定量风险评价法中泄漏失效频率探讨

尚腾飞+吴佳亮

摘 要：运用定量风险评价法进行定量分析计算的时候，一直备受关注的就是设备设施失效频率的分析和失效数据库的建立。用DNV（挪威船级社）开发的LEAK软件通过举例对泄漏失效频率进行计算，指出失效数据库对定量风险评价的重要性。

关键词：定量风险评价法；泄漏；失效频率；LEAK软件；失效数据库

中图分类号：TB 文献标识码：A doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2017.34.093

1 定量风险评价法概述

定量风险评价法简单说就是采用定量化的概率风险值（比如个人风险和社会风险）是对装置发生事故的概率及其后果进行定量分析和计算，参考相关可接受风险标准对系统危险性进行风险评价并确定外部安全防护距离的方法。

2 定量风险评估技术的历史

国外定量风险评价从化工行业开始，始于20世纪60年代。美国道（DOW）化学公司于1964年首先提出“火灾、爆炸危险指数评价法”，英国帝国化学公司（ICI）蒙德（MOND）部在此基础上加入毒性概念，提出了“蒙德火灾、爆炸、毒性指标评价法”。日本劳动省以DOW指数法和MOND法作为参考，于1976年提出 “化工厂安全评价六阶段法”。

20世纪70年代初，英国原子能管理局的FARMER于1967年提出了概率风险评价。美国的Rasmuessn教授于1974年发表了著名的《WASH-1400》（商用核电站轻水反应堆的风险评价）报告。英国则成为20世纪70年代以来最早系统研究重大危险源控制技术的国家。

荷兰政府灾害预防委员会CPR出版有黄皮书（YELLOW BOOK）、红皮书（RED BOOK）和紫皮书（PURPLE BOOK）。黄皮书中主要提及失效后果的物理模型，红皮书提及失效频率的计算方法，紫皮书阐述了定量风险评估的计算方法，为定量风险评估软件的开发打下基础。

3 计算过程

首先要确定被模拟的事故场景，接着根据理论知识和事故经验进行危险源辨识，辨识过危险有害因素，识别出危险源后，失效频率分析将估算其转化为事故的可能性。与此同时，通过计算机模拟加上适当的判断模拟估算事故发生的后果影响，及其对人员、设备和结构、财产等造成的损失。

风险结果就是在模拟事故场景后得出的发生频率和事故后果的估算值的最终结果。

根据定量风险分析（QRA）的结果在设计阶段和装置的安全管理上提出更多有效的安全对策措施。在整个过程当中引进一个迭代循环，通过重复定量风险分析（QRA）的计算，能够估算出安全对策措施的可行性。参照《AQT3046-2013化工企业定量风险分析导则》，定量风险分析（QRA）基本程序如图1所示。

图1 定量风险分析基本程序

4 风险标准

风险标准可以理解为判断风险是否可接受的标准。依照设定的标准比较风险级别并对其主要风险因子进行识别，这一过程即为风险分析。风险分析的目的是对不可接受风险的发生提出的改善措施，同时也为了将风险的整体等级降低到尽可能降低区（As Low As Reasonably Practicable，简称为ALARP）。

一般来说风险成果分为两种风险类型，即个人风险和社会风险。定量风险分析（QRA）中对界区外的风险用个人风险等高线和F-N曲线表示。

4.1 个人风险和个人风险标准

個人风险是指单位时间内（通常为一年）的个体死亡率。通常用个人风险等值线表示。个人风险等高线一般皆采用特定位置个人风险（Location Specific Individual Risk，简称为LSIR）的计算方法，其表示界区外某一个体持续出现在某一特定位置所遭遇的各类安全事故的频率。基于特定位置个人风险的定义，以个人死亡风险等高线形式表示的风险结果是保守的。

需要注意的是风险等高线没有提供任何关于人数受到影响的信息，只是人员存在于特定位置的死亡机率。个人风险等高线一般是用来评估外界对设施风险的可接受度，例如居民区、商业区和化工园区等。

通过定量风险分析，危险化学品单位周边重要目标和敏感场所承受的个人风险应满足相关法律法规和标准规范的规定。主要是针对低密度人员场所、居住类高密度场所和公众聚集类高密度场所以及高敏感场所、重要目标和特殊高密度场所等防护目标的失效概率，在针对新建装置和已建在役装置上的要求各有不同。

