石化行业定量风险评价研究

＊陈斯桂

（泉州市安全生产执法支队 福建 362000）

1.引言

定量风险评价（Quantitative Risk Assessment，QRA），是对某一设施或作业活动中发生事故频率和后果进行定量分析，并与风险可接受标准比较的系统方法[1]，在石油化工行业中涉及复杂和风险性大的系统的安全性评估方面有着重要的地位。与传统的风险评价手段不同，该方法针对不同的事故状况，在定性分析的基础上，需要引入不同的数学模型对系统失效概率和引发的后果进行定量分析，相对比较复杂，以使得风险评价的结果更加的合理、可行。

2.QRA的研究现状

目前定量风险评价的研究大致分为4个类型，即概率风险评估类、危险指数评估类、事故范围评估类和过程安全风险评估类。

(1)概率风险评估类研究

概率安全评估是在定量风险评估方法中应用最广的分析方法，其主要目的是计算基本事件、危险事件发生概率的点估计和区间估计以及不确定性，以分析各种不同因素对风险影响的重要程度，核心是风险模型的建立和定量化。但是在实际工作中，由于数据不足、资料不准确、可比条件与环境不易确定等原因，事件发生的概率难以定量估算。随着模糊数学理论[2]、灰色系统理论[3]和神经网络理论[4]等方法在概率安全评估中的应用，很好地解决了这些不足，扩大了概率风险评估方法的应用范围。

(2)危险指数评估类研究

危险指数评估方法主要是应用系统的事故危险指数模型，根据系统的基本性质和状态进行推算，从而判断事故损失、危险性以及安全措施有效性的风险评估方法。常用的危险指数评估方法主要是道化学公司火灾爆炸指数法以及在此基础上改进的ICI蒙德法，重大危险源评估法[5]等。其特点是通过对评估系统进行单元划分，使得复杂系统简单化。相较于概率安全评估方法，危险指数评估方法可以同时确定事故发生的可能性和严重性。但是该类方法无法对系统中存在的安全保障措施的多少、优劣进行评估，也无法评估安全措施与系统中存在的危险物质之间的相互作用，评估结果无法随时间变化而变化。

(3)事故影响评估类研究

事故影响评估法是根据发生事故类型，建立相应的数学模型，通过数学计算以求取事故对造成人员伤害、财产损失和环境污染范围的风险评估方法。常见的事故模型有液体泄漏模型、气体泄漏模型、气液两相泄漏模型、气体绝热扩散模型、毒物泄漏扩散模型、池火火焰与辐射强度评价模型、火球爆炸伤害模型、爆炸冲击波模型、蒸气云爆炸TNO多能法和锅炉爆炸伤害TNT当量法等等。此类方法评估结果较为直观，可信度高。但是该类模型并不是完美的，也存在一些缺点，比如：

①无法估算事故对临近装置造成二次事故甚至三次事故的概率及后果。因此，有学者提出了多米诺效应分析法以及优化后的基于事件树的多米诺效应分析、综合贝叶斯-petri网的多米诺效应分析以探究对人的影响、模糊多米诺效应分析以探究不确定情境下的事故危害以及协同效应下的多米诺效应影响等等。

②该类方法计算量较大、计算过程较为复杂，部分参数难以选取，结果会根据模型的不同产生较大偏差，而且气体扩散过程受到重力、环境条件、初始状态等诸多因素的影响，表现形式往往为湍流，理论方法的局限性被进一步放大。而且计算模型往往是对计算对象进行抽象和简化得到的，准确性往往受到所做假设的限制，而且对于非线性情况，通常很难得到解析解。因此，有学者提出借助计算流体动力学，对包含有可燃、有毒物质的扩散等物理现象通过计算机数值计算和图像显示进行分析，可以得到极其复杂的流场内各个位置上的基本物理量（例如温度、压力、速率、浓度等）的分布，以及其在时间轴上的变化情况，还可以根据此推算出其他物理量。除了用于设施设备的化学品泄漏扩散，还有学者将其应用于工业VOCs排放的监测、事故状态下的人员疏散和应急救援、输油/气管道、多米诺效应分析等方面。比较常用的方法和模型有雷诺平均法、FEM模型、HEAVYGAS模型等。

(4)过程安全评估类研究

过程安全评估类方法是在本质安全思想的基础上，对整个化工过程生命周期进行风险评估的方法，对于化工工艺的不同时期有不同的风险评估方法。常用的方法有反应热风险评估法、保护层分析法（LOPA）、F-N曲线分析法等

