多米诺事故风险评价技术在事故预防中的应用

多米诺事故风险评价技术在事故预防中的应用

赵之月 1 刘立平 2

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摘要：化工园区是石油和化学工业发展的必然趋势，然而集中的园区管理模式在带来产业规模效应的同时，也带来了较高的风险水平。多米诺效应问题的涌现即是由危险化学品储存与工艺装置规模的扩大，以及土地使用成本的提高而导致的，很多历史事故案例已经证明了多米诺效应发生的可能性及其非常严重的事故后果。

关键词：多米诺效应；风险评价；安全；化工园区

化工园区是石油和化学工业发展的必然趋势，然而集中的园区管理模式在带来产业规模效应的同时，也带来了较高的风险水平。多米诺效应问题的涌现即是由危险化学品储存与工艺装置规模的扩大，以及土地使用成本的提高而导致的，很多历史事故案例已经证明了多米诺效应发生的可能性及其非常严重的事故后果。

1多米诺效应定义与原理

众多多米诺效应的概念研究中，RENIERS和COZZANI的定义更具广泛适用性，其核心是事故扩展传播与后果影响扩大，包含3个基本要素：①初始事故场景及其物理影响，如火灾热辐射、爆炸冲击波、爆炸碎片等；②潜在的二次或一阶扩展事故场景，源于初始事故的扩展传播，危险化学品发生泄漏，使后果影响扩大；③后果影响扩大的目标设备或单元。

另外，火灾热辐射、爆炸冲击波、爆炸碎片是三类主要的物理影响因素，即致损因子。火灾热辐射可导致目标设备的壳壁或结构材料发生高温强度下降，使压力储存的液化烃或工业气体的容器内压升高，同时火焰还有点火引燃的危险。爆炸冲击波可使目标设备发生屈服、倒塌、破裂、分解、整体位移、连接管线断裂、安全装置功能失效等，其传播路径还可产生二次碎片危险。爆炸碎片可穿透容器、切断支撑或管线，高温碎片也有点火或加热的危险，碎片来源包括容器爆炸破裂产生的小碎片、爆炸分解的零部件等。一般而言，有毒物质泄漏不会直接导致进一步危化品泄漏扩散、火灾、爆炸等场景，但可使现场操作人员中毒，丧失正常工作能力，间接导致多米诺效应。关于连续或批处理工艺装置的基本控制系统与安全功能系统的连锁效应导致的事故，一般不属于多米诺效应的研究范畴。

3定量风险评价方法

CCPS化工过程定量风险评价指出，处理多米诺效应有两种逻辑：①针对源设备或单元，失效频率与事故场景概率不变，多米诺效应使事故后果影响扩大，技术方法是扩展事件树的输出；②针对目标设备或单元，多米诺效应使失效频率增加，事故后果影响不变，技术方法是将多米诺效应处理为事故树的一类外部事件输入。但无论哪种逻辑，均需首先计算火灾热辐射、爆炸冲击波、爆炸碎片的致损概率，或根据安全距离确定哪些目标设备或单元需纳入多米诺效应的考虑范围。另外，由于多米诺效应的扩展场景与扩展模式比较复杂，多米诺场景概率结构有各种不同的计算方法，即多米诺风险依多米诺场景概率结构不同而有所差异。

3.1多米诺场景概率结构

场景概率结构表达多米诺效应定义及其风险计算方法，多场景、高阶扩展、扩展协同效应、应急措施干预、动态过程是其技术难点。如表1所示，

即使在概率风险评价的框架内，且明确增加失效频率与扩大事故后果影响的逻辑，多数多米诺场景概率结构依然自成体系。导致混乱的原因除相关技术难点外，另一个重要原因是多米诺风险评价对象不明确或多米诺场景不统一。一般化工过程定量风险评价选择最坏事故场景，但是多米诺效应由于扩展场景与扩展模式比较复杂，各种组合情况非常多。因此，首先需要确定一种原则或方法以统一多米诺场景的选择问题。

3.2火灾热辐射致损概率

火灾热辐射致损概率主要包括两种计算方法：但是对于指定的化工园区或企业及其应急预案，应急耗时的概率分布是不一样的，即需要调整Probit模型系数。此外，保守拟合关系式的应用也有限制范围，而且事故延时本质上也是随机的，因此，如何分析与表达事故延时的随机性也需要另作研究。

