多米诺效应的风险分析方法.pdf

On assessment specifically directed to the flight safety FEIJing2rong1, XU Dao2qi2, ZHAO Y ong3, LIU Zhi2nong3 (1 Teaching and Research Department , Naval Flying Academy , Hu2 ludao 125001 , Liaoning , China; 2 Research Institute of Flight Safe2 ty , Naval Flying Academy , Huludao 125001 , Liaoning , China; 3 Software Center , Naval Flying Academy , Huludao 125001 , Liaon2 ing , China) Abstract : The present paper is aimed at introducing a flight safety assessment model developed by the author to guarantee the flight safe2 ty in our country. In order to satisfy the particular needs of special or new flight tasks a pilot has to accomplish , we have brought about a pertinent assessment model based on the studyof all the likelyfactors involving the flight safety. For this particular need , we have carefully investigated the relationship between the pertinent assessment model and the universal assessment model based on the well2known Analyti2 cal Hierarchy Process (AHP) in this paper , Then ,all the factors , el2 ements and quantitative and qualitative standards of the general as2 sessment models have been reexamined and redefined in accordance with the safetyflight theory in this paper alongwith the particular fac2 tors or parameters concerning the particular situations of the flight crew members ,those of the aircraft itself , the specific environment and management , some of which are likely to be the same as those in assessment or evaluation of general nature. However , all the above mentioned factors have to be redefined and rechecked in general rou2 tine safety assessments. Thus , it can be seen that the factors of the pertinent assessment model should also include management , pilots and their flight mission , natural environment , the aircraft and its maintenance