尚騰飛，吳達嶺，齊學(xué)振

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

某化工園區(qū)內(nèi)某一化工企業(yè)新建一液氯站，液氯用于生產(chǎn)原料用，液氯站中設(shè)計有100 m3液氯儲罐3個，1 m3液氯緩沖罐1個，依據(jù)GB18218-2018辨識，該液氯站已構(gòu)成二級重大危險源。

氯在《危險化學(xué)品目錄(2015版)》中被列為劇毒化學(xué)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(zhì)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(biāo)造成嚴(yán)重威脅。

根據(jù)應(yīng)急管理部組織制定的《淘汰落后危險化學(xué)品安全生產(chǎn)工藝技術(shù)設(shè)備目錄<第一批>》的相關(guān)內(nèi)容，“未設(shè)置密閉及自動吸收系統(tǒng)的液氯儲存?zhèn)}庫、氣化間”位列其中。結(jié)合中國氯堿工業(yè)協(xié)會《關(guān)于淘汰落后工藝技術(shù)“未設(shè)置密閉及自動吸收系統(tǒng)的液氯儲存?zhèn)}庫”實施整改的指導(dǎo)意見》中的內(nèi)容，為預(yù)防液氯儲罐泄漏對周邊環(huán)境的危害，企業(yè)在設(shè)計階段考慮了液氯罐區(qū)的封閉化并同時考慮事故氯氣吸收系統(tǒng)。在液氯罐區(qū)外設(shè)置封閉墻體，用物理隔斷防止事故氯擴散，并通過聯(lián)鎖事故風(fēng)機進行負(fù)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(qū)域也進行了同樣的封閉化設(shè)計。

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

1 定量風(fēng)險分析方法

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

荷蘭政府災(zāi)害預(yù)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(fēng)險評估的計算方法，為定量風(fēng)險評估軟件的開發(fā)打下基礎(chǔ)。

2 風(fēng)險標(biāo)準(zhǔn)

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

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

2.1 個人風(fēng)險和個人風(fēng)險標(biāo)準(zhǔn)

個人風(fēng)險是指單位時間內(nèi)(通常為一年)的個體死亡率，通常用個人風(fēng)險等值線表示。表示界區(qū)外某一個體持續(xù)出現(xiàn)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(fēng)險的定義，以個人死亡風(fēng)險等高線形式表示的風(fēng)險結(jié)果是保守的。個人風(fēng)險等高線一般是用來評估外界對設(shè)施風(fēng)險的可接受度，例如居民區(qū)、商業(yè)區(qū)和化工園區(qū)等。

2.2 社會風(fēng)險和F-N曲線

社會風(fēng)險是對個人風(fēng)險的補充，指在個人風(fēng)險確定的基礎(chǔ)上，考慮到危險源周邊區(qū)域的人口密度，以免發(fā)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(fēng)險標(biāo)準(zhǔn)采用ALARP原則作為可接受原則。ALARP原則通過兩個風(fēng)險分界線將風(fēng)險劃分為3個區(qū)域：不可容許區(qū)、盡可能降低區(qū)和可容許區(qū)。如果F-N曲線處于不可接受區(qū)域，這意味著周邊人群暴露于偏高的風(fēng)險，必須盡全力降低其風(fēng)險。如果F-N曲線處于可接受區(qū)域，意味著周邊人群暴露于可以接受的風(fēng)險，因此無需采取更進一步的風(fēng)險降低措施。如果F-N曲線處于盡可能降低的區(qū)域內(nèi)，企業(yè)應(yīng)根據(jù)自身的經(jīng)濟狀況和現(xiàn)實情況來確定是否應(yīng)采取特定的安全對策措施來降低風(fēng)險，提高安全生產(chǎn)水平。

2.3 風(fēng)險計算

通過給定時間內(nèi)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(zāi)、爆炸、有毒氣體泄漏事故的死亡概率。

假設(shè)區(qū)域內(nèi)一危險源，其在區(qū)域內(nèi)某一空間地理坐標(biāo)為(x，y)處產(chǎn)生的個人風(fēng)險值可以在頻率和后果分析基礎(chǔ)上，經(jīng)過一系列復(fù)雜的演算得出。但是在通常情況下，失效后果及個人風(fēng)險計算量非常大，一般需借助專業(yè)的風(fēng)險評估軟件實現(xiàn)較為準(zhǔn)確的計算。

3 DNV公司定量風(fēng)險分析軟件和安全基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫

挪威船級社(DNV)通過多年努力，編制了各類風(fēng)險評估所需的計算機應(yīng)用程序， 建立了經(jīng)驗數(shù)據(jù)庫以及為了滿足特殊需求的實驗數(shù)據(jù)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(fēng)險分析；LEAK軟件是用于計算不同設(shè)備或裝置的泄漏事故發(fā)生概率。

挪威船級社(DNV)的SAFETI定量風(fēng)險分析軟件要求在充分熟悉現(xiàn)場情況的條件下，分析可能發(fā)生的事故，輸入相關(guān)的工藝設(shè)備參數(shù)、氣象參數(shù)及人口分布等，根據(jù)評價人員對事故狀態(tài)的分析選用不同的模型進行計算[3]，以數(shù)字或者圖標(biāo)的形式顯示風(fēng)險結(jié)果，然后將該結(jié)果與相應(yīng)的風(fēng)險標(biāo)準(zhǔn)進行比較得出其風(fēng)險是否可接受。

