基于多米诺效应的输气站场保护层分析研究

齐峰 蒋宏业 徐涛龙 古芃

西南石油大学石油与天然气工程学院

保护层分析（Layer of Protection Analysis，简称LOPA）是在定性分析基础上，进一步评估独立保护层（IPL）有效性，以确保事故风险降低到可容忍范围内的一种半定量评估方法。由于其分析客观、可靠，并且简单高效，近年来在石化企业得到广泛应用。

国内外学者对传统LOPA 方法进行了改进，MARKOWSKI等[1]将专家系统融入保护层分析法中，并采用改进的保护层分析法对化学过程工业进行风险分析；YUN[2]提出贝叶斯-保护层分析方法，将已有的事故场景的失效概率和实验数据相结合，进而更新了失效概率，并应用此方法分析了液化天然气接收站的风险，结果证明该方法所得的失效概率更可靠；邓彬等[3]将保护层分析与轨迹交叉理论相结合，对化工工艺过程的系统安全性进行分析，结果证明，LOPA 与轨迹交叉理论在功能上互补，能更为准确地找出风险较高的设备或行为。以上学者对保护层分析方法进行了不同程度的改进，但是都未考虑可燃气体泄漏后由多米诺效应引起的升级事故后果。

由于输气站场平面空间限制，各设备在空间上布置紧密，若某设备泄漏，进而发生爆炸事故，在引发多米诺效应影响下，将造成事故后果扩大化。研究表明[4-5]，多米诺效应直接影响事故后果严重性。因此本文提出在进行后果严重度评估时，考虑由多米诺效应造成的升级事故后果，以期后果严重度评估更加客观实际，为风险决策提供理论依据。

1 保护层分析

保护层分析是一种简化的风险评估方法。通过对现有保护措施的可靠性进行量化，确定其消除或降低风险的能力[6]。LOPA 通常使用初始事件频率、后果严重程度和独立保护层失效概率的数量级大小来近似表征场景的风险[7]。LOPA 分析的逻辑图如图1所示。LOPA 的主要目的是确定是否有足够的保护层，确保风险在可容忍范围内。对于一个场景有不同的独立保护层，只要其中一个独立保护层发挥作用，就可以避免不期望的事故后果发生。但是并没有任何一个保护层是完全有效的，所以必须提供足够的保护层以减小事故风险，使其满足风险可容忍标准。

图1 保护层分析逻辑图Fig.1 Logic diagram of protective layer analysis

1.1 后果严重度评估

在进行LOPA 分析前，要对已筛选的场景进行后果严重度评估。事故后果严重度一般体现在人员、财产、环境、声誉四个方面。评估方法一般有以下四种[8]：①释放规模/特征评估；②简化的伤害/致死评估；③需要进行频率校正的简化伤害/致死评估；④详细的伤害/致死评估。目前，常用的评估方法是第②种和第③种方法。因其在实施过程中简单易行，并且可以直接根据过去的经验、总结的查询表进行评估，但由于没有考虑多米诺效应，真实事故后果可能远远超过分析人员的计算。

1.2 确定初始事件频率

初始事件一般分为外部事件、设备故障和人的失效三类[8]。本文主要考虑由设备失效造成的泄漏进而引发的爆炸等升级事故后果。

确定初始事件频率，可采用许多失效数据库中的数据，如《化工过程定量风险分析指南》《工艺设备可靠性数据指南》以及API 581等，还可以基于公司的经验数据进行统计分析获得。本文采用API 581的方法，通过设备损伤因子和管理因子对设备通用失效频率修正，计算出设备失效频率。

1.3 识别独立保护层

美国化工过程安全中心（CCPS）将独立保护层定义为“能够阻止场景向不良后果继续发展的一种设备、系统或行动，并且独立于初始事件或场景中其他独立保护层的行动[7]。”独立保护层必须满足独立性和有效性，并且独立性和有效性必须具有可审查性。典型的独立保护层如图2所示。

图2 典型独立保护层Fig.2 Typical independent protective layer

在LOPA 分析中，合理区分独立保护层和保护措施非常重要。保护措施可以是阻止场景向不良后果发展的任何设备、系统或行动。但是，一旦将其视为独立保护层，将难以保证风险被控制在容忍标准范围内。

1.4 场景频率计算及决策

场景后果频率为初始事件频率乘以独立保护层的失效概率。当计算物质释放后造成的后果时，还会考虑使能条件、可燃物的影响、毒性影响范围及人员暴露于可燃物或毒性物中的影响等。

考虑可燃物质点火概率、人员暴露在影响范围内的概率及人员伤亡概率的后果频率计算公式为

在天然气站场保护层分析中，点火概率取0.1，人员暴露在影响区的概率为1，人员发生伤亡的概率为1。

2 多米诺效应分析

输气站场发生蒸气云爆炸事故后，产生的热辐射和超压可能会因多米诺效应造成邻近设备失效。根据输气站场的特点和COZZANI 等[9]的研究结果，本文主要考虑设备泄漏后发生蒸气云爆炸的冲击波超压对邻近设备造成的影响。

2.1 天然气泄漏量

当站场中天然气发生泄漏时，天然气的物理性质和所处的工艺条件决定了其泄漏速率。

式中：qm为设备发生泄漏时天然气的泄漏速率，kg/s；Cd为泄漏系数，其取值与泄漏孔口形状有关，泄漏孔口形状为长方形时取0.90，三角形时取0.95，圆形时取1.00；A为泄漏孔口的面积，m2；p为当前工况下设备运行压力，Pa；ps为环境大气压力，Pa；k为天然气绝热指数，取k=1.3；M为天然气摩尔质量，kg/mol；R为气体常数，8.314 J/(mol·K)；T为当前工况下天然气温度，K。