反应热风险评估法是研究化学反应过程中的热效应、压力效应和破坏效应之间关系的方法，该方法通过物质热敏性分析、反应量热等测试，分析计算反应热平衡及失控反应的边界条件，对反应风险的可能性和严重度进行综合评估得出目标工艺的危险度。常用的物质热敏性分析方法有差示扫描量热法、微量热法、加速度量热法、低热惯性绝热量热法等；常用反应量热方法有热流法、功率补偿法、热平衡法及帕尔帖法等。

保护层分析法（LOPA）主要是通过将系统的安全防护措施划分为8类保护层，在设定的事故模式下，计算各个保护层的失效概率，从而计算事故风险。可以应用于安全仪表系统（SIS）的安全完整性等级（SIL）确定及降低，也可以利用其他方法（例如模糊数学理论、贝叶斯网络模型等）对其进行优化改善、确定保护层失效概率等。

F-N曲线分析法是一种采用双对数坐标系划分可容忍风险区，以对发生伤亡事故的累积频率和伤亡人数分布情况的图形描述方法。该方法适用于具有充分数据情况下的风险比较，便于理解，有利于风险决策，但是该方法无法说明事故的影响范围、发生方式等情况，通常情况下与其他方法结合使用（例如保护层分析法等）。

3.应用

定量风险评价被广泛应用于石油化工、水利、核工业以及航空航天等行业领域。以下主要对石油化工行业的应用进行论述。

(1)职业卫生评估

石化企业的工程人员长期暴露在有毒有害气体、粉尘环境中，容易引起职业疾病。国际上通常采用的是国际采矿与金属委员会（ICMM）职业健康风险评估方法和新加坡半定量风险评估法，充分考虑职业病危害因素的危害水平和作业位的暴露水平等情况，半定量评估职业健康风险，评估标准较客观。我国在2017年发布了《工作场所化学有害因素职业健康风险评估技术导则》（GBZ/T 298-2017），提出了危害特征评估的半定量风险评价模型以及致癌性、非致癌性两种定量风险评价模型，进一步完善了工作场所职业危害评估体系。

(2)过程安全管理

多米诺效应分析：通过分析重大危险源装置设备等发生火灾、爆炸、泄漏等事故类型及可能造成的后果，计算得到对临近装置、厂房造成的危害，分析造成二次、三次事故的概率[6]。工艺优化设计改造：通过保护层分析，计算在设定的事故模式下，各个保护层的失效概率，从而对容易失效的保护层进行升级；通过物质热敏性分析、反应量热等测试，分析计算反应热平衡及失控反应的边界条件，对反应风险的可能性和严重度进行综合评估得出目标工艺的危险度，从而对工艺进行优化等。

(3)厂区布局设计

石化企业厂区建设前期或改造的过程中存在周边安全条件以及与已有设施是否匹配等问题。可以通过建立在不同事故场景下的数学模型，计算事故对设备设施及人员的影响范围。在频率和后果分析的基础上，通过风险计算得出死亡半径、重伤半径、轻伤半径等参数，确定个人风险等值线及社会风险F-N曲线。依据风险标准，判断个人风险及社会风险是否满足规范要求。下面以某液化石油气储存企业为例，通过对风险计算可以得出死亡半径、重伤半径、轻伤半径等参数，表1是80000m3液化石油气储罐管道完全破裂事故后果模拟表。图1和图2是采用CASST-QRA重大危险源区域定量风险评价软件对某液化石油气储存企业进行事故后果模拟分析，得到个人风险等值线图和社会风险等值线图。分析结果显示，该公司储罐区3×10-7次/年个人风险等值线范围内不存在高敏感场所、特殊高密度场所、重要目标，1×10-6次/年个人风险等值线范围内不存在居住类高密度场所、公众聚集类高密度场所，公司个人风险是可接受的；社会风险曲线处于可容许区内，社会风险是可接受的。综合以上，本项目外部安全防护距离可满足要求。定量风险评价通过确定安全防护距离，考虑事故发生时对已有设施的影响及对周边敏感区域产生的安全风险，合理优化厂区布局。