浙江省應(yīng)急管理科學(xué)研究院建立的企業(yè)安全基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫是一個公開的、實時更新的、系統(tǒng)化的數(shù)據(jù)平臺，包括法律法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、氣象水文條件、危險化學(xué)品理化性質(zhì)、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(xué)品事故處置方案、安全事故案例、事故調(diào)查報告、定量計算模型、設(shè)備設(shè)施失效統(tǒng)計、地理信息系統(tǒng)等板塊。用于更好地指導(dǎo)和服務(wù)安全生產(chǎn)。

4 泄漏場景及失效頻率

4.1 失效頻率

在定量風(fēng)險評估計算過程中，影響計算結(jié)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(shè)備設(shè)施泄漏頻率和泄漏產(chǎn)生的事故后果的概率，泄漏頻率主要來源于行業(yè)數(shù)據(jù)、公司歷史經(jīng)驗和供應(yīng)商提供的數(shù)據(jù)。

在實際生產(chǎn)運行過程中，失效頻率計算需綜合考慮設(shè)備設(shè)施的真實狀態(tài)和企業(yè)的安全管理水平[4]。目前國內(nèi)外通用的風(fēng)險檢驗評估技術(shù)是由美國石油協(xié)會(API)在20世紀(jì) 90 年代推出的RBI技術(shù)(RISK-Based Inspection)，該項技術(shù)是通過研判對象裝置和設(shè)備部件的失效機理、工藝環(huán)境和檢驗周期、檢驗有效性等情況，對裝置工藝單元的基礎(chǔ)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(jié)模型的建立，有效分析出降低事故發(fā)生頻率和減緩事故后果的安全措施，通過分級賦分，最終轉(zhuǎn)換為失效頻率的修正系數(shù)。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(fēng)險結(jié)果的可參考性。

國內(nèi)的失效頻率數(shù)據(jù)庫至今沒有特別權(quán)威的代表，本文采用的泄漏事故概率來自荷蘭應(yīng)用科學(xué)研究組織出版的《定量風(fēng)險評價指南》中根據(jù)歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)已經(jīng)總結(jié)出的典型泄漏尺寸的泄漏概率結(jié)合國家標(biāo)準(zhǔn)《危險化學(xué)品生產(chǎn)裝置和儲存設(shè)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(shè)計、基本過程控制系統(tǒng)、安全儀表系統(tǒng)、被動/積極的防護設(shè)施以及人員干預(yù)等，這些保護層降低了事故發(fā)生的概率。

獨立保護層是能夠阻止場景向不良后果繼續(xù)發(fā)展的一種設(shè)備、系統(tǒng)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(jù)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(shè)計的功能發(fā)揮作用，必須能有效地防止后果發(fā)生；獨立于初始事件和任何其他已經(jīng)被認(rèn)為是同一場景的獨立保護層的構(gòu)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(yè)可能為液氯站加上的相關(guān)保護層，即在某一回路失效導(dǎo)致液氯儲罐泄漏事故發(fā)生概率的基礎(chǔ)上考慮了安全儀表系統(tǒng)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(fā)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(guān)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(rèn)選取一個固定時長600 s作為毒性關(guān)注濃度對應(yīng)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(dǎo)，關(guān)注濃度應(yīng)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(jié)合的方式，關(guān)注的最長泄漏時間不超過600 s。

4.4 泄漏速率

壓力為物質(zhì)泄漏提供動力，是影響物質(zhì)泄漏速率的主要因素。根據(jù)機械能守恒，物質(zhì)泄漏的質(zhì)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(shù)，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(huán)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(shù)

5.2 點火源選擇

5.3 失效頻率

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

6 風(fēng)險結(jié)果

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

圖1 未考慮保護層時的個人風(fēng)險結(jié)果Fig.1 Personal risk results without considering the protective layer

圖2 考慮保護層時的個人風(fēng)險結(jié)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(fēng)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(fēng)險等值線對周邊防護目標(biāo)的影響范圍明顯變小，風(fēng)險可視為降低。

7 結(jié) 論

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

(2)失效頻率的修正嚴(yán)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(diào)整風(fēng)險最終的結(jié)果。企業(yè)應(yīng)在設(shè)計階段通過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)腍AZOP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(diào)整的回路并加持相應(yīng)的安全措施。

(3)國內(nèi)缺少全面的失效頻率數(shù)據(jù)庫，浙江省應(yīng)急管理科學(xué)研究院建立的企業(yè)安全基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫雖然已經(jīng)對相關(guān)的失效數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計，但是仍需要有大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、時間和經(jīng)驗的累積。

(4)在考慮保護層對失效頻率進行修正時應(yīng)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(jù)，風(fēng)險評估人員應(yīng)根據(jù)企業(yè)提供資料的精確性和自身的經(jīng)驗對保護層的加持進行嚴(yán)格摘選，才能讓風(fēng)險分析結(jié)果對項目落地起到真正意義上的參考作用。