失效频率修正对风险结果的影响分析

尚腾飞，吴达岭，齐学振

(浙江省应急管理科学研究院，浙江省安全工程与技术研究重点实验室，浙江 杭州 310012)

某化工园区内某一化工企业新建一液氯站，液氯用于生产原料用，液氯站中设计有100 m3液氯储罐3个，1 m3液氯缓冲罐1个，依据GB18218-2018辨识，该液氯站已构成二级重大危险源。

氯在《危险化学品目录(2015版)》中被列为剧毒化学品且具有强腐蚀性。液氯为黄绿色液体，沸点为-34 ℃，一旦泄漏至空气中则会气化形成氯气，氯气属于重质气体，会随气流沿地面扩散，聚集在地势低洼处不易消散，对周边防护目标造成严重威胁。

根据应急管理部组织制定的《淘汰落后危险化学品安全生产工艺技术设备目录<第一批>》的相关内容，“未设置密闭及自动吸收系统的液氯储存仓库、气化间”位列其中。结合中国氯碱工业协会《关于淘汰落后工艺技术“未设置密闭及自动吸收系统的液氯储存仓库”实施整改的指导意见》中的内容，为预防液氯储罐泄漏对周边环境的危害，企业在设计阶段考虑了液氯罐区的封闭化并同时考虑事故氯气吸收系统。在液氯罐区外设置封闭墙体，用物理隔断防止事故氯扩散，并通过联锁事故风机进行负压排气抽送至尾气处理塔吸收，处理过的尾气从塔顶放空管排空。此外对液氯装卸区域也进行了同样的封闭化设计。

由于液氯泄漏事故在企业总体风险中的较大占比，考虑运用DNV软件对处于设计阶段的液氯站进行了定量风险评估，为液氯站的设计规划客观评估并提出建议，以避免群死群伤事故的发生。

1 定量风险分析方法

定量风险分析(简称QRA)简单说就是采用定量化的概率风险值对装置发生事故的概率及其后果进行定量分析和计算，参考相关可接受风险标准对系统危险性进行风险评价并确定外部安全防护距离的方法。

荷兰政府灾害预防委员会CPR出版有黄皮书、红皮书和紫皮书。黄皮书中主要提及失效后果的物理模型，红皮书提及失效频率的计算方法，紫皮书阐述了定量风险评估的计算方法，为定量风险评估软件的开发打下基础。

2 风险标准

风险标准可以理解为判断风险是否可接受的标准。依照设定的标准比较风险级别并对其主要风险因子进行识别，这一过程即为风险分析。风险分析的目的是对不可接受风险的发生提出的改善措施，同时也为了将风险的整体等级降低到尽可能降低区(简称为ALARP)。

一般来说风险成果分为两种风险类型，即个人风险和社会风险。定量风险分析(QRA)中对界区外的风险用个人风险等高线和F-N曲线表示。

2.1 个人风险和个人风险标准

个人风险是指单位时间内(通常为一年)的个体死亡率，通常用个人风险等值线表示。表示界区外某一个体持续出现在某一特定位置所遭遇的各类安全事故的频率。基于特定位置个人风险的定义，以个人死亡风险等高线形式表示的风险结果是保守的。个人风险等高线一般是用来评估外界对设施风险的可接受度，例如居民区、商业区和化工园区等。

2.2 社会风险和F-N曲线

社会风险是对个人风险的补充，指在个人风险确定的基础上，考虑到危险源周边区域的人口密度，以免发生群死群伤事故的概率超过社会公众的可接受范围。通常用F-N曲线表示。

可容许社会风险标准采用ALARP原则作为可接受原则。ALARP原则通过两个风险分界线将风险划分为3个区域：不可容许区、尽可能降低区和可容许区。如果F-N曲线处于不可接受区域，这意味着周边人群暴露于偏高的风险，必须尽全力降低其风险。如果F-N曲线处于可接受区域，意味着周边人群暴露于可以接受的风险，因此无需采取更进一步的风险降低措施。如果F-N曲线处于尽可能降低的区域内，企业应根据自身的经济状况和现实情况来确定是否应采取特定的安全对策措施来降低风险，提高安全生产水平。

