1、油储系统火灾事故应急过程本质安全的分类风险源识别方法研究 袁长峰 陶彬 王万雷 王浩 崔慧 大连海事大学交通运输管理学院 中国石油化工股份有限公司青岛安全工程研究院安全工程研究室 大连民族大学机电信息工程学院 摘 要： 以事故应急过程安全为研究切入点, 从本质安全设计角度, 将油储系统火灾事故应急过程中潜在的风险源分为事故风险源和设计对策风险源, 并通过案例分析以及实际的调研和专家咨询, 给出了油库区火灾事故应急过程的主要风险源因素;针对事故风险源, 提出了基于故障树和根原因分析法的事故风险源识别方法;针对设计对策风险源, 提出了基于德尔菲分析法的设计对策风险源识别方法, 通过建立人、机、环境
2、和过程方面的应急过程安全性评价指标来辨识可能的设计对策风险源;并以 2010 年“7.16”大连新港输油管道爆炸事故为案例, 验证了所提方法的可行性。关键词： 油储系统; 火灾事故; 应急过程; 本质安全; 风险源识别; 作者简介：袁长峰, 女, 1975 年生, 博士研究生, 副教授, 主要从事储运安全、应急管理、工业工程与管理方面的研究。收稿日期：2017-01-21基金：国家自然科学基金 (51404052, 71571025) The Classification Risk Source Identification Method on Essential Safety of the
3、Emergency Process for Oil Reservoir System Fire AccidentYUAN Changfeng TAO Bin WANG Wanlei WANG Hao CUI Hui Transportation Management College, Dalian Maritime University; Abstract： Taking accident emergency process safety as the breakthrough point, from the perspective of intrinsically safe design,
4、the potential risk sources in the fire accident emergency process of petroleum storage and transportation are divided into accident risk source and design measure risk source. And through the case analysis and practical investigation and expert consultation, the main risk sources in the emergency pr
5、ocess of the fire accident for the oil reservoir are given. For the accident risk source, the identification method of the accident risk source based on fault tree and root cause analysis is proposed. For design measure risk source, risk source recognition method based on Delphi analysis is put forw
6、ard. The possible design measure risk source can be identified by establishing the safety evaluation index of emergency process based on man, machine, environment and process. Finally, oil pipeline explosion accident of Dalians Xinggang harbor on July 16, 2010 is taken as a case to verify the feasib
7、ility of the proposed method.Keyword： oil reservoir system; fire accident; emergency process; essential safety; risk source identification; Received： 2017-01-210 引言由应急管理的理论可知, 预防事故发生和降低事故危害的最佳手段是事前的主动预防。本质安全设计从系统原理、结构、控制等层面建立事前的阻止准备, 变事故被动应急到事先积极预防, 是目前油气储运安全设计的主要理论, 而本质安全设计的关键是对风险源的识别。但目前本质安全设计中, 缺
8、乏考虑应急过程的风险源, 使得应急过程安全没有很好地体现本质安全设计理念。目前, 国内外研究学者提出的风险源识别方法达几十种, 不同分析方法针对事故单一要素或系统整体评价各有侧重点, 但从查阅的文献来看, 现有风险源识别方法主要针对初始事故发生阶段可能的风险源进行分析, 缺少对事故应急过程中又可能引发二次事故的风险源进行研究。因此, 本文以应急过程为切入点, 研究应急过程风险源的识别方法。通过分析总结大量事故案例, 从本质安全设计角度, 将应急过程风险源分为事故风险源和设计对策风险源。对事故风险源, 根据事故因果连锁理论, 结合故障树分析法和根原因分析法的优势, 提出了基于故障树和根原因分析法
