基于QRA的多米诺效应在化工园区的应用

韦洪龙，吴昊

（1.青岛康安保化工安全咨询有限公司，266000；2.青岛科技大学化工学院，266042：山东 青岛）

随着国民经济的快速发展，土地利用率提高，化工企业开始进入化学工业园区进行统一管理。园区内危化企业多，危险化学品种类多、数量大，且各企业重大危险源存在距离较近的情况，一旦某企业发生火灾爆炸事故，特别容易引发多米诺效应，造成周边企业甚至整个园区发生灾难性的事故。特别是江苏响水“3·21”事故等特别重大化工安全生产事故的频发，给化工园区的整体安全敲响了警钟[1]。

安委办〔2012〕37 号提出，园区内的企业要有整体安全意识，防范系统风险，避免发生“多米诺”效应，进而波及到周围的企业[2]。当一个企业在生产过程中出现了异常状况或者存在很大安全风险的时候，应该及时向园区的安全生产管理部门或管理委员会汇报，并通知周边企业，采取相应的预防措施。

应急〔2019〕78 号中要求，化工园区安全生产管理机构应该至少每5 年对整个化工园区进行1次安全风险评估，根据评估结果提出相应的措施，以消除、减少和控制安全风险[3]。在对园区进行整体安全风险评估时，应与国家相关的法律法规、标准规范的要求相结合，同时也应对园区进行多米诺效应的分析，在此基础上提出相应的安全风险预防对策，以减少地区的安全风险，规避多米诺效应。

综上所述，对化工园区多米诺效应的分析十分必要。通过分析不仅可以知道化工园区的整体性安全风险，还可通过对周边企业的影响，提前做好应急预案和防范措施，防止事故的扩大[4-5]。

QRA（Quantitative Risk Analysis，定量风险评估）是一种重要的安全风险评估技术，它能够准确地识别出易燃易爆、有毒物质泄漏所带来的火灾、爆炸以及中毒等严重的安全隐患，并且已经被广泛地应用于各种行业，获得了普遍的认可[6]。

1 QRA分析方法

QRA 通过定量风险评估，为企业进行抗爆设计、安全间距的选取、火灾爆炸影响范围确定、风险管理和应急预案的制定等提供决策和依据。

QRA的程序如图1所示。

图1 QRA程序Fig 1 Procedure of QRA

2 多米诺效应

多米诺效应（Domino Effect），重大危险源因其所蕴含的巨大能量，往往会产生极大的危害，同时，一个企业或工业园区往往由多个危险源构成，其中1个危险源的爆炸将会引发其他危险源的爆炸，进而引发更大的灾害，这就是“多米诺”效应。

2.1 多米诺效应机理

从有关的研究数据和过去的工业事故来看，重大危险源的多米诺效应主要是由火灾、爆炸冲击波以及爆炸产生的碎片碰撞引起的。有研究表明，毒气泄漏也会引起多米诺效应，这种多米诺事故是工人中毒后影响工厂的紧急响应，或者是由于操作失误而间接导致的[7-8]。事故的多米诺效应机理见图2。

图2 事故的多米诺效应机理Fig 2 The domino effect mechanism of the accident

各种初级事故引发多米诺效应的破坏方式及预期二级事故的场景列表见表1。

表1 各种初级场景的“破坏方式”和预期二级场景Tab 1"Modes of destruction"and expected secondary scenarios for various primary scenarios

2.2 破坏阈值

要评估多米诺效应的影响，必须先确定被测装置在何种条件下发生损坏。为了便于分析，通常采用与失效影响有关的物理参量的门限来判断是否发生多米诺事故。表2所示为火灾、爆炸冲击波和毒性诱发多米诺效应的伤害阈值[9]。

表2 各类初级事故场景下的多米诺效应阈值Tab 2 Domino effect thresholds for each type of primary accident scenario

2.3 场景风险分析

开展多米诺效应的风险分析，涉及到的信息很多，包括评估区域的布局，风险源（危害装备）的位置与相对距离，可能引发的初始事故的类型，各种初始事故的综合特性（预期发生概率和后果分析），以及可能扩大影响范围的地点（临近的装备）等。所需要的数据可以通过传统的QRA方法来获得。

多米诺效应定量风险评价流程如图3所示。

图3 多米诺效应定量风险评价流程Fig 3 Domino effect quantitative risk evaluation process

在评价流程中，初始事故的场景选择至关重要，这些场景包含火灾（池火灾、喷射火）、爆炸冲击波、爆炸碎片、毒性气体泄漏等[10-11]。

2.3.1 火 灾

火灾是一种易燃物在空气中发生强烈的氧化反应，并释放出巨大的热量。火灾引起多米诺事故的途径主要有2种：第1种是目标设备被火源包裹或与火源接触，第2种是目标设备由于火灾的热辐射导致失效而引发多米诺效应。

以往的研究大多在考虑工艺装置时只考虑强度而忽略了暴露时间。如果工艺设备受到稳定的热辐射强度，受到热辐射的材料温度将升高，直到达到稳定的温度。为了确定允许的热辐射强度，通常采用一些标准。这些标准是从避免在较高温度下材料结构特性发生不可接受的影响中得出的。

在热辐射超过37.5 kW/m2时，持续时间超过10 min的池火和喷射火可能会造成结构损坏、裸露的压力设备（容积大于1 m3，概率高于50%）和常压设备（概率高于85%）的失效。

