基于風險耦合的石油罐區火災爆炸事故風險評價

張伯瑩(中海石油技術檢測有限公司，天津 300452)

0 引言

石油儲罐因其中儲存的介質大都具有易燃、易爆特性而易發生火災爆炸事故，導致人員傷亡及財產損失。石油罐區風險管理的研究引起國內外學者的重視。Moshashaei等研究并總結了浮頂油罐火災爆炸事故原因，確定了11個主要因素及71個子因素。Halloul等采用模糊故障樹分析與專家訪談相結合的方法對原油罐區火災爆炸事故風險進行識別與評估。C.D.Argyropoulos提出了采用檢查表法對儲罐進行風險識別。Guo Xiaofang等則預測和評價了油罐爆炸引起的熱輻射和沖擊波的影響。目前的研究尚缺少對于風險因素耦合的關注，而事故的發生多為不同風險因素間相互作用的結果。因此，本文從風險因素耦合的角度出發，評價石油罐區火災爆炸事故風險因素，并研究不同風險因素之間的耦合度，希望能夠為罐區安全管理提供參考。

1 建立風險評價指標體系

1.1 石油罐區火災爆炸事故風險因素辨識

通過相關文獻的查閱，將石油罐區火災爆事故風險評價指標分為人的風險因素、設備風險因素、環境風險因素、管理風險因素、消防風險因素5個一級風險指標，具體風險評價指標體系如圖1所示。

圖1 石油罐區火災爆炸事故風險評價指標體系

1.2 基于AHP的指標權重計算

層次分析法是一種定性與定量相結合的評價方法，在安全、環境等多個領域有著廣泛的應用。

1.2.1 構造判斷矩陣

通過行業內若干名專家對各層指標兩兩比對，以1～9及其倒數作為相對重要性比例標度構造判斷矩陣A，標度方法見表1。

表1 1～9標度方法

1.2.2 計算權重向量W

運用特征向量法求得權重向量W，將權重向量右乘判斷矩陣A，有：

式中：λmax為判斷矩陣A的最大特征值；λmax存在且唯一，將求得的W進行歸一化處理。

1.2.3 層次單排序及一致性檢驗

計算一致性指標CI，有：

計算一致性比例CR，有：

式中：RI取值見表2；若CR＜0.1，則判斷矩陣滿足一致性檢驗，若CR≥0.1，則判斷矩陣不滿足一致性檢驗，需對判斷矩陣作適當修改。

表2 平均隨機一致性指標

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年提出的一種使定性概念與定量描述之間發生轉換的模型，由期望Ex，熵En以及超熵He表述[6]。云發生器即實現定性概念與定量描述相互轉換發生的過程，包括正向云、逆向云、條件云三種。

逆向云發生器可將定性的概念量化，將專家打分情況轉換為數字特征值Ex、En、He，同時可通過數字特征剔除離散程度大的打分，保證打分的準確性。云模型特征公式如(4)～(6)所示。

由此可實現對底層指標的打分，并得出相應期望值。

3 建立風險耦合度模型

3.1 構造功效函數

針對石油罐區火災爆炸事故風險系統，其耦合度指標的功效函數可表示為：

式中：Uij為一級底層指標對其上級子系統的有序度的功效，表示各項指標與目標的一致性，Uij=∈[0-9]，其值越接近0，則一致性越差；其值越接近1，則一致性越強。

此時，各個子系統作為二級底層指標，對其上級子系統的有序度的功效計算公式為：

式中：Ui為二級底層指標對其上級子系統的有序度的功效；ωij為一級底層指標的權重。由此可推出各個指標相對上級子系統的功效。

3.2 構造耦合度模型

依據物理學范疇的容量耦合概念，可以建立石油罐區火災爆炸事故風險耦合度模型[11]。

兩個系統間的耦合度模型：

由于根據耦合度模型所得耦合度是與參與耦合子系統的數量相關的，不同數量的子系統間耦合度無法直接進行對比。故為方便對比，本文均采用兩個系統間的耦合度模型，對于多個系統間的耦合，可將其拆分為兩個子系統，由公式(9)求兩子系統的組合功效值，再由兩個系統間的耦合度模型(10)得出耦合度，最后根據拆分方式的不同得出的耦合度求均值即為所求。

