危化品储罐区多灾种耦合效应风险分析*

2018-10-09潘旭海

中国安全生产科学技术 2018年9期

蒋代，华敏，潘旭海

(南京工业大学安全科学与工程学院，江苏南京 210009)

0 引言

危化品储罐区作为化工园区一个多种危险源高度集中的区域，极易发生泄漏扩散、火灾、爆炸等事故引发的多米诺效应。Kourniotis等[1-2]通过MHIDAS数据库，对过去事故进行统计分析，发现多米诺效应事故占总事故的38.6%，并大多是以火灾引发爆炸为主。1984年墨西哥发生的一起多米诺效应事故，造成了极大的损失，使国外高度重视对多米诺效应的研究[3]。

目前，国内外对单事故破坏作用已从定性研究过渡到了定量评估。Cozzani等[4-7]从统计单灾种引发多米诺效应事故数据到储罐脆弱模型的建立再到定量风险评估的研究已较为成熟。但是由于不同灾种的形成、传播形式不同，国内外对多米诺效应的多灾种耦合的研究分析相对较少[8-9]。然而，随着危化品运用的增多，多灾种协同发生，引发事故扩展的情况时常发生，产生的影响比单灾种情况下的事故后果更加严重，故对危化品储罐区中多灾种耦合引发多米诺效应事故的研究十分有必要。

1 多米诺效应

1.1 多米诺效应的衍生原理

当一个罐体或多个罐体发生池火、喷射火、火球、VCE，BLEVE等事故后，产生的热辐射、冲击波、碎片作用于相邻罐体，若超过罐体所能承受的阈值，罐体发生失效，引发二次事故，产生更严重的事故后果，即为多米诺效应。根据常见情景，构建事故树、事件树，得到多米诺效应的发生原理图，如图1所示。

1.2 单灾种多米诺效应场景

单灾种多米诺效应场景即为火灾、爆炸、地震、海啸、洪水等单一灾种引发衍生事故，导致损失扩大的场景。其中，火灾通过热辐射或火焰吞没作用于目标罐体，使其壁面和充装物的温度加速上升，罐体内部物质受热膨胀、压力增大，最后导致结构失效，产生二次事故——泄漏或是爆炸。同理，爆炸、地震、海啸、洪水等单一灾种下产生的能量作用于目标罐体或单灾种多事故点协同作用目标罐体[8]，使罐体产生结构性破坏，导致事故的发生，即单灾种多米诺效应场景。

S-安全；F-失效；B-完全毁坏；BLEVE-沸腾液体扩展蒸汽爆炸; VCE-蒸气云爆炸。图1 多米诺效应原理Fig.1 Domino effect schematic

1.3 多灾种多米诺效应场景

利用物理学中的触发器原理分析多灾种耦合风险形成的场景，通过触发器的输入和输出结果来表明多灾种耦合致多米诺效应的结果。耦合触发器检验多灾种耦合后的输出结果，若多灾种产生的风险因素经过耦合振荡器后，产生的新脉冲破坏周围罐体的正常平衡状态，从而导致事故升级以及更高级的多米诺事故，即为多灾种多米诺效应场景。多灾种耦合场景示意如图2所示。然而，由于储罐间的距离、安全装置以及储罐自身结构等原因，储罐在多灾种耦合下具有自适应、自调节等特点，可能会减弱甚至会阻断多灾种形成的各风险因素的耦合集成，使各风险因子处于独立、局部、静止的状态，使其产生的不良影响减弱、缓冲或是掩盖，而不能达到储罐阈值，处于弱耦合的状态。当多灾种的风险因子耦合未受到干扰并不断聚集，超过储罐的失效阈值或是因风险因子的聚集出现诱因使储罐的失效阈值降低而达到事故升级的效果，此时多灾种产生的风险因素耦合作用后的影响效果加剧，最终导致发生二次事故的风险增大，此时处于强耦合状态。

图2 自然灾害引发的危化品储罐区发生多灾种耦合场景Fig.2 Coupling scenario of multiple disasters in hazardous chemicals storage tanks caused by natural disasters

