基于N-K模型的石油罐区火灾爆炸事故风险因素耦合研究

(东北石油大学 机械科学与工程学院，黑龙江大庆 163318)

0 引言

由于石油储罐中储存的石油以及其他物质具有易燃、易爆炸、易挥发、易产生静电、易扩散等特性，因此石油罐区易发生火灾爆炸事故，造成巨大的人员伤亡及财产损失。

国内外对于石油罐区安全领域已有一定的研究。Moshashaei等[1]通过研究浮顶油罐火灾爆炸事故，总结火灾爆炸事故原因，并运用分析网络及Super Decisions软件进行加权和优先级排序，确定了浮顶罐火灾爆炸事故的11个主要标准及71个子标准。Halloul等[2]采用模糊故障树分析与专家访谈相结合的方法对原油罐区火灾爆炸事故风险进行识别与评估。Argyropoulos等[3]通过与希腊的工业安全专家进行讨论，提出在塞韦索的指令的框架下、采用检查表法对储罐进行风险识别，并根据导致罐区发生事故后果的严重性进行排序。Guo等[4]则针对现有的储油罐区环境风险，预测和评价了油罐爆炸引起的热辐射和冲击波的影响。包其富等[5]采用层次分析-模糊综合评价方法实现单个储罐的安全状况分级，并结合区域定量风险评价方法实现石油罐区整体风险评价。任常兴等[6]引入火灾风险严重度指数评价石油罐区火灾风险相对影响水平及等级。牛淑婷[7]提出主要的引发石油罐区火灾爆炸事故的风险因素,并制定相应的针对性措施,加强安全管理。

分析国内外学者的研究可以看出，当前对于石油罐区的风险评估以及风险管理的研究大多从单因素角度出发，而没有从风险因素耦合的角度进行研究，且石油罐区火灾爆炸事故多为不同风险因素相互作用、相互耦合而发生的。因此，为有效避免石油罐区发生火灾爆炸事故，应从风险耦合的角度出发，研究致使罐区发生火灾爆炸事故的多种风险因素的耦合特性，建立罐区风险因素耦合规律，为石油罐区实现在风险阈值内的动态平衡提供理论依据。

1 石油罐区火灾爆炸事故风险因素辨识

通过查阅相关文献[1-10]，将石油罐区火灾爆炸事故风险分为人员风险因素、设备风险因素、环境风险因素、管理风险因素、消防风险因素等5个一级风险因素，具体风险因素辨识见表1。

表1 风险因素辨识

2 石油罐区火灾爆炸事故风险耦合类型及机理

风险耦合是指系统内部可导致系统稳定性失衡的因素之间相互影响、相互促进，致使系统风险值上升或下降的现象[11]。如果数种风险因素发生耦合后导致系统风险值上升，此现象属于风险正耦合；如果数种风险因素发生耦合后导致系统风险值降低，则此现象称之为风险负耦合。本文主要研究风险因素进行耦合过程后致使系统风险值上升的现象，即风险正耦合现象。

2.1 石油罐区火灾爆炸事故风险耦合类型

将上文提到的石油罐区系统火灾爆炸事故风险(分为人、机、环、管、消5个一级风险因素)分别记为a,b,c,d,e。依照此分类，石油罐区火灾爆炸事故风险耦合可分为单因素耦合、双因素耦合及多因素耦合。

单因素耦合是指同一个一级风险因素分类下的二级风险因子之间发生耦合。这种耦合形式通常属于最常见的耦合形式，但耦合后影响程度较小，一般不会超出系统整体风险阈值。

双因素耦合是指2个不同一级风险因素分类下的二级风险因子之间发生耦合。包括人-机耦合风险、人-环耦合风险、人-管耦合风险、人-消耦合风险、机-环耦合风险、机-管耦合风险、机-消耦合风险、环-管耦合风险、环-消耦合风险、管-消耦合风险，分别记为T21(a,b)，T22(a,c)，T23(a,d)，T24(a,e)，T25(b,c)，T26(b,d)，T27(b,e)，T28(c,d)，T29(c,e)，T2Ⅹ(d,e)。

多因素耦合是指3个及3个以上不同一级风险因素分类下的二级风险因子之间发生耦合。包括人-机-环耦合风险、人-机-管耦合风险、人-机-消耦合风险、人-环-管耦合风险、人-环-消耦合风险、人-管-消耦合风险、机-环-管耦合风险、机-环-消耦合风险、机-管-消耦合风险、环-管-消耦合风险、人-机-环-管耦合风险、人-机-环-消耦合风险、人-机-管-消耦合风险、人-环-管-消耦合风险、机-环-管-消耦合风险、人-机-环-管-消耦合风险,分别记为T31(a,b,c),T32(a,b,d),T33(a,b,e),T34(a,c,d),T35(a，c，e),T36(a,d,e),T37(b,c,d),T38(b,c,e),T39(b,d,e),T3Ⅹ(c,d,e),T41(a,b,c,d),T42(a,b,c,e),T43(a,b,d,e),T44(a,c,d,e),T45(b,c,d,e),T51(a,b,c,d,e)。