routine while the quantified standard of the elements of the pertinent assessment has to be defined on the basisof the methods for anglicizing the basic events ,the flying laws as well as a sample of investigation , in addition to a sample units flight training in another place. The results of our investigative research indicates that precau2 tions should be taken if the safety degree of the pertinent assessment is expected to reachSK 90 %. Key words : safety science; the pertinent assessment model ; flight risk calculate CLC number : V328 Document code : A Article ID : 100926094(2008)0620148205 第5届亚太地区安全社区会议 第5届亚太地区安全社区会议(The 5thAsian Region Con2 ference on Safe Communities)将于2009年10月2830在北京举 行。详情请登陆会议网站http :/ /www. cosha. org. cn/ 1st - An2 nouncement.pdf 3收稿日期: 2008 - 01 - 17 作者简介:张永强,硕士研究生,从事安全工程研究;刘茂(通讯 作者 ) , 教授,博导,从事安全工程研究, lmsafety 。 基金项目:国家 “十一五” 科技支撑计划项目(200603746006) 文章编号: 100926094(2008)0620152208 多米诺效应的风险分析方法 3 张永强,相艳景,毛 星,刘 茂 (南开大学城市公共安全研究中心,天津300071) 摘 要:介绍与分析多米诺效应的相关研究,并针对多米诺效应的定 量风险分析,建立了从多米诺场景辨识到后果分析的多米诺效应定量 分析方法。通过分析初始事故带来的物理效应对邻近设备的影响,计 算了二次设备的损坏概率;分析了多米诺场景,计算了多米诺事故频 率,并根据多米诺事故的后果得到个人风险和社会风险曲线。多米诺 效应的风险是工业区一个潜在的严重风险,加强多米诺效应的研究对 工厂和工业区的安全管理与规划都有重要意义。 关键词:安全技术及工程;多米诺效应;风险;概率模型;事故场景 中图分类号: X93 文献标识码: A 0 引 言 在危险品储存区或含有危险设备的生产区,一个设备或 危险单元发生事故会影响邻近单元,从而导致事故蔓延,引发 其他事故,通常称这种现象为 “多米诺” 或 “连锁” 事故。20世 纪60年代后,全世界范围内发生了多起严重火灾、 爆炸、 有毒 物质泄漏的重大事故,造成了大量人员伤亡和财产损失。 1984年11月19日墨西哥首都墨西哥城国家石油公司液化气 管道泄露产生蒸气云爆炸,引发约15次爆炸,而爆炸产生的 强烈热辐射和大量破片使站内6个球罐和48个卧罐几乎全 部损毁,站内其他设施毁损殆尽,附近居民区受到严重影响。 事故中约490人死亡,4 000多人受伤,另有900多人失踪, 31 000人无家可归1。1997年9月14日,印度斯坦石油化工 有限公司的HPCL炼油厂发生特大火灾爆炸事故。由于一个 球罐发生泄漏、 燃烧并爆炸,引发另一个球罐爆炸,事故像多 米诺骨牌一样接连发生。事故区共有25个储罐、19座建筑物 被烧毁,60多人丧生,造成115亿美元财产损失2。对重大事 故的研究发现,多米诺效应是引起重大事故的一个重要因素。 K ourniotis等3对20世纪后40年的207起重大事故进行了研 究,发现由多米诺效应引发的事故占55107 % ,可分为4类(图 1) 。 国内如1997年6月27日北京东方化工厂储罐区发生的 特大爆炸和火灾事故。