洪水诱发下化工园区储罐失效概率研究分析

陈文瑛副教授 李启华

（首都经济贸易大学 管理工程学院，北京 100070）

0 引言

近年来，自然灾害引发的事故灾害越来越频繁地发生。其中，洪水灾害造成的化工园区事故发生频数较其他灾害类型明显偏高，这类事故的发生不仅造成生产设备和储运装置的破坏，其引发的环境污染、火灾爆炸等次生事件往往造成更加严重的灾难[1]。在处置此类灾害事件时，往往因为化工园区的环境、设备、生产材料较为特殊，导致事故演化路径多变、发展态势不确定，致使应急决策主体无法提前预防并正确决策。因此，开展洪水诱发下的储罐事故致因以及事故概率分析研究就显得尤为重要。

目前，国内外学者在洪水诱发化工园区储罐事故方面进行了一些探索性的研究，并取得了一定研究成果。刘丽川等[1]对外泄储液或暴雨洪水导致的储罐受浮力破坏现象进行了分析，验算并确定了罐体的抗浮条件。袁雄军等[2]根据危险化学品物质特性分类和中间演化事件场景，构建了常见的各类危险化学品发生泄漏后的通用事件树，并对中间演化事件概率进行取值研究。Girgin等[3]开发了RAPID-N（地震快速评估工具），该工具能以最少的数据输入开展Natech（自然灾害诱发事故灾难）风险事件的快速评估。然而，洪水引发的Natech事件数据较难得到，使得概率评估研究举步维艰。目前，该研究组织正在努力扩大该工具的评估范围，包括洪水作用下的Natech事件的风险评估。Antonioni等[4]提出另一种Natech事件风险总体评估框架，该方法旨在将标准的定量风险评估程序扩大到地震和洪水造成的工业事故分析。Landucci等[5]开发了基于力学模型的立式、卧式储罐失效快速评估模型，能够基于具体的洪水场景和有限的储罐参数得到储罐失效的概率。其他现有的与洪水相关的研究使用过去事故的信息进行风险评估。例如，Cozzani等[6-9]利用事故数据库（ARIA等）的数据来研究化工园区设备损坏情况，并模拟了洪水引发的工业事故情景。此外，Kraussman等[10]开发了针对洪水作用下特定类型工业设备设施损害定性的Natech损伤量表。

上述Natech风险评估方法主要侧重于洪水对工业设备的影响，已有文献研究此类事故的演化过程，大部分研究还停留在定性描述阶段，缺乏数据支撑以及定量分析模型，演化路径分析不够清晰。本研究建立洪水诱发下化工园区储罐损坏的Bowtie模型并结合实例进行验证，计算得到该类事故后果发生可能性的大小。

1 Bowtie模型

Bowtie模型是将故障树分析方法和事件树分析方法融合为一体，全面分析某一事件的发生原因和事故后果的事故建模方法[11-12]。图1为该模型主要组成部分，分别为事故原因、安全屏障、事故发生和事故后果。安全屏障分为预防措施和恢复措施。预防措施即为了预防事故发生而存在的，恢复措施是指事故发生后有关部门为了降低损失而采取的应急抢险举措或者为了恢复正常而采取的办法，事故后果是指事故发生后对周边的影响。而预防措施和恢复措施共同构成了安全屏障，从事故源头到末端控制事故发生及后果。

图1 Bowtie模型示意图Fig.1 Bowtie model

可以看出，该方法可以比较准确直观的分析事故发生的起因和后果，并能帮助人们在事故发生前后分别采取有效的措施来预防事故发生及控制事故后果。

2 洪水诱发储罐事故Bowtie模型

2.1 研究对象

国外学者Valerio Cozzani等[9]对洪水事故导致的456个损坏的设备进行了统计，其中：74%为储罐，17%为大直径的管道，4%为压缩机，5%为反应容器。其中，储罐失效形式以立式储罐受洪水作用移位和卧式储罐地脚螺栓破裂为主。本文选取化工园区中最为常见的平底圆柱形立式以及球形边缘卧式圆柱体两种储罐为研究对象，材质均为钢制。立式储罐均为油类储运系统的重要储液容器，多用于存贮易燃、易爆的介质。卧式圆柱形储罐简称卧式储罐或卧罐，通常用于存储液化天然气、液化石油气、汽油等，由于卧式储罐物理结构较为复杂，在实际建模过程进行了一定的简化，忽略接管、安全附件等结构，只考虑储罐的筒体、封头和鞍式支座。

