失效頻率修正對風險結果的影響分析

尚騰飛，吳達嶺，齊學振

(浙江省應急管理科學研究院，浙江省安全工程與技術研究重點實驗室，浙江 杭州 310012)

某化工園區內某一化工企業新建一液氯站，液氯用于生產原料用，液氯站中設計有100 m3液氯儲罐3個，1 m3液氯緩沖罐1個，依據GB18218-2018辨識，該液氯站已構成二級重大危險源。

氯在《危險化學品目錄(2015版)》中被列為劇毒化學品且具有強腐蝕性。液氯為黃綠色液體，沸點為-34 ℃，一旦泄漏至空氣中則會氣化形成氯氣，氯氣屬于重質氣體，會隨氣流沿地面擴散，聚集在地勢低洼處不易消散，對周邊防護目標造成嚴重威脅。

根據應急管理部組織制定的《淘汰落后危險化學品安全生產工藝技術設備目錄<第一批>》的相關內容，“未設置密閉及自動吸收系統的液氯儲存倉庫、氣化間”位列其中。結合中國氯堿工業協會《關于淘汰落后工藝技術“未設置密閉及自動吸收系統的液氯儲存倉庫”實施整改的指導意見》中的內容，為預防液氯儲罐泄漏對周邊環境的危害，企業在設計階段考慮了液氯罐區的封閉化并同時考慮事故氯氣吸收系統。在液氯罐區外設置封閉墻體，用物理隔斷防止事故氯擴散，并通過聯鎖事故風機進行負壓排氣抽送至尾氣處理塔吸收，處理過的尾氣從塔頂放空管排空。此外對液氯裝卸區域也進行了同樣的封閉化設計。

由于液氯泄漏事故在企業總體風險中的較大占比，考慮運用DNV軟件對處于設計階段的液氯站進行了定量風險評估，為液氯站的設計規劃客觀評估并提出建議，以避免群死群傷事故的發生。

1 定量風險分析方法

定量風險分析(簡稱QRA)簡單說就是采用定量化的概率風險值對裝置發生事故的概率及其后果進行定量分析和計算，參考相關可接受風險標準對系統危險性進行風險評價并確定外部安全防護距離的方法。

荷蘭政府災害預防委員會CPR出版有黃皮書、紅皮書和紫皮書。黃皮書中主要提及失效后果的物理模型，紅皮書提及失效頻率的計算方法，紫皮書闡述了定量風險評估的計算方法，為定量風險評估軟件的開發打下基礎。

2 風險標準

風險標準可以理解為判斷風險是否可接受的標準。依照設定的標準比較風險級別并對其主要風險因子進行識別，這一過程即為風險分析。風險分析的目的是對不可接受風險的發生提出的改善措施，同時也為了將風險的整體等級降低到盡可能降低區(簡稱為ALARP)。

一般來說風險成果分為兩種風險類型，即個人風險和社會風險。定量風險分析(QRA)中對界區外的風險用個人風險等高線和F-N曲線表示。

2.1 個人風險和個人風險標準

個人風險是指單位時間內(通常為一年)的個體死亡率，通常用個人風險等值線表示。表示界區外某一個體持續出現在某一特定位置所遭遇的各類安全事故的頻率。基于特定位置個人風險的定義，以個人死亡風險等高線形式表示的風險結果是保守的。個人風險等高線一般是用來評估外界對設施風險的可接受度，例如居民區、商業區和化工園區等。

2.2 社會風險和F-N曲線

社會風險是對個人風險的補充，指在個人風險確定的基礎上，考慮到危險源周邊區域的人口密度，以免發生群死群傷事故的概率超過社會公眾的可接受范圍。通常用F-N曲線表示。

可容許社會風險標準采用ALARP原則作為可接受原則。ALARP原則通過兩個風險分界線將風險劃分為3個區域：不可容許區、盡可能降低區和可容許區。如果F-N曲線處于不可接受區域，這意味著周邊人群暴露于偏高的風險，必須盡全力降低其風險。如果F-N曲線處于可接受區域，意味著周邊人群暴露于可以接受的風險，因此無需采取更進一步的風險降低措施。如果F-N曲線處于盡可能降低的區域內，企業應根據自身的經濟狀況和現實情況來確定是否應采取特定的安全對策措施來降低風險，提高安全生產水平。

