化工企业罐区事故成因综合分析

严敏，刘毅，郑晖杰，旷文敏，常振兴*(.湖北省应急救援中心，湖北 武汉 40064；.清华大学，北京 00084；.北京辰安科技股份有限公司，北京 00094)

0 引言

经过多年的快速发展，中国已经拥有了种类齐全、规模较大的化工企业体系，并在2010年化工产值总量超越美国成为世界第一。但是，化工工厂的快速发展必然会导致管理缺乏经验、设备相对不完善等一系列隐患。另一方面，传统化工工厂的信息化程度偏低，信息传递速度较慢，在发生隐患时常会因为信息传递不及时而导致较大的事故，给公司、社会带来不必要的人身财产损失。

在化工生产中，储罐是非常重要的设备之一，化学物品的储存、化学物品之间的反应等等几乎都需要储罐等容器对其进行控制。但是，部分化学反应的条件需要较为严格的温度与压力控制，以及部分化学反应需要的催化剂可能为易燃易爆或者不稳定的物质。种种原因导致储罐等化学反应容器的事故发生率较高。并且，由于储罐等容器的体积大多较大，发生事故后产生的人身财产损失也通常较为严重。因此，如何即时发现事故于微小之中，甚至在事故发生之前阻止事故的发生，便成了化工企业未来发展的重点和难点。

国家“十四五”规划中明确提出了“发展现代产业体系，推动经济体系优化升级”的产业链现代化目标。而对化工企业，也提出了一系列精细化、一体化与现代化的目标。近年来，对于各大工业园区的现代化改造，主要趋势是将大数据与各类工业园区进行交叉，从而实现智慧化、信息化管理。但是目前信息化管理中，对各工作区的管理，往往是依照原有经验对隐患进行处置，通过以前发生的事故对现有隐患进行防范，而经验往往意味着不够全面。虽然各省市、企业都有着相应的技术标准与事故发生时的应急预案，但是常常存在对当前企业状况不适配等情况，如何根据企业自身情况，科学制定出针对性的技术标准与应急预案，是当前信息化管理的重点。本文结合化工企业重大危险源辨识标准，以A化工公司为例，运用事故树对化工储罐灾害与演变进行综合分析，对化工园区储罐事故情景发展进行推演，多角度对事故发生演化进行分析，为今后化工园区储罐事故防范标准与应急预案的制定提供经验。

2 储罐区重大危险源风险影响度模拟分析

化工企业事故灾难可以分为以下几种：爆炸事故、中毒和窒息事故、机械伤害事故、高处坠落事故、物体打击事故、火灾事故、灼烫事故等。储罐作为化工企业的重要器件，主要设计的事故大致可以分为：(1)化工储罐储存的化学原料由于设备原因或者人员操作不当造成泄漏导致人员中毒、皮肤病等伤害，并造成环境污染；(2)化工储罐反应时由于设备原因或人员操作不当造成储罐起火，造成爆炸、人员中毒和窒息、机械伤害等一系列次生衍生灾害。

现实生活中为了预防储罐事故的发生，通常会进行储罐区风险影响度的模拟分析。通过对事故发生与演化的模拟分析判断事故的影响力与事故损失程度，从而量化事故的影响范围、对不同事故进行危险等级的判断，最后提出合理的风险控制措施。

重大危险源的定义来自我国《危险化学品重大危险源辨识》，主要判断特征为是否生产、加工、使用或储存超临界量的危险化学品[1]。A公司的罐区主要储存的化学用品为甲醇、甲苯、乙醇与燃料油，日常作业人数为40余人，交接班时最多人数约为80人左右。根据《危险化学品重大危险源辨识》中有关校正系数和的规定(表1和表2)，暴露人员校正系数α取1.5，甲醇、甲苯、乙醇属于易燃液体W5.3，校正系数取1，燃料油为易燃液体W5.4，校正系数取1。危险源风险分级R的计算公式如下：

