油库储罐区F&EI-HAZOP-FTA综合评价模型的建立

赵传奇， 张巨伟， 张园园， 李晟文

(辽宁石油化工大学 机械工程学院，辽宁 抚顺 113001)

油库储罐区F&EI-HAZOP-FTA综合评价模型的建立

赵传奇， 张巨伟， 张园园， 李晟文

(辽宁石油化工大学 机械工程学院，辽宁 抚顺 113001)

油库一旦发生事故，由于油库的特殊性质，必然会对环境造成影响，不仅破坏周边设施，而且会导致人员伤亡和财产损失。为了最大限度地降低油库发生安全事故的概率，应采取有效的评价方法对油库进行安全评价。道化学火灾爆炸指数评价法(DOW)是非常适合储油罐区安全评价的方法，但是DOW存在严重的不足，在详细分析DOW缺陷的基础上，建立F&EI-HAZOP-FTA综合评价模型，通过该模型中的F&EI-HAZOP和HAZOP-FTA子模型并利用三角模糊数方法，建立了“DOW-工艺危险性影响因素-偏差-保护层失效概率-DOW实际评价”闭环的数据传输与共享通道。通过该模型可对油库储罐区进行更加全面的安全评价。

油库储罐区； F&EI-HAZOP-FTA综合的评价模型； 数据传输与共享； 三角模糊数； 安全评价

若要保证石油化工行业的良性发展，则必须加强石油化工行业的安全工作。在现代安全管理中，进行安全分析、评价、预测，是进行事故预防的有效途径[1]。目前使用比较广泛的安全评价方法有：SCL(安全检查表)、PHA(预先危险性分析)、重大危险源评价法、LEC(生产作业条件安全评价)、DOW(道化学火灾爆炸指数评价法)、HAZOP(危险与可操作性研究)、鱼刺图、FMEA(故障类型及影响分析)、概率风险性评价、ETA(事件树分析)、日本六阶段安全评价法、FTA(事故树分析)等[2-5]。DOW作为一种最早的指数法，在油库储罐的安全评价中得到了广泛应用[6-9]。DOW将结构复杂、难以表述的单元危险性进行处理，然后将模糊信息用具体数据定量表达，使评价结果较准确地反映危险程度，从而为有目标、有方向地采取相应的预防、控制措施提供决策依据。但是，在实际应用中DOW存在缺陷。例如，进行分析时对管理因素考虑较少，并且不能体现许多工艺的操作情况[10]。HAZOP是一种用于辨识设计缺陷、工艺过程危害及操作性问题的结构化方法[10]；FTA不仅能分析出事故发生的直接原因，而且能深入揭示事故发生的潜在原因以及事故发生的主要影响因素[11]。利用三角模糊数方法处理FTA中基本事件的模糊和不确定问题，用模糊概率表示这些没有统计资料的基本事件的故障概率[12-14]。

因此，针对各安全评价方法的优缺点，本文提出一种综合的安全评价模型——F&EI-HAZOP-FTA综合评价模型进行安全评价。首先，建立影响一般工艺危险性和特殊工艺危险性因素与HAZOP偏差对应的通道；其次，分析产生偏差的原因，随后利用三角模糊数方法确定偏差原因发生的概率，然后建立FTA图，计算保护层失效概率；第三，建立保护层失效概率与影响因素取值对应关系图；第四，根据保护层失效概率，确定影响因素最恰当取值。这样，F&EI、HAZOP和FTA三种安全评价方法被完整地结合在一起，而且彼此之间数据传输的通道被打通，可以有效地实现数据传输与共享，利用三种评价方法建立的评价模型进行储油罐区的安全评价，可以最大程度地避免主观的影响因素导致评价结果的失真。

1 基于道化学评价方法的评价

1.1 评价对象概述

该单位汽油储罐都是内浮顶储罐，包括容积为2.0×104m3的储罐3座、容积为1.0×104m3的储罐1座、容积为0.5×104m3的储罐2座，汽油储罐的总容积达到8.0×104m3，库区总占地面积为20.717 5×104m2。

1.2 物质系数的确定

根据由美国消防协会规定的物质可燃性Nf和化学活性(或不稳定性)Nr，物质系数可从DOW的附录A中查到。从附录中可查得原油的物质系数，汽油的物质系数MF=16。

1.3 工艺单元危险系数的确定

1.3.1 一般工艺危险系数F1

(1)放热化学反应危险系数及吸热反应危险系数。此评价单元中储罐储存的是汽油，不会发生放热化学反应，也不会发生吸热反应，因此汽油储罐的放热化学反应危险系数和吸热反应危险系数均取0。