假设自然灾害产生的风险因子导致储罐区发生泄漏，泄漏后引发的火灾和爆炸事故在t时刻形成的危险性脉冲为W(t)，储罐在爆炸、火灾下受超压、热辐射、碎片的危险性分别为P(t)，Q(t)，F(t)，当W(t)>min{P(t)，Q(t)，F(t)，…}时，脉冲W(t)会冲过储罐的危险性，并经由耦合振荡后产生新的脉冲W(t)′，致使储罐失效的风险加剧，即多灾种作用下的“强耦合”；当W(t)=min{P(t)，Q(t)，F(t)，…}时，此时脉冲W(t)不变，危险性不变，即多灾种作用下的“零耦合”；当W(t)

2 多灾种耦合分析

2.1 单灾种作用模型

目前，国内外对多米诺效应的定量评估主要基于目标设备损失概率，通过其计算场景下多米诺效应发生概率，以此来判定事故发生的可能。现阶段研究者对单灾种引发的多米诺效应研究取得了许多成果，Cozzani等通过实验发现容器的失效时间“ttf”在脆弱模型的建立中起主要作用，测定了目标容器或罐体接受不同热通量的情况下，发生的失效状态，最后总结出火灾的热辐射引发目标容器或罐体失效的计算模型[7,10]。Salzano等还将“紫皮书”(TNO)定义的损失强度与Schneider提出的“极限阶段”概念进行整合，得出轻微损失、整体破坏、中间状态3种破坏结果，并把超压峰值作为衡量容器失效情况的1个参数，故用超压峰值表达扩大效应计算模型[6，11]。由于爆炸过程中产生的碎片数量、抛射角度、几何形状等很难确定，故产生碎片的抛射路径随机性太大，不能确定目标物是否在碎片最大投射距离的区域内，故研究碎片引发多米诺效应的情况比较复杂。一些研究者通过蒙特卡洛方法对碎片的抛射范围进行模拟，并结合实验推算出脆弱模型，在此不做详细描述[12]。表1中列入了常用设备损失概率模型[6-7,10-11]。

表1 常用设备损失概率模型[6-7,10-11]Table 1 Common equipment probit models[6-7,10-11]

表1中，Y值表示初始事故风险因子对目标设备影响的扩展概率单位值；ttf表示目标设备失效时间，s；Q表示目标设备单位面积接收到的热通量，kW/m2；V表示目标设备的体积，m3；Ps表示目标设备受冲击波产生的峰值静态压力，Pa。

根据不同类型设备计算不同风险因素下的Y值，通过公式(1)得到事故扩展概率Pd:

(1)

若已知初始事件发生概率为P0，则多米诺效应场景事故发生概率为Pdomino，其中:

Pdomino=P0×Pd

(2)

2.2 多灾种耦合作用模型与分析

耦合在不同的学科中有不同的体现形式，在物理学中，耦合指多个电路元件在输入、输出之间的相互作用而产生相互影响的现象；在系统动力学中，耦合指存在普遍联系的事物中，不同系统相互间的不同作用；在风险管理领域中，对风险的耦合被定义为风险因素间的影响程度。火灾形成的热辐射、爆炸产生的冲击波以及地震、洪水、飓风、海啸等对目标罐体产生作用，形成多物理场耦合效应，会影响目标罐失效的速度。本文运用物理学中的耦合机理为基础[16-18]，建立多灾种耦合模型:

(3)

以E0表示罐体受灾影响的临界值，E是灾害影响强度的实际值。当E≥E0时，将会使罐体发生破损。Ci表示各灾害对目标罐体的破坏强度；ki表示各灾害耦合系数，其正负分别代表灾害对目标罐体的损害为加强效果和减弱效果，并令|k1|+|k2|=1。

根据数据库统计[4]，多米诺效应事故的初始事故为火灾的可能性为0.524，而爆炸的可能性为0.476，故本文以考虑爆炸与火灾对目标罐体的耦合作用为例，对多灾种耦合作用形式进行分析。讨论目标罐体受火灾和爆炸的影响，即火灾产生的热效应和爆炸产生的超压的耦合作用，以C1表示火灾的破坏强度，C2表示爆炸的破坏强度，k1，k2分表表示火灾、爆炸的耦合系数，分析如下:

1)直接耦合:干扰直接侵入的方式，是系统中存在的普遍形式。当爆炸发生时，火灾作用目标罐体已发生失效，导致二次事故的发生，即被认为C1≫C2，k1=1，k2=0；相反，若爆炸发生时，其破坏能直接让罐体发生二次事故，即C2≥E0时，k1=0，k2=1。对于这种耦合方式，可采取直接滤波去耦的方法，即直接防止破坏较大的事故发生。

