基于风险耦合的石油罐区火灾爆炸事故风险评价

张伯莹(中海石油技术检测有限公司，天津 300452)

0 引言

石油储罐因其中储存的介质大都具有易燃、易爆特性而易发生火灾爆炸事故，导致人员伤亡及财产损失。石油罐区风险管理的研究引起国内外学者的重视。Moshashaei等研究并总结了浮顶油罐火灾爆炸事故原因，确定了11个主要因素及71个子因素。Halloul等采用模糊故障树分析与专家访谈相结合的方法对原油罐区火灾爆炸事故风险进行识别与评估。C.D.Argyropoulos提出了采用检查表法对储罐进行风险识别。Guo Xiaofang等则预测和评价了油罐爆炸引起的热辐射和冲击波的影响。目前的研究尚缺少对于风险因素耦合的关注，而事故的发生多为不同风险因素间相互作用的结果。因此，本文从风险因素耦合的角度出发，评价石油罐区火灾爆炸事故风险因素，并研究不同风险因素之间的耦合度，希望能够为罐区安全管理提供参考。

1 建立风险评价指标体系

1.1 石油罐区火灾爆炸事故风险因素辨识

通过相关文献的查阅，将石油罐区火灾爆事故风险评价指标分为人的风险因素、设备风险因素、环境风险因素、管理风险因素、消防风险因素5个一级风险指标，具体风险评价指标体系如图1所示。

图1 石油罐区火灾爆炸事故风险评价指标体系

1.2 基于AHP的指标权重计算

层次分析法是一种定性与定量相结合的评价方法，在安全、环境等多个领域有着广泛的应用。

1.2.1 构造判断矩阵

通过行业内若干名专家对各层指标两两比对，以1～9及其倒数作为相对重要性比例标度构造判断矩阵A，标度方法见表1。

表1 1～9标度方法

1.2.2 计算权重向量W

运用特征向量法求得权重向量W，将权重向量右乘判断矩阵A，有：

式中：λmax为判断矩阵A的最大特征值；λmax存在且唯一，将求得的W进行归一化处理。

1.2.3 层次单排序及一致性检验

计算一致性指标CI，有：

计算一致性比例CR，有：

式中：RI取值见表2；若CR＜0.1，则判断矩阵满足一致性检验，若CR≥0.1，则判断矩阵不满足一致性检验，需对判断矩阵作适当修改。

表2 平均随机一致性指标

2 基于逆向云模型的打分及期望

云模型是由李德毅院士于1995年提出的一种使定性概念与定量描述之间发生转换的模型，由期望Ex，熵En以及超熵He表述[6]。云发生器即实现定性概念与定量描述相互转换发生的过程，包括正向云、逆向云、条件云三种。

逆向云发生器可将定性的概念量化，将专家打分情况转换为数字特征值Ex、En、He，同时可通过数字特征剔除离散程度大的打分，保证打分的准确性。云模型特征公式如(4)～(6)所示。

由此可实现对底层指标的打分，并得出相应期望值。

3 建立风险耦合度模型

3.1 构造功效函数

针对石油罐区火灾爆炸事故风险系统，其耦合度指标的功效函数可表示为：

式中：Uij为一级底层指标对其上级子系统的有序度的功效，表示各项指标与目标的一致性，Uij=∈[0-9]，其值越接近0，则一致性越差；其值越接近1，则一致性越强。

此时，各个子系统作为二级底层指标，对其上级子系统的有序度的功效计算公式为：

式中：Ui为二级底层指标对其上级子系统的有序度的功效；ωij为一级底层指标的权重。由此可推出各个指标相对上级子系统的功效。

3.2 构造耦合度模型

依据物理学范畴的容量耦合概念，可以建立石油罐区火灾爆炸事故风险耦合度模型[11]。

两个系统间的耦合度模型：

由于根据耦合度模型所得耦合度是与参与耦合子系统的数量相关的，不同数量的子系统间耦合度无法直接进行对比。故为方便对比，本文均采用两个系统间的耦合度模型，对于多个系统间的耦合，可将其拆分为两个子系统，由公式(9)求两子系统的组合功效值，再由两个系统间的耦合度模型(10)得出耦合度，最后根据拆分方式的不同得出的耦合度求均值即为所求。