4 評價模型的應用

文章以大連某大型石油罐區為研究對象進行火災爆炸事故風險耦合評價。

4.1 構造耦合度模型

為簡化計算，運用matlab8.3編程計算層次分析結果。求得各指標權重見表3。

表3 風險指標權重

4.2 專家打分及期望求值

在罐區HSE部門，技術部門，現場操作工人中共選取10人對30個底層指標分別進行打分，利用matlab8.3對逆向云發生器編碼并運算，若數字特征為復數，則需要剔除離散程度大的打分并補入新的專家打分，打分為百分制，0～20分為輕度風險；20～40分為低度風險；40～60分為中度風險；60～80分為重度風險；80～100分為極度風險。最后所得期望結果表4。

表4 底層指標期望

4.3 功效值計算

針對4.2節所得期望結合(7)～(9)式計算各項指標的功效值。計算結果見表5。

表5 風險指標功效

4.4 一級指標雙因素耦合度計算

一級指標雙因素耦合共有10種耦合方式，包括人-機耦合、人-環耦合、人-管耦合、人-消耦合、機-環耦合、機-管耦合、機-消耦合、環-管耦合、環-消耦合、管-消耦合，分別記為C21、C22、C23、C24、C25、C26、C27、C28、C29、C2X。依照公式(10)計算耦合度結果見表5。

4.5 標多因素一級指耦合度計算

一級指標多因素耦合包括包括人-機-環耦合、人-機-管耦合、人-機-消耦合、人-環-管耦合、人-環-消耦合、人-管-消耦合、機-環-管耦合、機-環-消耦合、機-管-消耦合、環-管-消耦合、人-機-環-管耦合、人-機-環-消耦合、人-機-管-消耦合、人-環-管-消耦合、機-環-管-消耦合、人-機-環-管-消耦合，分別記為C31、C32、C33、C34、C35、C36、C37、C38、C39、C3X、C41、C42、C43、C44、C45、C5。依 照3.2節的拆分原則及式(10)計算耦合度結果見表6。

4.6 耦合度計算結果分析

將所求得耦合度按照降序排列可得：

(1)雙因素耦合中，人-環耦合、人-管耦合的耦合度相對最高；其中有消防風險因素參與的耦合方式耦合度最小 ；不考慮消防風險因素參與的雙因素耦合方式，機、管風險因素的非全面耦合的耦合度大于其全面耦合的耦合度；人、環風險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-機-環耦合、人-環-管耦合、人-機-管耦合的耦合度相對最高，其中有消防風險因素參與的耦合方式耦合度最小；不考慮消防風險因素，所有耦合方式中有人的風險因素參與的三風險因素耦合方式耦合度最高。

(3)四風險因素耦合中，人-機-環-管耦合、人-機-環-消耦合的耦合度相對較高；有人的風險因素參與的耦合形式耦合度較高，有消防風險因素參與的耦合形式耦合度較低；人、機風險因素全面耦合大于其非全面耦合。

表6 耦合度計算結果

5 結語

(1)針對石油罐區火災爆炸事故，在傳統的人-機-環-管四類風險因素基礎上引入消防風險因素，建立以人-機-環-管-消為一級風險評價指標的石油罐區火災爆炸事故風險評價體系，并結合層次分析法確定各項指標的權重。

(2)逆向云模型的應用將專家對于各風險指標的評價分數轉化為數字特征，并對其合理性進行檢驗，從而降低了專家打分的離散程度，使得評價方法更科學。

(3)運用耦合度模型對石油罐區火災爆炸事故風險因素耦合度進行評價，定量評價了各種耦合形式的耦合度強弱關系，對安全管理工作具有重要意義。

(4)從耦合度模型的應用可知，有人的風險因素參與的耦合方式耦合度較高，有消防風險因素參與的耦合方式耦合度較低。因此在該罐區安全管理工作中應充分發揮人的主觀能動性，提升人員的安全意識及專業素質，避免其與其他風險因素耦合。