1）池火灾。池火灾是指易燃液体泄露，在形成池水后，遇着火源被点燃，而引发的一种火灾。池火灾引起的多米诺事故有2 种情形：1 种是目标设备完全或部分暴露在火焰内；另1种是火焰并没有与目标装置直接接触，而是以热辐射的形式作用于装置。其中，第1种情况在池火灾引发多米诺事故中占有较大比重。

2）喷射火。含有可燃性气体或闪蒸液体的压力容器或管路一旦泄露被引燃，就会引起喷射火。喷射火为湍流火焰，具有较大的射流动能，能够沿泄漏方向形成较远的射流火焰。因为其频繁出现且伤害半径大，喷射火也极易引起多米诺事故。与池火灾相似，喷射火也可能因其直接受热或受热辐射而导致火势上升。相关研究显示，即使是在有水喷淋、有隔热层的条件下，喷出的火焰与容器壁面相接触，产生的“热点”，也会引起沸腾的BLEVE，或者发生容器的物理爆炸。

2.3.2 爆炸冲击波

在大多数情况下，强烈的冲击波都会给周边的建筑、设备等带来巨大的破坏，同时也会造成大量的生命损失。因此，一旦发生爆炸，其产生的冲击波极有可能波及到附近的其他危险源，从而引发多米诺事故。爆炸冲击波引发的多米诺效应，除了与冲击波的强度相关外，还受到冲击波反射、阻力效应、与目标装置的相对距离、目标装置的力学性质等多种因素的影响，因此是一种极为复杂的情况。

对于冲击波引发多米诺效应在工业中最常见的初级事故场景包括凝聚相爆炸、VCE、物理爆炸和BLEVE 等。基于最严重后果的考虑，在计算时往往选取发生VCE的初始后果。

在爆炸超压值超过70 kPa 时，VCE 可能引起受影响的压力的、细长的和小型的设备（概率高于80%）及常压设备（概率高于95%）的灾难性破裂。

2.3.3 爆炸碎片

当装置发生物理爆炸或者BLEVE 时，产生的冲击波，会对装置造成破坏，导致产生大量的装置碎片飞出。这些碎片不仅速度快，而且因其性质的原因，其飞行距离也非常远，穿透力很强，极易波及到远处的建筑物和装置，引发“多米诺”事故。

爆炸碎片对设备的影响复杂，研究也相对困难，计算复杂且准确性差。产生碎片的场景仅考虑储存温度低于沸点的物料，如低温液化烃、液氨等，这些物料储罐经过火灾火焰一段时间的烘烤，设备因许用应力下降而发生剧烈爆炸，该爆炸可形成很大的火球，并且爆炸容器残骸飞离很远，一旦撞击到设备，则会造成多米诺效应。

2.3.4 毒气泄漏

毒气泄漏也会引发多米诺效应，这种多米诺事故主要是人员中毒之后，会影响到应急或者出现错误操作而间接造成的。毒性的多米诺效应区按照99%致死率作为计算阈值。

3 基于QRA的多米诺效应应用

以某市某一化工园区为例，基于QRA 最严重后果分析方法，用QRA 定量风险评估软件完成相关计算。

通过对园区内30 多家企业涉及易燃易爆、有毒的化学品发生VCE 爆炸、池火、喷射火、毒气泄漏、碎片等初始事故场景进行计算，得到其初始事故的影响范围，最终确定其中16 家企业发生初始事故可能引发多米诺效应。各化工企业多米诺效应相互影响范围如图4。

图4 多米诺效应影响范围Fig 4 Scope of the domino effect

化工园区各化工企业爆炸超压（70 kPa）和热辐射（37.5 kW/m2）、BLEVE爆炸碎片、毒性气体和液体多米诺效应影响范围分别见表3～表5。

表3 爆炸超压和热辐射引发多米诺效应Tab 3 Explosive overpressure and thermal radiation trigger domino effect

表4 BLEVE爆炸碎片引发的多米诺效应Tab 4 BLEVE explosive fragments trigger domino effect

表5 毒性气体、液体引发多米诺效应Tab 5 Toxic gases/liquids trigger domino effect

4 结 论

研究得到园区的多米诺效应结论为：

1） 可燃物料泄漏扩散发生蒸汽云爆炸（VCE）的爆炸超压影响周边企业较小，引发其他企业内的二次多米诺事故可能性较小。

2）可燃物料泄漏后发生喷射火，如无建筑外墙等防护措施，会引发临近企业设备的引发次生多米诺效应。

3）化工园区主要毒性物料有液氨、液氯、硫化氢、溴素、乙胺和氟化氢等毒性物料，扩散距离相对较远，产生的灾害范围比较广，容易引发次生多米诺效应。涉及到这些毒性物料的企业平时应加强毒性物料的泄漏检测、设备维护等管理措施，并与周边企业进行有毒物料泄漏应急演练等。

4）液氨、液化气等物料BLEVE 爆炸产生的碎片抛射距离较远，在碎片散射范围内，有可能会引发次生多米诺事故，危害极大。相关企业应该加强这类危险源的管理，形成专项应急预案。

企业应针对多米诺效应区制定相应的应急响应计划，规划合适的逃生路线，以规避可能发生多米诺效应的区域；针对可能引发多米诺效应的初始事故的设备进行重点维护管理，以降低多米诺效应带来的风险。