基于三维风险分析的加油站风险评估

乔建宇，李 凯，康 健*，宋冰雪，白永强

(1.北京石油化工学院 安全生产工程技术研究院，北京 102617；2.北京市劳动保护科学研究所城市有毒有害易燃易爆危险源控制北京市重点实验室，北京 100054)

城市内加油站分布范围较广，部分加油站周边人口密度较大。由于油品具有易燃、易爆等危险性，一旦发生火灾爆炸事故可能造成较大人员伤亡与社会影响[1-2]。2007年11月24日，上海浦东一加油站发生爆炸事故，造成4人死亡，40多人受伤。随着我国城市化进程快速推进，城市居住人口数量不断提高，汽车保有量持续增长，市区内加油站数量不断增加，城市加油站风险存量不断增大。因此，建立更加有效的风险分析方法，对加油站进行更加全面深入的风险评估，可以为科学地制定加油站风险控制措施提供技术支撑，对加油站的安全运行和城市安全发展具有重要意义。

目前，由于缺少危险源特性的针对性基础研究，系统全面的风险辨识理论解释不足，加油站采用的安全评价方法主要是道化学法和模糊综合评价法等[3-4]。道化学方法主要用于火灾爆炸影响区域研究，但对人的不安全行为等不确定性因素关注较少。模糊综合评价法可以对评价对象给出较为综合的结论，但该方法计算过程主观性较强。因此，笔者基于三维风险分析模型对加油站存在的风险因素进行系统辨识，集成优化各风险评估指标算法，对提升加油站风险控制策略的科学性，保证加油站的安全运行具有重要的现实意义[5]。

1 构建三维分析的加油站安全评价流程

近年来，工程领域的多维度风险分析模型实现了对研究对象的多角度分析，为风险评估提供了新的视角[6-7]。在对加油站风险解释和指标探讨的基础上，提出的基于三维风险分析的加油站风险评估流程包括以下3个基本步骤。

(1)构建基于事故发生可能性、事故后果严重度和社会敏感度的加油站三维风险数学模型。

首先，以事故发生的可能性和事故后果严重度构建平面坐标系；

其次，利用安全检查表和危险性与可操作分析从人为因素和设备因素对加油站的风险因素进行定量和定性的分析；

再次，引入社会敏感度作为第3个维度，根据式(1)从三个维度对加油站进行风险定量计算。

R=f(P,L,S)=P×L×S

(1)

式中：R为加油站的风险值；P表示事故发生可能性，即事故发生的概率，可能性越大，事故越容易发生；L表示事故严重性，即事故发生可能导致的后果严重程度，事故越严重则损失越大；S表示社会敏感性，指导致社会发生的空间和人员敏感程度，特定地理位置或者特定人群发生事故后果更严重。

(2)确定三维风险数学模型指标数值。

首先，确定事故发生可能性风险因素估值；

其次，基于蒸汽云爆炸模型确定事故发生后果严重程度估值；

再次，确定事故发生的社会敏感度值。

(3)基于层次分析法对三维风险数学模型评估指标进行权重赋值。

首先，对不同种类的指标进行层次化的分析，进而构成有序的递阶层次结构；

其次，根据两两比较判断对每个目标层进行比较，比较判断结果建立每一层次的判断矩阵，最终得到二级指标在层次结构中的权重分配；

再次，根据式(2)计算加油站三维风险值，确定风险等级。

(2)

式中：di，dj，dk分别为第i，j，k个指标现实得分；ωi，ωj，ωk分别为第i，j，k个指标对于1级指标的权重；n，m，l分别为可能性、严重性、敏感性评价指标个数。

2 基于风险辨识确定事故发生可能性

加油站的风险水平可能受以下因素影响：油品储存能力和方法；通过现场的车辆数量和分配操作发生的次数；定期在场地上或周围的雇员和公众人数；设备的年限和类型；与现场的其他活动和固定装置有关的汽油设备(分配器、填充点、储罐、管道等)的位置，如洗车场、商店、快餐店、车辆维修车库等。汽油设备相对于非现场特征的位置，如邻近其他被占用建筑物、地下隧道、公共通道等。

通过对加油站中人为因素和设备因素的分析，辨识加油站风险影响因素，建立加油站风险评价可能性指标体系，构成加油站的风险影响因素，如表1所示，以事故发生的可能性作为目标层，加油站的管理制度、人的行为、加油区、油罐区、卸油区5项内容作为一级指标，事故发生的27项风险因素为二级指标[6-7]。