4 评价模型的应用

文章以大连某大型石油罐区为研究对象进行火灾爆炸事故风险耦合评价。

4.1 构造耦合度模型

为简化计算，运用matlab8.3编程计算层次分析结果。求得各指标权重见表3。

表3 风险指标权重

4.2 专家打分及期望求值

在罐区HSE部门，技术部门，现场操作工人中共选取10人对30个底层指标分别进行打分，利用matlab8.3对逆向云发生器编码并运算，若数字特征为复数，则需要剔除离散程度大的打分并补入新的专家打分，打分为百分制，0～20分为轻度风险；20～40分为低度风险；40～60分为中度风险；60～80分为重度风险；80～100分为极度风险。最后所得期望结果表4。

表4 底层指标期望

4.3 功效值计算

针对4.2节所得期望结合(7)～(9)式计算各项指标的功效值。计算结果见表5。

表5 风险指标功效

4.4 一级指标双因素耦合度计算

一级指标双因素耦合共有10种耦合方式，包括人-机耦合、人-环耦合、人-管耦合、人-消耦合、机-环耦合、机-管耦合、机-消耦合、环-管耦合、环-消耦合、管-消耦合，分别记为C21、C22、C23、C24、C25、C26、C27、C28、C29、C2X。依照公式(10)计算耦合度结果见表5。

4.5 标多因素一级指耦合度计算

一级指标多因素耦合包括包括人-机-环耦合、人-机-管耦合、人-机-消耦合、人-环-管耦合、人-环-消耦合、人-管-消耦合、机-环-管耦合、机-环-消耦合、机-管-消耦合、环-管-消耦合、人-机-环-管耦合、人-机-环-消耦合、人-机-管-消耦合、人-环-管-消耦合、机-环-管-消耦合、人-机-环-管-消耦合，分别记为C31、C32、C33、C34、C35、C36、C37、C38、C39、C3X、C41、C42、C43、C44、C45、C5。依 照3.2节的拆分原则及式(10)计算耦合度结果见表6。

4.6 耦合度计算结果分析

将所求得耦合度按照降序排列可得：

(1)双因素耦合中，人-环耦合、人-管耦合的耦合度相对最高；其中有消防风险因素参与的耦合方式耦合度最小 ；不考虑消防风险因素参与的双因素耦合方式，机、管风险因素的非全面耦合的耦合度大于其全面耦合的耦合度；人、环风险因素的非全面耦合的耦合度小于全面耦合的耦合度。

(2)三因素耦合中人-机-环耦合、人-环-管耦合、人-机-管耦合的耦合度相对最高，其中有消防风险因素参与的耦合方式耦合度最小；不考虑消防风险因素，所有耦合方式中有人的风险因素参与的三风险因素耦合方式耦合度最高。

(3)四风险因素耦合中，人-机-环-管耦合、人-机-环-消耦合的耦合度相对较高；有人的风险因素参与的耦合形式耦合度较高，有消防风险因素参与的耦合形式耦合度较低；人、机风险因素全面耦合大于其非全面耦合。

表6 耦合度计算结果

5 结语

(1)针对石油罐区火灾爆炸事故，在传统的人-机-环-管四类风险因素基础上引入消防风险因素，建立以人-机-环-管-消为一级风险评价指标的石油罐区火灾爆炸事故风险评价体系，并结合层次分析法确定各项指标的权重。

(2)逆向云模型的应用将专家对于各风险指标的评价分数转化为数字特征，并对其合理性进行检验，从而降低了专家打分的离散程度，使得评价方法更科学。

(3)运用耦合度模型对石油罐区火灾爆炸事故风险因素耦合度进行评价，定量评价了各种耦合形式的耦合度强弱关系，对安全管理工作具有重要意义。

(4)从耦合度模型的应用可知，有人的风险因素参与的耦合方式耦合度较高，有消防风险因素参与的耦合方式耦合度较低。因此在该罐区安全管理工作中应充分发挥人的主观能动性，提升人员的安全意识及专业素质，避免其与其他风险因素耦合。