操作失误导致大量石脑油冒顶外溢, 挥发成可燃性气体后遇到明火引起火灾,火灾引发邻近乙烯 罐爆炸,共造成9人死亡、39人受伤,直接经济损失1117亿 元。2005年11月13日,吉林石化公司双苯厂发生爆炸事故。 T- 102塔堵塞导致循环不畅,处理不当后发生爆炸。爆炸破 坏了邻近设备,几个小时内至少发生4次爆炸,超过5个罐体 251 第8卷第6期 2008年12月 安 全 与 环 境 学 报 Journal of Safety and Environment Vol.8 No.6 Dec , 2008 遭到破坏,5人死亡,经济损失上亿元,同时事故造成的苯、 苯 胺、 硝基苯等爆炸污染物和污水进入松花江,造成重大环境污 染事件。 随着现代工业的发展,设备多样化、 复杂化和危险品增 加,潜在的多米诺事故危险加大,但是由于多米诺事故发生的 小概率性、 预测的不确定性和安全成本效益等问题,人们一直 不重视多米诺效应,相关研究也较少。近年来,随着多起多米 诺事故的发生和人们对安全的进一步认识,多米诺事故的研 究逐渐受到重视。在欧洲,为预防多米诺事故等重大事故,采 纳 “Seveso - ” (96/ 82/ EC)指令4作为一个基础指令。多米诺 事故的定性、 定量风险分析为认识和管理多米诺事故提供了 参考依据。将多米诺事故的定量分析法应用到现有安全评价 方法中,通过分析企业、 工厂装置发生多米诺效应的频率和后 果,确定多米诺效应的风险范围,从而更有利于工厂布局、 土 地使用和企业的安全管理,对预防多米诺效应或连锁反应的 发生有重要意义。 1 研究现状 欧洲1996年确定的赛维索法案(Seveso)已成为研究多米 诺事故的重要参照标准4,并在2003年对赛维索法案进行了 修订,强调对重大事故的风险分析与预防。为完善风险评价、 风险控制和预防措施程序,需在生产场所进行内部和外部多 米诺事故评估,但是由于评价标准不统一(如安全距离的大 小、 是否采取热隔离或应急水覆盖等措施 ) , 多米诺事故评估 在实际应用过程中仍存在难点。 澳大利亚Bagster和美国Pitblado5给出了一种估算多米 诺事故发生频率的方法,即将多米诺事故看作初始事故和二 次事故两次事故的后果,确立最初框架模型,如需要可进一步 扩展。认为外力因素破坏设备密封性或引起泄漏,而点火源 的存在可能会引发火灾、 爆炸等事故。事故源位置的确定及 距事故源一定距离位置上所受的延迟影响,都应在确定事故 强度与距离关系时考虑。 加拿大Khan和印度Abbasi2对火灾和爆炸等事故多米 诺效应机理进行了研究,指出引发多米诺效应的事故类型和 多米诺效应的典型模式,同时提出多米诺分析方法和相关概 图1 多米诺事故数量和类型 Fig. 1 Number and category of domino accidents 率模型,并在1998年开发出重大事故的多米诺效应分析软件 DOMIFFECT。 英国HSE6发表了重大事故多米诺效应风险分析方法的 发展报告。壳牌公司的SHELL SHEPHERD商业软件,已经在 其公司内部用于调查多米诺效应和扩大效应因素。意大利 Cozzani等7 , 8对热辐射、 冲击波超压和破片3种容易导致多 米诺事故发生的物理效应破坏临界标准进行了研究,确定了 目标单元在特定储存及放置状态下,初始事故破坏二次目标 单元的临界物理效应量。根据历史和试验数据建立设备的损 坏概率模型,结合脆弱性模型,建立多米诺定量分析方法。意 大利的Gubinelli和德国Hauptmanns等9 , 10对事故破片的随机 性和不确定性进行计算和分析,得到容器发生爆炸后破片所 能到达不同距离的概率曲线,同时也对抛射碎片引起的多米 诺效应进行了研究。比利时的Delvosalle等11建立DOMI2 NOX L 210软件,通过列举法对厂区或工业区所有可能的内部 和外部的多米诺事故进行风险分析和事故预测。Reniers 等12从事故预防的角度研究多米诺效应,在2007年开发的 DomPrevPlanning(DPP)工具可作为工厂和工业区安全管理和 多米诺效应防范与决策支持的工具。希腊雅典国立大学的 K ourniotis等3提出了多米诺效应分析统计学模型。 Lee和Y oung等13 , 14对一些事故场景进行了分析,并提 出运用非线性规划手段使多米诺效应的影响后果最小化。 