本文研究洪水诱发化工园区储罐发生事故状态及可能性，因此排除一切因人为过失导致的事故可能情形，只考虑由于洪水、设备、储料等因素失效或异常引发事故的因素。

（1）设备受损情况。洪水作用下设备设施的受损情况决定了储存物质的泄漏状态，洪水中常见的受损设备有：管道、法兰、反应装置、储罐等。

（2）洪水冲击程度。洪水冲击强度的强弱决定了洪水作用在储罐上力的大小，作用力的大小决定了储罐失效可能性的大小[13]。洪水冲击程度主要取决于洪水作用时间及洪水强度两个因素。作用时间越长，化工设备受水力冲击和材料腐蚀程度就越大；洪水强度指标通常选取最大水流速度（m/s）和淹没高度（m）来表征。洪水可能造成冲击破坏的类型有3种：水流速度可忽略，管道处于浸渍状态；中速波浪，水流速度小于1m/s；高速波浪，水流速度大于1m/s。本文考虑以上3种洪水类型以建立洪水作用下立式、卧式储罐失效的故障树模型。

（3）危险物质属性。储罐内危险物质属性与事故结果有着密切关联，它通常决定着事故发生类型和走向。不同危险物质对应的溶水性、挥发性等物理性质和易燃性、毒性等化学性质也不尽相同，甚至一些储料遇水会发生反应产生新的有毒有害物质，这也就造成了事故结果的不确定性。因此按照欧盟理事会指令中危险化学品分类标准[14]，将储料按物质属性大致划分为3个类别：易燃易爆类储料、有毒类储料、遇水反应类储料，其中，易燃易爆储料以汽油、石油、柴油基础油类为最多的储料，所以本文选择存储易燃易爆类储料的立、卧式储罐作为主要研究对象。

本文将从洪水冲击程度、设备受损情况和危险物质属性3个方面分析构建Bowtie模型。

2.2 建立Bowtie模型

根据2.1章研究对象的基础，建立储料泄漏原因和危险物质类型两个子系统。故障树的顶事件为不期望发生的事件，因此将储料泄漏及泄漏原因划分为两个子系统分别设为顶上事件，分别为立式储罐失效导致储料泄漏以及地脚螺栓破裂造成卧式储罐移位导致储料泄漏。危险物质类型子系统选取易燃易爆类储料子系统为研究对象。结合两个子系统的特点，不同泄漏原因对应不同危险物质类型泄漏，共构建2个Bowtie模型，如图2、图3。

可以看出，洪水作用下储罐失效事件Bowtie模型能直观展示事故发生的起因和后果及其相互关系。本研究使用Bowtie模型对洪水诱发下立式、卧式储罐各后果事件的失效概率进行定量分析与比较。

2.3 定量分析

（1）情景参数。为了分析Bowtie模型事件树中各结果事件的发生概率，对洪水作用下储罐事故风险进行定量评估，文献[15]、[16]中提供了4种洪水情景下20种不同规格的立、卧式储罐的ƒLOC数据，本文选择了与国内相关研究制式相同的储罐规格，且引用文献中只从历史数据的统计考虑泄露的概率，具体数据，见表1。卧式储罐主要因地脚螺栓受力异常、质量、连接不符合标准所引发，立式储罐因外壳破裂或立式储罐移位分别为事故发生的主因。假设所有卧式储罐鞍座固定在地面上，因此有效洪水高度等于洪水实际高度。研究表明洪水情景1和洪水情景2更容易导致立式、卧式储罐失效[15-16]，2种情景的重现期T为500年，洪水的返回周期与发生频率之间存在如式（1）的所示关系：

其中P洪水发生的概率，在这2种情景下重现期内储存物质泄漏的概率ƒLOC（Loss of Containment，LOC）的计算公式如（2）：

images/BZ_55_1306_2529_1342_2564.pngimages/BZ_55_1306_2574_1341_2609.pngimages/BZ_55_1306_2906_1342_2941.pngimages/BZ_55_1306_2951_1341_2986.png

其中f为储罐发生泄漏的概率，卧式、立式储罐相应的参数及计算结果，见表2。根据文献[9]和文献[17]，化工园区加压和常压储罐各占比分别为0.28和0.45，其他类型储罐占比为0.27，对瞬间点火概率、延迟点火概率、蒸气云扩散受限事件概率依次取值为0.3、0.27和0.4，取值结果如图2、3中事件树各路径上所示[17]。

表2 储罐参数及泄漏概率Tab.2 Tank parameter and probability of LOC

图2 洪水诱发下易燃易爆类储料因卧式储罐失效泄漏BowtieFig.2 Bowtie of flammable and combustible substance leakage resulting from horizontal tank rupture induced by flood

图3 洪水诱发下易燃易爆类储料因立式储罐失效泄漏BowtieFig.3 Bowtie of flammable and combustible substance leakage resulting from vertical tank rupture induced by flood

（2）事故后果概率计算。根据建立的Bowtie模型，后果的概率计算公式应为：

根据公式输入相应概率即可以得到两种储罐Bowtie模型事件树的不同后果事件概率，见表3、4。

表3 洪水诱发下卧式储罐失效泄漏Bowtie模型各结果事件发生概率Tab.3 Probability of Bowtie consequence events resulting from horizontal tank rupture induced by flood

