石化装置定量风险分析风险场景泄漏频率的确定

张 阳，李 勇，辛保泉，许 晶

(中石化安全工程研究院有限公司化学品安全控制国家重点实验室，山东青岛 266104)

0 前言

定量风险分析(简称QRA)是量化评估风险的一种重要技术手段，目前已广泛应用于运输、建筑、能源、化工、航空、军事等诸多领域，甚至在项目计划和财务管理等方面也时有采用，在区域安全规划、安全评价及安全设施设计等方面尤为普遍。

当前国际上认可度较高且应用广泛的化工装置泄漏频率数据源有：OGP.Risk Assessment Data Directory[1]、英国健康安全管理局、挪威船级社DNV、国际油气生产商联合会(International Association of Oil & Gas Producers，IOGP) 、荷兰公共健康和环境国家研究院(National Institute of Public Health and Environment，RIVM) 外部安全中心的Bevi 风险评估参考手册[2-3]。AQ3046—2013《化工企业定量风险评价导则》，针对数据资料收集及分析、危险辨识、失效概率分析、事故后果分析、风险计算、风险评价等方面做了规范，为各组织和单位开展化工项目定量风险评价工作提供了参考[4-5]。此外，GB/T 37243—2019[6]资料性附录C 列举的泄漏频率已经被用于国内化工装置定量风险分析。

随着定量风险分析在国内石化行业日益广泛的应用，确定石化装置风险场景和泄漏频率显得更加重要。本文通过对国外过程模块泄漏单元(过程模块泄漏单元特指按泄漏单元划分准则，将生产装置或储运系统划分成一个或多个泄漏单元)内的设备、法兰、仪表接管、管线等的泄漏频率进行研究，采用OGP泄漏频率数据源，给出不同泄漏孔径的泄漏频率，对确定国内石化装置发生泄漏后的概率统计可起到一定的借鉴作用。

1 风险场景确定方法及原则

定量风险分析首先需对装置进行单元划分，确定风险场景，进而确定泄漏频率[7]。频率的分析主要包括设备设施基础泄漏频率的分析、基础泄漏频率的必要修正(运行时间)、泄漏后事故场景的频率分析、火源点火可能性的分析等[8]。风险场景应根据企业生产装置、设施、生产活动的种类、危险源的急性危害性、总图布置、失控反应、设备机械完整性、企业周边环境、社会条件、自然条件以及多米诺影响等情况，确定合理的风险场景[9]。

2 过程模块泄漏单元风险场景频率的确定方法

风险计算时一般应考虑涉及危险化学品的生产单元、生产活动和设备设施。风险场景确定时，除了基本的风险场景之外，还应考虑特殊条件下导致的工艺事故，如反应失控、溢流、错误反应等。

2.1 过程模块泄漏单元划分原则

过程模块泄漏单元为生产装置的一部分，包括一个或多个连通的工艺设备和管道，单元运行压力和温度近似相等或在同一数量级。单元的危险物料泄漏不会引发来自上下游单元大量的物料泄漏。

当对装置进行定量风险分析时，应根据工艺流程图、工艺管道仪表流程图和系统隔离设施的设置情况和操作工况将工艺装置和储运系统划分为不同的过程模块泄漏单元。同一过程模块泄漏单元中的危险物料宜相同，单元中的工艺操作压力相差不应超过1个数量级；泄漏单元划分图应作为定量风险分析报告的内容之一。

泄漏单元划分的大小没有对错之分，泄漏单元划分过大，单元的物质的量过大，会增加事故后果的影响；泄漏单元划分过小，单元的物质的量过小，会减小事故后果的影响。因此泄漏单元划分应根据以上单元划分原则进行划分，使评估结果更贴近实际。

2.2 过程模块泄漏单元风险场景确定

过程模块泄漏单元风险场景应考虑各类设备本体(含设备上的开孔和检测开口)的孔泄漏、泄漏单元法兰与等量的阀门泄漏、仪表接管泄漏、灾难性破裂事件等，不能只考虑主设备的泄漏事件。具体的风险场景见表1[10]。

