基于池火灾模型与事故树分析的石油库安全评价

2021-05-11张兴强

石油库与加油站 2021年1期

张兴强

〔中国石化天津静海石油分公司天津静海 301600〕

安全评价工作是安全生产工作中至关重要的一个环节。目前，对新建或改造建设项目进行安全评价已逐渐成为必须执行的重要举措。针对危险性较大的油品生产储运环节，需充分运用科学管理方法对油库安全生产中潜在的风险因素进行识别、分析、评价和控制。本文以某二级油库2号汽油罐区为例，运用池火灾伤害数学模型，计算出死亡半径、重伤半径、轻伤半径；使用事故树分析法综合分析储罐区发生火灾爆炸的事故原因，从而得出可以有效预防爆炸的安全生产管理措施，为提升油库安全管理提供有效的对策建议。

1 储罐区基本情况

2号汽油储罐区现有立式钢制内浮顶罐6座，2座罐容积1 000 m3,4座罐容积3 000 m3，总罐容积为14 000 m3，储存油品均为92号汽油。汽油属于甲B类易燃液体，密度约为740 kg/m3，充装系数为0.85，灌满储存量为8 806 t。防火堤结构形式为钢筋混凝土，长100 m，宽80 m，高1.5 m，容积为12 000 m3，面积为8 000 m2。储罐工艺为常温常压。

2 池火灾伤害模型计算

采用池火灾伤害数学模型分析法可以确定当池火伤害时最大化的影响程度，被评价的易燃液体储罐一旦破裂或由于操作失误而外溢，液体就会立即沿着罐体往地面扩散，一直流到防火堤边，形成液池，一旦遇到明火将会形成池火[1]。

2.1 池火火焰高度计算

无风时，池火灾火焰高度计算见公式(1)：

(1)

式中：h为火焰高度，m；r为池火灾当量圆半径，m；ρ0为周围空气密度，ρ0=1.293 kg/m3(标准状态)；g为重力加速度，9.8 m/s2；dm/dt为燃烧速度，kg/(m2·s)。

2.2 池火燃烧时放出的总热辐射通量

无风时，池火燃烧放出的总热辐射通量计算见公式(2)：

(2)

式中：Q为总热辐射通量，W；η为效率因子，可在0.13～0.35之间取值，取平均值0.24；Hc为液体燃烧热，汽油的燃烧热为43 700 kJ/kg。计算得，Q=645 016.109 kW。

2.3 目标入射辐射强度

假设液池为一个数学模型，全部的热辐射能量从液池中心点的小球面辐射释放出来，则在距离池中心距离(X)处某一点的热辐射强度(I)计

算见公式(3)：

(3)

式中：I为热强度辐射，W/m2；Tc为热传导系数，在无相对理想的数据时，可取值为1；Q为总热辐射通量，W；X为目标点到液池中心距离，m。

火灾通过热辐射的方式直接影响周边环境和设备。火灾伤害计算主要在热辐射强度与损失等级的对应关系上，池火灾分析法介绍了不同的热辐射强度造成的伤害和损失的关系，热辐射破坏和伤害准则见表1。

表1 热辐射破坏和伤害准则

根据热辐射强度公式，分别计算热辐射强度为37.5，25.0，12.5，4.0，1.6 kW/m2时X(目标点到液池中心距离，m)的值，热辐射强度与距离的关系计算结果如表2所示。

表2 热辐射强度与距离的关系

2.4 评价结果

假设汽油储罐在最大储量下发生泄漏后，在防火堤内瞬间形成液池，遇明火发生池火，池火焰高度最大可达47.1 m。以泄漏的储罐为中心，半径37.01 m范围内的设备设施将会全部烧坏，生产工作人员如果在1 min内不撤离则全部死亡；半径在37.01～45.32 m范围内的设备将严重烧坏；半径在45.32～64.10 m范围之内的设施将会受到更加严重的损坏。

