多米諾效應(yīng)中的多事故點(diǎn)協(xié)同作用后果研究
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作者：張毅
化工儲罐區(qū)布置緊湊，罐區(qū)儲存介質(zhì)多為易燃易爆的化學(xué)品，是多米諾事故的高發(fā)場所。學(xué)者王艷華針對化工行業(yè)重大事故多米諾效應(yīng)發(fā)生的規(guī)律進(jìn)行了研究，得出爆炸事故總是較火災(zāi)事故具有更高觸發(fā)多米諾效應(yīng)的可能性。張永強(qiáng)、高進(jìn)東等對化工多米諾效應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)評估進(jìn)行深入研究，量化了多米諾事故的后果影響。馮顯富考慮了不同物理效應(yīng)的耦合作用，計(jì)算了事故影響區(qū)域內(nèi)目標(biāo)對象發(fā)生二次事故的可能組合及概率。這些學(xué)者的研究都側(cè)重于對單事故點(diǎn)作用下多米諾效應(yīng)的場景模式分析和風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算，尚未考慮同一時(shí)間內(nèi)多事故點(diǎn)多米諾效應(yīng)對目標(biāo)區(qū)域的協(xié)同作用。而事實(shí)上，化工儲罐區(qū)一旦發(fā)生多米諾事故很少是單一事故點(diǎn)的火災(zāi)、爆炸或毒氣泄漏，通常目標(biāo)區(qū)域受到的傷害是多事故點(diǎn)的事故協(xié)同作用。
本文考慮同一時(shí)間內(nèi)多個(gè)事故點(diǎn)發(fā)生多米諾效應(yīng)對目標(biāo)區(qū)域的協(xié)同作用，對某化工儲罐區(qū)進(jìn)行實(shí)例計(jì)算分析，并為企業(yè)事故預(yù)防提出建議措施。
1 多事故點(diǎn)多米諾協(xié)同效應(yīng)的模型建立
1.1 多米諾效應(yīng)設(shè)備失效的概率
火災(zāi)對設(shè)備的損壞主要是熱輻射，爆炸沖擊波對臨近單元的影響需要考慮的因素較多，但主要看沖擊波超壓是否達(dá)到了一定值，當(dāng)達(dá)到了一定值時(shí)就認(rèn)為對臨近單元造成一定的傷害和破壞。Cozzani等人通過對熱輻射、沖擊波的損壞概率進(jìn)行了模型簡化計(jì)算，開發(fā)了不同類型的設(shè)備損壞概率模型，如表1所示。其中，y為初始場景擴(kuò)大效應(yīng)的概率單位，，為作用于目標(biāo)設(shè)備的熱輻射強(qiáng)度，kW／m 2；V為設(shè)備的體積或容積，m3；t為設(shè)備失效時(shí)間，s;ps為靜態(tài)峰值壓力，Pa。
通過表1概率模型可計(jì)算出由熱輻射、爆炸沖擊波等對目標(biāo)設(shè)備的損害概率Y，再將損害概率1，轉(zhuǎn)換為設(shè)備的損害幾率P。對于P的計(jì)算有3種方法：基于概率函數(shù)法、基于經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和基于最壞情況。通常采用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上的概率函數(shù)法對設(shè)備損壞概率進(jìn)行計(jì)算。如式(1)所示：
1.2 多事故點(diǎn)多米諾協(xié)同作用的概率
本文將多米諾效應(yīng)中的多事故點(diǎn)協(xié)同作用考慮成一個(gè)并聯(lián)的連環(huán)系統(tǒng)。如圖1所示，假設(shè)A、B、C3個(gè)事故點(diǎn)分別以一定概率的多米諾效應(yīng)同時(shí)作用于目標(biāo)S，根據(jù)并聯(lián)系統(tǒng)的性質(zhì)，A、B、C處只要有一處的事故概率能夠?qū)е履繕?biāo)S失效，那么即認(rèn)為目標(biāo)S失效。其中A、B、C3個(gè)事故點(diǎn)處可能均為火災(zāi)作用、爆炸作用或者是火災(zāi)、爆炸的共同作用。
