多米诺效应的定量风险分析

多米诺效应的定量风险分析

0多米诺效应定量分析随着石油化工的发展，化工生产设备的多样性和复杂性增加了发生二次或多环芳烃事故的可能性，并考虑了工厂布局、土地使用和安全管理的多米诺效应。在欧洲,“Seveso-Π”(96/82/EC)指令也要求主管当局在工厂布局、土地使用等方面考虑多米诺效应产生的重大后果,并进行定量分析和评价。多米诺效应定量分析的方法,是在对事故风险的定量分析中考虑多米诺场景,分析二次事故发生的可能性和后果严重度,与现有安全分析方法的最大区别在于它着重评估各个评价单元之间的相互影响程度。本文根据事故单元与单元之间的影响,确定发生多米诺效应的概率,并进行多米诺效应的后果分析,从而进行风险量化,使得结果更具有客观性。将多米诺效应的定量分析法应用到我们现有的安全评价方法中,分析企业、工厂装置发生“多米诺”效应的频率和后果,确定多米诺效应的风险范围,更加有利于进行工厂布局、土地使用和企业的安全管理,对一些可能发生多米诺效应或连锁反应的工厂和企业有重要意义。1质的泄漏—多米诺效应的定义美国化学工程师学会化工过程安全中心(AIChE-CCPS)把多米诺效应定义为:开始于一个单元,并通过热辐射、爆炸和碎片等物理效应影响到邻近单元,从而增加了后果严重性或失效频率的事件。英国HSE给出了相关的几个定义:Lees,因危险物质的泄漏导致事件扩大;BagsterandPitlado,某一设备中污染物的泄漏,导致邻近设备发生事故,从而引起更大的污染。欧洲联合会认为,如果一个工厂里出现的事故由于直接或间接原因引起毗邻或附近装置危险物质的泄漏,就叫多米诺效应。Cozzani等给出了一个相对完整的定义:一个由初始事件引发的,波及邻近的1个或多个设备,引发了二次事故的场景,从而导致了总体结果比只有初始事件时的后果更加严重。只有当结果的总体严重性高于或至少相当于初始事故后果的场景事故才被认为是多米诺事件。首先介绍一下涉及的专业名词。初始事件:最开始发生的事故或事件,即所谓的触发事件。二次事件:由初始事件通过能量、脆片引发的现场和邻近设备发生的事故或事件。多米诺场景:二次事件发生的可能情况。根据Cozzani等的研究归纳出多米诺事件的4要素:1)一个能引发多米诺效应的初始事故场景;2)由初始事件对二次目标引发的扩大因素而导致了后果的增殖效应;3)由于初始事件的传播使得在相同和不同的单元中产生1个或多个多米诺事故场景;4)由于二次事件的发生而导致总体后果扩大。典型的多米诺效应是串联或并联的连环事故。泄漏事故可有3种不同的物理现象:冲击波或超压、热辐射和抛射物。每种物理现象都会产生一个危险区域,当危险区域内的某种特别效应值超过一定限值后,即发生多米诺效应。多米诺效应是受不同因素影响的,最重要的因素有:设备类型、存储的危险物质类别和存储量、毗邻设备及其性质、离事故点的距离、传播条件(如点火源)、风向及所采取的减危措施等。多米诺效应引起的破坏等级取决于危险品储量、距离、传播条件及毗邻设备的易受影响点,各种物理现象对人、建筑物及工业装置的影响也是根据具体情况而不同的。定量风险分析应考虑其可能的多米诺现象,下面将分别介绍多米诺场景、总体后果的定量分析和风险的定量计算,分析流程见图1。2多米诺场景的定量分析2.1次事件的类型设区域有n+1个设备,选择其中1个设备(事故发生频率为f初始)作为初始事件,该设备通过热辐射、超压或冲击波、抛射物(碎片)等传递给目标设备进一步触发二次事件。