式中：q为园区危险化学品实际存在量；Q为危化品相对应临界量；α、β为校正系数，α、β的取值分别如表1和表2所示。

表1 校正技术α取值

表2 校正技术β取值

根据A公司所提供的数据，A公司包含3组罐组，T1罐组设储罐14个，总容积25 000 m3，存储物料包括：甲醇、甲苯、乙醇、燃料油。T2罐组设储罐12个，总容积21 000 m3，存储物料包括：甲醇、甲苯、乙醇。T3罐组设储罐12个，总容积42 000 m3，存储物料包括：甲醇、甲苯。根据储罐容积等进行R值计算，A公司罐区事故风险影响度预先分析如表3所示[2]。

表3 事故泄漏风险预判断表

本次模拟选取的参数条件为：A公司储罐区，单个储罐体积为3 500 m3。储罐区四周建有防护堤，罐区内部每个储罐直径D=18 m，储存化学物品为甲醇。选取计算模拟事故为甲醇储罐池火灾与储罐爆炸，模拟气温选择25 ℃，环境平均风速取1.9 m/s，环境大气密度取1.293 kg/m3。

甲醇池火灾事故发生时，会在地上形成一滩面积较小的液体，若得不到疏导，将迅速在防液堤或地势低洼处聚集。甲醇燃点较低，因此一旦室温较高或者有点火源，很容易造成甲醇液池燃烧，形成池火灾。又根据A公司所提供数据，罐区储罐容量为3 500 m3，直径18 m，罐区防护堤内面积S=3 909 m2，区域内含有4个储罐，因此很容易算出，扣除4个储罐后液池面积可达2 892 m2。在燃烧时，由于烟气等影响，空气密度取1.36 kg/m3，甲醇沸点337.8 K，最终可以计算得火焰高度为26.8 m。计算出火焰高度后，则可以计算出甲醇储罐池火灾事故的热通量。理想状态下，热通量计算时，火焰能量是由圆柱形火焰侧面和顶部向周围均匀辐射的。最终可以根据热通量来判断得出池火灾的死亡、二度烧伤、一度烧伤的烧伤半径，如表4所示。甲醇池火灾模拟如图1所示。

表4 甲醇池火灾影响范围

图1 甲醇池火灾模拟图

而对于化工储罐的爆炸事故，甲醇发生火灾事故时的影响区域相比于甲醇泄漏池火灾要小，但在剧烈程度上，比后者要严重的多。在此我们选择容积为3 500 m3的T3罐组12号罐，选取储存化学物品为甲醇，假设甲醇罐内充满甲醇蒸汽(约4.5 t)，与空气形成爆炸性气氛，在激发能源情况下发生蒸汽云爆炸。估算全部参与蒸汽云爆炸的影响范围。

在不考虑风速等影响的情况下，在计算甲醇爆炸范围时，TNT单量系数取4%，燃料质量4 500 kg。在考虑蒸汽云爆炸的情况下，计算可得甲醇爆炸时工作人员的死亡半径、重伤半径和轻伤半径，如表5所示。甲醇蒸汽云爆炸模拟图如图2所示。

图2 甲醇蒸汽云爆炸模拟图

3 园区储罐事故树模型分析

但是，在实际管理中，仅仅依靠事故模拟来进行储罐安全管理的参考是不够的，还需要借助其他方面的考量。因此，本文调研基于化工储罐区发生事故的主要原因与衍生灾害，所绘制出的储罐事故树图，在现实情况中，可以通过实地调研增添或减少考虑事故参数。事故编号如表6所示，事故树如图3所示。其中X22与X28、X17与X26、X25与X27原因相同，在计算过程中可合并[3]。

表6 事件编号对照表

利用事故树构建对应成功树，并求解割集T=M1+M2+M3=X1+X2+M4×M5+M6×M7×M8=X1+X2+(M9+M10+M11+M12+M13)×M14×M15+(X20+X21)×(X22+X23+X24+X25)×(X26+X27+X28)=X1+X2+(X3+X4+X5+X6+X7+X8+X9+X10+M16+M17)×(X15+X16)×(X17+X18+X19)+(X20+X21)×(X22+X23+X24+X25)×(X26+X27+X28)=X1+X2+(X3+X4+X5+X6+X7+X8+X9+X10+X11+X12+X13+X14)×(X15+X16)×(X17+X18+X19)+(X20+X21)×(X22+X23+X24+X25)×(X23+X25+X26)