4.2 社会风险和F-N曲线

社会风险是对个人风险的补充，指在个人风险确定的基础上，考虑到危险源周边区域的人口密度，以免发生群死群伤事故的概率超过社会公众的可接受范围。通常用F-N曲线表示。

可容许社会风险标准采用ALARP原则作为可接受原则。ALARP原则通过两个风险分界线将风险划分为3个区域：不可容许区、尽可能降低区（ALARP）和可容许区。

如果F-N曲线处于不可接受区域，这意味着周边人群暴露于偏高的风险，必须尽全力降低其风险。如果F-N曲线处于可接受区域，意味着周边人群暴露于可以接受的风险，因此无需采取更进一步的风险降低措施。如果F-N曲线处于尽可能降低（ALARP）的区域内，企业应根据自身的经济状况和现实情况来确定是否应采取特定的安全对策措施来降低风险，提高安全生产水平。

4.3 风险计算

通过给定时间内热辐射强度、冲击波超压、毒物扩散浓度的概率可计算出火灾、爆炸、有毒气体泄漏事故的死亡概率。

假设区域内一危险源，其在区域内某一空间地理坐标为（x，y）处产生的个人风险值可以在频率和后果分析基础上，经过一系列复杂的演算得出，计算公式如下：

但是在通常情况下，失效后果及个人风险计算量非常大，一般需借助专业的风险评估软件实现较为准确的计算。endprint

5 DNV公司定量风险分析软件介绍

挪威船级社（DNV）的定量风险分析软件（SAFETI）已在世界许多国家得到广泛运用并受到多方好评。国家安监总局在相关文件中也推荐使用此软件进行定量风险评估，软件主要包括PHAST、SAFETI和LEAK。其中PHAST软件主要用于事故后果的模拟计算；LEAK软件是用于计算不同设备或装置的事故发生概率（失效频率）；SAFETI软件（部分版本也叫RISK）主要用于定量风险分析。SAFETI软件对前期数据的收集，模型的创建，事故场景的模拟等具有非常高的要求，要求操作者充分熟悉现场情况，准确分析可能发生的事故情景，精确输入相关的工艺设备参数、气象参数、着火点分布和人口分布等。通过对事故发生后其热辐射强度、爆炸压力及毒性扩散区域进行分析计算，加入失效频率，得出每一个可能发生的事故对每个风险观测点和周边环境造成的影响，并在评估报告中提出相应的对策措施。

运用SAFETI软件进行定量风险计算，根据事故状态的不同，选用不同的模型进行计算，以数字或者图标的形式显示风险结果，然后将该结果与相应的风险标准进行比较得出其风险是否可接受。若得到的风险结果是可以接受的，则工作完成；若风险结果不能接受，则应考虑相应的安全措施，例如加设保护层，然后进行重复计算，直到降低风险只可以接受的程度。

6 失效频率分析

6.1 失效频率

在定量风险评估软件计算过程中，对结果有影响的包括很多方面，其中一直备受关注的就是失效频率的分析。事故失效频率的分析包括固定泄漏场景下设备设施泄漏频率和泄漏发生后产生的事故后果的概率。泄漏频率主要来源于企业失效数据库、事故历史数据、供应商提供的数据以及失效概率模型。

6.2 泄漏场景

事故概率的分析和定量风险评价首先要将事故发生的场景进行模拟和识别。泄漏场景的选定应综合考虑设备设施的工艺流程、工艺参数、事故模拟和实际运行情况。泄漏场景根据泄漏孔径大小分为小孔泄漏、中孔泄漏、大孔泄漏和完全破裂。当设备设施直径小于150mm时，取小于设备设施直径的孔径的泄漏场景或完全破裂场景。表1中列出了四种现在常用的泄漏场景。

6.3 数据库

在失效频率数据库方面，基础泄漏频率分析数据通过历史事故统计分析得到。目前我们接触到的常用失效数据库包括美国化学工程师协会的PERD数据库、挪威船级社的DPD数据库和OREDA数据库等。中国已推出《石油天然气工业设备可靠性和维修数据的交集与交换》（GB/T 20172-2006）标准，但是目前国内没有完整的失效数据库，通常的做法是采用国外数据库的失效概率并根据国内设备情况和管理情况进行修正，并不能精确反映国内设备的失效情况。