(2)物料处理与输送危险系数。因为储罐内是Nf=3的汽油，且储罐没有采取任何遮蔽措施，具有发生火灾、爆炸的可能性，因此汽油的物料处理与输送危险系数取0.85。

(3)封闭单元或室内单元危险系数。在此评价单元中，储罐没有任何遮蔽措施，因此汽油储罐的封闭单元或室内单元危险系数取0。

(4)通道危险系数。通向库区外面的道路不止一个，因此，根据选取原则，汽油储罐的通道危险系数取0。

(5)泄漏危险系数。该评价单元周边是防止油品泄漏时发生重大事故的地下储液池，储液池的容量足够可以承担发生泄漏时泄漏液的转移，可降低事故发生的可能性。因此泄漏危险系数取0.50。

(6)一般工艺危险系数。经计算得一般工艺危险系数：F1=0.85+0.50+1.00=2.35。

1.3.2 特殊工艺危险系数F2

(1)毒性物质危险系数。根据汽油物质系数和特性表可知，汽油为低毒物质，NH=1.00。根据公式F2A=0.20NH，计算可得汽油的毒性物质危险系数为0.20。

(2)负压操作危险系数。在该评价单元内，储罐的储存压力都是常压，绝对压力约为0.1 MPa，大于66.7 kPa，因此负压操作危险系数取0[2]。

(3)燃烧范围或其附近的操作危险系数。本评价单元设置了汽油油气回收流程，也设置了惰性化气体氮气的扫线流程进行回收，但是不能避免气体的混入，有造成火灾、爆炸事故的可能性，因此该危险系数取0.50。

(4)粉尘爆炸危险系数。储罐区粉尘的浓度远低于火灾爆炸的下限浓度，故储罐区不会发生粉尘爆炸。因此，汽油储罐的粉尘爆炸危险系数取0。

(5)释放压力危险系数。该评价单元在常压即0.1 MPa(14.5磅/英寸2)下操作，所以释放压力危险系数取0.18。

(6)低温危险系数。评价单元内油罐汽油为常温条件储存，即使在冬季天气气温-6 ℃时，由于及时采取保温措施，温度不会降到可能发生火灾、爆炸事故的范围，因此整个评价单元的低温危险系数取0。

(7)易燃和不稳定物质能量的危险系数。根据文献[8]，查得汽油储罐的该危险系数为0.47。

(8)腐蚀危险系数。在评价单元中，储罐防腐采用涂刷内、外防腐漆方式，其他设备及管线防腐采用涂刷外防腐漆方式，同时储存的液体无腐蚀性，当地的环境良好，故汽油储罐的腐蚀危险系数取0.10。

(9)泄漏-接头和填料处泄漏的危险系数。在接头、垫片和填料处及轴的密封处，由于使用年限已久或者是由于操作失误，不可避免地产生少量的漏油现象，因此泄漏-接头和填料处泄漏的危险系数取0.10。

(10)明火设备使用的危险系数。明火设备的使用考虑的是工艺过程中的设备，在评价单元内，熬制防水或防腐沥青距离油罐较远，不是考虑的对象，因此此项危险系数取0。

(11)热油交换系统的危险系数。汽油的储油罐内没有设置热油交换系统，因此汽油储罐的热油交换系统的危险系数应取0。

(12)转动设备危险系数。在评价单元中，油品外运的主要设施为泵。当评价单元中使用功率大于75马力(约为55.125 kW)时，选取转动设备危险系数为0.50。

(13)特殊工艺危险系数。计算特殊工艺危险系数：F2=0.20+0.50+1.00+0.18+0.47+0.10+0.10+0.50=3.05。

1.3.3 工艺单元危险系数的确定 工艺单元危险系数F3=F1F2=7.17。

1.4 火灾爆炸指数(F&EI)的确定

F&EI系数及危险等级见表1。

表1 F&EI系数及危险等级

汽油储罐的工艺单元危险系数为7.17。由此可确定，其火灾爆炸危险指数为7.17×16=114.72，由表1可知其危险等级为中等。

1.5 安全措施补偿系数的确定

1.5.1 工艺控制补偿系数C1的计算

(1)应急电源补偿系数。本储油罐区供电负荷等级为二级，消防电动阀设应急电源，因此补偿系数取0.98。

(2)冷却补偿系数。库区设有消防泵房2座，消防水储量为9 000 m3，库区采用稳高压消防水系统，且在评价单元中设置了备用的冷却系统，因此冷却补偿系数取0.97。

