基于多米諾效應分析的油品儲罐雷電災害風險評估

銀峰 劉洋 李猛

摘要以大型外浮頂原油儲罐為例，基于火災爆炸事故的多米諾效應分析方法，分析雷擊誘發罐組多米諾火災連鎖事故場景，給出雷擊儲罐導致多米諾火災效應的人員傷亡風險計算方法，提出適用于油品儲罐的雷電災害風險評估模型。結果表明，雷擊導致的浮頂罐密封圈電火花是引起油罐火災事故的主要原因；雷擊誘發的儲罐火災可通過熱輻射形式作用于鄰近儲罐，使得周邊人員生命安全風險大幅上升；在大型油罐的雷擊災害風險評估中，可通過引入擴展因子的方法，將雷擊事故引起的多米諾效應影響納入評估模型之中，預測雷電災害次生事故后果，為雷電防護設計提供服務。

關鍵詞雷電災害風險；油品儲罐；多米諾效應；個人風險

中圖分類號S429文獻標識碼A文章編號0517-6611（2016）04-229-03

Lightning Risk Assessment of Crude Oil Storage Tanks Based on Domino Effect Analysis

YIN Feng， LIU Yang， LI Meng （Lightning Protection Center of Tianjin， Tianjin 300074 ）

AbstractWith large floating roof tank as a case， the chain accident scenes of tank group caused by lightning hitting oil tanks were analyzed based on the analysis method of domino effect analysis of fire and explosion.We provided the calculation method of individual risk， and proposed the suitable model of lightning risk assessment for large scale oil tanks.Results showed that the main causation of oil tank fire accident was the electric spark of seal ring in floating roof tank.Tank fire disaster induced by lightning transported to nearby tanks through the form of thermal radiation， so that the life safety risk enhanced greatly.During the lightning risk assessment of largescale oil storage tanks， expanding factor method could be introduced so as to bring domino effects into evaluation model， to predict the secondary consequences of lightning， and to provide services for the lightning protection and engineering design.

Key wordsLightning disaster risk； Oil storage tanks； Domino effect； Individual risk

近年來，隨著經濟的發展和科技的進步，我國石油工業呈現規模化、園區化發展趨勢[1]，大型油庫、儲罐日益增多，面臨的雷電災害風險也隨之增大。從損害源強度而言，石油化工企業通常選址建在曠野郊區，高大罐體易成為制高點而遭受雷擊。同時，企業排放的煙塵廢氣能影響當地氣溶膠組分，加劇雷暴生成。另一方面，從承災體易損性角度，石油化工生產、貯存的易燃易爆危險品數量和種類的增多，增加了雷擊危險事故的可能性。一旦裝置因雷擊事故發生泄漏或爆炸事故，極易波及相鄰單元和周邊人員，使得危害范圍進一步擴大。因此，全面認識和評價石油工業場所的雷電災害風險，制定合理風險評估模型，既是防災減災的基礎環節，也是石油工業發展的迫切需要。

當前的雷擊風險評估方法主要依托GB/T 21714.22008《雷電防護 第二部分—風險管理》，其適用對象為一般建筑物及與建筑物相連的服務設施。關于石油化工裝置的雷擊風險評估尚缺乏統一標準，為此，不同學者分別探討了區域整體評估[2-4]和單體評估[5]方法，前者對裝置群落整體考慮，不能具體反映雷電災害源影響，易擴大風險，造成結果上的偏差；后者對裝置單體雷擊風險單獨考慮，忽略了裝置毗鄰空間的公共安全問題，缺乏對裝置間雷電災害風險關聯性的考量。近年來，雷擊油品儲罐引發的爆炸火災事故頻發，其中不乏形成多米諾效應連鎖事故，如1989年8月黃島油庫5#罐因雷擊起火后，連續引爆1#～4#罐，大火持續燃燒104 h，造成19人死亡、78人受傷[6]；2015年4月17日美國德克薩斯州一處頁巖油罐遭雷擊起火，引發周圍11個油罐著火，影響惡劣[7]。筆者以大型浮頂油罐為例，在以GB/T 21714.22008雷擊災害風險評估模型為藍本的基礎上，引入多米諾效應的分析方法，對雷擊儲罐引發的火災事故及事故擴展造成的人員傷亡風險進行量化分析，通過將安全評價方法與現有的防雷工程模型相結合，探討適用于油品儲罐的雷電災害風險評估方法。

1資料與方法

1.1實例概況以20 000 m3外浮頂原油儲罐罐組為例，對雷電擊中儲罐引起的雷電災害風險進行定量評估。罐組布置情況如圖1所示。該罐組坐落于天津市南港工業區，當地雷暴日為28.4 d。罐組包含T1～T4共4個原油常壓儲罐。罐直徑為40.50 m、高15.85 m，罐壁最薄處壁厚度為5.50 mm。儲罐均采用一次、二次密封，一次密封采取機械密封。儲罐之間設有防火堤，并配置有泡沫液間和手提式滅火器。儲罐以自身金屬罐體作為接閃器和引下線，儲罐設計接地電阻≤10 Ω。

