基于池火災模型與事故樹分析的石油庫安全評價

張興強

〔中國石化天津靜海石油分公司 天津靜海 301600〕

安全評價工作是安全生產工作中至關重要的一個環節。目前，對新建或改造建設項目進行安全評價已逐漸成為必須執行的重要舉措。針對危險性較大的油品生產儲運環節，需充分運用科學管理方法對油庫安全生產中潛在的風險因素進行識別、分析、評價和控制。本文以某二級油庫2號汽油罐區為例，運用池火災傷害數學模型，計算出死亡半徑、重傷半徑、輕傷半徑；使用事故樹分析法綜合分析儲罐區發生火災爆炸的事故原因，從而得出可以有效預防爆炸的安全生產管理措施，為提升油庫安全管理提供有效的對策建議。

1 儲罐區基本情況

2號汽油儲罐區現有立式鋼制內浮頂罐6座，2座罐容積1 000 m3,4座罐容積3 000 m3，總罐容積為14 000 m3，儲存油品均為92號汽油。汽油屬于甲B類易燃液體，密度約為740 kg/m3，充裝系數為0.85，灌滿儲存量為8 806 t。防火堤結構形式為鋼筋混凝土，長100 m，寬80 m，高1.5 m，容積為12 000 m3，面積為8 000 m2。儲罐工藝為常溫常壓。

2 池火災傷害模型計算

采用池火災傷害數學模型分析法可以確定當池火傷害時最大化的影響程度，被評價的易燃液體儲罐一旦破裂或由于操作失誤而外溢，液體就會立即沿著罐體往地面擴散，一直流到防火堤邊，形成液池，一旦遇到明火將會形成池火[1]。

2.1 池火火焰高度計算

無風時，池火災火焰高度計算見公式(1)：

(1)

式中：h為火焰高度，m；r為池火災當量圓半徑，m；ρ0為周圍空氣密度，ρ0=1.293 kg/m3(標準狀態)；g為重力加速度，9.8 m/s2；dm/dt為燃燒速度，kg/(m2·s)。

2.2 池火燃燒時放出的總熱輻射通量

無風時，池火燃燒放出的總熱輻射通量計算見公式(2)：

(2)

式中：Q為總熱輻射通量，W；η為效率因子，可在0.13～0.35之間取值，取平均值0.24；Hc為液體燃燒熱，汽油的燃燒熱為43 700 kJ/kg。計算得，Q=645 016.109 kW。

2.3 目標入射輻射強度

假設液池為一個數學模型，全部的熱輻射能量從液池中心點的小球面輻射釋放出來，則在距離池中心距離(X)處某一點的熱輻射強度(I)計

算見公式(3)：

(3)

式中：I為熱強度輻射，W/m2；Tc為熱傳導系數，在無相對理想的數據時，可取值為1；Q為總熱輻射通量，W；X為目標點到液池中心距離，m。

火災通過熱輻射的方式直接影響周邊環境和設備。火災傷害計算主要在熱輻射強度與損失等級的對應關系上，池火災分析法介紹了不同的熱輻射強度造成的傷害和損失的關系，熱輻射破壞和傷害準則見表1。

表1 熱輻射破壞和傷害準則

根據熱輻射強度公式，分別計算熱輻射強度為37.5，25.0，12.5，4.0，1.6 kW/m2時X(目標點到液池中心距離，m)的值，熱輻射強度與距離的關系計算結果如表2所示。

表2 熱輻射強度與距離的關系

2.4 評價結果

假設汽油儲罐在最大儲量下發生泄漏后，在防火堤內瞬間形成液池，遇明火發生池火，池火焰高度最大可達47.1 m。以泄漏的儲罐為中心，半徑37.01 m范圍內的設備設施將會全部燒壞，生產工作人員如果在1 min內不撤離則全部死亡；半徑在37.01～45.32 m范圍內的設備將嚴重燒壞；半徑在45.32～64.10 m范圍之內的設施將會受到更加嚴重的損壞。