(3)抑爆补偿系数。在本评价单元中采用了易爆装置，因此抑爆补偿系数取1.00。

(4)紧急停车装置补偿系数。在评价单元中，储罐区没有设置紧急停车装置，因此紧急停车装置补偿系数取1.00。

(5)计算机控制补偿系数。储罐区能够在一定程度上减轻工人的负担，但是不能遥控储罐区的重要设备，因此计算机控制补偿系数取0.99。

(6)惰性气体保护补偿系数。扫线罐的惰性气体储量比较大，而且电脑控制吹扫所有的储罐，因此惰性气体保护补偿系数取0.94。

(7)操作指南或操作规程补偿系数。本评价单元均遵守操作规程且有章可寻，因此此项补偿系数取0.97。

(8)活性化学物质检查补偿系数。评价单元中没有活性化学物质大纲检查，且员工没有获得应用于本职工作的活性化学物质指南，因此此项补偿系数取1.00。

(9)其他工艺过程危险分析补偿系数。在本评价单元内，采取了安全检查表评价方法，因此此项补偿系数取0.98。

(10)工艺控制补偿系数。计算工艺控制补偿系数：C1=0.98×0.97×0.99×0.94×0.97×0.98=0.84。

1.5.2 危险性物质隔离补偿系数C2的计算

(1)远距离控制阀补偿系数。在本评价单元中可以远距离操控阀门，在紧急情况下可以迅速地将储罐、管线隔离，因此此项补偿系数取0.98。

(2)备用卸料装置补偿系数。在储罐区没有安装备用泄料装置，因此该项补偿系数取1.00。

(3)排放系统补偿系数。该评价单元设置了安全可靠的排放系统，因此排放系统补偿系数取0.97。

(4)联锁装置补偿系数。所有储油罐均设有液位检测及高低限液位报警，高限液位报警与储罐进口控制阀联锁，低限液位报警与装船、装车泵联锁，因此此项补偿系数取0.98。

(5)危险性物质隔离补偿系数。计算危险性物质隔离补偿系数：C2=0.98×1.00×0.97×0.98=0.93。

1.5.3 防火措施补偿系数C3的计算

(1)泄漏检测装置补偿系数。该检测装置能够使系统免受损坏，因此此项补偿系数取0.94。

(2)钢质结构补偿系数。该汽油储罐没有涂抹防止火灾发生的涂料，因此不考虑此补偿措施，此项补偿系数取1.00 。

(3)消防水供应补偿系数。油库内设消防水池储备最大一次消防所需的水量，因此此项补偿系数取0.97。

(4)特殊系统补偿系数。在本评价单元中没有设置特殊的灭火系统，不考虑此项防火措施，因此此项补偿系数取1.00。

(5)喷洒系统补偿系数。在本评价单元中没有设置喷洒系统，不考虑此项防火措施，因此此项补偿系数取1.00。

(6)水幕补偿系数。在本评价单元中没有设置水幕系统，不考虑此项防火措施，因此此项补偿系数取1.00。

(7)泡沫装置补偿系数。在本评价单元中，固定式泡沫灭火系统采用低倍数空气泡沫，此项补偿系数取0.97。

(8)手提式灭火器补偿系数。该评价单元配备固定式干粉灭火装置及推车式和手提式干粉灭火器，此项补偿系数取0.98。

(9)电缆保护补偿系数。电缆采用直埋敷设方法和与工艺管架共架的电缆桥架敷设相结合的方式，此项补偿系数取0.94。

(10)防火措施补偿系数。计算防火措施补偿系数：C3=0.94×0.97×0.97×0.98×0.94=0.81。

1.5.4 安全措施补偿系数的确定 安全措施补偿系数确定如下：C=C1C2C3=0.84×0.93×0.81=0.63。

1.6 暴露面积的确定

暴露半径用R=F&EI×0.84×0.304 8求得[8]，然后根据暴露半径求出暴露区域面积S=πR2。计算可得暴露半径为29.37 m，暴露面积为2 708.55 m2。

1.7 最大可能财产损失(MPPD)的确定

该汽油储罐区原来成本为120万元，价格增长系数为1.1，财产(指更换)价值=原成本×0.82×增长系数=108.24(万元)；危害系数确定为0.62，基本最大可能财产损失(基本MPPD)=暴露区域的更换价值×危害系数=67.11(万元)。