2.3 风险计算

通过给定时间内热辐射强度、冲击波超压、毒物扩散浓度的概率可计算出火灾、爆炸、有毒气体泄漏事故的死亡概率。

假设区域内一危险源，其在区域内某一空间地理坐标为(x，y)处产生的个人风险值可以在频率和后果分析基础上，经过一系列复杂的演算得出。但是在通常情况下，失效后果及个人风险计算量非常大，一般需借助专业的风险评估软件实现较为准确的计算。

3 DNV公司定量风险分析软件和安全基础数据库

挪威船级社(DNV)通过多年努力，编制了各类风险评估所需的计算机应用程序， 建立了经验数据库以及为了满足特殊需求的实验数据库[1]，其中PHAST软件主要用于事故后果的模拟计算；SAFETI软件主要用于定量风险分析；LEAK软件是用于计算不同设备或装置的泄漏事故发生概率。

挪威船级社(DNV)的SAFETI定量风险分析软件要求在充分熟悉现场情况的条件下，分析可能发生的事故，输入相关的工艺设备参数、气象参数及人口分布等，根据评价人员对事故状态的分析选用不同的模型进行计算[3]，以数字或者图标的形式显示风险结果，然后将该结果与相应的风险标准进行比较得出其风险是否可接受。

浙江省应急管理科学研究院建立的企业安全基础数据库是一个公开的、实时更新的、系统化的数据平台，包括法律法规、标准规范、气象水文条件、危险化学品理化性质、典型危险工艺分析、化工操作单元的危险性分析、常用危险化学品事故处置方案、安全事故案例、事故调查报告、定量计算模型、设备设施失效统计、地理信息系统等板块。用于更好地指导和服务安全生产。

4 泄漏场景及失效频率

4.1 失效频率

在定量风险评估计算过程中，影响计算结果的多方面因素中就包括了失效频率。事故失效频率的分析包括固定泄漏场景下设备设施泄漏频率和泄漏产生的事故后果的概率，泄漏频率主要来源于行业数据、公司历史经验和供应商提供的数据。

在实际生产运行过程中，失效频率计算需综合考虑设备设施的真实状态和企业的安全管理水平[4]。目前国内外通用的风险检验评估技术是由美国石油协会(API)在20世纪 90 年代推出的RBI技术(RISK-Based Inspection)，该项技术是通过研判对象装置和设备部件的失效机理、工艺环境和检验周期、检验有效性等情况，对装置工艺单元的基础失效频率有针对性的量化修正[5]，目前对通用失效频率最有效的频率修正方法为Barrier based methodology，该方法基于保护措施的修正方法，充分运用Bow-tie蝴蝶结模型的建立，有效分析出降低事故发生频率和减缓事故后果的安全措施，通过分级赋分，最终转换为失效频率的修正系数。DNV软件里已充分考虑各种失效频率的修正方法以保证不同场景下风险结果的可参考性。

国内的失效频率数据库至今没有特别权威的代表，本文采用的泄漏事故概率来自荷兰应用科学研究组织出版的《定量风险评价指南》中根据历史统计数据已经总结出的典型泄漏尺寸的泄漏概率结合国家标准《危险化学品生产装置和储存设施外部安全防护距离确定方法》中的泄漏概率。

4.2 独立保护层

保护层分为很多种，如工艺设计、基本过程控制系统、安全仪表系统、被动/积极的防护设施以及人员干预等，这些保护层降低了事故发生的概率。

独立保护层是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保护层的行动。其有效性根据要求时失效概率(PFD)进行确定， PFD值越小，该保护层对某一初始事件的后果频率削减的越多。

