保护层分析后果严重度评价方法改进初探

陈亭竹

西南石油大学化学化工学院（四川成都610500）

保护层分析后果严重度评价方法改进初探

陈亭竹

西南石油大学化学化工学院（四川成都610500）

保护层分析中的风险分析主要是基于对危险事件的发生频率和后果严重度的预估，对后果严重度预估的不准确会直接影响到风险评价结果以及风险保护措施的应用。对后果严重度的夸大会增加不必要的风险保护措施，而对后果严重度过于保守的预估会导致风险措施的不足。通过运用定量计算的结果制定后果严重度查找表，能够帮助保护层分析组员更好地掌握工艺流程中化学品泄漏的可燃性、爆炸性以及毒性的影响，并利用准确的数据来支撑保护层分析小组对后果严重度的评估。

保护层分析；后果严重度；查找表

近年来，各类危险分析方法广泛应用于工业安全评价中，保护层分析(LOPA)是由事件树分析发展而来的风险分析方法，LOPA由确定初始事件发生的概率开始，在大多数LOPA中这些发生概率可以从事件概率数据库中得到，而在一些更精确的保护层分析中也利用详细的事故树分析及现场数据分析来支撑发生概率的确定。其后，确定每一个独立保护层的失效概率，在考虑了每一个独立保护层后计算出当所有保护层都失效时的事件发生概率，并结合事故后果评估判断其是否在公司容许范围内，增减保护层的数量。

但LOPA在后果严重度评估时可能因为分析人员的不同而变化，主观性较强，也因分析人员的经验不同以及对定性描述理解不同而相异，导致后果严重度评估的不准确与后续保护措施分析的夸大或过于保守，表1提供了一种常见后果严重度定性描述。由表1可知，在对后果进行定性分级时并没有充分考虑事故原因和过程分析，而仅凭主观经验进行判断，特别是当LOPA小组成员意见出现分歧时，没有一个可以作为参考的后果分级影响数据作为支撑。

Summers等[1]通过一致的后果严重性计算来改进PHA/LOPA。后果严重度的一致性可以通过采用查表对后果严重度的评估提供指导，帮助LOPA小组通过查找表对应实际项目情况对后果严重度进行更符合实际情况的判断，同时保留LOPA的简洁和易操作性。在Summers研究的基础上对查找表制定类型的划分进行改进，并对常见危险场景不同条件下的后果进行模拟，将严重程度进行预估并整理成查找表，以期对LOPA小组在意后果严重度评估有一定帮助。

1 后果严重度查找表的制定

1.1 初始事件的选择

保护层分析一般将初始事件分为设备故障、外部事件及人员失误3类。从近年发生的危险化学品事故统计中可知，爆炸、泄漏和火灾占所有事故的90%以上，其中泄漏是发生数量最多的类型。爆炸事故数仅次于泄漏，但是爆炸是造成人员死亡最多的事故类型[2]。而在近年来引发事故的介质统计中碳氢类化合物最多，因为碳氢类化合物不仅易燃易爆，同时由于挥发性较强在生产过程中易发生事故[3]。因此制定了设备故障中碳氢类化合物泄漏后爆炸的后果严重度查找表。

表1 后果定性分级方法

1.2 泄漏类型的判断

当确定了初始事件为碳氢类化合物泄漏后，首先对泄漏过程和对应选取的泄漏模型进行分析，对泄漏过程中的介质相态、储存方式、周围防护措施及泄漏时间等进行判断后，能够得到更加精确的泄漏量估计[4]，并为后果严重度的评估提供更精准的数据。泄漏类型分析如图1所示。

对于可燃碳氢类化合物，可针对不同泄漏模型制定相应的泄漏率查找表。以气相泄漏模型为例，提供了C1~C4的碳氢化合物泄漏后爆炸的泄漏速率查找表，并以此制定后果严重度的查找表。

1.3 泄漏孔径的选择

腐蚀、疲劳开裂和孔洞是储罐泄漏的主要原因，在发生碰撞、超压的情况下也有很大可能导致泄漏。选择API推荐的6.4mm(小)、25mm(中)、102mm(大)和406mm（破裂）4组孔径作为泄漏孔径。

1.4 泄漏速率的查找表

通过选择的泄漏模型（气相泄漏模型）、泄漏孔径（4组）以及事故场景泄漏源的压强(0.11~20MPa)制定了泄漏率查找表，如表2所示。

其中气相泄漏模型计算公式如下：

式中：Qm为泄漏率，kg/s；C0为泄漏系数；r为热容比；A为泄漏通道截面积，m2；Rg为理想气体常数，p为泄漏处压力，Pa；T0为泄漏源温度，K；p0为储罐内压，Pa；M为气体摩尔质量，kg/mol。

1.5 危害范围的查找表

在危害范围的计算中运用ALOHA(Areal Locations of Hazardous Atmospheres)模拟软件进行计算。ALOHA是一款专门为应对化学品泄漏以及应急事件预防和演练而设计的事故后果模拟软件，可以对关键危险因素包括毒性、可燃性、热辐射、超压进行分析，同时在进行后果模拟时可以通过对事故发生位置（市区或郊区）、天气（风速、稳定度、风向）及储罐材料、泄漏孔径大小以及储罐内压力等的设定得到与实际情况更相近的模拟结果[5]。用户也可根据个人判断选择使用包括高斯模型、重气模型、蒸汽云爆炸BELEVE等成熟的计算模型。