1.8 实际最大可能财产损失(实际MPPD)的确定

实际MPPD=基本最大可能财产损失×安全措施补偿系数=67.11×0.63=42.28(万元)。

2 汽油储罐区火灾爆炸后果的综合评价

2.1 F&EI-HAZOP子模型的建立

建立F&EI-HAZOP子模型的关键是建立影响一般工艺危险性和特殊工艺危险性因素与偏差数据传输的通道。影响一般工艺危险性的因素有：吸热反应及放热化学反应、物料处理与输送、密闭式或室内工艺单元、通道、排放和泄漏控制；影响特殊工艺危险性的因素有：毒性物质、负压、易燃范围内及接近易燃范围的操作惰性化、低温、易燃及不稳定物质的质量、腐蚀与磨蚀、接头和填料处的泄漏、明火设备的使用、热油交换系统、转动设备。

所建立的F&EI-HAZOP子模型如图1所示。图1中，影响因素及衍生偏差后括号内的数字为各种危险影响因素及衍生偏差的代码。

图1 F&EI-HAZOP子模型

2.2 HAZOP-FTA子模型的建立

所建立的HAZOP-FTA子模型如图2所示，图2中，n表示可能发生的所有基本事件的数量。在实际分析过程中，产生不同偏差的原因数量可能不同，每个保护层事故树图的原因事件数量也不一定相同，实际系统不一定每个保护层都需要考虑，根据实际情况，分析特别需要考虑的保护层。

图2 HAZOP-FTA子模型

2.3 基于F&EI-HAZOP子模型的汽油储罐区偏差的确定

2.3.1 汽油储罐区的偏差 汽油储罐区的影响因素及偏差见表2。

2.3.2 偏差原因及发生概率的确定 本文对于偏差的发生概率运用了三角模糊数方法进行确定，对于无法获得精确概率的基本事件，采用专家打分法，一般选用3人以上的专家组成评估小组。对于专家给出的概率值采用3σ法进行模糊处理。取各基本事件概率的均值为m，方差为σ，假设各基本事件的概率值服从正态分布，又设a=b=3σ，将各个基本事件的概率模糊表征为：<3σ，m，3σ>，然后取其平均发生概率。

表2 汽油储罐区的影响因素及偏差

(1)

式中，xk为第k相的概率值，k=1，2，3，…，n。

本文通过3人组成的专家对基本事件发生的概率进行打分，再利用式(1)和3σ法确定基本事件的模糊概率，然后取其平均发生概率。偏差原因及其发生概率见表3。

表3 偏差原因及其发生概率

续表3

2.4 基于HAZOP-FTA子模型的汽油储罐区保护层失效概率的计算

1c与1e保护层失效FTA图如图3所示。图3中，xij表示各偏差发生的概率，i为1至5的整数，j表示保护层c或e；T代表偏差类型。

(a) 1c

(b) 1e

1c保护层失效概率：

pTc=1-(1-x1c)(1-x2c)(1-x3c)· (1-x4c)(1-x5c)

=1-(1-1.0×10-3)(1-3.0×10-3)· (1-5.0×10-3)(1-80.0×10-3)· (1-50.0×10-3)

=0.13

1e保护层失效概率：

pTe=1-(1-x1e)(1-x2e)(1-x3e)· (1-x4e)(1-x5e)

=1-(1-0.1×10-3)(1-1.0×10-3)· (1-60.0×10-3)(1-30.0×10-3)· (1-60.0×10-3)

=0.14

按同样的方法，可计算其他保护层的失效概率，结果见表4。

表4 各保护层的失效概率

2.5 基于F&EI-HAZOP-FTA综合评价模型的汽油储罐区新增风险分析

根据保护层失效概率可知，汽油储罐一般工艺危险性考虑人为因素增加的风险为1c层、1e层、1f层保护层失效概率之和，即：

F1增=0.13+0.14+0.16=0.43

汽油储罐特殊工艺危险性考虑人为因素增加的风险为2c层、2d层、2f层、2g层保护层失效概率之和，即：

F2增=0.11+0.06+0.07+0.38=0.62

汽油储罐工艺危险性对比见表5。

表5 汽油储罐工艺危险性风险对比

2.6 汽油储罐区最初评价结果与实际风险综合评估结果

汽油储罐区最初评价结果与实际风险综合评估结果见表6。由表6可知，采用综合评估模型进行风险补偿之后，汽油储罐区的危险等级由中等变为非常大，而且由于工艺危险性的增加，危害系统和暴露面积相应地增加，财产损失也相应地变大。

表6 汽油储罐区最初评价结果与实际风险综合评估结果

3 结 论

(1)利用F&EI-HAZOP子模型，得到了汽油储罐区的一般工艺危险性和特殊工艺危险性的影响因素与偏差数据传输的通道，确定了偏差产生的原因，弥补了DOW对管理因素考虑较少的缺陷。

