一种新型的区域定量风险评估模型及应用*

谭钦文，段正肖，董　勇，刘倩男，杜　姗

(1.西南科技大学 环境与资源学院，四川 绵阳 621010；2.西南科技大学 非煤矿山安全技术四川省高等学校重点实验室，四川 绵阳 621010)

0　引言

化工园区的产业“集聚”效应是化学工业经济发展的必然趋势，也对当地发展有着巨大推动作用[1]。一些危险化学品企业，由于城市的快速发展，逐步被企业、居民住宅、学校、医院等包围，存在着严重的事故隐患，一旦发生事故，后果不堪设想[2]。为了避免造成重大人员伤亡，需要对危险设施进行区域定量风险评估以辅助风险决策从而制定相应风险控制措施。定量风险评估的关键在于评估方法的选取及风险可接受标准的制定。其中，风险可接受标准近年来已在大坝[3]、公共场所[4]、石化[5]、建筑工程[6]、滑坡[7]、基础理论研究[8]等领域取得了一些进展，但绝大部分均是对死亡风险可接受标准进行的研究，鲜有对受伤风险可接受标准及其应用进行研究。这将使风险评估时无法对危险设施的受伤风险进行评估，而受伤是事故后果的重要组成，也是生命风险的重要指标。此外，化工生产的特殊性导致其易于引发群死群伤事故，一直以来备受公众关注。尤其是在网络社会快速发展的当前，各级政府对突发性公共事件更是极为敏感。防范因事故造成的突发性公共事件成为政府和群众关注的焦点[9]。为此，旨在通过死亡及受伤风险可接受标准的制定及风险综合评估模型的建立，从死亡风险及受伤风险2方面对危险设施的区域定量风险评估进行研究。深度挖掘潜在风险，最大限度地减少群死群伤事故的发生。

1　“双标准”及其综合评估模型

1.1　死亡及受伤风险可接受标准

可接受风险标准可通过标准基准值乘以相应风险控制系数来制定。笔者在前期研究中[10]，基于可接受风险标准理论，通过搜集、分析及估算化工行业最近10 a的基础事故数据，采用平均个人风险值法(AIR值)和事故累计概率-死亡人数曲线(FN曲线)法的运算思想，确定了化工行业死亡、受伤风险的个人及社会可接受标准基准值。此处选取其中的个人风险通用值(死亡风险为4.18×10-4/a；受伤风险为1.25×10-3/a)作为基准值，通过乘以相应风险控制系数得到了风险可接受标准(见表1)。在其基础上运用FN模型理论得到了社会风险可接受标准(见图1～ 2)。

其中，风险控制系数借鉴丹麦等国的做法并结合其在《危险化学品生产、储存装置个人可接受风险标准和社会可接受风险标准(试行)》中的运用，针对不同设施的敏感性、重要性及设施性状，分别选取10%，3%，1%及0.1%应用于防护目标，最终得到了可接受风险标准。

表1　个人风险可接受标准

图1　社会死亡风险可接受标准Fig.1　Acceptable criteria for social risk of death

图2　社会受伤风险可接受标准Fig.2　Acceptable criteria for social injury risk

1.2　“双标准”综合评估模型

为了深入挖掘及评估危险设施的潜在风险，基于可接受风险理论初步提出如图3所示的“双标准”综合评估模型。该模型由3个死亡指标和3个受伤指标共6个指标构成，只有6指标均满足对应标准风险方能被接受。下文将对“双标准”综合评估模型在区域定量风险评估中的具体运用进行详细论述。

图3　“双标准”综合评估模型Fig.3　Comprehensive evaluation model of "double standards"

2　事故影响评估

2.1　算例选取

众多事故案例表明，油品泄漏将引发池火事故，是油罐火灾中发生最频繁、后果最严重的火灾类型，相关研究也一直是国内外研究的重点[11]。为此，选取柴油储罐池火灾事故为失效场景，对“双标准”在区域定量风险评估中的综合运用进行研究。具体算例参数见表2。

表2　算例参数

2.2　池火热辐射影响分析

2.2.1基本热辐射参数

池火灾属于稳态火灾，可选用热通量准则对其基本热辐射参数进行计算[12]。

1)确定池直径

(1)

式中：D为液池直径，m；S为液池面积，m2。经计算，D=29.13m。

2)确定火焰高度

(2)

式中：L为火焰高度，m；g为重力加速度，m·s-2；ρ0为空气密度，kg/m3；

3)总热辐射通量

(3)