我国基于事故多米诺效应的风险研究相对较少,始于20 世纪90年代的重大危险源控制,2000年颁布了 重大危险源 辨识 国家标准,为中国重大危险源的辨识与风险分析提供了 标准,同时也为国内事故多米诺效应的研究提供了重要参考。 2 多米诺效应的定义 多米诺事故是由多米诺效应引发的,是一种事故的连锁 和扩大效应。在对事故的多米诺效应进行研究时,首先定义 多米诺效应。表1列举了多米诺效应的一些定义。 Delvosalle的定义是最早、 也是最为广泛认可的。Cozzani 等在此基础上作出了一个相对完整的定义,同时认为只有当 结果的总体严重性高于或至少相当于初始事故后果的场景事 故才是多米诺事件。通过对已有研究的总结和对历史事故的 分析,得出事故多米诺效应的存在必须具备以下3个条 件16。 1) 存在触发多米诺事故的初始事故; 2) 初始事故产生的物理效应导致事故扩大,即初始事故 蔓延开来必须导致至少1个二次事故发生; 3) 初始事故后发生1个或多个二次(或三次等)事故,产 生了大于初始事故后果的严重事故。 3 多米诺效应的风险分析方法 通过对以往事故的分析,得到多米诺事故发生的原因主 要有2个7。 1) 低严重度初始事件(Low Severity Initiating Event ,LSIE)的 传播。这种事件的传播主要是由一些平时不太容易注意到的 较小事件引发,可以利用危险和可操作性方法(HAZOP)辨识, 351 2008年12月 张永强,等:多米诺效应的风险分析方法 Dec , 2008 此时只需确定所有低严重度初始事件的顶事件,而不必对事 故的发展进行进一步辨识。如直径很小的管道、 阀门处发生 的小型喷射火,或由于密封不严而引发的池火现象就属于这 种情况。由于初始事故破坏距离有限,通常认为LSIE引发的 二次事故发生在同一单元内部。 2) 重大事故(Major Accidental Events ,MAE)的相互作用。 较严重初始事故的作用导致二次事故发生。由于MAE破坏 距离大,经常导致邻近设备和单元发生较为严重的二次事故。 这种作用表现为设备间的相互作用,是一种典型的事故传递 模式,参与作用的设备和单元越多,事故后果越严重。 目前,研究相邻设备和生产单元的事故多米诺效应时,只 考虑MAE的事故扩大情况。研究对象为具有危险性的设备 和设施单元。多米诺效应研究的主要内容是导致事故传播的 扩大效应,而这个扩大效应是由设备发生事故产生的物理效 应引起的。在众多研究中,普遍认为热辐射、 超压、 抛射物(碎 片)是导致事故扩大的3个主要因素。Cozzani等7总结了由 3种物理效应引发的100个多米诺事故的分析结果,见表2。 本文主要在Cozzani和Khan等研究基础上,借助设备损 坏概率模型,分析多米诺效应的传播路径、 事故发生概率和后 果影响,并作出直观的个人风险和社会风险图,定量分析多米 表2 100个多米诺事故中的物理效应 Table 2 Physical effects in 100 domino accidents 初始事故事故数 引发事故扩大的物理效应 辐射超压碎片 VCE170161 机械爆炸170107 BLEVE130013 火球1100 喷射火8800 池火灾444400 闪火0000 合计100532621 诺效应带来的风险变化(图 2) 。 进行多米诺效应风险分析需要大量信息和数据:所评价 研究区域的布局、 风险源(危险设备)在布局中的位置与相对 距离、 该风险源可能导致的初始事故类型、 所有初始事件的全 面特征(期望频率和后果分析)、 所有可能扩大效应目标的位 置(邻近的危险物质的设备)。所需数据可从传统定量风险分 析(QRA)中获得,因此不需要额外收集相关数据。表3是一 个区域的信息表。为研究方便先选取危险设备,将设备编号 (从1到N ) , 收集相关设备信息,包括设备类型、 容量、 存储物 质、 事故类型、 设备失效概率等。 