储罐失效概率与储罐间距的关系

Fig.2Relationship between failure probability of nearby tanks and tank spacing 2.3雷击储罐引起的多米诺事故个人风险根据公式（6）～（10），将罐组周边空间区域网格化，计算储罐T1单独发生雷击事故和邻近储罐发生多米诺事故的个人风险曲线，其中邻近储罐发生事故的多米诺场景分别为储罐T2发生事故，储罐T3发生事故，储罐T4发生事故，储罐T2和T3发生事故，储罐T2和T3发生事故，储罐T3和T4发生事故，储罐T2、T3和T4发生事故。对比考虑雷击储罐多米诺效应前后的个人风险（图3）可知，当考虑多米诺效应时，因雷击而引发火灾事故的伤亡半径明显高于不考虑多米诺效应的危害后果，表明当雷电击中装置区某储罐时，由于其扩展效应，周边储罐也会产生很高的人员伤亡风险。因此，在大型油罐的雷击灾害风险评估中，对于雷击风险的扩展效应的考虑十分必要。

2.4基于多米诺事故分析的储罐雷电灾害风险评估根据工业ALARP原则[15]和GB/T 21714.22008人身伤亡风险容许值的有关规定，将每年雷击灾害引起的人员伤亡的个人风险等值线数值规定为1.0×10-5，从而得到风险扩展前后风险曲线所包围的面积，进而计算得到储罐T1的扩张因子he为1.56，其他风险因子数值见表1。根据储罐雷电灾害风险评估修正模型，计算得到RA=2.05×10-6、RB=3.20×10-6，则雷击T1储罐引起的人员伤亡风险值R1=5.25×10-6，低于GB/T 21714.22008规定的人员伤亡风险容许值（10-5），属于可接受风险。

3结论

近年来雷电灾害引起的储罐火灾爆炸事故越来越多，建立合理的风险评估模型十分必要。当前的雷电灾害风险评估标准对于石油化工装置存在较大的局限性。该研究以雷电灾害对大型浮顶原油储罐罐组影响为切入点，分析了雷击引起爆炸火灾事故的情境，确定了储罐因雷击发生全表面火灾的基础概率，并采取多米诺效应的分析方法，建立了适用于大型浮顶储罐的风险评估模型，细化了评估模型中雷击风险扩散的量化标准，最后以天津市南港工业区20 000 m3外浮顶原油罐组为实例，通过对雷电击中储罐引起的雷电灾害风险进行计算和分析，得到如下结论：

（1）雷击导致的浮顶罐密封圈电火花是引起油罐火灾事故的主要原因。雷击诱发的储罐火灾可通过热辐射形式作用于邻近储罐，引发多米诺事故。通过实例计算表明，雷电电火花引发储罐全表面火灾后，由于初始事故多米诺效应，伤害半径有所增加，个人风险大幅上升。

（2）对于油品储罐的雷击灾害风险，可通过引入扩展因子的方法，将雷击事故引起的多米诺效应影响纳入评估模型之中，使得评估方法更有针对性，为石油化工场所的防雷减灾工作提供服务。

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