表1 加油站风险影响因素分析

Table 1 Risk factors impacting on the oil and gas station analysis

目标层事故发生可能性一级指标A1管理制度A2人的行为A3加油区设备A4油罐区设备A5卸油区设备二级指标P1安全生产责任制P2员工安全培训制度P3安全检查制度P4应急预案并演练P5消防设备管理制度P6设备检修制度P7警示标志P8吸烟P9未按操作规程操作P10工作产生火花、火星P11未穿着防静电服P12停车未熄火P13加油机密封失效P14加油机防爆失效P15输油带破损P16意外因素P17油罐泄露P18摩擦火花P19防静电失效P20消防系统失灵P21液位检测失效P22卸油胶管破损P23油罐车密封破损P24油罐车没有消除静电P25没有安装防静电桩P26可燃气体报警装置失效P27卸油软管导静电性能差

3 基于蒸汽云模型计算加油站事故后果严重度

加油站内最严重的事故类型是油罐内的可燃气体的燃烧爆炸，所以计算事故发生的半径时，采取蒸汽云爆炸模型来计算加油站的死亡半径。

蒸汽云爆炸是可燃气体与空气形成的混合气体并且可燃气体的浓度达到爆炸极限的区间内，遇到明火的情况下可以导致蒸汽云爆炸。主要采用TNT当量法和TNO模型法定量计算蒸汽云爆炸造成的损失。采用TNT当量法来计算蒸汽云爆炸产生的半径。蒸汽云爆炸主要因为爆炸时产生的强大的冲击波对周围的人员和建筑造成伤害，因此可以用超压准则确定人员伤亡区域及财产损失区域[10-11]。

(1)计算储罐的最大贮存质量为：

Wf=ρv

(3)

(2)计算储罐爆炸时的TNT当量计算式为：

(4)

式中：地面爆炸系数为1.8；a为蒸气云当量系数，取a=0.04；Qf为汽油的爆热，取Qf=44 000 kJ/kg；QTNT为TNT的爆热，取QTNT=4 500 kJ/kg。

(3)确定伤害半径R1、R2、R3：

①死亡半径R1为：

R1=13.6(WTNT/1 000)0.37

(5)

②重伤半径R2为：

(6)

③轻伤半径R3为：

(7)

当发生爆炸时，如果离爆炸中心的距离之比与炸药量Q的3次方根之比相等，则所产生的冲击波超压相同。

R/RO=(QTNT/QO)1/3，则ΔP=ΔP0

(8)

式中：R为目标与爆炸中心的距离(m)；R0为目标与基准爆炸中心的距离(m)；Q0为基准爆炸能(TNT当量，kg)；QTNT为爆炸时产生冲击波所消耗的能量(TNT当量，kg)；ΔP为目标处的超压(MPa)；ΔP0为基准目标处的超压(MPa)。

④财产损失半径R财的计算式为：

R财=K∏WTNT1/3/(1+(3 175/WTNT)2)1/6

(9)

式中：K∏为建筑物二级破坏系数，取5.6。

(4)由死亡半径、重伤半径、轻伤半径，计算出死亡、重伤、轻伤人数。

死亡人数：

N1=3.14ρ1(R死2-R02)

(10)

重伤人数：

N2=3.14ρ2(R重2-R死2)

(11)

轻伤人数：

N3=3.14ρ3(R轻2-R重2)

(12)

财产损失：

N4=3.14R财ρ4

(13)

式中：R0为无人区半径，一般取R0=0；ρ1为死亡区平均人员密度；ρ2为重伤区平均人员密度；ρ3为轻伤区平均人员密度；ρ4为破坏区平均财产密度，通常取0.05万元/m2[12]。

损失工作日数N：

N=6 000N1+3 000N2+105N3

(14)

事后财产损失：

(15)

在确定半径范围以后，可以确定在某个伤害范围里的人员密度及经济损失。将事故发生时的爆炸半径和经济损失这两个方面作为评价加油站事故后果严重度的一级指标；同时采用专家打分法和层次分析法对这两项指标进行赋值和计算一级指标在目标层中的权重；最后在计算加油站总体风险值的时候，对一级指标的四级至一级分别赋值1、2、3、4(如表2所示)，从而可以计算出加油站事故后果严重的风险值[13]。