表1 80000m3液化石油气储罐管道完全破裂事故后果模拟表

图1 个人风险等值线图

图2 社会风险等值线图

(4)建筑抗爆改造

控制室等重要场所遭受爆炸冲击波的破坏，会使整个厂区陷入瘫痪无法运行，造成严重的财产损失，直接威胁到人员的生命安全。《石油化工建筑物抗爆设计标准》（GB/T 50779）、《石油化工企业设计防火标准》（GB 50160-2018）、《危险化学品安全专项整治三年行动实施方案》等法律法规均指向控制室等人员集中建筑物需要进行抗爆分析。由于工艺条件、地理位置等其他因素的限制，很多情况下无法通过调整布局来减少爆炸冲击波对建筑的影响。因此在控制室的抗爆改造中，需要进行更严格的计算及材料选择，以满足抗爆要求。通过事故影响法筛选所有可能的爆炸事故场景，计算出不同区域的超压值及作用时间。参考中石化的风险标准要求，确定目标建筑物在受到各个场景可能发生爆炸事故产生的冲击波超压6.9kPa以上，或者爆炸冲量在207kPa·ms以上。将爆炸发生的概率作为参考因素，使用累积频率法，得到一万年发生一次事故或根据最大可信事故场景确定的爆炸冲击波参数，作为控制室抗爆改造的设计基础。根据侧向超压超出曲线确定目标建筑物的超压设计载荷，以此对已建成投用的控制室等重要建筑进行抗爆改造。

(5)应急措施建立

缺乏有效的应急反应是一些重大工艺安全事故发生的重要原因之一。因此，石化企业需要编制应对紧急情况的计划，提升员工的应急反应能力，以防止小的异常事件或事故演变成大事故或灾难，从而减少人员伤害、减轻环境破坏和免遭财产损失。通过事故影响评价法，模拟计算事故发生过程，确定事故发生时离事故中心不同距离的区域可能受到的影响和存在的危险，如热辐射、冲击波及毒性气体扩散等。在此基础上对工艺系统进行工艺危害分析，提出准备应急救援设备、急救与医疗抢救、设计紧急撤退路线、逃生出口、避难区域、消防设施分布、外部救援及现场具体的应急反应程序等措施，形成应急预案或指南，以完善企业应急反应系统。定量风险评价针对石化企业可能发生的事故场景，通过计算模拟了解相关后果，为应急设施的建立及应急预案的编制提供数据支持，有助于提高相关人员的应急能力，是防止紧急情况演变为重大事故，减轻事故后果的重要途径。

4.定量风险评价局限性与展望

(1)局限性

定量风险评价存在较多局限性，例如，计算量大，需要依赖强大的逻辑思维能力或借助计算机等辅助设备。对于系统计算中涉及到的装置失效概率、偏离因子等各类参数的确定需要投入大量的精力，例如需要收集各装置工艺操作条件和设备台账，对装置和储运系统设备进行定量计算，确定每一个泄漏单元内的危险物料、工艺参数（温度、压力等）、设备设施及规格（主要设备、工艺管道、法兰、阀门、仪表接管等）、泄漏单元的物料存量等信息。各类数据的准确度和适应性也难以确定。各国国情不同，他国的数据对于我国国内适应性也必然不同，而且国内不同地点，不同的环境，变量较多，难以确保数据的准确性和适应性。

(2)展望

伴随着社会的发展，计算机数据分析技术、地理位置信息系统技术（GIS）、遥感技术等日益成熟，而定量风险评价作为一种数学分析方法，也必然会跟随着社会的进步而进步，以上技术也必定在定量风险评价中得到综合应用。

①计算机数据分析技术在定量风险评价中的应用

对于定量风险评价在计算机数据分析技术中的应用主要包含数据基础逻辑分析技术、数据可视化技术及大数据分析技术等方面。由于在某一具体单位进行定量风险评价时会涉及较多的事故场景，对于各个事故场景又对应不同的事故剧情，数据复杂，事故数学模型较多，工作量大，因此需要借助计算机进行分析。对于长时间累积收集的数据运用大数据分析技术进行储存、归纳、总结，省时省力。对于风险计算的结果可以以可视化风险地图的形式进行展示，例如毒气扩散后果、火灾辐射后果、个人风险影响等都可以在地图中直观表示出来，直观生动。

②地理位置信息系统技术在定量风险评价中的应用

工业风险地图主要用于标识工业装置对周边脆弱人口的影响，随着地理信息系统（GIS）技术的不断成熟，风险地图中数据嵌入模式也会发生变化。但是目前风险可视化研究中，风险均为静态风险，无法做到动态监控，这也是未来发展的一个比较重要的方向。

③遥感技术在定量风险评价中的应用

遥感技术由于其信息直观、丰富、简单易行的优点越来越被大众所接受和喜爱。随着国内的遥感卫星商化率的提高和激光雷达技术的日益成熟，遥感技术在应急管理领域的应用已经迎来了发展的黄金时期，其在危险品监测监控、应急疏散、环境治理上存在巨大潜力。