独立保护层必须满足：按照设计的功能发挥作用，必须能有效地防止后果发生；独立于初始事件和任何其他已经被认为是同一场景的独立保护层的构成元件；对于组织后果的有效性和PFD必须能够以某种方式进行验证。

考虑到企业可能为液氯站加上的相关保护层，即在某一回路失效导致液氯储罐泄漏事故发生概率的基础上考虑了安全仪表系统等保护层对失效频率的影响。相对修正事故后果，通过修正事故发生频率提高 QRA 的分析精度是更为可行的一种方法。

4.3 泄漏时间

对于易燃物料，关注点在于某一时刻的瞬时浓度是否能够到达燃烧下限浓度引起点火，美国化工过程安全中心(CCPS)推荐采用18.75 s作为可燃物浓度计算的平均时间。

对于毒性物料，在毒性一般的情况下泄漏平均时间默认选取一个固定时长600 s作为毒性关注浓度对应的平均时间(基于McMullen等的研究“The change of concentration standard deviations with distance”)；如果毒性物料所造成的毒性影响由浓度主导，关注浓度应为能够造成短时间急性中毒症状的浓度，此时可以考虑使用较短的平均时间18.75 s。

综合以上所述，我们采用的泄漏平均时间选取暴露时间和毒性时间相结合的方式，关注的最长泄漏时间不超过600 s。

4.4 泄漏速率

压力为物质泄漏提供动力，是影响物质泄漏速率的主要因素。根据机械能守恒，物质泄漏的质量泄漏速率可以用液体压力管道的伯努利方程计算，公式如下：

式中：Q——液体泄漏流量，kg/s

CD——液体泄漏系数，按圆孔(多边形孔)取Cd=0.62

A——泄漏孔的面积,m2

P——液体泄漏前的压力,Pa

P0——环境压力，Pa

ρ——液体密度，kg/m3

g——重力加速度，9.81 m/s2

h——液体高度,m

5 模拟计算

5.1 模拟计算参数

5.2 点火源选择

5.3 失效频率

表3 泄漏场景及风险频率[2]Table 3 Leakage scenario and risk frequency[2]

6 风险结果

由于该液氯站已构成二级重大危险源，风险计算考虑《危险化学品重大危险源监督管理暂行规定》(原国家安监总局[2011]第40号令)中1×10-6/年和3×10-7/年个人风险基准等风险线，对应“公众聚集类高密度场所”和“高敏感场所、重要目标、特殊高密度场所”，结果见图1～图2。

图1 未考虑保护层时的个人风险结果Fig.1 Personal risk results without considering the protective layer

图2 考虑保护层时的个人风险结果Fig.2 Personal risk results when considering the protective layer

由图1～图2对比可知，液氯站的固有风险影响范围确实很大，但是在考虑了保护层的加持并修正了失效频率后，该液氯站个人风险等值线对周边防护目标的影响范围明显变小，风险可视为降低。

7 结 论

(1)失效频率的修正应综合考虑设备运行状态、安全设施加持和企业的安全管理水平，但是由于这几个要素是不断发展变化的，因此失效频率的修正也应随时更新。

(2)失效频率的修正严格意义上是针对某一特定回路进行的修正，通过对失效频率的修正确实可以调整风险最终的结果。企业应在设计阶段通过严谨的HAZOP和LOPA分析对工艺过程的每一条回路进行分析，甄别出需要进行调整的回路并加持相应的安全措施。

(3)国内缺少全面的失效频率数据库，浙江省应急管理科学研究院建立的企业安全基础数据库虽然已经对相关的失效数据进行了统计，但是仍需要有大量的基础数据、时间和经验的累积。

(4)在考虑保护层对失效频率进行修正时应全面考虑保护层的独立性和可追溯性，并非所有的保护层都可以作为失效频率修正的依据，风险评估人员应根据企业提供资料的精确性和自身的经验对保护层的加持进行严格摘选，才能让风险分析结果对项目落地起到真正意义上的参考作用。