表4 洪水诱发下立式储罐失效泄漏Bowtie模型各结果事件发生概率Tab.4 Probability of Bowtie consequence events resulting from vertical tank rupture induced by flood

3 计算结果分析

3.1 相同情景下加压、常压储罐失效概率分析

图4是洪水情景1#诱导下常压、加压卧式储罐1#各结果事件概率对比分析图。可以发现，在同一洪水情景作用下，储罐处于加压状态还是常压状态，蒸气云爆炸、闪燃、泄漏、火球以及池火灾结果事件的发生概率均不同，说明储罐处于加压、常压状态对结果事件发生概率有一定影响作用。除泄漏事件外，常压储罐结果事件发生概率要大于加压储罐。无论常压还是加压储罐，而无火灾爆炸的泄漏事件是所有结果事件发生概率最大的事件。针对其他洪水情景亦呈现此规律。

图4 洪水情景1#诱导下卧式储罐1#失效泄漏各结果事件概率对比Fig.4 Probability comparision of Bowtie consequence events resulting from horizontal tank 1# (atmosphere and pressure) rupture induced by flood scenario 1#

3.2 不同洪水情景诱导下储罐失效泄漏概率分析

为了分析不同洪水情景对同一储罐结果事件概率影响规律，本文将洪水情景1#、2#对卧式加压储罐的结果事件发生概率进行对比分析，如图5。分析发现，洪水情景1#作用下各结果事件发生概率均大于洪水情景2#，说明洪水情景1#对卧式储罐的影响更大。不同洪水情景作用下立式加压、常压储罐可得到同样结果。究其深层次原因，洪水情景1#是高深度洪水，洪水情景2#是高速洪水，说明洪水深度相比于洪水速度对储罐失效泄漏各结果事件发生概率影响更为明显。

图5 洪水情景1#、2#诱导下卧式加压储罐1失效泄漏各结果事件概率对比Fig.5 Probability comparision of Bowtie consequence events resulting from horizontal pressure tank 1# rupture induced by flood scenario 1# and scenario 2#

3.3 相同洪水情景下卧、立式常压储罐失效概率分析

对计算结果中的洪水情景1#诱导下常压卧式、立式储罐1#结果事件概率进行对比分析，如图6，不难发现在洪水情景1#作用下，立式储罐各结果事件的发生概率都要大于卧式储罐结果事件发生概率，说明在情景1#的高深度洪水诱发下立式储罐相对于卧式储罐更容易发生事故，此结论对于其他洪水情景和不同储罐型号的情况则不适用。

图6 洪水情景1#诱导下常压卧式储罐1#、立式储罐1#失效泄漏各结果事件概率对比Fig.6 Probability comparision of Bowtie consequence events resulting from horizontal tank 1# and vertical tank 1# (both are atmosphere)rupture induced by flood scenario 1#

4 结论

本文通过洪水作用下化工园区储罐危险性分析，构建了洪水作用下立式、卧式储罐失效的Bowtie模型，该模型能够在不同洪水情景下对立式、卧式储罐失效泄漏风险开展定性定量研究。

（1）本文研究洪水诱导下化工园区发生事故状态及可能性，排除一切因人为过失导致的事故可能情形，只考虑由于洪水、设备、储料等元素失效或异常引发事故的因素。基于对洪水冲击程度、设备受损情况和危险物质属性的分析，建立了洪水作用下立式、卧式储罐易燃易爆物质泄漏的Bowtie模型，该模型能够直观展现洪水引起储罐失效物质泄漏的前因后果，对化工园区立式、卧式储罐设计以及事故预防具有一定指导意义。

（2）基于洪水作用下立式、卧式储罐泄漏的Bowtie模型，借鉴国内外文献数据开展定量分析，计算得到了立式、卧式储罐失效易燃易爆物质泄漏后蒸气云爆炸、闪燃、火球和池火灾等事件发生的概率，计算结果对比分析发现，洪水深度相对于洪水速度对立式、卧式储罐失效泄漏各结果事件发生概率影响更为明显；其次，洪水情景1#诱发下常压立式储罐相对于卧式储罐更容易发生事故；总的来看，除了泄漏事件，常压储罐失效泄漏后各结果事件概率要大于加压储罐，且泄漏事件是所有结果事件中发生概率最大的事件。

需要说明的是，本文所建立的泄漏Bowtie模型没有考虑罐区内防泄漏及泄漏后控制措施对事故发生发展的干预，计算结果为储罐设计和事故预防提供了保守的估计；另外，储罐内易燃易爆类物质不考虑遇热源、摩擦、力冲击等会发生变化的物质。