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化工多米诺事故定量风险评价的动态仿真方法
何志超，翁文国
清华大学工程物理系公共安全研究所，北京，10084
清华大学综合应急科学北京重点实验室，北京，10084
关键词：多米诺事故；蒙特卡罗模拟；协同效应；化工
摘要
多米诺骨牌事故是化工行业典型的多灾害耦合灾害，往往造成严重后果和社会影响。由于多米诺事故的复杂性、不可预测性和协同效应，多米诺事故的定量风险评估面临诸多困难。提出了一种基于场论和蒙特卡罗模拟的化工多米诺事故定量风险评价方法。该方法旨在获得多米诺事故引起的个体风险的动态分布。蒙特卡罗模拟用于计算所有事故情景，并计算平均风险分布。场论的应用使得考虑协同效应成为可能。以盐城某化工厂典型多米诺骨牌情景为例，评价了该评价方法的有效性。结果表明，多米诺事故可分为三个阶段：快速发展阶段、稳定阶段和弱化阶段。火灾、爆炸和有毒物质释放的风险也具有不同的分布特征：平坦、峰值和斜坡。结果还表明，由于物理效应和人类脆弱性的协同作用，多米诺事故的风险增加。新的风险评估方法可以为化工企业多米诺事故的预防、缓解和风险管理提供指导。
1.介绍
定量风险评估（QRA）最初由NASA和核管理委员会应用于航空航天和核工业。此后，它已扩展到各个领域，特别是化学工业（Apostolakis，2004）。化学工业的发展伴随着对各种危险物质事故的研究，如火灾、爆炸和有毒物质释放。许多成熟的事故后果分析模型和风险评估方法已经被提出。然而，近年来，人们越来越认识到，与个别事故相比，化工行业的多危险耦合灾害可能产生更严重的后果和社会影响（Khan等，2015a；Khakzad等，2018）。当局为化学工业制定了更严格的安全要求，如欧洲SEVESO指令（欧盟委员会，2020年）。迫切需要一种新的化工多灾害耦合灾害定量风险评价方法。
虽然人们对个别事故进行了深入的研究，但多灾害耦合灾害的研究仅在近30年才得到重视。“Natech”事故是指“引发技术突发事件的自然灾害事件”，是自然界中典型的多灾害耦合灾害（Gomez等，2020）。相应地，“多米诺”事故是化工行业最常见的多灾害耦合灾害，是指一次技术事故引发一次或多次新技术事故的现象。多米诺骨牌事故可能会产生更严重的后果，近年来，学者们对多米诺骨牌事故产生了兴趣（Alileche等，2017）。多米诺事故的研究进展是化工行业风险管理的重大突破之一（Khan等，2015b）。多米诺事故的研究过程可分为三个阶段：定义、基础科学研究和定量评估（Swuste等，2019）。2000年前后，多米诺事故的研究取得了显著进展（Li等，2017年）。Khan和Abbasi（1998）；Khan（2001）提出了最大可信事故分析的概念，以考虑domino事故的后果和频率，并开发了风险评估软件domineffect。Cozzani（Cozzani等，2005；Cozzani 等，2013a；Cozzani 等，2013b）提出了一种基于概率计算和概率单位模型的多米诺事故QRA方法。近年来，多米诺事故QRA研究取得了新的进展。通过Khakzad（Khakzad 等，2013）提出的集成和优化，基于贝叶斯网络（BN-based）的方法成为处理domino事故的常用QRA方法。Abdolhamidzadeh（Abdolhamidzadeh 等，2010；Rad等，2014）提出了一种基于蒙特卡罗模拟（MCS）的QRA方法。He（He and Weng，2019）利用该模型定量计算了化工厂多米诺事故的协同效应。基于MCS的方法能够恢复多米诺事件的情景，构造传播过程，为决策者提供合适的事故后果概率分布函数，具有很大的发展潜力。此外，Ji（Ji等，2018）提出了一种采用模糊推理系统解决domino事故分析中不确定性和不精确性的方法。Kadri（Kadri等，2013）将domino系统分为源系统和目标系统，并采用失效函数和人的脆弱性模型来估计domino事故发生的概率和危害。