表2 事故后果严重度分级表

4 社会敏感度判断

即使规模相同的加油站发生相同的爆炸事故，也会因为其处于的地理位置、周围有无建筑、周围的人口密度等因素的差异而造成不同的伤亡人数和财产损失，所以在评价加油站的风险等级时，除了要考虑可能导致加油站发生事故的风险因素、风险因素发生概率的大小以及可能造成何种程度的后果，也要考虑加油站所处的地理位置和周围的环境因素，即对加油站进行社会敏感度评价[14]。

可通过以下几个方面对城市功能区进行定义和划分：

(1)区域内是否存在重大危险源。

(2)人员的易损性：如发生事故时，在区域内人员是否可以快速撤离到安全区域。在事发的区域内有无高层建筑或医院等，导致在区域内人员在短时间内无法达到安全区域，在发生二次事故时会造成人员伤害。

(3)人员暴露的可能性：事故发生时，在区域内暴露的人员数量。在事故发生时，暴露在外的人员数量越多，造成的人员伤亡就越大。

根据以上的几个方面确定城市中各类功能区以及各类功能区可接受风险基准，参考《危险化学品生产、储存装置个人可接受风险标准和社会可接受风险标准(试行)》(原国家安全生产监督管理总局2014年第13号令)，如表3所示。

表3 城市功能区划分

在评价事故发生的社会敏感度时，以加油站所在的不同城市功能区(即空间因素)和评价目标周围的人口密度(即人群种类)作为二级指标评价加油站事故发生后的社会敏感度；同时采用专家打分法和层次分析法对这两项指标进行赋值和计算一级指标在目标层中的权重；最后在计算加油站总体风险值时，对一级指标的四级至一级分别赋值1～4。如表4所示。

表4 社会敏感度分级

5 基于三维风险的加油风险等级评估模型

第四类风险区域：在三维模型中的风险值范围为1～12。在这个区间内的加油站事故发生可能性比较小，不太可能发生比较严重的事故，并且相对位于第四类城市功能区中。这样的加油站在平时的生产生活中要继续保持已有的管理制度和检查制度。属于安全的加油站。

第三类风险区域：在三维模型中的风险值范围为12～32。在这个区间内的加油站事故发生可能性比较低，有时可能发生比较严重的事故，并且相对位于第四类城市功能区或者第三类城市功能区中。这样的加油站在平时的生产生活应加强对管理制度和检查制度的实施，同时第三类城市功能区中的加油站要定期对安全预案进行演习并宣传，属于安全较高的加油站。

第二类风险区域：在三维模型中的风险值范围为32～52。在这个区间内的加油站事故发生可能性比较高，可能发生比较严重的事故，并且相对位于第三类城市功能区或者第二类城市功能区中。这样的加油站在平时的生产生活中根据辨识出的风险因素改进管理制度和检查制度。同时要在加油站附近进行应急事故的宣传，使周围群众在事故发生时可以快速的离开危险区域，属于安全性比较低的加油站。

第一类风险区域：在三维模型中的风险值范围为52～64。在这个区间内的加油站事故发生可能性很高，会发生比较严重的事故，并且相对位于第一类城市功能区或者第二类城市功能区中。这样的加油站在平时的生产生活中针对辨识出的风险因素制定相应的管理制度和检查制度，并对检查出的风险因素进行整改，必要时可停业整改。同时要在加油站附近进行应急事故的宣传，使周围群众在事故发生时可以快速的离开危险区域，属于安全性最低的加油站。

6 结论

提出了基于三维分析的加油站安全评价程序和模型，全面辨识加油站风险影响因素，建立加油站事故发生可能性评估指标体系，基于蒸汽云爆炸模型确定事故发生后果严重程度，根据加油站在城市中的不同区域界定事故社会敏感度，基于三个维度的分析，最终确定加油风险等级，提高了加油站安全评价工作的科学性和准确性。并制定针对性的控制策略。

(1)从加油站人为因素和设备因素角度出发，将影响加油站风险因素分为管理制度、人的行为、加油区、油罐区、卸油区五类，基于此建立事故发生可能性评价指标体系；以蒸汽云爆炸冲击波对周围的人员和建筑造成伤害为依据，确定事故后果严重程度；根据加油站处于的地理位置、周围有无建筑、周围的人口密度等特征确定事故社会敏感度模型。

(2)运用AHP构造不同层次的判断矩阵确定各分析维度中的指标权重，通过简单数学模型确定加油站风险值，为加油站提供风险分级标准，将加油站根据风险进行分级，可针对不同的风险等级采取不同的安全监管措施。