表1 过程模块泄漏单元风险场景 mm

过程模块泄漏单元应设置虚拟泄漏源，虚拟泄漏源的数量应为单元主要设备的数量，并根据总图布置。当泄漏点的位置对泄漏事件影响范围或风险大小分布不产生影响时，可假设一个泄漏源，泄漏点布置在过程模块泄漏单元的中心位置。

本文对过程模块泄漏单元、工艺管道、法兰或仪表接管、灾难性破裂事件的泄漏频率研究参考OGP.Risk Assessment Data Directory[1]。

2.3 OGP过程模块泄漏单元设备泄漏频率确定

过程模块泄漏单元设备包括工艺管道、工艺容器、离心泵、容积泵、离心式压缩机、往复式压缩机、管壳式换热器、板式换热器、空冷器、过滤器、长管道等。设备泄漏频率计算公式见式(1)～式(2)[2]：

F(d)=C(1+aDn)dm+Frup

(1)

F(d1-d2)=F(d1)-F(d2)

(2)

式中：F(d)——设备发生不小于d孔径泄漏的频率，次/a；

F(d1-d2)——设备发生孔径范围为d1到d2孔径泄漏的频率，次/a；

D——设备直径，对于容器、泵、压缩机等设备，其直径为连接管道的最大直径，mm；

d，d1，d2——泄漏孔直径，d1≤d2，mm；

Frup——设备发生灾难性破裂的频率，次/a；

C，a，n，m——与设备和泄漏场景相关的常数。

单个虚拟泄漏源发生设备孔径泄漏累计频率见式(3)[1]：

(3)

式中：Fd——虚拟泄漏源发生泄漏孔径为d的泄漏频率，次/a；

fd——某设备发生泄漏孔径为d的泄漏频率，次/a；

fpipe-d——过程泄漏模块中工艺管道发生泄漏孔径为d的泄漏频率，次/a；

N——过程泄漏模块虚拟泄漏源的数量。

2.4 OGP过程模块泄漏单元工艺管道泄漏频率确定

工艺管道泄漏频率应采用实际的工艺管道规格及长度计算不同孔径的泄漏累计发生频率，也可采用平均管道直径及平均管道长度，计算公式见式(4)～(5)[1]：

(4)

fpipe-i=fim×Lavg×N

(5)

式中：Davg——过程泄漏模块工艺管道的平均直径，mm；

Li——第i条工艺管道的长度，m；

Di——第i条工艺管道的直径，m；

N——工艺设备的个数；

fim——工艺管道发生泄漏孔径为i的频率，次/(a·m)；

Lavg——工艺设备连接的平均工艺管道长度，m，应取实际的平均值；

fpipe-i——过程泄漏模块中第i条工艺管道泄漏频率，次/a。

工艺管道泄漏频率见表2，包括工艺装置内的管道，但不包括装置间管道或装置到罐区/罐区与装卸设施之间的管道。

表2 工艺管道泄漏频率[1] 次/a

2.5 OGP过程模块泄漏单元法兰或仪表接管泄漏频率确定

虚拟点源发生法兰或仪表接管泄漏的累计频率见公式(6)[1]：

(6)

式中：fleak——虚拟点源发生法兰或仪表接管泄漏的累计频率，次/a；

Navg——发生泄漏的法兰或仪表接管的数量;

f——单个法兰或仪表接管发生泄漏的频率，次/a。

法兰泄漏孔径10～50 mm，泄漏频率4.0×10-6次/a，不同类型法兰泄漏频率修正因子见表3，法兰泄漏频率=法兰基础泄漏频率×修正因子。

表3 不同类型法兰的泄漏频率修正[1]

仪表接管泄漏孔径10～50 mm，泄漏频率2.5×10-5次/a，范围包括仪表本身以及最多2 个仪表阀门、4 个法兰、1 个附件和相关的小口径管道，通常直径为25 mm或更小。