1）后果模拟天气状况的确定。在后果模拟计算中采用了美国环境保护局在后果模拟中推荐的最严重泄漏情景的假设：①风速为2.57m/s；②湿度为50%；③温度为35℃；④大气稳定度级别为B（不稳定）。

2）泄漏时间的确定。在模拟中发现，大多数泄漏情况在泄漏时间达到5min后，其泄漏后爆炸的影响范围趋于一个稳定状态，不再随着时间变化有太大的变化，故以5min作为泄漏时间进行后果模拟。

图1 泄漏分析框图

表2 气相泄漏模型泄漏率/（kg·mol-1）

3）影响范围的确定。爆炸的主要危害来自冲击波超压，ALOHA在后果模拟中用造成建筑物损坏（0.055MPa）、人员严重受伤（0.024MPa）及玻璃碎裂（0.006 9MPa）3个层次的超压强度来划分蒸汽云爆炸可能造成的影响距离，以大多数公司重点关注的人员伤害，即可能导致人员严重伤害（0.024MPa）的范围内作为后果严重度影响范围的确定标准。

当影响范围越大，人员受伤及周围设备设施受到损坏的可能性也就越大，以120m×120m作为一个典型生产单元的大小为例，以ALOHA模拟结果的影响范围（0.024MPa）和厂区面积的比例作为划分事故后果严重度的依据，气体泄漏爆炸超压的后果严重度划分见表3。

2 后果严重度查找表的应用

2.1 事故场景

以某天然气净化厂原料气管道泄漏为例。由于原料气压力高、酸性气体含量高，因此容易造成超压及腐蚀性泄漏。案例中原料气管道压力为8MPa，泄漏孔径选取2.54cm。

2.2 应用步骤及结果

图2 查找表应用步骤图

后果严重度查找表的应用步骤与查找表的制定步骤一致，通过对初始事件、泄漏类型的判断（图1），泄漏孔径的确定来对应泄漏率查找表（表2）查找泄漏率的大小，然后利用泄漏率大小对应后果严重度划分表（表3）查询影响范围的大小，并计算影响范围占整个厂区的比例，最后得出后果严重度的参考值。具体应用过程见图2。可知参考后果严重度为1级。

表3 后果严重度划分表

3 结论

通过分析LOPA中存在对后果严重度评估的主观性和不准确性，引出了以制作后果严重度查找表来为LOPA小组提供数据支撑的改进方法。并以事故发生数最多的泄漏为例介绍了制作查找表的具体步骤和方法。可应用于LOPA对大多数常见事故的后果严重度评价分析中，对常见后果严重度中用含糊的低、较低、高、较高等文字叙述分级提供了更精准、更易让LOPA小组成员意见统一的数据支撑，同时，查找表的方式保持了LOPA分析的简单和快速，对准确分析保护层是否足够防止意外事故发生具有一定的参考价值。

[1]Summers A,Vogtmann W,Smolen S.Improving PHA/LOPA by consistent consequence severity estimation[J].Journal of Loss Prevention in the Process Industries,2011,24(1):879-885.

[2]李健,白晓昀,任正中,等.2011～2013年我国危险化学品事故统计分析及对策研究[J].中国安全生产科学技术, 2014,10(6)：142-147.DOI:10.11731/j.issn.1673-193x.2014. 06.023.

[3]关文玲,蒋军成.我国化工企业火灾爆炸事故统计分析及事故表征物探讨[J].中国安全科学学报,2008,18(3):103-107.DOI:10.3969/j.issn.1003-3033.2008.03.018.

[4]潘旭海,蒋军成.事故泄漏源模型研究与分析[J].南京工业大学学报（自然科学版）,2002,24(1):105-110.DOI:10.3969/ j.issn.1671-7627.2002.01.023.

[5]邵辉,候丽娟,段国宁,等.ALOHA在苯泄漏事故中的模拟分析[J].常州大学学报（自然科学版）,2012,24(3):48-52.

The risk analysis of protection layer is mainly based on the prediction of the occurrence frequency and the consequence severity of dangerous events,and the inaccurate estimation of the consequence severity will directly affect the results of risk assessment and the application of risk protection measures.The exaggerated estimation of the consequence severity will increase unnecessary risk protection measures,and the inadequate estimation of the consequence severity will lead to lack of adequate risk protection measures.To create a consequence severity lookup table according to the quantitative calculation results can help the protective layer analysis team members to better grasp the influence of the combustibility,explosiveness and toxicity of the leakage chemicals in the technological process,and the accurate data can support the consequence severity assessment of the protective layer analysis team.

protection layer analysis;consequence severity;lookup table

学敏

2015-09-23

陈亭竹(1990－)，女，主要从事安全评价和危险模拟及相关方面的研究。