图2 多米诺效应定量风险评价流程 Fig.2 Quantitative risk assessment flow of domino effect 表1 现有的一些多米诺效应的相关定义 Table 1 Current domino effect definitions in some relevant documents 定义者多米诺效应的定义和说明 Lees4 一种衡量危害的因素,考虑到危险物质的泄漏能导致事件扩大,例如,1个小的泄漏的火焰损害冲击1个 大的管道和容器,这个容器中有大量危险物质 Bagster and Pitblado4邻近设备的严重事件导致厂区内政策的失败 Third Report of the Advisory Com2 mittee on Major Hazards6 引发所在工厂或邻近场所重大事故的效应(自身安全失效的同时引发邻近设备失效) 欧洲联合会4如果一个工厂由直接或间接原因引起毗邻或附近装置危险物质的泄漏而出现事故,这就是多米诺效应 美国化学工程师学会化学工艺 安全中心(AICHE- CCPS) 15 开始于一个单元,并通过热辐射、 爆炸和碎片等物理效应影响邻近单元,导致一系列严重事故发生,并造 成严重事故后果 Cozzani等7 , 16 一个由初始事件引发的,波及邻近一个或多个设备,引发二次事故(或多次事故 ) , 从而导致总体后果比只 有初始事件时更加严重 Delvosalle17一个瀑布性事件,初始事故的后果因为空间和时间上引发其他跟随事故而扩大,导致一个大的事故 451 Vol.8 No.6 安 全 与 环 境 学 报 第8卷第6期 表3 区域内信息 Table 3 Information of the area 设备 编号 类型 储存 物质 容量/ t 事故场 景或类型 设备失 效概率/ a - 1 其他 信息 1高压容器LPG150爆炸(超压)310- 7 2常压容器硝基苯25池火灾(热辐射)110- 7 311 事故多米诺效应的辨识 将失效概率较高的设备所发生的事故作为初始事故,多 米诺效应的辨识包括初始事故后果的分析(事故扩大的物理 效应 ) , 二次目标设备的选择,同时也是对多米诺场景的预想。 对初始事故产生的物理效应,可以直接利用QRA方法分析。 影响二次目标设备损坏、 发生事故的因素众多,如初始事故的 类型、 存储物质、 设备间距离、 安全防护措施等。为有效简化 风险分析流程,假设二次设备损坏后会发生相应的二次事故, 在计算目标设备的损坏概率时,可选用相对简化的计算方 法7 , 16 , 18 , 19。 312 设备损坏与多米诺效应频率分析 根据3种物理效应分析造成二次设备损坏概率的主要对 象(表2) ,根据这3种效应的破坏形式建立设备损坏概率计 算公式,进而根据多米诺场景计算多米诺事故的频率。 31211 设备的损坏概率分析 根据初始事故的后果,研究3种物理效应对设备造成损 害的概率。 3121111 超 压 国外在分析超压对设备的损坏时,一般采用3种方 法20 ,21。 1) 易损临界值模型。当初始事故对二次事故目标的影响 高于给定损坏临界值时,事故扩展概率为1 ,否则为0; 2) 事故的扩展函数基于经验物理模型; 3) 事故的扩展函数基于适合不同类型设备的概率模型。 第一种方法过于简单,第二种方法缺乏适应性,第三种方 法较为合理可靠,但在实施时需要较多额外工作来支撑,增加 了人力、 物力和研究时间。因此当前研究的主要工作是对事 故损失评价模型和事故扩展模型进一步简化。通常采用基于 经验数据上的概率函数法计算设备损坏概率16 , 22。 P = 1 2 Y-5 -e - x2/2dx (1) 式中 P为发生的损坏概率; Y为概率单位变量; x为积分 变量。其中Y=k1+k2 ln( ps ) , 由于容器类型不同,概率单位 Y的表达式也不同。通常将容器或设备分为4种类型,则Y 为 常压容器 Y= - 18.96 + 2.44lnps(2) 高压容器 Y= - 42.44 + 4.33lnps(3) 延伸设备 Y= - 28.07 + 3.16lnps(4) 辅助性部分 Y= - 17.79 + 2.18lnps(5) 式中 ps为设备受到的静态超压的峰值,Pa。 3121112 热辐射 邻近设备吸收初始事故释放出的热量后,会引起温度升 高、 压力变化以及材质的许用应力等物理特性的变化。当设 备压力超过许用压力时,可能会发生爆炸或破裂。Khan等2 对热辐射造成设备损坏的概率进行了系统研究。 1) 容器压力及器壁应力。 a) 容器压力。 热负荷引起容器内介质温度升高,从而引发压力升高。 