2.2 石油罐区风险耦合机理

石油罐区系统中存在诸多风险因素，其中单个风险因素往往并不会直接致使石油罐区发生火灾爆炸事故，而是各种风险因素之间发生耦合导致原油罐区整体风险值上升至超出系统自身安全水平阈值，从而导致石油罐区发生火灾爆炸事故。国内学者大部分只对原油罐区火灾爆炸事故基于多方面风险因素进行致因分析，研究单个风险因素与事故之间的联系及影响，却忽略了风险因素之间的耦合作用。

图1 石油罐区火灾爆炸事故风险耦合机理示意

如图1所示，在石油罐区系统中存在人、机、环、管、消5个子系统，各子系统分类下的二级风险因子之间相互促进、叠加，发生耦合，扩大原有风险值，使其突破子系统安全防御阈值并与其他子系统的风险因子再次进行耦合的过程中产生聚类突变，经过耦合过程，打破原系统的风险平衡状态，或超过石油罐区系统的风险阀值整体水平，最终使风险因素耦合后的整体风险水平高于风险耦合前的风险水平，从而发生火灾爆炸事故。

3 风险耦合模型的构建

N-K模型起源于信息理论，是一种解决复杂系统计算的通用模型。其中包含参数N和K，N是指构成系统要素的个数，K是指网络中相互依赖关系的个数，其中0≤K≤N-1[12]。

3.1 确定石油罐区风险耦合信息交互公式

通过对石油罐区系统运行过程中的5类风险因素交互信息进行计算，对由于风险耦合作用所形成的新的风险状态进行评价，通过各类风险耦合方式发生次数判断各类耦合方式的耦合概率。即若某种耦合形式发生的次数越多，则该耦合方式的耦合发生概率越大；通过耦合值的大小反映耦合风险值的大小，即某种耦合形式所得耦合值越大，表明该耦合方式耦合风险值越高，发生火灾爆炸事故的概率越高。交互信息计算公式如下：

·log2[Phijkl/(Ph....·P.i...

·P..j..·P...k.·P....l)]

(1)

其中,h=1,2,…,H;i=1,2,…,I;j=1,2,…,J;k=1,2,…,K;l=1,2,…,L。

式中Phijkl——石油罐区系统中人的风险处于h状态,设备风险处于i状态，环境风险处于j状态，管理风险处于k状态，消防风险处于l状态时，5种风险发生耦合的概率。

T值是对于石油罐区系统火灾爆炸风险耦合的数量化评估。T值越大，表明在该状态下石油罐区系统安全水平越低，发生火灾爆炸事故的概率就越大。

3.2 构建石油罐区火灾爆炸事故双因素风险耦合模型

石油罐区火灾爆炸事故风险耦合多以局部耦合形式发生，局部耦合可以由两种不同类型的风险因素进行耦合，例如人-机耦合形式，即人的风险因素与设备风险因素进行耦合致使石油罐区系统安全平衡状态失稳，从而发生火灾爆炸事故，其他类型风险因素在此次耦合过程中不具有决定性影响，这种耦合形式称为局部耦合。因此，可以通过计算发生两种风险类型之间的信息交互来研究局部耦合情况。以人-机耦合为例构建风险耦合模型如式(2)，同理可构建全部双因素风险耦合模型。

(2)

3.3 构建石油罐区火灾爆炸事故多因素风险耦合模型

同理，局部耦合也可以由3种或4种不同类型风险因素进行耦合，例如人-机-环耦合，此种耦合方式中管理风险与消防风险无决定性影响；人-机-环-管耦合，此种耦合方式中消防风险无决定性影响。以人-机-环耦合为例构建三因素风险耦合模型如式(3)，以人-机-环-管耦合为例构建四因素风险耦合模型如式(4)，同理可构建全部多因素风险耦合模型。

·P.i...·P..j..)]

(3)

·P.i...·P..j..·P...k .)]