式中：q0为总热通量，W/m2；ΔHC为燃烧热，kJ/kg。经计算，q0=106 464.43 kW/m2。

4)目标入射热辐射强度

(4)

式中：q(r)为目标热辐射强度，kW/m2；r为目标距离池中心的距离，m；tC为热传导系数，在无相对理想的数据时，可取值为1。经计算：

(5)

2.2.2基于较大阈值的热辐射影响分析

热辐射阈值的选取直接关乎热辐射影响程度的计算，进而对风险评估结果产生重要影响。

1)热辐射伤害阀值

对于死亡、受伤的热辐射阀值选取，目前形成了几种不同的方案[13-16]。其中，死亡阀值选取的最大值为25 kW/m2，最小值为6.5 kW/m2。受伤阀值选取的最大值为12.5 kW/m2，最小值为4.3 kW/m2。阀值越小，对周边区域的要求越严格，其将导致设施周边大量土地难以有效利用。考虑到既能提供充分的安全保障，又能有效利用稀缺土地资源，最终分别选取25，12.5 kW/m2作为死亡、受伤阀值。

2)伤亡半径

将伤亡阀值带入式5中即可运算得到伤亡半径。令q(r)分别为25，12.5 kW/m2，即可得死亡半径r1=18.41 m，受伤半径r2=26.3 m。

3)伤亡概率值

文献[17]用式(6)～(8)的比率方程来确定热辐射对人员的伤害概率。

死亡几率值：

Pr=-37.23+2.56ln(tq4/3)

(6)

受伤(一度烧伤)几率值：

Pr=-39.83+3.0188ln(tq4/3)

(7)

式中：Pr为热辐射暴露下的死亡概率值；q为热辐射强度，W/m2；t为暴露时间，最大值为20 s。

4)伤亡概率

(8)

式中：Pd为目标处在热辐射暴露下的伤亡概率，可通过Pr与Pd的关系表进行查询。结合上文阈值即可运算得到伤亡概率，见表3。

表3　区域概率计算结果

5)伤亡人数

基于事故人员伤亡假设原则[17]，并结合上文概率计算结果可得：以池火灾中心为原点至死亡半径(包括该半径外径)的圆形区域可定义为死亡区，该区内的人员死亡概率为50%，其人员受伤概率为100%；从死亡半径外径至受伤半径(包括该半径外径)的圆环区域可定义为受伤区，该区的人员死亡概率为1%，其人员受伤概率为99%。若此时，通过调查已知该油罐周边死亡区域的人口平均密度ρ为0.003人/m2，受伤区域的人口平均密度ρ为0.05人/m2，即可计算得到区域伤亡人数，见表4。

表4　区域人口数及伤亡人数

此处在计算死亡区人口时，与概率计算不同的是，受伤概率选取了50%对死亡区受伤人口进行计算。即认为死亡区的人口非死即伤。

3　事故伤亡风险评估

3.1　储油罐池火个人风险分析

IR(x，y)=f·v(x，y)

(9)

式中：IR(x，y)为危险源在位置(x，y)处产生的个人风险，f为事故发生的概率，v(x，y)为在位置(x，y)处引起的个体伤亡的概率。

个人风险与人员所处位置有关。v(x，y)可通过建立事故危险剂量与人员伤亡概率函数关系获得，即上文的伤亡概率；f的获得可基于事故数据通过信息扩散[16]、事故树[18]、工业失效数据库[1]及故障树[19]等方式获得。考虑到以上成果的普适性及作者条件，本文采用文献[18]中通过历史事故统计资料及油罐池火灾事故树进行研究得出的数据2.8×10-6(保守取3×10-6)作为本文事故基础概率。该研究已将泄漏及点火影响一并进行了考虑，故可将3×10-6作为储罐池火灾事故基础概率，无需再次进行点火概率的计算。

实际应用时，10-6量级通常作为国内外风险可接受的“黄金标准”[20]。3×10-6可作为该装置在理想情况下的池火事故基础概率，直接将其作为事故概率则过低。故实际运用时还需通过企业实际风险调查与评估对其进行修正。修正时，需考虑装置实际工艺技术(β1)、防护措施(β2)、安全装置(β3)、运行环境(β4)、日常管理(β5)及其他方面(β6)对风险的贡献，并以此修正基础概率。

f′=f·β

(10)

β=β1·β2·β3·β4·β5·β6

(11)