对于n个可能的目标,以它们最可能发生(或者危害最大)的事故类型作为二次事件,在此仅考虑1个设备发生1种类型的事故。在选定了初始事件后,可对场景数目进行计算,有k(k≤n)个设备发生二次事件的多米诺场景的数目为Ckn=n!(n-k)!k!Ckn=n!(n−k)!k!(1)由初始事件引发的n个设备所有的二次场景数目为S总=C1n1n+C2n2n+…+Cnnnn(2)根据二项式定理有S总=C1n+C2n+…+Cnn=2n-1(3)很少的可能目标就可能产生很大的二次场景数,n=10时,S总=210-1=1023,所以假设设备发生事故类型单一也是为了计算简化。2.2含k个设备同时发生的场景初始事件引发的多米诺场景的频率由下面的公式计算。f(k,m)d=f初始P(k,m)d(4)P(k,m)d=n∏i=1[1-Ρi+C(i,Jkm)(2Ρi-1)](5)式中f(k,m)d为含k个发生二次事件的设备同时发生第m种多米诺场景的期望频率;f初始为初始事件的发生频率,通常由历史统计资料或事件树分析得到;P(k,m)d为含k个设备同时发生事故的第m种多米诺场景的概率;Pi为目标设备i发生事故的概率,即设备损坏概率;Jkm=[设备1,…,设备k],表示包含k个设备同时发生事故的第m种多米诺场景,其中m指的是第m个组合场景(1≤m<S总),k指第k个设备(k≤n),当设备i属于Jkm这个场景组合时,C(i,Jkm)取1,否则取0。例如当n=3时,S总=23-1=7,假设3个设备为T1、T2、T3,它们发生二次事件的组合场景和发生概率为J11=[T1],P(1,1)d=P1×(1-P2)×(1-P3)J12=[T2],P(1,2)d=P2×(1-P1)×(1-P3)J13=[T3],P(1,3)d=P3×(1-P1)×(1-P2)J21=[T1,T2],P(2,1)d=P1×P2×(1-P3)J22=[T1,T3],P(2,2)d=P1×P3×(1-P2)J23=[T2,T3],P(2,3)d=P2×P3×(1-P1)J31=[T1,T2,T3],P(3,1)d=P1×P2×P32.3损伤概率的计算初始事件的物理效应导致目标设备损坏,对于初始事件的物理效应可以采用TNO(TheNetherlandsOrganizationofAppliedScientificResearch)推荐的计算方法和其他成熟的计算模型或者运用一些软件进行计算。初始事件产生的物理效应和设备i的位置以及时间等影响着目标设备的损坏概率Pi的值。对于Pi的计算通常采用3种不同的方法:基于概率函数法、基于经验数据和基于最坏的情况。通常我们采用基于经验数据上的概率函数法对设备损坏概率进行计算。Ρ=1√2π∫Y-5-∞e-x2/2dx(6)式中P为发生的损坏概率;Y为概率单位变量;x为积分变量。热辐射、超压、碎片等对工艺设备的损坏概率都可运用概率模型进行简化计算。表1是热辐射、超压、碎片对设备的损坏概率模型。运用这些概率模型能够初步评估由超压、热辐射等引起的多米诺效应对设备的损坏概率单位Y,将Y带入式(6)中即可计算设备的损坏概率值。3正态概率分布函数事故可能产生的后果是人员伤亡、经济损失和环境破坏等,在此仅从人员伤亡来分析和量化事故后果,也就是对多米诺效应造成的后果仅从人员死亡的概率进行分析。人体脆弱性模型表示不同脆弱性影响因子在不同剂量下与人体致死概率的函数关系。表2是一些常见的人体脆弱性模型。脆弱性模型是概率单位模型,是一种被广泛认可的方法,用于评价人类对有毒物质、热辐射和超压的剂量-反应关系,其由正态概率分布函数的累积表达推导而来。