(4)

4 石油罐区火灾爆炸风险耦合实证分析

4.1 风险耦合计算

根据相关资料[8]及实地调研统计出1972～2018年国内外石油罐区火灾爆炸事故案例82起，通过对事故统计数据分析，得出风险耦合次数及风险耦合频率，风险未发生用“0”表示，风险发生用“1”表示，则5类风险分类共有32种可能的风险耦合形式结果见表2。

表2 1972～2018年石油罐区火灾爆炸风险耦合次数及频率

为计算T值，首先需要计算以下不同方式风险耦合的概率。

(1)单因素耦合不同情况下发生的概率。

人的风险因素不参与风险耦合时石油罐区发生火灾爆炸事故的概率为P0....=P00000+P01000+P00100+P00010+P00001+P01100+P01010+P01001+P00110+P00101+P00011+P01110+P01101+P01011+P00111+P01111=0.0000+0.0000+0.0976+0.0000+0.0000+0.0488+0.0122+0.0000+0.0244+0.0366+0.0000+0.0122+0.0366+0.0366+0.0122+0.0244=0.3416,同理可求得其余结果。计算结果见表3。

表3 单因素风险变化概率

(2)双因素耦合不同情况下发生的概率。

人的风险因素与设备风险因素均不参与风险耦合时石油罐区发生火灾爆炸事故的概率为P00...=P00000+P00100+P00010+P00001+P00110+P00101+P00011+P00111=0.0000+0.0976+0.0000+0.0000+0.0244+0.0366+0.0000+0.0122=0.1708,同理可求得其余结果,计算结果如表4所示。

表4 双因素风险变化概率

(3)多因素耦合不同情况下发生的概率。

人的风险因素与设备风险因素及消防风险因素均不参与风险耦合时石油罐区发生火灾爆炸事故的概率为P00..0=P00000+P00100+P00010+P00110=0.0000+0.0976+0.0000+0.0244=0.1220。同理可以求得其余结果，计算结果见表5。

表5 多因素风险变化概率

(续表5)

通过已构建风险耦合模型,可计算出石油罐区各项风险耦合的T值，计算结果如下：

T21=0.023467427,T22=0.156375293,

T23=0.100106004,T24=0.039581477,

T25=0.016828638,T26=0.000016532,

T27=0.003747548,T28=0.217325925,

T29=0.014844345,T2Ⅹ=0.002121561,

T31=0.272014739,T32=0.204785229,

T33=0.120081086,T34=0.447377565,

T35=0.252879588,T36=0.220010281,

T37=0.331434599,T38=0.095687131,

T39=0.079904587,T3Ⅹ=0.260460098,

T41=0.621386225,T42=0.319736817,

T43=0.276255606,T44=0.515568031,

T45=0.365189486,T5=0.721525291。

对所得T值按降序排列可得：

T5>T41>T44>T34>T45>T37>T42>T43>T31>T3Ⅹ>T35>T36>T28>T32>T22>T33>T23>T38>T39>T24>T21>T29>T25>T27>T2Ⅹ>T26

按耦合因素数量升序作T值分布图，如图2所示。

图2 不同类型风险耦合T值分布图

求双因素耦合T值、三因素耦合T值、四因素耦合T值平均值得：

4.2 计算结果分析

(1)随着参与耦合风险数量的增加，T值总体呈上升趋势；且随着耦合风险种类的增加，T值均值递增，即参与风险耦合的风险因素越多，石油罐区发生火灾爆炸事故风险越大。管理者应找出关键风险因素，消弱风险因素风险水平，减少参与耦合的风险种类。

(2)在双因素风险耦合中，环-管耦合、人-环耦合、人-管耦合的T值相对较大，具有较强的耦合性；在三因素风险耦合中，人-环-管耦合、机-环-管耦合、人-机-环耦合具有较强的耦合性；在四因素风险耦合中，人-机-环-管耦合与人-环-管-消耦合具有较强的耦合性。以上耦合形式应作为控制石油罐区火灾爆炸风险优先考虑的耦合形式。

(3)由单因素变化概率值及风险耦合T值可以得出，在石油罐区火灾爆炸5个风险因素中，有人的风险因素参与的风险耦合次数最多，且风险耦合的T值较大。

5 结语

(1)将消防风险因素加入石油罐区火灾爆炸事故风险因素分类，并将其引入风险耦合T值计算，提高了石油罐区火灾爆炸事故风险耦合分析的全面性。

(2)对石油罐区火灾爆炸事故风险耦合作用进行分析，建立了耦合视角下火灾爆炸事故致因模型，指出石油罐区发生火灾爆炸事故是由致使风险扩大导致的，并利用N-K模型对各类耦合形式进行度量。

(3)在进行石油罐区的风险管理过程中，应避免多个因素发生耦合作用，当某一因素出现危险源时，其他因素存在风险的可能也很大，在及时消除该风险因素的同时，应避免与其他潜在风险因素发生耦合效应，尤其注意避免具有较强耦合性的耦合方式发生。

(4)在石油罐区火灾爆炸风险耦合中，人是关键耦合因素，应充分发挥人的主观能动性，提高管理强度，并加强对设备因素，环境因素以及消防因素的管理，从而降低罐区发生火灾爆炸的频率。