1.2雷擊儲罐的多米諾效應分析近年來大型浮頂儲罐雷擊事故表明，雷擊浮頂儲罐引起的火災事故均為密封圈火災，著火點位于密封圈處，均有多處燃爆點[8]。雷擊儲罐時，流過的雷電流或雷電感應電壓在儲罐導電片或機械密封金屬連接件之間形成放電火花。在一定密封泄露條件下，空氣進入二次密封內部，與油氣混合達到爆炸下限，遇到雷電火花發生閃爆。若密封圈火災未得到及時有效控制，則可能升級為全表面火災，這是浮頂儲罐火災最為嚴重的一種形式，對周圍熱輻射強度最高，滅火難度最大。著火儲罐以熱輻射形式作用于鄰近儲罐的罐壁和浮頂，使其油品分層，在密封圈處形成熱油區，直至熱油區油品溫度達到初沸點，可燃蒸汽穿過密封圈被點燃形成密封圈火災，引發多米諾事故。隨著可燃蒸汽大量產生，造成浮頂不穩定，導致儲罐火災面積擴大[9]。在此以雷擊電火花引起儲罐全表面火災為初始事故，以周圍儲罐發生全表面火災為二級事故，對雷擊儲罐火災引起的多米諾效應概率和個人風險進行計算。

1.2.1初始事故頻率的確定。為確定雷擊引起儲罐全表面火災的頻率，首先需得到雷電擊中儲罐的概率。根據GB/T 21714.22008，儲罐每年遭受雷擊的危險次數為：

ND=NG·AD·CD×10-6（1）

式中，NG為雷擊大地密度，與雷暴日數TD的關系為NG=0.1TD；AD為截收面積，對高為H、半徑為R的儲罐AD=π（R+3H）2；CD為儲罐位置因子，對周圍有相同高度包圍的儲罐取0.5。

根據DL/T 6201997[10]，年雷暴日超過20 d的地區，有

lgP=-I88 （2）

式中，I為雷電流幅值（kA）；P為當地雷電流幅值超過I的概率。試驗表明，單個導電片電流達400 A即可產生點燃性火花[11]。浮頂儲罐二次密封圈內部相鄰導電片間隔不超過3 m，導電片數量n約為儲罐周長的1/3，產生雷擊火花需要的雷電流幅為n×400（A），則儲罐發生雷電事故引起儲罐密封圈火災的數學期望為P×ND。

1.2.2鄰近儲罐失效概率計算。熱輻射引起的目標設備損壞概率可通過Cozzani等[12]建立的概率函數得到：

Pd=12π∫Y-5-∞e-x22dx（3）

式中，Y為目標設備損壞的概率單位。對常壓容器而言，有：

Y=12.54-1.847 lnt （4）

lnt=-1.128lnq（r）-2.667×10-5V+9.887 （5）

式中，t為無故障時間（s）；q（r）為距火源距離r處目標接收到的熱通量（kW/m2）；V為目標設備容積（m3）。

1.2.3個人風險計算。對于初始事故周圍的n個可能目標，空間（x，y）處對應的個人風險IR（x，y）為：

IR（x，y）=2nj=1（fj·Vj）（6）

fj=f0·∏1≤i≤n[1-qi+δ（2qi-1）]，δ=1，i∈j

0，ij（7）

Vj=minV0+ni=1δ×Vi，1，δ=1，i∈j

0，ij（8）

式中，f0為初始事件發生年頻率；qi為第i個設備失效對應的擴展概率；V0和Vj分別為初始事故和事故造成的人員死亡概率。在此采用Pietersen火災熱輻射概率模型[13]計算儲罐附近人員死亡概率：

V=∫Pr-5-∞e-x22dx（9）

Pr=-37.23+2.56ln（t·I1.33） （10）

式中，t為人員承受熱輻射時間（min）；I為危險區域人員受到的熱輻射通量（kW/m2）。

1.2.4基于多米諾事故分析的儲罐雷電災害風險評估修正模型。當前的雷電災害風險評估標準（GB/T 21714.2-2008）以R=N×P×L為基本公式，將建筑物單體的雷擊災害風險表示為危險次數、損害概率及損失率三者的乘積。對于油品儲罐的承災體特性，雷電擊中儲罐引起的人員傷亡風險包括2個風險分量，分別為：

RA=ND×PA×rA×Lt （11）

RB=ND×PB×rP×hz×rf×Lf（12）

式中，RA為雷擊儲罐時距離儲罐3 m范圍內因接觸和跨步電壓導致的人員傷亡風險分量；RB為雷擊儲罐因危險火花放電導致火災、爆炸等物理損害引起的人員傷亡風險分量；ND為儲罐的年預計雷擊次數；PA為雷擊儲罐因接觸和跨步電壓造成人員傷亡的損害概率，取決于是否敷設地網；rA為影響人員傷亡損失的縮減因子，取決于土壤類型；Lt為接觸和跨步電壓傷害引起的損失率；PB為雷擊儲罐因危險火花放電觸發導致人員傷亡的概率，取決于雷電防護系統措施；rP為與防火措施有關的縮減因子，取決于防火措施；hz為有特殊危險時因物理損害導致人員傷亡的增長因子，取決于人員密度；rf為火災危險程度的縮減因子，取決于消防負荷；Lf為物理損害引起的損失率。