V=1σ√2π∫Y-5-∞e-u2/2du(7)式中V为人体脆弱性或死亡概率,0≤V≤1;Y、u的定义如下。u=D-uσ(8)Y=a+blnD(9)式中D为独立变量或“剂量”;μ和σ分别为正态分布的中间值和方差;Y为概率单位变量;a、b为概率系数。对多米诺效应的后果进行分析就是对初始事件和二次事件的总体后果进行定量分析,计算死亡概率。很显然剂量和致死概率呈非线性关系,在多米诺效应的后果分析中忽略同时暴露在不同的物理效应(超压、热辐射等)下而引起的协同效应,采用脆弱性概率模型对事故进行分析,计算每个事故造成的死亡概率,并将初始事故场景和二次事故场景分别产生的脆弱性相加,从而有效克服物理效应的协同作用问题。总体脆弱性V(k,m)d,总是多米诺事件中初始事件和二次事件所引发死亡概率的总和。V(k,m)d,总=min[(V初+n∑i=1C(i,Jkm)Vd,i),1](10)式中V(k,m)d,总为包含k个设备发生事故的第m种场景的总体死亡概率;当事件i或者设备i属于Jkm这个场景时,则C(i,Jkm)取1,否则取0;Vd,i表示的是事件i造成的死亡概率。4多米诺效应的量化分析定量风险评估(QRA)主要从以下几个方面衡量风险量化的结果:1)个人风险和社会风险;2)经济损失和环境破坏。本文仅从个人风险和社会风险对多米诺效应进行量化分析。多米诺效应的个人风险R=f(k,m)dV(k,m)d,总(11)式中f(k,m)d为多米诺效应发生频率;V(k,m)d,总为对应的多米诺效应产生的死亡概率。社会风险的概念反映的是导致多人伤亡或造成长期伤害的事故发生的可能性。一种表示社会风险的方法是采用F-N曲线,其中F表示事件发生的频率,N表示该事件引发的死亡数。5多米诺社会风险的计算某化工企业有两组4个储罐,其中A1、A2为硝基苯,P1、P2为液化甲烷,人口密度为1×10-3人/m2,设备的事故频率为1.3×10-5a-1。选取A1爆炸作为初始事件,事故的爆炸超压(TNT当量法计算)造成邻近设备发生二次事故进而引发多米诺效应。基本情况和计算结果见表3和4。由表4可以看到由于A1的储量和A1与A2距离较近,导致A2有高达1的事故发生概率。随着距离的增大,P1和P2的事故发生概率显著降低,可见控制储罐储量和储罐间的距离对于预防多米诺效应意义重大。设备类型、安全防护措施、环境因素以及安全管理等都会影响多米诺效应。个人风险的计算参照式(11),社会风险运用F-N曲线进行衡量。先计算不考虑多米诺效应的风险,再计算多米诺条件下的死亡人数和频率,最终得到F-N阶梯形曲线图。当不考虑多米诺效应时初始事故A1爆炸的死亡半径为80m,死亡人数为20,根据表3和4计算出发生二次事故后的影响范围和距离,同时根据式(4)和(5)计算出多米诺场景的频率和死亡概率以及多米诺场景下的致死半径,从而得到个人风险和社会风险,具体计算结果见表5、6和图2。6概率单位函数本文主要讨论了:1)多米诺效应的定义,是指一个由初始事件引发的,波及邻近的一个或多个设备,引发二次事故场景,从而导致了总体后果比只有初事件时的后果更加严重,对于多米诺效应后果的计算主要从个人风险和社会风险来考虑;2)对于f(k,m)d和V(k,m)d,总的计算进行了重点介绍,而其中对设备的损坏概率P计算选用的概率单位函数是否合理准确还需要进一步研究;3)在实例计算中可以看到多米诺效应在个人风险和社会风险上都会造成显著的变化,因此进行多米诺效应的风险分析对于