3 罐区火灾、爆炸原因事故树分析

事故树分析法(Fault Tree Analysis，FTA)是在系统安全分析方法中已经得到广泛应用的一种方法，适用于各种对作业安全系统安全性的预测和分析，该方法以不希望发生的事件(即顶上事件)作为分析对象，通过层层深入的分析，把顶上事件与可能导致其发生系统中的各种原因之间的逻辑关系用树性结构表示，应用数理逻辑找到事故树的结构函数，采用布尔代数方法对其进行数学分析计算，确定最小割集或最小径集，对基本事件的结构重要度进行排序，找出事故可能发生的原因，明确防范重点，从而达到预测与预防各类安全事故发生的目的[2-4]。

3.1 爆炸条件分析

爆炸是物质从一种状态迅速转变成另一种状态，并在瞬间放出大量能量，同时产生声响的现象。发生爆炸必须同时具备3个基本条件：点火源、可燃物以及助燃物。空气中的氧气属于助燃物，其含量能够满足火灾爆炸的需要，因此满足发生爆炸的助燃物这一条件。点火源一般由明火、撞击火花、电气火花、静电火花、雷击火花等造成，静电火花和撞击火花可满足点火源这一条件；可燃物主要是由于油库设备故障或者人员的操作失误而引起的油料泄漏且罐内的通风不畅而积聚的油气(其浓度已经达到爆炸极限)[5]。

根据储油罐发生火灾爆炸事故的影响因素分析，可以得出能够直接或间接导致火灾爆炸事故的基本事件，如表3所示；运用条件分析可以从引发事故的原因分层进行剖析，得出各基本事件与上层基本事件之间的数理逻辑关系，将本来分散的基本事件串联起来，形成一个树状结构。以储油罐发生火灾爆炸事故作为顶上事件T，根据火灾爆炸事故与导致事故的直接原因之间的逻辑关系，以及各基本事件与上层基本事件之间的理论逻辑关系，建立储油罐火灾爆炸事故树模型，如图1所示。储油罐火灾爆炸事故树事件表详见表3所示，储油罐火灾爆炸事故树模型详见图1所示。

表3 储油罐火灾爆炸事故树事件表

图1 储油罐火灾爆炸事故树模型

3.2 事故树定性分析

3.2.1 最小割集

应用布尔代数法可以对事故树模型进行计算，由于事故树的基本事件比较多，求解的过程比较繁琐，不便于进行定量计算，因此求其最小径集。

3.2.2 最小径集

求最小径集的方法与求最小割集基本相似，根据数学逻辑中的对偶原理，把图1中的“与门”换为“或门”，“或门”换为“与门”，所有事件都加“’”表示取反，即表示该事件不会发生，得出与原事故树对偶的成功树，如图2所示。

图2 储油罐火灾爆炸成功树

成功树的最小割集即为原事故树的最小径集Pi(i=1,2，…6)。

P1={a}

P2={X1, X2, …,X21, X26, X27,…,X33}

P3={ X1, X2, …, X25}

P4={ X1, X2, …, X18, X22, X23, X24, X25}

P5={ X34, X35,…, X42}

P6={ X43, X44, X45, X46}

3.3 定量分析

定量分析使用结构重要度分析，就是从事故树结构上来分析各基本事件的重要程度，即不考虑各基本事件的发生概率，假设各基本事件发生的概率都相等，分析各基本事件的发生对顶上事件发生所产生的影响程度[6-9]，经计算得到各基本事件的结构重要度排序为：Iφ(a)>Iφ(X43)= Iφ(X44)= Iφ(X45)= Iφ(X46)>Iφ(X34)= Iφ(X35)= …= Iφ(X42)>Iφ(X1)= Iφ(X2)=…= Iφ(X18)>Iφ(X23)= Iφ(X24)= Iφ(X25)>Iφ(X22)>Iφ(X19)= Iφ(X20)= Iφ(X21)>Iφ(X26)= Iφ(X27)=…= Iφ(X33)。