3 罐區火災、爆炸原因事故樹分析

事故樹分析法(Fault Tree Analysis，FTA)是在系統安全分析方法中已經得到廣泛應用的一種方法，適用于各種對作業安全系統安全性的預測和分析，該方法以不希望發生的事件(即頂上事件)作為分析對象，通過層層深入的分析，把頂上事件與可能導致其發生系統中的各種原因之間的邏輯關系用樹性結構表示，應用數理邏輯找到事故樹的結構函數，采用布爾代數方法對其進行數學分析計算，確定最小割集或最小徑集，對基本事件的結構重要度進行排序，找出事故可能發生的原因，明確防范重點，從而達到預測與預防各類安全事故發生的目的[2-4]。

3.1 爆炸條件分析

爆炸是物質從一種狀態迅速轉變成另一種狀態，并在瞬間放出大量能量，同時產生聲響的現象。發生爆炸必須同時具備3個基本條件：點火源、可燃物以及助燃物。空氣中的氧氣屬于助燃物，其含量能夠滿足火災爆炸的需要，因此滿足發生爆炸的助燃物這一條件。點火源一般由明火、撞擊火花、電氣火花、靜電火花、雷擊火花等造成，靜電火花和撞擊火花可滿足點火源這一條件；可燃物主要是由于油庫設備故障或者人員的操作失誤而引起的油料泄漏且罐內的通風不暢而積聚的油氣(其濃度已經達到爆炸極限)[5]。

根據儲油罐發生火災爆炸事故的影響因素分析，可以得出能夠直接或間接導致火災爆炸事故的基本事件，如表3所示；運用條件分析可以從引發事故的原因分層進行剖析，得出各基本事件與上層基本事件之間的數理邏輯關系，將本來分散的基本事件串聯起來，形成一個樹狀結構。以儲油罐發生火災爆炸事故作為頂上事件T，根據火災爆炸事故與導致事故的直接原因之間的邏輯關系，以及各基本事件與上層基本事件之間的理論邏輯關系，建立儲油罐火災爆炸事故樹模型，如圖1所示。儲油罐火災爆炸事故樹事件表詳見表3所示，儲油罐火災爆炸事故樹模型詳見圖1所示。

表3 儲油罐火災爆炸事故樹事件表

圖1 儲油罐火災爆炸事故樹模型

3.2 事故樹定性分析

3.2.1 最小割集

應用布爾代數法可以對事故樹模型進行計算，由于事故樹的基本事件比較多，求解的過程比較繁瑣，不便于進行定量計算，因此求其最小徑集。

3.2.2 最小徑集

求最小徑集的方法與求最小割集基本相似，根據數學邏輯中的對偶原理，把圖1中的“與門”換為“或門”，“或門”換為“與門”，所有事件都加“’”表示取反，即表示該事件不會發生，得出與原事故樹對偶的成功樹，如圖2所示。

圖2 儲油罐火災爆炸成功樹

成功樹的最小割集即為原事故樹的最小徑集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

定量分析使用結構重要度分析，就是從事故樹結構上來分析各基本事件的重要程度，即不考慮各基本事件的發生概率，假設各基本事件發生的概率都相等，分析各基本事件的發生對頂上事件發生所產生的影響程度[6-9]，經計算得到各基本事件的結構重要度排序為：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 評價結果

根據定量分析結果，結構重要度較大的是油氣濃度達到爆炸極限這一要素。因此，遏制這一因素是油庫安全管理的重要環節。

4 安全對策措施與建議

根據本次事故樹分析結果，油庫儲油罐的安全隱患主要是油氣泄漏。通過事故樹的定量分析，結構重要度較大的是油氣濃度達到爆炸極限，其原因是設備故障或操作失誤引起的油氣泄漏，而且儲罐密閉空間內未及時通風導致油氣濃度超標，給油庫的安全帶來嚴重威脅。結合池火災數學傷害模型計算結果，該油庫一旦發生爆炸，所有人員需要在1 min中內全部撤離，否則將面臨生命危險。