Necci提出了现有QRA方法的一般问题（Necci等，2015）。首先，没有考虑多米诺事故的时间间隔，这意味着大多数QRA结果是静态的。第二，现有的QRA方法没有考虑多米诺事故中的协同效应，如物理效应、人类脆弱性和环境之间的相互作用因素。回应对于现有QRA方法的第一个问题，Villa（Villa等，指出动态风险评估可以考虑条件的演化，克服QRA固有的平稳性。Kamil（Kamil等，2019）提出了一种使用广义随机petri网模型的动态domino事故风险评估方法，这是一种用有向二部图描述分布式系统的数学建模方法。Khakzad（Khakzad 等，2014）提出了两个参数，失效时间和倦怠时间，用于动态评估和管理domino事故的风险。Zhou（Zhou 和 Reniers，2018）还研究了多米诺事故中的协同效应，他提出了一种基于矩阵的方法来考虑事故传播过程中热辐射的协同效应。Chen（Chen 等，2018）提出了一种涉及多米诺进化图模型和最小进化时间算法的方法，以考虑多米诺事故中的叠加效应。然而，现有的研究并没有完全解决QRA方法在多米诺事故中的普遍问题。一些动态风险评估算法无效，因为概率计算不适用于涉及多个设施的情况（Zeng等，2020）。现有多米诺事故动态风险评估方法的精度和能力仍有待提高（Villa等，2016）。协同效应的研究考虑了同一物理效应的线性叠加，但没有考虑事故之间的非线性相互作用。很少有研究考虑到毒性释放和人类脆弱性的协同效应。提出了一种基于场论和MCS的多米诺事故QRA新方法。该方法利用后果分析模型和升级概率模型来模拟多米诺事件的发展过程。MCS用于计算化工厂可能发生的所有事故情景的平均频率。通过应用损伤分析模型，该方法可以得到该地区的风险分布。
场论是物理学、心理学和社会学中广泛应用的一个概念，通常指场的动力学结构，如对动态磁场的描述。量子物理是场论应用最广泛的领域之一（Peskin，2018）。在心理学领域，近年来场论被用来分析动态思维（Schoner，2016）。场理论也可以作为解释社会行为的概念框架，因此在社会学中发挥着重要作用（Barman，2016）。场论具有处理动态、区域性问题和预测人类行为的能力，适用于多米诺事故的动态定量风险评估。Domino事故通常发生在复杂的环境中，发生率很低，而且几乎没有可用的相关数据。它们通常出现在多个安装中。场论和MCS的应用解决了现有QRA方法不考虑时间间隔的问题，为domino中考虑协同效应提供了一种方法意外。通过通过这种方法，可以得到动态的风险分布，并提出了多米诺事故的发展规律。研究结果可为化工企业的损失预防、风险管理和人员疏散提供有益的指导工业部门2介绍了该方法的基础、模型、频率分析和算法流程。作为该方法应用的一个例子，第3节描述了中国盐城一家化工厂典型多米诺情景的QRA结果。该部分还介绍了方法的验证。第四节讨论了案例研究，包括对具体领域的深入研究、协同效应的敏感性分析和不确定性分析。最后，第5节提供了一些结论。
2.基于场论和蒙特卡罗模拟的风险评估
风险评估过程分为风险分析和风险评价两部分。风险分析主要包括频率估计、后果估计和风险概况显示（Kardell和Loof，2014）。本节介绍了风险分析过程，分为三个部分：后果分析模型、升级概率模型和损害分析模型。这些模型是计算（1）事故中人的死亡率；（2）多米诺过程中主要事故的发生频率；（3）应用场论和MCS过程的步骤，将多米诺事故的发生频率和死亡率结合起来，生成风险剖面的基础。QRA结果可用于进行风险评估，包括风险降低和验证。事故的传播导致了多米诺事故发生频率和后果的不确定性，协同效应可以影响人类的脆弱性。作为一个综合考虑上述因素的参数，个体风险被广泛用作多米诺事故风险评估的指标（Antonioni 等，2009）。个人风险的计算如下式所示（Palt等，2019年）：
IR=p x p（1）
式中，IR是个体风险，p是事故发生的频率，p是事故中的人类死亡率。事故发生的频率是动态的，受各种事故情景的影响；人的死亡率取决于事故后果和人的脆弱性，两者都受到协同效应的影响。个体风险参数直观全面，能够对风险评估过程提供清晰的指导。该方法首先通过过程危害分析（PHA）进行危害识别，这是事故QRA的基本步骤（Cameron等，2017）。以识别可能的危险事件为目标，PHA结果确定了QRA中使用的基本模型和分析方法。根据PHA结果，第2.1节和第2.2节回顾了可用的基本模型和主要事故频率数据，以处理不同的事故场景该方法以场论和MCS为核心，利用基本模型和频率数据计算个体风险。该方法的概述示于图1中。
图1 方法示意图
2.1基本模型
后果分析模型可用于计算事故情景的物理影响。与火灾、爆炸和有毒物质释放相对应的物理效应是热辐射、超压和浓度。事故升级过程是多米诺事故的基本特征。这个过程的概率是由物理效应决定的，可以通过升级概率模型来计算。利用损伤分析模型，参照物理效应，可以计算出人体的死亡率。图2显示了化工厂多米诺事故QRA方法中使用的基本模型。
图2 化工企业多米诺事故的基本模型
VCE：蒸气云爆炸；BLEVE：沸腾液体膨胀蒸气爆炸