假設(shè)A、B、C3個(gè)事故點(diǎn)處的事故多米諾能量導(dǎo)致目標(biāo)S失效的概率分別為P(A)、P(B)、P(C)，則目標(biāo)S失效的概率應(yīng)為：
整體多米諾效應(yīng)的概率傳播可根據(jù)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行合理描述。貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型通過計(jì)算先驗(yàn)概率得到后驗(yàn)概率，后驗(yàn)概率的計(jì)算公式如式：
式中：P(Dlh)為以事故h為初始發(fā)生事件的事件D發(fā)生的先驗(yàn)概率；P(hl D)為與P(Dlh)對應(yīng)的后驗(yàn)概率；P(h)、P(D)為事故h、D發(fā)生的概率。
其中，傳統(tǒng)的貝葉斯先驗(yàn)概率計(jì)算是利用多米諾設(shè)備損壞概率模型求得條件概率表。本文在利用多米諾設(shè)備損壞概率模型求得單事故點(diǎn)處的損害概率后，利用多事故點(diǎn)并聯(lián)系統(tǒng)概率模型求得多事故點(diǎn)協(xié)同作用后的概率作為條件概率表的基礎(chǔ)概率數(shù)據(jù)。將多事故點(diǎn)的協(xié)同作用貫徹于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型中，使得多米諾效應(yīng)中多事故點(diǎn)的協(xié)同作用隨著貝葉斯網(wǎng)絡(luò)一級一級的往下傳播。
1.3多事故點(diǎn)多米諾協(xié)同作用的后果
多事故點(diǎn)多米諾效應(yīng)協(xié)同作用的事故后果分析主要考慮多事故點(diǎn)的協(xié)同作用對目標(biāo)區(qū)域的人、物、環(huán)境造成的影響，通過對影響范圍、程度的確定，分別從人、物、環(huán)境3個(gè)方面給出切斷事故多米諾鏈條發(fā)展的安全屏障和事故預(yù)防的建議管理措施，如圖2所示。
2實(shí)例應(yīng)用
某石化企業(yè)原料儲罐區(qū)同一防火堤內(nèi)設(shè)有5個(gè)常壓儲罐，分別裝有甲醇和丙酮兩類物質(zhì)，防火堤內(nèi)各儲罐的分布、基本尺寸及儲罐間距詳見圖3。
根據(jù)《危險(xiǎn)化學(xué)品名錄》（2012版），甲醇為第3.2類中閃點(diǎn)易燃液體，火災(zāi)危險(xiǎn)性為甲類，爆炸極限為5. 5%~44. 0%，是一種無色澄清的液體，有刺激性氣味。丙酮為第3.1類低閃點(diǎn)易燃液體，火災(zāi)危險(xiǎn)性為甲類，爆炸極限為2. 5%~13. 0%，是一種無色透明易流動液體，極易揮發(fā)。另外，根據(jù)《易制毒化學(xué)品管理?xiàng)l例》規(guī)定，丙酮是第3類易制毒化學(xué)品，具有毒性。甲醇和丙酮的蒸氣均比空氣重，能在較低處擴(kuò)散到相當(dāng)遠(yuǎn)的地方。
2.1 多事故點(diǎn)多米諾協(xié)同作用情景分析
構(gòu)造多事故點(diǎn)協(xié)同作用下多米諾事故情景，可以幫助我們預(yù)想儲罐可能發(fā)生的災(zāi)害，了解事故的擴(kuò)展情況。假定甲醇A儲罐發(fā)生防火堤內(nèi)池火災(zāi)初始事故，在池火災(zāi)火焰的強(qiáng)烈熱輻射作用下，丙酮B儲罐有可能會破壞失效，形成二級多米諾效應(yīng)。丙酮B失效后可能會發(fā)生火災(zāi)或爆炸事故，此時(shí)，周圍其他儲罐在甲醇A和丙酮B兩個(gè)事故點(diǎn)的能量協(xié)同作用下，有進(jìn)一步形成三級多米諾效應(yīng)的可能性，擴(kuò)大事故的范圍。多米諾事故傳播路徑利用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)造，考慮池火災(zāi)初始事故的熱輻射作為主要事故模式，則節(jié)點(diǎn)為池火災(zāi)多米諾效應(yīng)范圍內(nèi)的所有儲罐，路徑箭頭始于發(fā)生初始事故的甲醇A儲罐，并指向其他所有可能的節(jié)點(diǎn)，得到該布置方式下儲罐多米諾效應(yīng)的完整貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型，如圖4所示。