(2)利用HAZOP-FTA子模型，得到了一般工艺危险性因素3个可能失效的保护层及特殊工艺危险性4个可能失效的保护层，绘制保护层失效FTA图；利用三角模糊数方法确定了各偏差原因的发生概率，利用FTA图确定了保护层失效的概率；根据保护层失效的概率，确定了一般工艺危险性和特殊工艺危险性新增的风险。

(3)根据新增的风险，采用综合评估模型进行风险补偿之后，汽油储罐区的危险等级由中等变为非常大，而且由于工艺危险性的增加，危害系统和暴露面积相应增加，财产损失也相应变大。

(4)采用F&EI-HAZOP-FTA综合的评价模型，可以更全面合理地分析油库储罐区的安全隐患，为系统安全分析提供一种新的途径。F&EI-HAZOP-FTA综合评价模型为了从根本上保证油库储罐区的安全提供了理论支撑。

[1] 王广亮.化工、石化生产装置安全评价的模式与方法[J].化工劳动保护，1998，19(5)：6-13.

[2] 樊运晓，罗云.系统安全工程[M].北京：化学工业出版社，2009.

[3] 徐志胜.安全系统工程[M].北京：机械工业出版社，2012.

[4] 顾祥.石油化工安全分析方法及应用[M].北京：化学工业出版社，2004.

[5] 吴大鹏.石油化工行业安全生产分析[J].当代化工，2007，36(2)：125-127.

[6] 郑贤斌，李自力.DOW火灾爆炸指数评价法在油库中的应用[J].油气储运，2003，22(5)：49-52.

[7] 刘杨，李晓凤，姜志勇，等.道化学火灾、爆炸危险指数评价法在轻烃储罐中的应用[J].科学技术与工程，2010，10(22)：5509-5512.

[8] 胡毅亭，陈网桦，卫延安，等.安全系统工程[M].南京：南京大学出版社，2009：120-135.

[9] 赵承建.DOW分析法在原油罐区安全评估中的应用浅谈[J].广东化工，2011，38(5)：46-47.

[10] 中国石油化工股份有限公司青岛安全工程研究院.HAZOP分析指南[M].北京：中国石化出版社，2011.

[11] Khan F I，Abbasi S A.Analytical simulation and PRO-FAT II：A new methodology and a computer automated tool for fault tree analysis in chemical process industries[J].Journal of Hazardous Materials，2000，75(1)：1-27.

[12] 刘合香.模糊数学理论及其应用[M].北京：科学出版社，2012.

[13] 张福俊，邓本让，诛玉仙.应用模糊数学[M].北京：地质出版社，1998.

[14] 李树清，谢正文，王鹏飞.石化生产装置安全现状模糊综合评价方法研究[J].中国安全科学学报，2007，17(1)：121-125.

(编辑 宋锦玉)

Establishment of the Oil Storage Tank Area F&EI-HAZOP-FTA Comprehensive Evaluation Model

Zhao Chuanqi， Zhang Juwei， Zhang Yuanyuan， Li Shengwen

(SchoolofMechanicalEngineering，LiaoningShihuaUniversity，FushunLiaoning113001，China)

Due to the special nature of oil depot, the occasional accident happening in the oil depot would damage the surrounding facilities, which inevitably would lead to a large number of casualties and property losses masses. To minimize the probability of oil depot safety accidents, the effective evaluation methods should be adopted for the oil depot safety evaluation. DOW was the evaluation method of safety evaluation which was very suitable for oil tank area. But DOW chemical evaluation method also had serious deficiencies. By the detailed analysis of the flaws of the DOW chemical evaluation method on the basis, the F&EI-HAZOP-FTA comprehensive evaluation model was established. Through the model of F&EI-HAZOP and HAZOP-FTA model, the "preliminary evaluation of DOW chemical process risk factors-deviation, protective layer failure probability, DOW chemical actual evaluation" closed-loop channel of data transmission and sharing was found. The safety assessment to oil tank area could be obtained more comprehensive through the model.

Oil storage tank area； F&EI-HAZOP-FTA comprehensive evaluation model； Data transfer and sharing； Triangular fuzzy number； The safety evaluation

1672-6952(2017)01-0053-08

投稿网址：http://journal.lnpu.edu.cn

2016-05-10

2016-07-10

赵传奇(1990-)，男，硕士研究生，从事石化设备安全评价、结构完整性及灾害预防方面的研究；E-mail：1143161010@qq.com。

张巨伟(1962-)，男，硕士，教授，从事安全工程、石油化工设备的安全评价等方面的研究；E-mail：z6682201@126.com。

X937

A

10.3969/j.issn.1672-6952.2017.01.011