式中：f′为修正后的事故发生概率；f为事故发生的基础概率，此处为3×10-6；β为概率修正系数(即风险贡献值)，β1～β6分别表示工艺技术、防护措施、安全装置、运行环境、日常管理及其他风险贡献值。其可用预先设定的评价指标集进行评价，并采用模糊数学算法进行计算[21]。若此时，通过对β1～β6进行实际调查和分析计算后，综合选取了β=β1·β2·β3·β4·β5·β6≈30的风险贡献值对基础概率进行修正，则f′=9×10-5。通过式(12)即可计算出各区域的个人死亡风险(IIR)及个人受伤风险(IFR)。计算结果见表5，示意图见图4。

IR(x，y)=f′·v(r)　(12)

图4　区域AIR示意Fig.4　Schematic diagram of area AIR

3.2　储油罐池火社会风险分析

社会风险主要与风险区人口密度有关。可由以下模型进行计算：

SR:F=∑PN

(13)

式中：F为事故伤亡累计概率；PN表示伤亡人数为N的事故发生概率。通过计算风险区伤亡人数和对应累计频率即可得到危险设施的社会风险。风险计算结果见表6～8，社会风险曲线见图5～6。

表6　伤亡风险计算结果

图5　柴油罐SIR曲线Fig.5　SIR curve of diesel tank

表7　社会死亡风险(SIR)累积频率

表8　社会受伤风险(SFR)累积频率

图6　柴油罐SFRFig.6　SFR curve of diesel tank

3.3　储油罐池火风险综合评估结果

若调查得知该在役储罐r1，r2区内的防护目标均为一般防护目标中的3类防护目标，则对照标准(如表1)及图4可知：

1)IIR(r1)>4×10-5>IIR(r2)；

2)1×10-4>IFR(r1)>IFR(r2)。

该设施在r1区内的个人死亡风险不可接受，个人受伤风险可接受；在r2区内的个人死亡风险及个人受伤风险均可接受。

据图5～6可知，该设施的SIR落在了ALARP区，故其在采取合理可行的控制措施降低风险后可认为其社会死亡风险可接受；但其SFR涉及了不可接受区，故其社会受伤风险不可接受。综合6指标的评估结果(见表9)后认为，该设施的风险不可接受。

表9　区域风险评估结果

4　结论

1)研究得到了化工行业死亡风险可接受标准和受伤风险可接受标准。其中，个人死亡、受伤标准最高分别为4×10-7/a，1×10-6/a，最低分别为4×10-5/a，1×10-4/a；社会死亡、受伤标准中，可接受线截距分别为1×10-5，4×10-5，可忍受线截距分别为1×10-4，4×10-4，曲线斜率均为-2。

2)提出了一种基于“双标准”综合评估的新型区域定量风险评估模型。相比于传统的单标准(死亡风险标准)定量评估模式来说,该模型能深度挖掘潜在风险，优化风险管理，最大限度地减少群死群伤事故的发生。但由于定量评估过程普遍存在的运算过程复杂、工作量大等特点。后期将考虑运用计算机编程技术开发评估软件，提高定量评估效率。

3)以1 000 m3柴油罐池火灾事故为例，对“双标准”综合评估模型在区域定量风险评估中的应用进行研究。结果表明该模型具有可行性和参考价值。

[1]贾伟,朱建新,高增梁,等. 区域定量风险评价方法及其在化工园区中的运用[J]. 中国安全科学学报,2009,19(5):140-146,177.

JIA Wei, ZHU Jianxin, GAO Zengliang, et al. The method of quantitative area risk assessment and its application in chemical industrial park [J]. China safety science Journal, 2009,19(5): 140-146,177.

[2]师立晨,高建明,吴斌. 危险化学品企业外部安全防护距离标准制订探讨[J]. 中国安全生产科学技术,2010,6(6):23-29.

SHI Lichen, GAO Jianming, WU Bin. Discussion of drafting standard of external safety protection distance for dangerous chemical enterprises [J]. Journal of Safety Science and Technology, 2010,6(6): 23-29.

[3]李宗坤,葛巍,王娟,等. 中国水库大坝风险标准与应用研究[J]. 水利学报,2015,46(5):567-573,583.

LI Zongkun, GE Wei, WANG Juan, et al. Chinese reservoir dam risk criteria and application [J]. Journal of hydraulic engineering, 2015,46 (5): 567-573,583.