9、的事故风险源识别方法;对设计对策风险源, 通过建立人、机、环境及过程的安全性评价指标, 提出了基于德尔菲分析法的设计对策风险源识别方法。通过采用不同的风险源识别方法, 可有效地识别出事故应急过程可能的风险源。1 油储系统火灾事故应急过程风险源分类通过统计国内外近 40 年来 100 例 (包括国内 62 例, 国外 38 例) 油库区典型火灾事故发现1-2, 其中 88%的事故是初次事故发生后在应急处置过程中又引发了二次和次生事故, 尤其是一些重大和特大事故。从这些事故中发现, 事故应急过程中潜在的风险源有来自储运设备本身的风险、有来自消防防护装置的风险、有来自人的应急处置行为不当的风险、有来
10、自环境因素的风险。除此之外, 应急过程中还存在一些在事前本质安全设计时可能已经考虑到的事故发生后的设计对策。因此, 本文从本质安全设计角度, 将油储系统火灾事故应急过程的潜在风险源分为 2 大类, 一类是可能导致事故扩展和演化过程中的潜在风险源, 称为事故风险源;一类是事故风险源的设计对策在应急过程中又可能存在的风险源, 称为设计对策风险源。通过对近 40 年来国内外公开报道的油库区典型火灾事故的统计分析1-2, 并结合实际调研和专家咨询, 总结了油库区火灾事故应急过程的主要风险源为:(1) 事故风险源, 包括人的因素, 物的因素和环境因素。 (1) 人的因素, 包括违章操作、未及时处理、误判
11、断。 (2) 物的因素, 包括固有危险物质和固有设备、消防防护设备。固有危险物质和固有设备包括储罐损坏 (罐体破坏或变形, 罐顶坍塌或炸碎的高温残片飞溅) ;阀门损坏 (阀门烧坏或失效, 阀门关闭开关烧断或失效) ;输油管道破损泄露 (输油管道烧裂, 连接管道断裂) ;法兰损坏 (罐体与输油管线连接处法兰失效、泄漏, 输油管道连接处法兰失效、泄漏) ;燃烧的油品问题 (罐内燃烧的油品沸溢喷溅, 油品流淌) ;高温油品复燃、复爆;爆炸火灾产生的冲击波和热辐射;浮盘问题 (油罐内浮盘损坏, 沉没) ;罐区供电供水系统损坏。消防防护设备包括未设置消防设施 (油罐未安装固定灭火系统, 未设置消防通道)
12、 ;消防设施失效 (储罐阻火器失效, 油罐泡沫灭火系统失效, 消防控制中心设备失效, 消防车、消防炮被火焰或高辐射损坏) ;消防水系统故障 (消防水源不足, 消防水喷淋系统故障) ;防火堤设置不合理 (防火堤或密封门密闭性不好, 防火堤内有易燃堆放物) ;排水阀问题 (防火堤排水阀损坏, 明渠防油品外流控制阀损坏, 排水沟未设置阀门) 。 (3) 环境因素包括通风不良、风力大、风速强、天气恶劣和防火间距小不满足要求。(2) 设计对策风险源, 包括备用阀门损坏 (备用阀门烧坏或失效, 备用阀门手动关断开关烧断或无法关闭) ;溢流管道布局不合理;紧急切断装置存在缺陷或被损坏;自动排水封油阀烧坏或失
13、效。2 基于故障树和根原因分析法的事故风险源识别方法应急过程中二次事故的发生是一系列具有因果关系的基本事件的链接, 按照事故的发展过程, 从事故的最终后果出发自上而下逐层剖析可最终获得应急过程中可能潜在的事故风险源。目前对风险源的识别方法有十几种, 如:安全检查表法 (SCA) 3-4、危险性预分析 (PHA) 5、故障树分析 (FTA) 6、事件树分析 (ETA) 7-8、危险和可操作性分析方法 (HAZOP) 9、故障类型和影响分析法 (FMEA) 10、火灾、爆炸指数法 (F (2) 对机器的安全性评价指标包括可操作性、运行的可靠性、消防性、预警性、耐高温性和与储罐及其安全附件的联动性;
14、 (3) 对环境的安全性评价指标包括污染性、噪声、腐蚀性和对周边环境的破坏性; (4) 对过程的安全性评价指标包括可救援性和可控性。4 应用案例4.1 基于故障树和根原因分析法的事故风险源识别以油库区火灾事故为研究对象, 建立油库区火灾事故应急过程中可能导致二次事故的故障树, 并以 2010 年“7.16”大连新港输油管道爆炸事故为例, 对所提的方法进行分析验证。(1) 故障树的建立通过对近 40 年来公开报道的 100 例油库区典型火灾事故的统计, 以及上述对事故风险源类别的分析, 建立的油库区火灾事故应急过程中可能导致二次事故故障树的基本事件表如表 1 所示, 故障树如图 1 所示。利用布
15、尔运算法则对图 1的故障树进行简化, 最终可得出:P= i= 1fi+f7f8f9f10+f11f12+f39f40, (i 为自然数, 1i40, 且 i7, 8, 9, 10, 11, 12, 39, 40) 。表 1 油库区火灾事故应急过程中可能导致二次事故的故障树基本事件表 下载原表 因此, 该故障树最小割集结果为:一阶最小割集 32 个, 分别为:f i (1i40, 且 i7, 8, 9, 10, 11, 12, 39, 40) ;二阶割集 2 个, 分别为:f 11f12, f39f40;四阶最小割集 1 个, 即f 7f8f9f10。由此可知, 该故障树的最小割集数目较多, 说