3.3爆炸冲击波致损概率

Probit模型是爆炸冲击波致损概率的主要计算方法，其核心是根据目标设备破坏失效的严重程度定义致损概率，概率单位与冲击波峰值超压相关，主要反映的是目标设备抵抗冲击波攻击的能力，方法的精确性与统计样本数量以及统计样本之间的一致性有关。方法建立在远场假设基础上，忽略了冲击波与目标设备之间复杂的交互过程，不适用于近场范围的破坏失效。3.4爆炸碎片致损概率

爆炸碎片致损概率的计算方法相对比较复杂，按研究方法可以分为两类：①基于碎片抛射轨迹方程的蒙特卡洛模拟；②比例方法。按研究对象可以分为三类：①碎片产生概率或碎片初始参数的概率分布，主要包括碎片数量、大小、形状、初始速度、抛射角等；②碎片击中概率；③碎片穿透概率。

3.5概率风险表征

多米诺场景概率结构与火灾热辐射、爆炸冲击波、爆炸碎片的致损概率最终都要集成于概率风险的框架内，以概率风险的原理进行结果表征。对于化工过程定量风险评价而言，个人风险与社会风险是常用的风险指标与风险结果描述方法，个人风险是事故场景发生概率与事故场景物理影响下个体伤亡概率的数学乘积，社会风险计算依赖于个人风险结果与人员密度分布情况。从事故统计角度绘制了多米诺效应的社会风险曲线，可以作为风险评价结果的准则曲线。然而，对于更多的多米诺效应定量风险评价方法而言，多米诺场景概率即直接表示多米诺效应风险。

4事故预防与控制技术

目标设备或单元在致损因子影响下的破坏失效主要与设备之间的安全距离、初始事故场景致损因子强度以及目标设备的防护措施有关，而关于降低源设备失效频率或初始事故场景物理影响的安全措施，如结构完整性管理、火源控制、保护层分析（LOPA）等，由于其在一般的过程安全管理中均有考虑，所以不列入详细讨论范围，但是初始事故的预防与安全措施也会显著降低多米诺风险，而且更为重要。安全距离与安全容量是互补的、可以实现本质安全的多米诺事故防控技术，两者均与致损因子的阈值有关。阈值主要根据目标设备或单元类型及其破坏失效模式与严重程度进行确定，安全距离根据阈值与源设备事故场景特征确定，安全容量设置主要是限制事故场景物理响应范围。安全距离主要在工厂的布局设计阶段实现，而安全容量可以实现动态管理，并且两者均是布局优化与风险动态管理的基本参数。

5研究展望

（1）由于多米诺效应概念还有许多争议，包括范围界定、场景定义等，使相关政策、法规、标准的制定以及定量风险评价方法的构建存在很多不一致或不相容的解释与结果，所以迫切需要在多米诺效应概念范围以及场景选择方面达成一种共识，以更好地促进工业实践。

（2）火灾热辐射、爆炸冲击波、爆炸碎片致损概率的计算方法与结果构成多米诺效应定量风险评价框架的基石，当前选择的比例方法或Probit函数，是由于缺乏过程设备易损性基础数据，为简化定量风险评价过程复杂性与运算量而进行的折中，因此，需要探索研究新的、高可靠度、高精确度的致损概率计算方法，即设备易损性分析方法，并且在过程设备设计的交付文档中提供易损性数据及其详细说明。

（3）在过程设备设计阶段进行的致损概率计算或易损性分析，可以提高多米诺效应定量风险评价的有效性，使布局优化、安全屏障布置、安全与应急管理决策支持更可靠，也可为过程设备的本质安全设计及评估提供理论与方法支持，以更好地从本质安全的角度预防与控制多米诺效应。

（4）可以探索研究新的过程设备设计方法，或开发新的保护层材料或结构，以综合考虑火灾热辐射、爆炸冲击波、爆炸碎片的致损作用。

参考文献

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[2]郑峰,张明广,左亚雯.基于动态贝叶斯网络的化工装置区多米诺事故情景构建[J].南京工业大学学报(自然科学版),2019,41(05):554-560.

[3]李鹏程. 珠海某石化罐区火灾事故多米诺效应风险评估[D].华南理工大学,2019.