采输技术
DOI ：10.3969/j.issn.1001-2206.2023.02.005
基于保护层效应的油气站场罐区多米诺事故概率计算方法
白媛媛1，靳
勇2，闻
伟3，丁进善3，王学林3，梁昌晶3
1.中国石油华北油田公司第四采油厂，河北廊坊065000
2.华北油田华港燃气集团有限公司，河北任丘062552
3.中国石油华北油田公司第二采油厂，河北霸州065700摘
要：为准确计算油气站场罐区在多米诺效应下的事故概率，有效降低事故发生时的多米诺效应风险。基于
保护层独立性和有效性的原则修正了事故扩展概率，定义了3种逻辑门结构用于事故树模型量化多米诺事故概率，并通过实例分析验证了计算方法的科学性。结果表明，考虑保护层时的多米诺事故概率与未考虑保护层时相比，降低了一个数量级，说明启用保护层对于改变事故传播机制具有重要作用，其中消防冷却水喷淋系统的保护效果最好；当有保护层时，个人风险对应的最大临界半径均有所减小，且有多米诺事故时的个人风险几乎与无多米诺事故时一致，说明采取保护层可降低个人风险。研究结果可为站场罐区开展多米诺效应定量评估提供实际参考。
关键词：保护层；独立性；有效性；多米诺；事故扩展概率
Calculation method of domino accident probability in tank farm of oil and gas station based on protective layer effect
BAI Yuanyuan 1,JIN Yong 2,WEN Wei 3,DING Jinshan 3,WANG Xuelin 3,LIANG Changjing 31.No.4Oil Production Plant of Huabei Oilfield Company,Langfang 065000,China 2.Huagang Gas Group Co.,Ltd.of Huabei Oilfield,Renqiu 062552,China
3.No.2Oil Production Plant of Huabei Oilfield Company,Bazhou 065700,China
Abstract：To accurately calculate the accident probability in the tank farm of the oil and gas station under the domino effect and effectively reduce the risk of the domino effect when the accident occurs,the accident spread probability is modified based on the principle of independence and effectiveness of the protective layer,three kinds of logic gate structures are defined to quantify the probability of domino accidents in the accident tree model,and case analysis is carried out to verify the validity of the calculation method.The results show that the domino accident probability considering the protective layer is reduced by one order of magnitude compared with that without considering the protective layer,indicating that the protective layer plays an important role in changing the accident pro
pagation mechanism,and the protective effect of the fire cooling water spray system is the best.When there is a protective layer,the maximum critical radius corresponding to the individual risk decreases and the individual risk in the case of a domino accident is almost the same as that in the case of no domino accident,indicating that the protective layer can reduce the individual risk.The research results can provide a practical reference for the quantitative assessment of the domino effect in the tank farm of the station.Keywords：protective layer;independence;effectiveness;domino;accident spread probability