根据上式我们也可以得到化工罐区事故的各阶割集数量，如表7所示。

表7 事件编号对照表

通常来说，事故树中割集越小，意味着导致事故发生的基本事件越少，则此基本事件的重要程度便越高，危险性也越大。同时，单个基本事件在不同割集中出现次数越多，代表这个事件对多种事故树都有影响，其重要性也越高[4]。

同样，事故树还可以分析最小径集，最小径集表示能够使事故不发生的基本事件之和，最小径集越多代表防止事故发生的方法越多，该事件最小径集为：

综上，能够判断出该事故树重要度排序为：

由以上可知，X1、X2对事故影响最为重要，X12、X13、X14对事故影响最轻。其他事件对于事故影响在这两者之间[5]。

4 应急辅助统计分析

在进行模拟和事故树分析后，为了使结果更有可信度，还可以引进统计学对化工罐区事故进行分析。由于2016年之前的数据并不全面，因此我们只对2017年之后的化工事故数据进行统计。根据数据，我们可以得到在2017—2019年中，爆炸事故共发生105起，导致294人死亡；中毒和窒息事故发生83起，导致125人死亡；火灾事故发生63起，导致51人死亡。根据数据我们可知爆炸与火灾事故数量加起来是中毒和窒息事故的两倍左右，发生概率相对中毒窒息事故来说较高。并且，从死亡人数来看，爆炸火灾事故所造成的后果比中毒窒息事故要更为严重，以爆炸事故为例，也与我们第一部分模拟的结果较为吻合。因此我们在进行化学罐区事故应急分析时，应当着重考虑防爆与防火方面的基本事件[6]。

最后，如何综合事故树、事件烈度以及事件发生频率，对今后化工园区储罐事故防范标准与应急预案编写与应对措施进行完善。现在也存在着很多实际应用：如康德礼等考虑到采集数据的不确定性和噪声[7]，在构建化工园区智能应急平台时加入信息融合技术保证智能决策的快速性和规划正确性。陈运启等采用FP-Growth算法与支持置信度融合的方法，对隐患数据与事故中较强的关联规则进行标记，从而加强对特定隐患的防治[8]。这里由于数据限制，我们预测两种方法，可能能够综合分析基本事件权重，得出较为科学的决策与事故防治措施。

4.1 灰色关联度分析

在化工行业中，由于事故成因复杂，通过逻辑分析得出的原因有时会忽略某些关键因素对事故产生的重要影响。而灰色关联度分析则可以在一定程度上解决由于忽略带来的影响，同时对化工事故分析中各类由于缺少数据所引发的结论不准确、可信度不高等缺陷有着良好的校正优化作用。基本思路是确定母序列和子序列，而后通过无量纲化等操作处理各类数据，形成关联序列，最终得到不同因素对主事件的影响程度大小。对于目前信息化程度不够的化工行业来说，灰色关联度分析是对其很好的补充。

4.2 层次分析法

对于分析复杂问题，层次分析法属于比较成熟的方法之一。其主要理论类似于事故树，基于问题的传导机制来进行分析。对于化工企业来说，传统的管理办法对问题同样分为很多等级。并且对问题等级之间的传导也有着较为丰富的经验，层次分析法可以通过原有经验进行训练，进而量化各类问题成因，对企业罐区事故管理有着良好的补充作用。

5 结语

在信息化浪潮下，化工园区的管理与事故的应急决策都处在飞速发展变化之中，传统的经验可能已经与现有生产力发生脱节。因此，需要利用更先进的理论技术优化完善原有的管理模式。本文进行了模拟化工企业罐区泄漏和爆炸的事故，并尝试与事故树与数据分析结合。但因为现实数据权重的不足，仍未得出一个可靠的结论，但不失为一个可以尝试的思路。随着风险评估与应急决策理论不断发展，相信我国化工企业事故应对决策机制定会日益完善。

致谢：感谢湖北省应急救援中心《危险化学品重特大事故情景构建分析及应急辅助决策研究课题》对本论文的数据支持。