由雷電災害風險評估中各因子含義可知，對于油品儲罐而言，當前的評估模型未考慮連鎖事故引起的風險擴散的情況，為對其進行量化，該研究在RB中增加一項風險擴散因子he，表征雷擊事件引起鄰近裝置發生多米諾事故導致附近人員傷亡的增長因子，將其表示為：he=SeS。式中，S為初始事故引起人員傷亡的個人風險曲線圍成的面積；Se為考慮多米諾擴展效應后人員風險曲線所圍面積。則修正后的儲罐雷擊風險評估模型為：

RA=ND×PA×rA×Lt （13）

RB=ND×PB×rP×hz×he×rf×Lf （14）

2結果與分析

2.1初始事故頻率郎需慶等[14]研究指出，一次密封采用機械密封形式，油氣濃度達到爆炸極限的概率為19%。同時，LASTFIRE項目組對世界范圍內浮頂罐火災事件統計，55次密封圈火災中有1例升級為全表面火災[9]。根據公式（1）、（2），計算得到儲罐T1因雷擊發生全表面火災事故的年頻率約為4.54×10-5。

2.2鄰近儲罐失效概率通過ALOHA軟件模擬計算T1儲罐發生全表面火災時周圍空間的熱輻射通量強度，根據公式（3）～（5），計算得到熱輻射通量強度和鄰近儲罐失效概率隨儲罐距離的變化情況（圖2）。由儲罐區平面（圖1）可知，儲罐T2、T3、T4與T1距離分別為16.2、16.2和39.7 m。根據鄰近儲罐失效概率隨儲罐距離變化（圖2），確定鄰近儲罐T2、T3、T4失效擴展概率分別為3.12×10-2、3.12×10-2和4.29×10-4。

圖2鄰近儲罐失效概率與儲罐間距的關系

Fig.2Relationship between failure probability of nearby tanks and tank spacing 2.3雷擊儲罐引起的多米諾事故個人風險根據公式（6）～（10），將罐組周邊空間區域網格化，計算儲罐T1單獨發生雷擊事故和鄰近儲罐發生多米諾事故的個人風險曲線，其中鄰近儲罐發生事故的多米諾場景分別為儲罐T2發生事故，儲罐T3發生事故，儲罐T4發生事故，儲罐T2和T3發生事故，儲罐T2和T3發生事故，儲罐T3和T4發生事故，儲罐T2、T3和T4發生事故。對比考慮雷擊儲罐多米諾效應前后的個人風險（圖3）可知，當考慮多米諾效應時，因雷擊而引發火災事故的傷亡半徑明顯高于不考慮多米諾效應的危害后果，表明當雷電擊中裝置區某儲罐時，由于其擴展效應，周邊儲罐也會產生很高的人員傷亡風險。因此，在大型油罐的雷擊災害風險評估中，對于雷擊風險的擴展效應的考慮十分必要。

2.4基于多米諾事故分析的儲罐雷電災害風險評估根據工業ALARP原則[15]和GB/T 21714.22008人身傷亡風險容許值的有關規定，將每年雷擊災害引起的人員傷亡的個人風險等值線數值規定為1.0×10-5，從而得到風險擴展前后風險曲線所包圍的面積，進而計算得到儲罐T1的擴張因子he為1.56，其他風險因子數值見表1。根據儲罐雷電災害風險評估修正模型，計算得到RA=2.05×10-6、RB=3.20×10-6，則雷擊T1儲罐引起的人員傷亡風險值R1=5.25×10-6，低于GB/T 21714.22008規定的人員傷亡風險容許值（10-5），屬于可接受風險。

3結論

近年來雷電災害引起的儲罐火災爆炸事故越來越多，建立合理的風險評估模型十分必要。當前的雷電災害風險評估標準對于石油化工裝置存在較大的局限性。該研究以雷電災害對大型浮頂原油儲罐罐組影響為切入點，分析了雷擊引起爆炸火災事故的情境，確定了儲罐因雷擊發生全表面火災的基礎概率，并采取多米諾效應的分析方法，建立了適用于大型浮頂儲罐的風險評估模型，細化了評估模型中雷擊風險擴散的量化標準，最后以天津市南港工業區20 000 m3外浮頂原油罐組為實例，通過對雷電擊中儲罐引起的雷電災害風險進行計算和分析，得到如下結論：

（1）雷擊導致的浮頂罐密封圈電火花是引起油罐火災事故的主要原因。雷擊誘發的儲罐火災可通過熱輻射形式作用于鄰近儲罐，引發多米諾事故。通過實例計算表明，雷電電火花引發儲罐全表面火災后，由于初始事故多米諾效應，傷害半徑有所增加，個人風險大幅上升。

（2）對于油品儲罐的雷擊災害風險，可通過引入擴展因子的方法，將雷擊事故引起的多米諾效應影響納入評估模型之中，使得評估方法更有針對性，為石油化工場所的防雷減災工作提供服務。

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