近年来，有关油气站场安全事故屡有发生，如1989年黄岛油库爆炸、2005年英国邦斯菲尔德油库爆炸、2009年美国加勒比石油公司油库火灾爆炸、2015年福建漳州港口储罐区“4.6”火灾爆炸事故等[1-2]。这些事故的共同特点是油品储量大、罐区布置密集，储罐之间的事故影响效应客观存在，因此容易引发多米诺事故。多米诺事故是指当评价区域内的一个单元发生事故时，在一定条
件下触发临界单元引发二次或高阶事故，最终出
现比初始事件后果更严重的事故[3]。对于罐区多米诺事故的研究，众多学者从多级多米诺效应评价、扩散向量概率计算和定量计算方法等方面进行了大量研究[4-9]，但根据管理方要求和设计规范的相关规定，储罐区会设置一定的安全防护系统（保护层），用于降低事故发生概率和事故后果严重程
度。目前，在分析多米诺事故时，通常未考虑保护
采输技术层效应对事故概率的影响，这对事故传播方式和罐区保护层设置的影响较大。基于此，参照保护层分析（LOPA ）中关于独立保护层的定义，引入有效性和独立性的方法评价保护层在阻止多米诺事故扩展方面的量化作用，实现事故频率的准确计算，以期为站场选址和防灾减灾提供实际参考。
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基于保护层效应的多米诺事故概率计算方法
保护层分析（LOPA ）是一种半定量的分析评
价方法，在油气站场安全仪表系统的SIL 定级领域中被广泛应用。在传统多米诺事故概率计算方法中，当考虑保护层安全屏障的作用时，其具体计算流程如下：
1）确定研究区域和研究对象的事故场景，计算油品泄漏量。
2）计算初始事件发生时，剩余n -1个储罐处的扩展向量强度（n 为评价区域储罐数量）。3）对比扩展向量强度和扩展阈值，基于Pro⁃
bit 概率函数法[10-11]
计算事故扩展概率P d ，其计算
公式如下：
P d =1
2π
∫-∞
P -5e -u /2d u
（1）
式中：u 为积分变量；P r 为概率单位变量，取值
见表1。
注：ttf 为储罐失效时间，min ；I 为储罐接收到的热辐射强度，
kW/m 2；△p 为储罐最大静态超压，Pa ；V 为储罐体积，m 3。
4）计算未考虑保护层时的多米诺事故概率
f d1，其计算公式如下：
f d1=f p ×P d1
（2）
式中：f p 为初始事件发生概率；P d1为未考虑保护层时的多米诺事故扩展概率。
5）根据扩展向量形式和有效时间的不同，识
别不同场景下保护层对多米诺事故扩展概率的影响程度。
6）采用解析法（事件树）计算考虑保护层时
的多米诺事故概率f d2，其计算公式如下：
f d2=f p ×P d2
（3）
式中：P d2为考虑保护层时的多米诺事故扩展概率。7）事故后果分析。事故可导致人员伤亡、经
济损失和环境污染等，在此仅考虑人员伤亡。根
据人员伤亡模型绘制个人风险等值线，见表2。当区域内出现超过容忍值的等值线时，考虑增加保护层使个人风险降至容忍值以下。个人伤亡概率P f 采用公式（1）计算。
e 个人风险计算公式如下：
IR i =f i ×P f ，i
（4）
式中：IR i 为第i 个事故场景的个人风险值；f i 为第i 个事故发生的概率；P f ，i 为第i 个事故场景的个体伤亡概率。
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保护层对事故扩展概率的影响
2.1
独立性和有效性
根据GB/T 32857—2016《保护层分析（LOPA ）
应用指南》中的规定，将储罐区的安全防护分为本质安全设计、主动安全防护、被动安全防护、人员干预和报警等[12-13]。其中本质安全设计是从根本上消除工艺系统带来的危害，如防火间距设置、
选用耐压耐火的储罐用钢等，涉及平面布局、材料、工艺、现场视觉化设计等方面，但这部分在罐区投产建成时已确定，无法对事故扩展概率造成实质性影响，因此不在本文的研究范围内。根据保护层独立性和有效性的属性特点，独立性（可用性）为该保护层不受初始事件和其他保护层影响的失效概率，将其定义为保护层成功启用的概率，即要求时失效概率PFD ；有效性即为按照设计功能发挥对应作用，有效阻止事故风险的概率，定义为保护层启用后阻止事故扩展的概率η。若希望凭借保护层降低事故风险，需先满足独立性，再满足有效性。根据AQ/T 3054—2015和GB/T 32857—2016的要求，定义保护层对应的有效性和独立性的参考值，如表3所示。
采输技术
目前，储罐外壁多采用非活性防火材料二氧化硅气凝胶毯，其在400℃的范围内导热系数较低，在1000℃以下使用时性能参数不会有太大变化。按照厚度涂层分为厚涂型、薄涂型和超薄型三种，其特性见表4。我国针对防火材料的研究起步较晚，主要以厚涂型为主，根据其耐火极限时间，保守估计取下限，故ttf c 取15min 。
2.2逻辑门运算
在给定初始事件发生概率的基础上，利用事件树构造基于保护层的多米诺事故概率计算方法，事件树中的逻辑门操作定义见表5。
3
案例分析
3.1
基本情况
某油气站场中建有原油储罐区，储罐区内有2
个1×104m 3的固定顶储罐，每个储罐高度为16m ，直径28m ，充装系数0.85。原油闪点30~35℃，密度895kg/m 3，根据GB 50183—2004《石油天然气
工程设计防火规范》关于火灾危险性的分类，原油属于乙A 类可燃液体，计算得到储罐区危险化学品的量为2×104×0.85×895/1000=15215t ，根据GB 18218—2018《危险化学品重大危险源辨识》，该罐区的现有存储量超过临界存储量（5000t ），