2.2 多事故點(diǎn)協(xié)同作用的概率計(jì)算
假定2 000m3甲醇A儲罐發(fā)生池火災(zāi)初始事故，通過池火災(zāi)熱輻射計(jì)算模型計(jì)算得到儲罐間距與鄰近儲罐接受到的熱輻射通量關(guān)系，并由表1常壓設(shè)備計(jì)算模型得到距離不同位置儲罐引發(fā)多米諾效應(yīng)的概率。利用origin擬合得到不同位置儲罐接受到的熱輻射通量和引發(fā)多米諾效應(yīng)概率的關(guān)系，如圖5所示。
在初始事故的作用下，若臨近設(shè)備的破壞概率大于0.8，則認(rèn)為二級事故發(fā)生。由圖5可知，池火災(zāi)熱輻射會使周圍8. 5m范圍內(nèi)的常壓儲罐失效概率高于0.8，在此距離范圍內(nèi)的儲罐有丙酮B，其失效概率為0. 91，因此考慮多米諾二級事故的發(fā)生。
以甲醇A儲罐、丙酮B儲罐發(fā)生池火災(zāi)為條件事件，丙酮A發(fā)生池火災(zāi)為結(jié)果事件，利用本文構(gòu)建的多事故點(diǎn)協(xié)同作用下設(shè)備失效概率模型分別計(jì)算多事故點(diǎn)協(xié)同作用前后的貝葉斯后驗(yàn)概率，計(jì)算結(jié)果如表2、表3所示。
由以上計(jì)算結(jié)果可以看出，多事故點(diǎn)協(xié)同作用后多米諾設(shè)備失效概率增大，在以丙酮A儲罐發(fā)生池火災(zāi)為結(jié)果事件的4種多米諾途徑中，發(fā)生概率最大的組合情況為甲醇A儲罐、丙酮B儲罐、丙酮A儲罐依次發(fā)生事故。其中在計(jì)算先驗(yàn)概率的過程中，丙酮C儲罐在甲醇A儲罐和丙酮B儲罐的事故協(xié)同作用下失效概率由0. 72上升為0.81；丙酮C儲罐在甲醇A儲罐、丙酮B儲罐和甲醇B儲罐的事故協(xié)同作用下失效概率由0. 75上升為0.83。由此可以看出多事故點(diǎn)協(xié)同作用擴(kuò)大了多米諾效應(yīng)的事故概率范圍。
2.3后果分析及對策措施
根據(jù)1.3節(jié)構(gòu)造的后果分析模型，結(jié)合案例的計(jì)算結(jié)果，本部分主要從人、物和環(huán)境3個(gè)方面進(jìn)行討論分析。
1)人的方面
由計(jì)算結(jié)果可知：多事故點(diǎn)多米諾協(xié)同作用下，事故后果范圍會擴(kuò)大，事故性質(zhì)更加復(fù)雜。由于罐區(qū)儲存的介質(zhì)中丙酮存量巨大，一旦丙酮儲罐遭到破壞發(fā)生泄漏，其蒸氣比空氣重，能在較低處擴(kuò)散到相當(dāng)遠(yuǎn)的地方，而丙酮本身具有毒性，這種后果的發(fā)生無論對于救援人員還是附近巡檢、辦公人員都有直接的生命威脅。
企業(yè)在處理、預(yù)防上述情景的事故時(shí)，從人的方面可以采取以下對策措施：
①一旦事故發(fā)生，立即安排事故下風(fēng)向的巡檢、辦公人員緊急撤離；消防及企業(yè)參與救援的人員需穿戴好防護(hù)服及防毒面具。
②從預(yù)防事故的角度，控制人的不安全行為是降低事故發(fā)生的有效途徑。企業(yè)可通過建立健全的規(guī)章制度，加強(qiáng)員工安全及應(yīng)急演練教育，嚴(yán)格把控動火作業(yè)，從根本上切斷多米諾事故的發(fā)生。
2)物的方面
從物的角度來分析，丙酮B儲罐處于整個(gè)防火堤內(nèi)部中心位置，存儲量大，物質(zhì)性質(zhì)較甲醇更為活潑，火災(zāi)危險(xiǎn)性大。
從多米諾傳播途徑來看，丙酮B儲罐處于多米諾效應(yīng)的二級反應(yīng)鏈，直接決定著后面事故多米諾傳播鏈的長短。