在实际运用中，我们通常选择计算机软件来完成失效频率的选择，本文采用挪威船级社（DNV）开发的LEAK软件进行分析计算，并结合浙江省安全生产科学研究院的数据库进行相应的筛选和调整。

浙江省安全生产科学研究院建立的企业安全基础数据库是一个开放的、实时更新的、不断完善的、系统化的数据平台。数据库包含法律法规、标准规范、气象条件、水文条件、危险化学品理化性质（MSDS）、典型危险工艺分析、化工操作单元的危险性分析、常用危险化学品事故处置方案、典型事故应急处置方案、安全事故案例、事故调查报告、定量计算模型、设备设施失效统计、地理信息系统等板块。数据库平台的搭建是为了更好的指导和服务于安全生产。

在前文提到的，挪威船级社在失效概率数据库的开发上做了很多的努力，数据库中的大部分数据来源于海洋石油公司。此外，DNV针对泄漏失效的问题，专门开发了泄漏评价软件（LEAK），以帮助企业计算出符合企业自身条件的失效概率数据，从而为创建失效数据库做好充分的准备。

7 LEAK软件计算泄漏失效频率

LEAK软件计算失效频率可以通过孔径和泄漏速率两种途径来进行，LEAK软件的工作流程如下：

收集数据—创建项目—明确项目的特性—明确LEAK TREE的架构—设置设备数据—设置输出种类—计算泄漏失效频率。

软件运算过程中用到的数据包括设备设施数量（包含设备设施的组成），系统压力，系统气液相比，孔径和流速等。

我们选取某石化公司主装置区某一反应器，根据企业提供的相应数据应用LEAK软件统计出设备设施的泄漏失效频率。

7.1 项目概况

某石化公司厂区内生产装置区中的某一反应器，设计压力为3.7MPa，设计温度400℃，容积约为300m3，进口管径1300mm，出口管径1100mm，其中的主要反应物料为氢气、油气和相应催化剂。

7.2 模型建立

在LEAK軟件中，以反应器作为一个独立单元新建模型：（1）插入装置模块；（2）在装置模块下插入区域模块；（3）在区域模块下插入区段模块；（4）在区段模块下插入设备模块；（5）在设备模块下插入该设备所具备的一些组件的类型（由上至下分别为压缩机，过滤器，法兰，热交换器，管道，泵，截面连接件，阀门，压力容器）；（6）对企业提供的数据进行筛选后，选择最终的模型。整个流程图如图2。

7.3 主要参数选择

模型选定后，我们针对每个模型模块进行参数的选择，所需要输入的参数如图3所示（数量，尺寸，压力，汽液相比，泄漏类型，孔径等）。

7.4 失效频率结果

将设备管线参数、修正系数和管理修正系数录入LEAK软件后，就可以得出这个反应器总体的和各个组件在各类泄漏模式下的泄漏失效频率，见图4。

以上仅为举例阐述LEAK软件计算泄漏失效频率的流程，在实际运用中，失效频率的有效与否还是需要靠现场勘查和资料收集，所收集的信息越全面得出的结果越可靠。

8 结语

（1）欧美部分国家和地区在针对设备设施的泄漏失效后所采取的措施方面已经取得很大的进展，通过加设保护层、加强设计分析等技术措施使得泄漏的风险降低到可接受的范围。然而国内目前在定量风险评价方面的发展存在很大的瓶颈，主要在于缺少一套适用于国内企业设备设施的失效数据库。因此，失效数据库的建立QRA发展的基础。

（2）失效数据库的建设是基础工作，也是最为关键的工作，需要大量的人力、物力、财力和时间。浙江省安全生产科学研究院建立的企业安全基础数据库虽然已经对相关的失效数据进行了统计，但是范围有限，需要有大量的基础数据累积而成，也需要时间和经验的累积。

（3）国内大部分企业运用先进的定量风险分析软件（例如DNV的SAFETI软件）却在参考国外数据库中的失效数据，导致风险分析结果不精确甚至错误。通过应用LEAK软件统计出每个企业的失效数据从而建立属于企业自身的失效数据库是风险管理工作中的重要任务。

（4）在使用失效频率计算软件的时候，必须结合工程的实际情况，积累事故经验，并对计算过程中每一个参数的抉择都要加以斟酌和了解，确保每一个输入项的合理性和自身的符合性，保证精确地模拟实际情形，从而得出相对精确的失效频率数据。

参考文献

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