属于重大危险源。罐区平面布置见图1。模拟泄漏气象场景见表6。
表3
保护层对应的有效性和独立性参考值
注：tfm 为火灾得到控制的时间，一般取10min ；I WDS 为消防冷却水喷淋系统成功启动后，目标储罐的热辐射强度，kW/m ；a 为强度减缓
系数，用于量化喷淋系统的性能强弱，一般取0.7；ttf p 为考虑防火涂料时，储罐的失效时间，min ；ttf c 为考虑防火涂料时，储罐增加的失效时间，min 。
表5
逻辑门运算定义
白媛媛等：基于保护层效应的油气站场罐区多米诺事故概率计算方法
采输技术图1罐区平面布局17m
28m
T1T2
表6
模拟气象场景资料3.2初始事件发生概率
据统计数据，因池火灾热辐射引发的多米诺事故占多米诺事故总数的44%，因此扩展向量主要考虑热辐射。假设初始事件的事故场景为：储罐T1发生泄漏后释放可燃液体，并被点燃，在罐区防火堤内引发全液面池火灾，定义储罐泄漏概率
为1×10-4，采用事件树确定不同事故类型的发生
概率，见图2。最终确定池火灾发生概率为f p =1×
10-6+5.94×10-6=6.94×10-6（早期池火+晚期池火）。
立即点火池火灾（早期池火），概率1×10-6
延迟点火空间约束事故类型蒸汽云爆炸，概率3.96×10-6
是，概率0.4
闪火+晚期池火，概率5.94×10-6
否，概率0.6
毒性扩散，概率8.91×10-5
否，概率0.9
是，概率0.1
否，概率0.99是，概率0.01
泄漏1×10-4
图2
原油泄漏事故树分析
3.3未考虑保护层时的多米诺事故概率
当油罐发生全表面池火灾时，其火焰结构分
为可见火焰区和烟气覆盖区，根据不同区域热辐射能量的差异，计算火焰温度、火焰高度、火焰倾角、表面发射力及视角系数等参数，最后采用Mudan 模型在表6的条件下计算目标储罐的热辐射强度。储罐T2受到的热辐强度为26.15kW/m 2，超过扩展阈值（15kW/m 2），因此储罐T1发生池
火灾时，其释放的热辐射会引发储罐T2发生多米诺效应。根据式（1）和式（2）进行计算的结果见表7
。
表7
未考虑保护层时的多米诺事故概率
3.4考虑保护层时的多米诺事故概率
当采取保护层时，目标储罐接收到的热辐射强
度和失效时间均有所改变，导致事故扩展概率有所改变，最终影响多米诺事故概率。以表3中的消防冷却水喷淋系统、防火涂料、关键报警和人员干预等三个保护层同时作用为例进行分析。通过识别，前两个保护层符合逻辑门a ，后一个保护层符合逻辑门c ，建立保护层下的事件树模型，见图3。其中，事件树的上支代表失败，表示阻止多米诺扩展失败；下支代表成功，表示阻止多米诺扩展成功。不同事故场景对应的多米诺事故概率见表8，最终将未减轻多米诺事故的概率和减轻多米诺事故的概率合并，得到
多米诺事故概率为2.47×10-8次/a ，无多米诺事故概率为6.69×10-7次/a ，与未考虑保护层时的多米诺事故概率（3.91×10-6次/a ）相比，降低了两个数量级，说明启用保护层对于改变多米诺效
应的传播机制具有重要作用。
依次类推，分别计算单独保护层作用下的多米诺事故概率，见图4。其中，单独考虑泡沫灭火系统和安全阀、爆破片时的多米诺事故概率较高，这与固定式泡沫系统主要用于扑灭流淌火、喷射火等后期火灾，而安全阀、爆破片则属于超压泄放装置有关，当罐区内发生池火灾时，一般超压较热辐射会有一定的延时效应，因此两者对于多米诺事故概率的减缓效果一般。消防冷却水喷淋系统的防护效果大于关键报警和人员干预，考虑ESD 系统和防火涂料保护下的多米诺事故概率相似。综上所述，在条件允许的情况下，应优先考虑设置消防冷取水喷淋系统作为保护层。3.4
个人风险
根据表2和式（4）计算站场区域内的个人风险值IR 。当无多米诺事故时，区域内个人风险等
采输技术
消防冷却水喷淋系统
防火涂料关键报警和人员干预
多米诺扩展
3.005×10-11失败
失败3.005×10-10
失败  3.001×10-7
铖功失败失败失败失败成功成功成功成功成功成功3.005×10-7
6.94×10-6
6.639×10-6
6.632×10-6
5.968×10-6
6.632×10-75.975×10-96.639×10-10池火灾a
a
2.704×10-10
3.001×10-82.700×10-7
6.639×10-9
爱的多米诺演员表场景1：未减轻的多米诺事故场景2：无多米诺事件场景3：减轻的多米诺事故场景4：无多米诺事件场景5：减轻的多米诺事故场景6：无多米诺事件场景7：减轻的多米诺事故场景8：无多米诺事件场景9：减轻的多米诺事故场景10：无多米诺事件场景11：减轻的多米诺事故场景12：无多米诺事件场景13：减轻的多米诺事故场景14：无多米诺事件场景15：减轻的多米诺事故场景16：无多米诺事件
图3
考虑保护层时的多米诺火灾场景事故树
于某点同时受到储罐T1和T2发生池火灾时的风险之和；当有多米诺事故时，区域内的个人风险等于某点同时受到储罐T1和T2发生池火灾时的多米诺风险之和再加上无多米诺事故时的个人风险。当考虑保护层作用时，计算方法与上述类
图4单独保护层作用下的多米诺事故概率
1.2×10-6
0.6×10-6
多米诺事故概率/（次•a -1）
保护层
关
键
报
警
和
人
员
干
预
消
防
冷
却
水
喷
淋
系
统
泡
沫
灭
火
系
统
E S
D
防
火
涂料安
全
阀、
爆
破
片
白媛媛等：基于保护层效应的油气站场罐区多米诺事故概率计算方法
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