2)电容耦合:由于分布电容的存在而产生的一种耦合方式。当爆炸和火灾都作用于目标罐体时，火灾的热效应对罐体结构力造成一部分削弱，在爆炸的冲击波超压的作用下，目标罐体受到小于阈值的伤害就发生失效，造成事故的扩展，此时k1，k2的值决定火灾、爆炸作用强度所占的比例。对于这种耦合方式，可采取从火灾、爆炸发生根源或是阻断流通的方式进行预防。

3)漏电耦合：所谓漏电耦合就是电阻性耦合。当爆炸产生的冲击波对目标罐体接受的热辐射起一个减弱作用或是爆炸使火灾或目标罐体发生位移，减小了目标罐体受损的程度，即k2<0，此时只需考虑从火灾入手，减小事故发生概率。

3 实例分析

某一储罐区由序号为D1～D8的8个常压汽油储罐组成，每个储罐容量为200 t，体积为785.4 m3，分别假设罐区发生池火和蒸气云爆炸2种场景，且初始发生概率分别为1×10-5和2×10-6，储罐单元间的距离分布如表2所示。

根据Cozzina等提出的计算模型，分别计算在火灾产生的热辐射和爆炸产生的超压为上升因素的情况下，D1～D8罐体接收到的热通量(kW/m2)和超压(kPa)分布情况[5,14-15]，见表3。

表2 储罐单元间的距离分布(中心距离)Table 2 Distance distribution in tank units (center distance) m

表3 热辐射/超压为上升因素情况[15]

根据Cozzina等[15]的研究，在单灾种事故场景中，假设D1发生初始事故为池火时，D2，D4可能发生一级多米诺效应事故，D3，D5，D7可能发生二级多米诺效应事故，D6，D8可能发生三级；同理，假设D1发生初始事故为蒸气云时，D2，D4，D5可能发生一级多米诺效应事故，D3，D7其次，最后是D6，D8。然而，在实际事故场景中，假设D1发生初始事故为池火时，可能引发D2，D4都发生池火或蒸汽云，也可能是D2发生池火、D4蒸气云事故，所以接下来邻近罐体可能受到多灾种耦合作用发生事故扩展。在此，考虑多米诺效应事故情景下，单灾种和多灾种耦合作用下，分析储罐的失效风险。分别取热辐射、超压的阈值为15 kW/m2和7 kPa，并利用表1模型和公式(1)计算D1～D8罐在火灾或爆炸情况下各储罐的扩展概率，并以扩展概率为边权建立储罐区单灾种扩展网络图，如图3所示[14,16]。

图3 单灾种事故网络图Fig.3 Network diagram of single disaster accidents

图4 储罐区综合灾害扩展网络图Fig.4 Network diagram of integrated disaster expansion in the storage area

根据近年来，国内外事故数据统计发现化工园储罐区灾害的发生由恐怖主义行为诱发占很大比例，故研究多储罐同时发生灾害对邻近罐体产生耦合效应引发灾害扩展的概率很重要。在此，基于储罐区综合灾害扩展网络图，对多储罐多灾种耦合下邻近储罐发生事故扩展的概率进行计算，部分结果如表5所示。

分析表5可得，当D1，D2发生灾害时，D4，D5发生灾害扩展的概率最大；当D1，D3发生灾害时，D2发生灾害扩展的概率最大；同理，当储罐区多储罐发生灾害耦合时，利用储罐区综合灾害扩展网络图均可得到各储罐灾害扩展的概率，能为罐区灾害预测及灾害防护提供建议。

4 多灾种耦合效应演化分析

由于化工园储罐区具有复杂、集中等特点，发生多灾种耦合效应时，不仅仅是火灾、爆炸等灾害引发储罐之间的灾害扩展，还经常包括地震、雷电、洪水等灾害对罐区影响产生的多灾种耦合效应。与此同时，人、化工园区布置、环境等对耦合产生的影响也不可忽略。为全面分析多灾种耦合效应，基于储罐受多危险因素影响下的耦合效应的联系，建立多灾种耦合效应之间的关联图，如图5所示。