16、明引发顶事件发生的风险因素较多, 每一个最小割集都可能是事故发生的一种途径。在实际事故中通常是这些多个最小割集的同时出现或交互作用。图 1 油库区火灾事故应急过程中可能导致二次事故的故障树 下载原图(2) 实际事故案例的事故风险源的确定2010 年“7.16”大连新港输油管道爆炸事故的起因是由于操作不当, 导致脱硫氧化剂在输油管道内聚集产生爆炸起火14, 罐体阀门炸坏, 无法关断, 又造成原油泄漏, 大量原油流入火区, 形成大面积的地面流淌火, 随着火情的加剧, 又导致更多管道及罐体的破坏, 造成储罐爆炸起火, 引发二次事故。根据事故发展的过程, 对照以上建立的故障树得出的最小割集, 找出该事
17、故应急过程中的事故风险源为:阀门烧断, 油品流淌, 输油管道烧裂, 罐体破坏。(3) 关键因素 (起因) 辨析根据事故的发展过程构建“7.16”事故的事故链, 如图 2。通过分析确定出关键起因分别为事件 1, 3, 4 和 5, 其中事件 1 是初次事故发生的关键起因, 事件 3, 4, 5 是事中应急过程的关键起因。(4) 直接原因、间接原因和根本原因的确定图 2“7.16”大连新港输油管道爆炸事故关键起因辨析 下载原图根据以上辨析出的关键起因, 运用根原因法的分析思路, 主要从行为、状态两个方面找出导致事中应急过程各关键起因的直接原因、间接原因和根本原因, 如图 3 所示。图 3 事中应急
18、过程各关键起因的直接原因、间接原因和根本原因 下载原图4.2 基于德尔菲分析法的设计对策风险源识别仍对“7.16”大连新港输油管道爆炸事故案例分析, 针对 4.1 节识别出的事故风险源, 从原理、结构、控制设计多角度考虑给出事故风险源的事前可能设计对策, 这些设计对策在应急过程中又可能存在着风险因素, 根据第 3 节中给出的应急过程中的安全性评价指标对这些可能的设计对策进行分析评价, 如图 4所示。识别出的设计对策风险源为:阀门关断时操作者烧伤。图 4 事故风险源向事前设计对策的转化以及设计对策风险源的识别 下载原图5 结论(1) 从本质安全设计角度, 将油储系统火灾事故应急过程潜在的风险源分
19、为事故风险源和设计对策风险源, 并通过案例分析以及实际的调研和专家咨询, 给出了油库区火灾事故的主要风险源因素。(2) 针对事故风险源, 提出了基于故障树和根原因分析法的事故风险源识别方法。按照事故风险源的分类, 建立故障树可以找出可能导致二次事故发生的最小割集。据此, 结合实际事故案例, 按照事故发展过程可以识别出应急过程的事故风险源;在此基础上, 通过建立事故链, 辨析事故链上的关键因素, 并运用根原因分析法找出各关键因素的直接原因、间接原因、根本原因, 为事前本质安全设计时应急过程风险源的充分考虑和主动防范提供依据。(3) 针对设计对策风险源, 提出了基于德尔菲分析法的设计对策风险源识别
20、方法。通过建立人、机、环境和过程 4 方面的应急过程安全性评价指标体系, 从各指标出发辨识可能的设计对策风险源。(4) 通过对应急过程中事故风险源和设计对策风险源的识别, 可揭示出应急过程中的事故扩展、演化和二次事故产生的内在机理和原因, 为工业事故被动应急过程中的风险源在事前的主动防控提供了一种新的思路和方法。参考文献1张清林.国内外石油储罐典型火灾案例剖析M.天津:天津大学出版社, 2013:12. 2王玉晓.石油与化工火灾扑救及应急救援M.北京:中国人民公安大学出版社, 2016:3. 3周靖轩.石油储罐区消防系统有效性评价方法J.消防科学与技术, 2014, 33 (7) :836-8
21、38. 4王庆慧, 刘鹏, 王丹枫.安全检查表对作业条件危险性分析方法修正的研究J.中国安全生产科学技术, 2013, 9 (8) :125-129. 5王伟林.安全评价方法综述J.煤, 2014, 23 (2) :56-57. 6郭永晋, 孙丽萍.基于矩阵的故障树分析方法J.哈尔滨工程大学学报, 2016, 37 (7) :896-900. 7盖程程, 翁文国, 袁宏永.洪水诱发储罐失效的定量风险评估方法J.清华大学学报 (自然科学版) , 2012, 52 (11) :1597-1600. 8YOU Xiaomin, TONON Fulvio.Event-tree analysis wit
22、h imprecise probabilitiesJ.Risk analysis, 2012, 32 (2) :330-344. 9中国石油化工股份有限公司青岛安全工程研究院.HAZOP 分析指南M.北京:中国石化出版社, 2008:4. 10刘文, 陈苗娜, 吉旭.化工系统设备运行可靠性的综合评价模型研究J.中国安全科学学报, 2015, 25 (1) :139-144. 11GURJAR B R, SHARMA R K, GHUGE S P, et al.Individual and societal risk assessment for a petroleum oil storage terminalJ.Journal of hazardous, toxic, and radioactive waste, 2015, 19 (4) :1-11. 12苑静.石油储罐火灾爆炸危害控制的研究应用D.天津:天津理工大学, 2009. 13王立春.基于风险理论的关键保护评估D.北京:华北电力大学, 2010. 14国务院安委会办公室关于中国石油天然气集团公司在大连所属企业“716”输油管道爆炸火灾等 4 起事故调查处理结果的通报EB/OL. (2011-11-25) 2017-01-21.http:/