[4]李剑峰,刘茂,冉丽君. 公共场所人群聚集个人风险的研究[J]. 安全与环境学报,2006,6(5):112-115.

LI Jianfeng, LIU Mao, RAN Lijun. Study on personal risk of crowds in public places [J]. Journal of safety and environment, 2006, 6(5): 112-115.

[5]AVEN T． On the ethical justification for the use of risk acceptance criteria[J]．Risk Analysis， 2007，27(2): 303-312．

[6]郭章林,贾增科,李晓慧. 建筑工程施工风险接受准则研究[J]. 西安建筑科技大学学报(自然科学版),2008,40(1):76-79.

GUO Zhanglin, JIA Zengke, LI Xiaohui. Study on risk acceptance criteria for construction engineering [J]. Journal of Xi'an University of Architecture and Technology (Natural Science Edition), 2008,40(1): 76-79.

[7]AGS. Practice note guidelines for landslide risk management 2007[J]．Australian Geomechanics， 2007，42(1): 64-114．

[8]魏利军,王如君,多英全,等.化工过程定量风险评价进展及风险准则比较分析[J].中国安全生产科学技术,2017,13(8):12-17.

WEI Lijun , WANG Rujun, DUO Yingquan, et al. Progress in quantitative risk assessment and comparative analysis of risk criteria in chemical process[J]. Journal of Safety Science and Technology,2017， 13(8): 12-17.

[9]陈涛. 渤海溢油事件的社会影响研究[J]. 中国海洋大学学报(社会科学版),2013(5):28-33.

CHEN Tao. Study on the social impact of oil spill in Bohai [J]. Journal of Ocean University of China (Social Sciences Edition), 2013(5): 28-33.

[10]谭钦文,段正肖,董勇,等. 基于事故数据分析推导的全国及化工行业可接受风险标准基准值研究[J]. 中国安全生产科学技术，2017，13(9):185-192.

TAN Qinwen, DUAN Zhengxiao, DONG Yong, et al. Study on standard reference values of acceptable risk criteria for nation and chemical industry based on accident data analysis and derivation [J].Journal of Safety Science and Technology，2017，13(9): 185-192.

[11]张怡. 柴油池火燃烧特性及热传递规律的实验研究[D].沈阳：东北大学，2014.

[12]邱治宁. 储油罐泄露风险评价及后果模拟[D].成都：西南石油大学，2014.

[13]王三明,蒋军成,姜慧. 液化石油气罐区的危险性定量模拟评价技术及其事故预防[J]. 南京工业大学学报(自然科学版),2001,23(6):32-36.

WANG Sanming，JIANG Juncheng，JIANG Hui. Risk quantitative simulation and evaluation technology and accident prevention of liquefied petroleum gas tank area [J].Journal of Nanjing University of Technology (Natural Science Edition), 2001,23 (6): 32-36.

[14]朱建华,褚家成. 池火特性参数计算及其热辐射危害评价[J]. 中国安全科学学报,2003,13(6):28-31,84.

ZHU Jianhua，CHU Jiacheng .Calculation of characteristic parameters of pool fire and assessment of thermal radiation hazard [J].China safety science Journal, 2003,13 (6): 28-31,84.

[15]吕艳艳. 石化装置事故统计及风险控制系统开发[D].青岛：中国石油大学(华东)，2013.

[16]曾小红. 危险化学品泄漏事故风险评估模型及应用研究[D].重庆：重庆大学，2011.

[17]宇德明,冯长根,曾庆轩,等. 热辐射的破坏准则和池火灾的破坏半径[J]. 中国安全科学学报，1996，6(2):8-13.

YU Deming, FENG Changgen, CENG Qingxuan,et al. The failure criterion of thermal radiation and the radius of destruction of pool fire [J].China Safety Science Journal， 1996，6(2): 8-13.

[18]唐秋香. 石油化工企业区域定量安全评价方法的研究[D].青岛：中国石油大学(华东)，2010.

[19]贾增科. 城市燃气管道风险评价研究[D].邯郸：河北工程大学，2008.

[20]HSE.Reducing Risks，Protecting People- HSE's Decision-making Process[R].2001.

[21]包其富,吴珂,王海龙,等.油品储罐区风险评价技术研究[J].中国安全生产科学技术，2010，6(5):23-27.

BAO Qifu, WU Ke , WANG Hailong, et al. Study on risk assessment techniques for oil tank area[J]. Journal of Safety Science and Technology，2010， 6(5): 23-27.