2.3 風險計算

通過給定時間內熱輻射強度、沖擊波超壓、毒物擴散濃度的概率可計算出火災、爆炸、有毒氣體泄漏事故的死亡概率。

假設區域內一危險源，其在區域內某一空間地理坐標為(x，y)處產生的個人風險值可以在頻率和后果分析基礎上，經過一系列復雜的演算得出。但是在通常情況下，失效后果及個人風險計算量非常大，一般需借助專業的風險評估軟件實現較為準確的計算。

3 DNV公司定量風險分析軟件和安全基礎數據庫

挪威船級社(DNV)通過多年努力，編制了各類風險評估所需的計算機應用程序， 建立了經驗數據庫以及為了滿足特殊需求的實驗數據庫[1]，其中PHAST軟件主要用于事故后果的模擬計算；SAFETI軟件主要用于定量風險分析；LEAK軟件是用于計算不同設備或裝置的泄漏事故發生概率。

挪威船級社(DNV)的SAFETI定量風險分析軟件要求在充分熟悉現場情況的條件下，分析可能發生的事故，輸入相關的工藝設備參數、氣象參數及人口分布等，根據評價人員對事故狀態的分析選用不同的模型進行計算[3]，以數字或者圖標的形式顯示風險結果，然后將該結果與相應的風險標準進行比較得出其風險是否可接受。

浙江省應急管理科學研究院建立的企業安全基礎數據庫是一個公開的、實時更新的、系統化的數據平臺，包括法律法規、標準規范、氣象水文條件、危險化學品理化性質、典型危險工藝分析、化工操作單元的危險性分析、常用危險化學品事故處置方案、安全事故案例、事故調查報告、定量計算模型、設備設施失效統計、地理信息系統等板塊。用于更好地指導和服務安全生產。

4 泄漏場景及失效頻率

4.1 失效頻率

在定量風險評估計算過程中，影響計算結果的多方面因素中就包括了失效頻率。事故失效頻率的分析包括固定泄漏場景下設備設施泄漏頻率和泄漏產生的事故后果的概率，泄漏頻率主要來源于行業數據、公司歷史經驗和供應商提供的數據。

在實際生產運行過程中，失效頻率計算需綜合考慮設備設施的真實狀態和企業的安全管理水平[4]。目前國內外通用的風險檢驗評估技術是由美國石油協會(API)在20世紀 90 年代推出的RBI技術(RISK-Based Inspection)，該項技術是通過研判對象裝置和設備部件的失效機理、工藝環境和檢驗周期、檢驗有效性等情況，對裝置工藝單元的基礎失效頻率有針對性的量化修正[5]，目前對通用失效頻率最有效的頻率修正方法為Barrier based methodology，該方法基于保護措施的修正方法，充分運用Bow-tie蝴蝶結模型的建立，有效分析出降低事故發生頻率和減緩事故后果的安全措施，通過分級賦分，最終轉換為失效頻率的修正系數。DNV軟件里已充分考慮各種失效頻率的修正方法以保證不同場景下風險結果的可參考性。

國內的失效頻率數據庫至今沒有特別權威的代表，本文采用的泄漏事故概率來自荷蘭應用科學研究組織出版的《定量風險評價指南》中根據歷史統計數據已經總結出的典型泄漏尺寸的泄漏概率結合國家標準《危險化學品生產裝置和儲存設施外部安全防護距離確定方法》中的泄漏概率。

4.2 獨立保護層

保護層分為很多種，如工藝設計、基本過程控制系統、安全儀表系統、被動/積極的防護設施以及人員干預等，這些保護層降低了事故發生的概率。

獨立保護層是能夠阻止場景向不良后果繼續發展的一種設備、系統或行動，并且獨立于初始事件或場景中其他保護層的行動。其有效性根據要求時失效概率(PFD)進行確定， PFD值越小，該保護層對某一初始事件的后果頻率削減的越多。