2.6 OGP过程模块泄漏单元灾难性破裂事件泄漏频率确定

过程模块泄漏单元在下列情况下应考虑灾难性破裂事件：①存在热失控反应或爆炸性分解失控反应的可能；②存在外部撞击事件引发灾难性破裂的可能，包括但不限于：处于飞机飞行线路范围内、工厂附近有叶片风力发电机、车辆交通线附近、地址坍陷等；③存在发生超过抗震设防标准的地震破坏事件或存在发生超出抗洪设防标准的洪水事件时，其发生频率应根据当地地震和洪水的实际情况进行确定；④容器过度充装或超压而安全阀失效引发的灾难性破裂失效；⑤机械完整性失效引发的灾难性失效；⑥其他可能引发的灾难性事件。

过程模块泄漏单元发生灾难性破裂事件的通用发生频率取值见表4。

表4 单元发生灾难性破裂事件的通用发生频率

2.7 运行时间的影响

当石油化工过程为间歇生产过程时，应考虑间歇运行模式、操作次数、操作时间等因素对泄漏频率的影响，可采用式(7)进行修正。

(7)

式中：Fleak——设备修正的实际泄漏频率，次/a；

fgeneral——设备基本泄漏频率；

t1——设备每年运行的平均时间，h。

时间修正因子应代表一个真实的风险降低因子，该风险降低应在整个生命周期内均有效。对于运行阶段，时间修正因子应反应装置的实际运行时间。

将过程模块泄漏单元内的所有设备、工艺管道、法兰或仪表接管泄漏频率相加，得到过程模块泄漏单元总的泄漏频率，通过对运行时间进行修正，得到过程模块泄漏单元最终的泄漏频率，用于定量风险分析计算，如果考虑风险场景全面，泄漏频率计算准确，定量风险分析结果将更加贴近实际。

3 应用实例

以某气田天然气净化厂第一联合装置泄漏单元泄漏频率分析为例，根据文章介绍的泄漏频率统计原则，得到不同单元、不同泄漏场景下的泄漏频率。

3.1 单元划分

根据过程模块泄漏单元划分原则，将第一联合装置划分为天然气进料过滤分离器单元、第一级主吸收塔气相单元等30个单元。

3.2 泄漏单元泄漏频率分析

以天然气进料过滤分离器单元为例参考OGP Risk Assessment Data Directory[1]，分别计算5，25，100 mm，最大接管直径，仪表接管泄漏频率，结果见表5。

表5 泄漏单元泄漏频率计算 次/a

3.3 装置各泄漏单元总泄漏频率

将装置各泄漏单元的设备、管道、法兰等泄漏频率相加，得出各个单元总的泄漏频率，具体结果见表6。

表6 各单元泄漏频率信息汇总 次/a

4 结论

a) 当前国际上认可的各泄漏频率数据源[1-3]的差异明显，在开展定量风险分析或泄漏频率修正时，差异较大。本文通过对国外过程模块泄漏单元内的设备、法兰、仪表接管、管线等的泄漏频率现状开展研究，采用OGP 泄漏频率数据源，给出了常用的泄漏频率统计表及计算方法，对确定石化装置的泄漏频率起到一定的借鉴作用。

b) 根据文中给出的OGP 泄漏频率数据源，应用在某天然气净化厂第一联合装置，计算得到不同单元、不同泄漏场景下的泄漏频率，使计算结果更贴近实际情况，进而使定量风险分析结果更加准确。

c) OGP发布的泄漏频率数据源覆盖的化工装置设备设施类型丰富、计算模型先进且数据来源可靠，在开展泄漏频率修正或化工装置定量风险分析时，可优先使用OGP 泄漏频率数据源[2]。为了使定量风险评估结果更准确贴近实际情况，建议过程模块泄漏频率选用文中的单元划分原则及泄漏频率计算方法开展定量风险评估。