当压力超过容器的爆炸压力后就会触发事故,引起二次事故。 DT=(0140IAr)/ (Mcp)(6) 式中 DT为温度变化量,K;M为存储的化学品质量,kg;cp 为物质的定压比热容,Jkg- 1K- 1;Ar为容器面积,m2;I为 热辐射剂量,Jm- 2。 容器内介质不同,吸收热后的压力也不同。 气体介质 P2= ( T 1P1 ) / T 2 (7) 液态介质 P2= ( n RT2 ) / V vap+P1 (8) Vvap=fvapV(9) fvap= 1 - exp( -cp ( T 2-T1 ) / H v) (10) 式中 P2为吸热后压力,Pa;P1为初始压力,Pa;T1为初始 温度,K;T2为吸热后温度,K;Vvap为液态物质的闪蒸体积, m3;V为容器体积,m3;fvap为闪蒸系数;Hv为常压沸点的汽 化热,Jkg- 1。 b) 容器的许用压力。 容器的许用压力与容器形状有关,容器壁的许用应力也 随材质和温度的变化而变化2 , 8 , 20 , 23。容器形状不同,许用 压力的计算也不同,常见容器的许用压力的计算如下。 圆柱形容器 Prelief= (2Eymax(Sc-C) )/( D i + ( S- C) ) (11) 式中 Prelief为容器的许用压力,Pa;Eymax为材料在某温度下 的许用应力,Pa;Di为圆筒内径,mm;Sc为容器壁厚,mm; 为焊缝系数。其中 Eymax=P2 ( 1 -)+ 2 K( 1 +) / ( K2- 1)(12) 式中 为泊松比系数; K为内径与外径比; P2为吸热后压 力,Pa。 球形容器和半球形端盖容器 Prelief= (4Eymax(Sc- C) ) / ( Di + ( S- C) )(13) 式中 Di为球形容器和半球形端盖内径,mm。 椭球形 Prelief= (2Eymax(Sc-C) )/ (KDi+ 015 ( S -C) (14) 式中 Di为 端 盖 内 径, mm;K为 应 力 增 强 系 数,K= (2 + ( D i/ 2hi)/ 6 ,其中hi为端盖内壁面高度,mm。 2) 压力过大导致设备损坏的概率。 热辐射会导致设备内介质温度升高、 压力变化,当设备内 压力超过许用压力后,设备损坏,其概率公式为 P = ( P2-Prelief )/ Prelief(15) 以上分析计算相对复杂,而安全评价和风险分析常需要 快速有效的概率计算模型。Cozzani等7 ,16提出了热辐射导致 设备损坏的概率模型。 常压容器 551 2008年12月 张永强,等:多米诺效应的风险分析方法 Dec , 2008 Y= 12.54 - 1.847lnt lnt= - 1.128lnI- 2.66710- 5V+ 9.877(16) 高压容器 Y= 12.54 - 1.847lnt lnt= - 01947lnI+ 8.835V01032(17) 式中 Y为初始场景扩大效应的概率单位;t为无故障时间, s;I为对目标物的辐射强度,kWm- 2;V为设备容积,m3。 将Y带入式 (1) , 可得到热辐射对设备的损坏概率。 3121113 碎 片 爆炸产生的巨大能量使容器破裂,同时造成爆炸碎片飞 离,对邻近设备、 人员都可能造成伤害,其危害程度主要取决 于碎片的数目、 形状、 质量、 速度和抛射轨道等2 , 21。由于爆 炸碎片的复杂性,国内外对碎片危害的研究非常有限,仅能对 一些较为理想的压力容器进行简化计算,同时对爆炸碎片数 目的统计分析也不完善。爆炸产生的碎片对设备的影响通过 下面3个参数衡量。 1) 穿透厚度。 压力容器爆炸时,碎片的穿透力与击中时的动能成正比, 即 S=K E A (18) 式中 S为碎片对材料(钢板等塑性材料)的穿透量,mm;A 为破片穿透方向的截面积,mm2;E为碎片击中物体时所具有 的动能,J ;K为材料的穿透系数,见表42 , 9。 动能E为 E= 1 2 mv2 f (19) 由于碎片抛出的角度不同,需考虑vf的方向。碎片水平 抛出时 vf=(g x/ v0) 2 +v20(20) 式中 v0为碎片的初始速度,ms- 1;x为设备间的水平距 离,m;g为重力加速度,ms- 2。 