3.4 评价结果

根据定量分析结果，结构重要度较大的是油气浓度达到爆炸极限这一要素。因此，遏制这一因素是油库安全管理的重要环节。

4 安全对策措施与建议

根据本次事故树分析结果，油库储油罐的安全隐患主要是油气泄漏。通过事故树的定量分析，结构重要度较大的是油气浓度达到爆炸极限，其原因是设备故障或操作失误引起的油气泄漏，而且储罐密闭空间内未及时通风导致油气浓度超标，给油库的安全带来严重威胁。结合池火灾数学伤害模型计算结果，该油库一旦发生爆炸，所有人员需要在1 min中内全部撤离，否则将面临生命危险。

为此提出以下措施与建议:

(1) 合理设置油气浓度监测点。油气浓度超高是储油罐发生火灾爆炸事故的潜在威胁。因此，要时刻掌控储罐区挥发性可燃物浓度，将油气浓度控制在安全范围内。在罐前的阀门、罐顶的测量口、呼吸阀等处安装油气浓度报警器，实时监测油气浓度; 设置报警限度，周围油气浓度一旦超过报警限度就会自动发出警报，提醒现场的消防人员和油库相关工作人员及时到现场查看并确认。

(2) 合理设置储油罐液位监测点。罐区所有储罐均应安装油品液位检测仪，实时监测罐内油品液面高度，同时应设置防溢油和低液位安全报警装置，油品在收发油过程中液位一旦高于或者低于安全高度，就发出警报，提醒油品已满罐或者浮盘将落地，确保油罐不会发生安全事故。找出液位变化的规律，防止发生泄漏事故。

(3) 合理设置视频监控点。在油库大门、罐区入口、办公区域、罐区围墙等重要部位安装高清防爆摄像头，实时监控油库进出人员的活动情况。时刻监控是否有人携带火种和危险品进入油库; 是否有人未穿防静电服、未使用防爆工具或防爆照明设备进行作业; 是否有违章动火、动电、登高、动土作业; 是否存在故意破坏行为等。

除满足硬件条件之外，员工素质也是企业的重要一环。特别要重视培训，提高油库基层员工的素质。公司的基层员工是企业发展的一线中坚力量，其综合素质水平直接关系着企业发展能否顺利。因此，应在以下几方面重点考虑[10]：

(1)定期组织员工开展专业技能培训。由于油品的特殊性，油库的管理工作在人员选择上应对员工素质的要求很高。定期的专业知识培训有利于提高工作人员的综合素质，提高其自身的认知水平。

(2)培养和建立一支优秀管理队伍。进一步加强宣传安全教育和安全培训，培养业务骨干和技术能手，努力提升每一位工作人员的安全意识，为油库安全管理工作开展打下坚实的基础。

(3)严格落实油库各项规章制度。在油库管理工作中，管理制度得不到落实，发挥不出它的约束力和管理规范作用是油库管理工作存在安全隐患的重要因素。因此，要进一步建立并且严格落实安全制度，强化油库工作人员的安全意识，定期给员工灌输安全生产知识，严格按照各项规章制度进行工作。

(4)建立绩效奖励惩罚机制。将每个人的工资收入与其绩效考核的结果结合起来，就会在一定程度上充分调动员工对于工作和规范安全操作的积极性。惩罚那些不严格按规章办事的人，奖励严守制度的人，最大程度满足全体员工的物质需求与精神需求。

(5)在安全管理过程中需要考虑的不仅是人的安全性，还要更加注重生产设备的安全性。设备的管理在安全生产领域中占有十分重要的地位。设备在生产运行过程中是使用最多的物件。因此，需要对其进行日常检维修和定期保养，一旦出现问题应及时整改，这样就可以将安全生产事故的发生概率降到最低。

(6)借鉴其他石油石化企业或者国外的优秀管理模式。随着全球一体化时代的到来，需要更多地吸收先进的事物和方法，来满足我国发展的实际需求。通过对其他企业优秀管理模式的学习，取其精华去其糟粕，将其中优秀的并且符合我国石油石化企业发展的因素吸收进来，与企业发展实际相结合，走出一条更符合中国石化企业发展需求的有利于安全管理的道路。