為此提出以下措施與建議:

(1) 合理設置油氣濃度監測點。油氣濃度超高是儲油罐發生火災爆炸事故的潛在威脅。因此，要時刻掌控儲罐區揮發性可燃物濃度，將油氣濃度控制在安全范圍內。在罐前的閥門、罐頂的測量口、呼吸閥等處安裝油氣濃度報警器，實時監測油氣濃度; 設置報警限度，周圍油氣濃度一旦超過報警限度就會自動發出警報，提醒現場的消防人員和油庫相關工作人員及時到現場查看并確認。

(2) 合理設置儲油罐液位監測點。罐區所有儲罐均應安裝油品液位檢測儀，實時監測罐內油品液面高度，同時應設置防溢油和低液位安全報警裝置，油品在收發油過程中液位一旦高于或者低于安全高度，就發出警報，提醒油品已滿罐或者浮盤將落地，確保油罐不會發生安全事故。找出液位變化的規律，防止發生泄漏事故。

(3) 合理設置視頻監控點。在油庫大門、罐區入口、辦公區域、罐區圍墻等重要部位安裝高清防爆攝像頭，實時監控油庫進出人員的活動情況。時刻監控是否有人攜帶火種和危險品進入油庫; 是否有人未穿防靜電服、未使用防爆工具或防爆照明設備進行作業; 是否有違章動火、動電、登高、動土作業; 是否存在故意破壞行為等。

除滿足硬件條件之外，員工素質也是企業的重要一環。特別要重視培訓，提高油庫基層員工的素質。公司的基層員工是企業發展的一線中堅力量，其綜合素質水平直接關系著企業發展能否順利。因此，應在以下幾方面重點考慮[10]：

(1)定期組織員工開展專業技能培訓。由于油品的特殊性，油庫的管理工作在人員選擇上應對員工素質的要求很高。定期的專業知識培訓有利于提高工作人員的綜合素質，提高其自身的認知水平。

(2)培養和建立一支優秀管理隊伍。進一步加強宣傳安全教育和安全培訓，培養業務骨干和技術能手，努力提升每一位工作人員的安全意識，為油庫安全管理工作開展打下堅實的基礎。

(3)嚴格落實油庫各項規章制度。在油庫管理工作中，管理制度得不到落實，發揮不出它的約束力和管理規范作用是油庫管理工作存在安全隱患的重要因素。因此，要進一步建立并且嚴格落實安全制度，強化油庫工作人員的安全意識，定期給員工灌輸安全生產知識，嚴格按照各項規章制度進行工作。

(4)建立績效獎勵懲罰機制。將每個人的工資收入與其績效考核的結果結合起來，就會在一定程度上充分調動員工對于工作和規范安全操作的積極性。懲罰那些不嚴格按規章辦事的人，獎勵嚴守制度的人，最大程度滿足全體員工的物質需求與精神需求。

(5)在安全管理過程中需要考慮的不僅是人的安全性，還要更加注重生產設備的安全性。設備的管理在安全生產領域中占有十分重要的地位。設備在生產運行過程中是使用最多的物件。因此，需要對其進行日常檢維修和定期保養，一旦出現問題應及時整改，這樣就可以將安全生產事故的發生概率降到最低。

(6)借鑒其他石油石化企業或者國外的優秀管理模式。隨著全球一體化時代的到來，需要更多地吸收先進的事物和方法，來滿足我國發展的實際需求。通過對其他企業優秀管理模式的學習，取其精華去其糟粕，將其中優秀的并且符合我國石油石化企業發展的因素吸收進來，與企業發展實際相結合，走出一條更符合中國石化企業發展需求的有利于安全管理的道路。

5 結束語

利用池火災數學計算模型和事故樹安全評價法，不僅能夠了解油庫發生火災爆炸的可能因素，同時也能了解火災爆炸后的影響，讓生產經營者清楚安全管理的重要性，對油庫進行系統地隱患排查，制定并嚴格落實安全管理措施，不斷提高油庫的“本質安全”水平。