建議企業(yè)：①對丙酮B儲罐適當(dāng)減少儲存量，以降低多事故點(diǎn)協(xié)同作用下丙酮A儲罐的失效概率；或?qū)Ρ狟儲罐優(yōu)先制定保護(hù)措施，設(shè)置安全屏障等，切斷導(dǎo)致事故概率的最大鏈條。
②增強(qiáng)儲罐的安全防護(hù)系統(tǒng)，如：過程設(shè)備的隔熱措施、噴淋系統(tǒng)、事故切斷系統(tǒng)、高溫報(bào)警系統(tǒng)、防護(hù)間距、防火隔熱層等，均可延緩罐壁溫度快速升高，為滅火救援爭取時(shí)間。
3)環(huán)境方面
從環(huán)境的方面分析，為避免多事故點(diǎn)間的協(xié)同作用對周圍環(huán)境造成更嚴(yán)重影響，企業(yè)在罐區(qū)布局設(shè)計(jì)時(shí)要充分考察儲罐區(qū)的周邊環(huán)境，避免在有敏感目標(biāo)建筑附近選址。另外，廠區(qū)的綠化要合理設(shè)計(jì)，在可能散發(fā)可燃?xì)怏w的罐區(qū)周圍，不得種植茂密的連續(xù)式綠化帶，避免可燃?xì)怏w聚集，杜絕安全隱患。
3結(jié)論
1)本文通過將多米諾效應(yīng)傳播過程中多事故點(diǎn)的協(xié)同作用簡化成并聯(lián)系統(tǒng)模型，基于并聯(lián)系統(tǒng)的概率原理，求解貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型中目標(biāo)儲罐的先驗(yàn)概率。通過協(xié)同作用前后的計(jì)算數(shù)據(jù)對比得出：丙酮C儲罐在甲醇A儲罐和丙酮B儲罐的事故點(diǎn)協(xié)同作用下失效概率由0. 72上升為0.81；丙酮C儲罐在甲醇A儲罐、丙酮B儲罐和甲醇B儲罐的事故點(diǎn)協(xié)同作用下失效概率由0. 75上升為0.83。由此可以得出結(jié)論：多事故點(diǎn)的協(xié)同作用是隨著貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的傳播而累積的，協(xié)同作用后目標(biāo)儲罐的失效概率是呈增大趨勢的，多米諾的事故范圍擴(kuò)大。
2)針對協(xié)同作用的后果研究分析，本文提出基于人、物、環(huán)境三位一體的后果分析模型，分析結(jié)果表明：企業(yè)的丙酮B儲罐處于多米諾效應(yīng)的二級反應(yīng)鏈，建議企業(yè)對丙酮B儲罐設(shè)置安全屏障或減少丙酮B儲罐的實(shí)際儲存量，以此降低協(xié)同作用下對丙酮A儲罐的熱輻射傷害，縮小多米諾事故范圍。另外，由于丙酮B具有毒性，企業(yè)應(yīng)充分考慮周邊是否存在敏感建筑目標(biāo)；在事故救援的過程中，企業(yè)應(yīng)做好救援人員以及附近巡檢、辦公人員的安全防護(hù)。本文提出的后果分析模型對企業(yè)的事故預(yù)防以及應(yīng)急預(yù)案的制定具有參考指導(dǎo)意義。
3)本文的多事故點(diǎn)協(xié)同作用僅研究了池火災(zāi)場景下的多米諾協(xié)同作用，并沒有涉及到火災(zāi)、爆炸多場景耦合作用下的多事故點(diǎn)協(xié)同作用，這是今后需要進(jìn)一步研究的方向。
4摘要：為了研究多米諾效應(yīng)中多事故點(diǎn)協(xié)同作用的后果，將并聯(lián)系統(tǒng)概率模型運(yùn)用到貝葉斯概率計(jì)算過程中，體現(xiàn)出多事故點(diǎn)協(xié)同作用對多米諾效應(yīng)傳播的概率影響；后果分析部分從人、物、環(huán)境3個(gè)方面出發(fā)，對事故的后果影響以及事故預(yù)防提出建議措施。最后運(yùn)用模型對實(shí)例進(jìn)行了應(yīng)用分析，結(jié)果表明：多事故點(diǎn)協(xié)同作用下儲罐的多米諾失效概率增大，罐區(qū)危險(xiǎn)性增強(qiáng)，可以通過對儲罐設(shè)置安全屏障等措施，有效的切斷導(dǎo)致事故最大概率的鏈條。
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