碎片与地面角度为时 vf=(g x/ v0sin+v0cos) 2 + ( v0sin)2(21) 碎片穿透引起的设备损坏概率为 P穿透 = ( S-Sc )/ Sc(22) 式中 Sc为容器壁厚,mm;P穿透为损坏概率。 2) 冲击能。 碎片带来的总冲击能约有40 %50 %用来提高被击中设 备的温度,因此需要考虑冲击能对设备的影响。 1/4mfv2 f=McpDT (23) 式中 mf为碎片的质量,kg;vf为击中设备时的速度,ms- 1; M为 设 备 内 化 学 品 的 质 量, kg;cp为 定 压 比 热 容, Jkg- 1K- 1;DT为温度变化量,K。 表4 材料的穿透系数 Table 4 Piercing coefficient of the materials 材料穿透系数 钢板1 木材40 钢筋混凝土10 对于气体介质 P2= ( T 1P1 ) / T 2 (24) 对于液态介质 P2= ( n RT2 ) / V vap+P1 (25) 其中 Vvap=fvapV(26) fvap= 1 - exp( -cp ( T 2-T1 ) / H v) (27) 式中 P2为吸能量后压力,Pa;P1为初始压力,Pa;T1为初 始温度,K;T2为吸热后温度(T2=T1+DT ) ,K; Vvap为液态物 质的闪蒸体积,m3;V为容器体积,m3;fvap为闪蒸系数;Hv为 常压沸点的汽化热,Jkg- 1。 碎片击中设备后,引发设备温度上升而造成压力升高,损 坏的概率为 P冲击= ( P 2-Prelief )/ Prelief(28) 3) 碰撞概率。 碰撞概率为 P碰撞=V/ Vr(29) 式中 V为受碰撞设备的体积,m3;Vr为两设备间距离,包括 容器直径之和,m。 初始事故中的爆炸碎片以穿透强度、 冲击能、 碰撞3种方 式损坏邻近设备,因此,碎片造成邻近设备损坏的概率为 P=P冲击P碰撞P穿透(30) P= min1 ,1 - (1 -P冲击 ) (1 - P穿透 ) (1 - P碰撞) (31) 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,现有的多米诺风险分析多数没有考虑碎片的影响。 31212 多米诺场景概率的计算 设研究区域有n+ 1个设备,选择其中1个设备(事故发 生频率为f初始)作为初始事件,该设备通过热辐射、 超压和碎 片影响目标设备,从而进一步触发二次事故。对于n个可能 的目标,以最可能发生(或者危害最大)的事故作为二次事件, 在此仅考虑1个设备发生1种类型的事故。选定初始事件 后,计算场景数目,有k ( k n) 个设备发生二次事件的多米 诺场景的数目为 Ckn= n ! ( n -k) ! k ! (32) 因此,可能存在的多米诺场景数目为 S总=C1n+C2n+Cn n= 2 n - 1(33) 很少的可能目标会产生很大的二次场景数,n= 10时, S总= 210- 1 = 1 023 ,因此计算时,要进行一定简化并选取设备 损坏概率较大的设备作为二次事故的发生设备,以减少研究 的场景数目,从而简化多米诺场景概率的计算。 多米诺事故场景的频率由下式计算16。 f (k , m) d =f初始P( k , m) d (34) P (k , m) d = n i=11 - Pi+C( i , Jkm) (2Pi- 1 ) (35) 式中 f (k , m) d 为含k个发生二次事件的设备同时发生第m种 多米诺场景的期望频率;f初始为初始事件的发生频率,通常 由历史统计资料或事件树分析得到;p( k , m) d 为含k个设备同 时发生事故的第m种多米诺场景的概率;Pi为目标设备i发 生事故的概率,即设备损坏概率; Jkm=设备1,设备k表 示包含k个设备同时发生事故的第m种多米诺场景,其中m 651 Vol.8 No.6 安 全 与 环 境 学 报 第8卷第6期 指的是第m个组合场景(1mS总 ) , k 指第k个设备 ( k n) ,当设备i属于J k m这个场景组合时, C( i , J k m)取1 ,否则取 0。 313 后果评价 事故会导致人员伤亡、 经济损失和环境破坏等。对于多 米诺效应的研究,从人员伤亡来分析和量化事故后果,并通过 计算多米诺事故造成的人员伤亡情况,进而得到多米诺事故 后个人和社会风险的变化。