方法中使用的后果、升级和损害分析模型可在文献和参考书中找到，如化学过程安全中心手册（CCPS（化学过程安全中心）（2000））、荷兰应用科学研究组织的“彩色手册”（van denBoschetal.，1989；Schuller等，1997；De Haag andAle，1999），以及最近出版的参考书（Assael和Kakosimos（2010））。（Casal（2017））回顾了文献，并出版了一本关于化学工业事故的综合参考书。然而，本文并不是对现有模型的简单列表；它提出了一种新的方法，将这些高度独立的个体模型耦合在一起，使它们适用于domino事故的QRA。下面是对每个基本模型的简要介绍。
2.1.1后果分析模型
根据参考文献（CCPS（化工过程安全中心）（2000）；Assael和Kakosimos（2010）Casal，2017），如图2所示，化工厂事故可分为10类。池火、喷射火、闪火、火球、蒸气云爆炸、沸腾液体膨胀蒸气爆炸、受限爆炸、毒物扩散是石油化工行业的典型事故类型。除了这些参考书之外，其后果分析模型也可以在指南（凯悦（2002））和SFPE手册（Hurley等，2015）中找到。Souza-Santos（de Souza-Santos，2010）和Tillman（2012）研究了固体燃烧后果分析模型。池火与固体燃烧的区别在于形成易燃液体池（Jujuly等，2015）。一些非熔化性固体火灾应归类为固体燃烧，如木材火灾。化工安全参考书中很少提及凝聚相爆炸，但在爆炸危险文献（Baker等（2012））和Fickett和David提出的爆炸理论（Fickett和Davis，2000）中可以找到这些模型。
2.1.2 升级概率模型
升级因子可分为热辐射、冲击波和碎片冲击。这些事故可能对储罐和仓库等设施造成损坏，并导致新的事故。毒性扩散通常不会直接对其他装置造成损害，因此未被列为升级因素之一。可通过Cozzani（Cozzani等，2005）提出的公式计算因升级因子损坏的常压和加压储罐的概率值。此外，Landucci（Landucci等，2009）研究了热辐射对容器的影响，并提出了相应的升级概率模型。Eisenberg（Eisenberg等，1975）也研究并提出了冲击波的影响。碎片撞击的分析方法不同于前两种方法。Nguyen（Nguyen等，2009）关于碎片影响的结果可作为升级分析的参考。
除了集装箱损坏造成的升级外，火灾和爆炸还可以直接引发燃烧、爆炸，固体有害物质的爆炸材料.分析高温诱导固体燃烧和爆炸的模型可在火灾和爆炸参考书中找到（CCPS（化学过程安全中心）（2000）；Schuller等（1997）；Baker等（2012）Fickett和Davis，2000）。Andrejkovies（Andrejkovies 等，2001）和Lang（Lang 等，2009）研究了共感爆轰过程。
2.1.3损伤分析模型
事故中的人员死亡率由损伤分析模型确定。Cozzani（Cozzani 等，2005）提出了一种计算火灾、爆炸和有毒物质释放事故中人类死亡率的方法。Cozzani的损伤分析模型已被广泛采用，并包含在参考书中（Casal（2017））。其他参考书还介绍了各种事故的损伤分析模型（van den Bosch 等（1989）；Lees（2012））。
通过损伤分析模型得到的人的死亡率代表了事故的严重程度，是个体风险的参数之一。从后果到升级再到损害，基本模型的确定是量化风险评估的重要步骤之一。
2.2主要事故发生频率
作为个体风险计算的参数之一，每个事故场景的频率（⑺）可以使用主要事故的频率和升级概率来计算。然而，由于多米诺事故中事故情景的可变性和不可预测性，事故频率的计算可能会很复杂。该方法考虑了仿真过程中事故升级的概率。将每种事故情景发生频率的确定简化为一次事故频率的计算，可采用初始事件频率法和事件树法进行计算。
2.2.1初始事件
需要澄清主要事故和初始事件的概念。主要事故是指多米诺骨牌事故的开始，例如池火灾或VCE事故。初始事件定义为直接导致主要事故的过程。安全壳失效（LOC）事件被认为是化学事故中最常见的初始事件（CCPS（Centre for chemical Process Safety），2000），指液体化学品在容器损坏后泄漏的过程。对于固体危险品，主要事故是点火或爆炸，从广义上讲，这也是LOC引发的事件。很多化学安全参考书提供了LOC事件的频率（CCPS（化学过程安全中心）（2000）；Assael和Kakosimos（2010）Casal，2017）。例如，加压单个安全壳储罐的瞬时LOC频率为5*10-7 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
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