一定时间内，天然气泄漏总量为

式中：W为一定时间内天然气泄漏总质量，kg；t为天然气泄漏的持续时间，s。

2.2 冲击波超压值

天然气发生蒸气云爆炸所产生的总能量为

式中：E为发生蒸气云爆炸时释放的总能量，kJ；1.8为地面爆炸系数；α为天然气蒸气云当量系数，取0.04；W为蒸气云中天然气总质量，kg；Q为天然气的燃烧热，kJ/kg。

目前有两种方法计算爆炸冲击波超压，分别为TNT当量法和直接计算法，本文采用直接计算法对蒸气云爆炸进行计算。蒸气云爆炸冲击波正相最大超压为

式中：Δp为冲击波正相最大超压，kPa；r为无量纲距离；D为目标设备到蒸气云爆炸中心距离，m。

2.3 多米诺效应概率

目前，计算由多米诺效应造成的邻近设备损坏的概率最常用的数学模型是基于经验数据的扩展函数概率模型[9]。因此，本文应用此模型计算冲击波超压造成邻近目标设备损坏的概率为

式中：f为目标损坏的概率；Y为目标损坏的概率单位值，根据表1[10]中不同类型设备计算其取值。

表1 事故扩展概率计算模型Tab.1 Calculation model of accident extended probability

通过以上计算可以确定蒸气云爆炸发生后的多米诺效应概率向量F为

式中：fi表示第i个设备因多米诺效应导致失效的概率；n为设备数。

3 案例分析

本文以某分输站为例进行保护层分析。经定性风险评估，筛选出分离器泄漏场景。在分析前首先评估后果严重度，计算由多米诺效应引起的升级事故后果。为简化计算，仅考虑一级多米诺效应影响，不考虑进一步的扩大事故。

3.1 分输站概述

该分输站于2006年投产，目前运行压力为8.0 MPa，天然气日处理量为2 400 m3，站场内的设备均为露天设置。根据研究表明，在输气站场中，设备的风险明显高于管道的风险[11]。因此，仅对分输站内设备失效的情况进行分析，如清管器收发装置、计量装置、调压装置以及组合式分离器等。站场内各设备的布置如图3所示。

在本案例中，对分离器4发生泄漏的情况进行分析，当前工况下，分离器内天然气温度为20 ℃，燃烧热值为5 100 kJ/kg。根据历史监测数据得知，该分离器存在不同程度的外腐蚀和内腐蚀，外腐蚀速率为0.014 mm/a；内腐蚀为局部腐蚀，腐蚀形状呈直径为6 mm 的圆形分布，腐蚀速率为0.11 mm/a。

3.2 分离器失效频率

采用API 581计算分离器失效频率方法为

式中：Pf为设备失效概率；gff为通用失效频率；Df为设备损伤因子；FMS为企业管理因子。

查询API 581源文件中同类设备失效数据库[12]，得到分离器的通用失效频率为1.0×10-4。根据站场内历史检测数据和设备运行条件，通过API 581中方法计算得到分离器的设备损伤因子为9.14。通过对站场管理系统评价后得到管理修正因子为0.37。基于以上数据进行计算，得到分离器失效频率为3.38×10-4。

3.3 后果严重度评估

3.3.1 泄漏速率计算

根据站场的历史检测数据，内腐蚀较外腐蚀严重，且腐蚀坑为直径6 mm 的圆形，因此假设分离器4发生直径为6.4 mm 的圆孔泄漏。经计算，在当前工况下，天然气呈音速流动，其泄漏速率为13.89 kg/s。

3.3.2 泄漏总量计算

根据该站场的监测系统，设泄漏时间为20 min，根据公式（4）计算得天然气的总泄漏量为1.67×104kg。

3.3.3 多米诺效应概率

根据分输站场平面布置图中各设备与分离器4的距离，以及公式（5）～（8）计算得到各设备所受到的冲击波超压值及设备损坏的概率，结果如表2所示。

表2 冲击波超压值及设备损坏概率计算结果Tab.2 Calculation results of shock wave overpressure value and equipment damage probability

由表2可知，当发生蒸气云爆炸后，各设备的多米诺效应概率向量为：F=[0.967，0.967，0.834，0，0.375，0.379，0.379，0.375，1，1，1]。

3.3.4 多米诺效应后果严重度

根据以上计算结果，当分离器4泄漏之后发生蒸气云爆炸，则其他3台分离器均因冲击波超压造成损坏，并且对其他设备也会造成不同程度的损坏，明显增加了后果严重度。根据风险矩阵，后果严重度等级为5级。经过分析，对于设备泄漏的事故场景，站场内并没有可以作为独立保护层的保护措施。

3.4 场景频率计算及决策

根据以上分析以及场景频率计算公式，该场景的频率为3.38×10-5/a。应适当增加保护措施，使风险降低到可容忍范围内。分析小组决定提出两点建议：①在设备处增加可燃气体监测报警装置，并对该报警建立相应的人员应急处理机制；②对设备定期进行腐蚀检测，对危险腐蚀点及时处理。

4 结束语

在计算多米诺效应时，采用直接计算法计算冲击波超压值，得出邻近设备所受的正相最大超压值，并根据基于经验的扩展函数概率模型计算了引发邻近设备损坏的概率。通过API 581中的方法对设备失效概率进行计算，确定初始事件的发生频率。该初始事件概率结合了站场的管理因子及基于历史检测数据的设备损伤因子，计算得到的失效概率更符合实际。

由于空间限制，一旦输气站发生爆炸，极易发生多米诺效应，造成重大安全事故。将多米诺效应引入保护层分析，可以更加客观地对事故后果进行评估，为后期风险决策提供可靠依据。