作为后果评价的一种常用方法, 概率单位模型广泛用于评价人对有毒物质、 热辐射和超压的 剂量-反应关系,可通过正态概率分布函数的累积表达推出, 有关人体伤害后果的相关模型见表515 , 16 , 21。 V = 1 2 Y-5 - e -u2/ 2d u(36) 式中 V为人体脆弱性,通常表示为伤害或死亡概率, 0V1。 其中, Y、u为 u= D-u (37) Y=a+blnD(38) 式中 D是独立变量或 “剂量”;和分别为正态分布的中 间值和方差; Y为概率单位变量; a、b为概率系数。 对多米诺效应的后果进行分析就是对初始事件和二次事 件的总体后果进行定量分析,计算死亡概率。根据表5的脆 弱性概率模型对事故进行分析,计算每个事故造成的死亡概 率,并将初始事故场景和二次事故场景产生的脆弱性相加。 人体脆弱性V (k , m) d ,总 是多米诺事件中初始事件和二次事件所引 发死亡概率的总和。事故在时间上有延迟,其后果的影响区 域也会有重叠,而近似计算在定量风险的分析过程中是可以 接受的7 , 16。 V (k , m) d ,总 = min (V 初+ n i =1 C( i , Jkm ) V d ,i ) , 1(39) 式中 V (k, m) d ,总 为包含k个设备发生事故的第m种场景的总体 死亡概率;当事件i或者设备i属于场景Jkm时, C( i , Jkm)取 1,否则取0; Vd ,i表示事件i造成的死亡概率。 个人风险指区域内不同潜在事故发生后对区域内某一固 定位置的人员可能造成的个体死亡概率24。个人风险与地 理位置有关,在区域定量风险评价中,表现为区域地理图上不 同水平的风险等值线。等值线给出了位置的风险信息,而不 考虑该处是否有人。个人风险不针对人,而针对有相同风险 值的位置。通常选定某个水平的风险值(如110 - 6 ) , 分析 该风险值的位置,进而得到风险等值线。多米诺效应的个人 风险值为 IR=f (k , m) d V (k , m) d ,总 (40) 式中 f (k , m) d 为多米诺效应发生频率;V (k , m) d ,总 为对应的多米诺 效应产生的死亡概率。 社会风险反映导致多人伤亡或造成长期伤害的事故发生 的可能性。社会风险的一种表示方法是F-N曲线,其中F 表示事件发生的频率, N表示该事件引发的死亡数。F-N 曲线能够反映引起大于N人死亡的所有事故的累积频率。 计算死亡人数时,假设研究区域内的人口均匀分布,而且凡处 于影响范围内的人员皆有致命危险25。 4 案例分析应用 某化工企业在生产中需要使用硝基苯和液化丙烷,区域 内有硝基苯生产设备A1、A2 ,邻近有液化丙烷储罐P1、P2 ,区 域内人口密度为110 - 3人/ m2 ,相关信息见表6。 将A1爆炸作为初始事件,事故的爆炸超压 (TNT 当量法) 造成邻近设备发生二次事故进而引发多米诺效应。对多米诺 效应的分析见表7。 选取两种多米诺场景进行研究,多米诺事故场景D1:设 备A1发生爆炸后引发A2发生爆炸; D2: A1发生爆炸,同时 造成A2、P1发生事故。初始事故A1爆炸的50 %死亡概率半 径为80 m,死亡人数为20 ,根据表6和7计算出发生二次事 故后的影响范围和距离,同时根据式(34)(36)和(40)计算 多米诺场景的频率和死亡概率以及多米诺场景下的致死半径 和死亡人数,从而可得到个人风险和社会风险。多米诺场景 下的事故后果见表8、9和图3。 表5 人体脆弱性模型 Table 5 Model for human vulnerability 脆弱性 影响因素 概率单位公式剂量 热辐射Y= - 37.23 +2.56lnDD=I1.33te 超压Y=5.13 +1.37lnDD=ps 氯气泄漏Y= - 1011 +1.11lnDD=C1.65te 氨泄漏Y= - 9.82 +0171lnDD=C2te 碎片(穿 透皮肤) Y= - 29.15 +2.10lnDD=mv5.115(m4.5 kg) 注:Y为致死概率单位值;I为辐射强度,Wm- 2;Ps为静态超 压的峰值,Pa ;C为毒物浓度,10 - 6; te为暴露时间,s;m为碎片质 量,kg;v为碎片撞击人体时的速度,ms- 1。 表6 设备信息情况 Table 6 Information of the facilities 设备 编号 类型储存物质