獨立保護層必須滿足：按照設計的功能發揮作用，必須能有效地防止后果發生；獨立于初始事件和任何其他已經被認為是同一場景的獨立保護層的構成元件；對于組織后果的有效性和PFD必須能夠以某種方式進行驗證。

考慮到企業可能為液氯站加上的相關保護層，即在某一回路失效導致液氯儲罐泄漏事故發生概率的基礎上考慮了安全儀表系統等保護層對失效頻率的影響。相對修正事故后果，通過修正事故發生頻率提高 QRA 的分析精度是更為可行的一種方法。

4.3 泄漏時間

對于易燃物料，關注點在于某一時刻的瞬時濃度是否能夠到達燃燒下限濃度引起點火，美國化工過程安全中心(CCPS)推薦采用18.75 s作為可燃物濃度計算的平均時間。

對于毒性物料，在毒性一般的情況下泄漏平均時間默認選取一個固定時長600 s作為毒性關注濃度對應的平均時間(基于McMullen等的研究“The change of concentration standard deviations with distance”)；如果毒性物料所造成的毒性影響由濃度主導，關注濃度應為能夠造成短時間急性中毒癥狀的濃度，此時可以考慮使用較短的平均時間18.75 s。

綜合以上所述，我們采用的泄漏平均時間選取暴露時間和毒性時間相結合的方式，關注的最長泄漏時間不超過600 s。

4.4 泄漏速率

壓力為物質泄漏提供動力，是影響物質泄漏速率的主要因素。根據機械能守恒，物質泄漏的質量泄漏速率可以用液體壓力管道的伯努利方程計算，公式如下：

式中：Q——液體泄漏流量，kg/s

CD——液體泄漏系數，按圓孔(多邊形孔)取Cd=0.62

A——泄漏孔的面積,m2

P——液體泄漏前的壓力,Pa

P0——環境壓力，Pa

ρ——液體密度，kg/m3

g——重力加速度，9.81 m/s2

h——液體高度,m

5 模擬計算

5.1 模擬計算參數

5.2 點火源選擇

5.3 失效頻率

表3 泄漏場景及風險頻率[2]Table 3 Leakage scenario and risk frequency[2]

6 風險結果

由于該液氯站已構成二級重大危險源，風險計算考慮《危險化學品重大危險源監督管理暫行規定》(原國家安監總局[2011]第40號令)中1×10-6/年和3×10-7/年個人風險基準等風險線，對應“公眾聚集類高密度場所”和“高敏感場所、重要目標、特殊高密度場所”，結果見圖1～圖2。

圖1 未考慮保護層時的個人風險結果Fig.1 Personal risk results without considering the protective layer

圖2 考慮保護層時的個人風險結果Fig.2 Personal risk results when considering the protective layer

由圖1～圖2對比可知，液氯站的固有風險影響范圍確實很大，但是在考慮了保護層的加持并修正了失效頻率后，該液氯站個人風險等值線對周邊防護目標的影響范圍明顯變小，風險可視為降低。

7 結 論

(1)失效頻率的修正應綜合考慮設備運行狀態、安全設施加持和企業的安全管理水平，但是由于這幾個要素是不斷發展變化的，因此失效頻率的修正也應隨時更新。

(2)失效頻率的修正嚴格意義上是針對某一特定回路進行的修正，通過對失效頻率的修正確實可以調整風險最終的結果。企業應在設計階段通過嚴謹的HAZOP和LOPA分析對工藝過程的每一條回路進行分析，甄別出需要進行調整的回路并加持相應的安全措施。

(3)國內缺少全面的失效頻率數據庫，浙江省應急管理科學研究院建立的企業安全基礎數據庫雖然已經對相關的失效數據進行了統計，但是仍需要有大量的基礎數據、時間和經驗的累積。

(4)在考慮保護層對失效頻率進行修正時應全面考慮保護層的獨立性和可追溯性，并非所有的保護層都可以作為失效頻率修正的依據，風險評估人員應根據企業提供資料的精確性和自身的經驗對保護層的加持進行嚴格摘選，才能讓風險分析結果對項目落地起到真正意義上的參考作用。