基本定量风险评价法：概率危险评价技术

?基本定量风险评价法：概率危险评价技术

?来源：安全资讯网编辑：冰雪时间：2009-6-26 14:15:17

1 概述

概率危险评价方法通过综合分析单个元件(如管路、泵、阀门、压力容器、控制装置、操作人员等)的设计和操作性能来估计整个系统发生事故概率。

2 应用范围

作为危险分析的一部分，定量危险评价包括辨识与公众健康、安全和环境有关的危险并估计危险发生的概率和严重度。自20世纪60年代末概率危险评价方法问世以来，主要应用于下述3个方面：

⑴提供某种技术的危险分析情况,用于制定政策、答复公众咨询、评价环境影响等。

⑵提供危险定量分析值及减小危险的措施，帮助建立有关法律和操作程序。

⑶在工厂设计、运行、质量管理、改造及维修时提出安全改进措施。

概率危险评价是评价和改善技术安全性的一种方法。用这种方法可建造导致不希望后果的事件树或故障树，来分析事故原因。通过估算事件发生概率或事故率以及损失值，可定量表示危险性大小。损失值通常用死亡人数、受伤人数、设备和财产损失表示，有时也用生态危害来表示。

3 评价步骤

在核工业中，概率法用来替代传统的决定论方法评价工厂的安全性。使用概率危险评价方法便于设计冗余安全系统和高度防护装置。概率危险评价通常由3个步骤组成：

⑴辨识引发事件；

⑵对已辨识事件发生的后果及概率建模；

⑶对危险性进行量化分析。

概率危险评价可进行不同层次的分析。核工业中有3种概率危险评价方法：一级评价，仅考虑反应堆芯溶化的概率；二级评价，分析释放到环境中的放射性物质的浓度；三级评价，分析事故产生的个体和群体危险。后者常称作综合性或大规模危险评价。

4 应用分析

概率危险评价为安全评价起了很大的促进作用。但是，该方法的一些不足之处影响了它的应用范围。

1)完整性和失效数据

概率危险评价要求分析完整和数据充足。这意味着概率危险评价必须考虑可能发生异常的每一事件。此外，完整性还包括人的作用和一般失效事件的建模。然而，完整的分析是不可能的。因为疏忽总是不可避免的，所以完整性为该方法最关键的问题。

实际工作中必须忽略小危险事件。这意味着评价人员必须确定哪些事件发生的概率低到可忽略不计的程度。如果这类低概率事件确定不可能发生，则结果误差不大。然而，意外的一般性事故会使估计的概率值相差几个数量级，因此这样的简化未必是合理的。随着新信息的出现，早期的估计可能是会比较乐观，如水冷式反应堆导致管受晶间应力腐蚀而开裂等。

地震、洪涝、恶劣气候条件等外因也能导致事故发生。由于外部环境因素比工厂内部因素更复杂，结构不清楚，因此，这类危险评价常常是不准确的。在许多危险评价中都有一个心照不宣的假设，即工厂都是按设计建造和维修的。评价过程中很少考虑违反安全技术规定等方面的因素。

限制概率危险评价方法广泛应用的另一个因素是人与技术系统的相互作用，三涅岛核电站事故、印度博帕尔毒气泄漏事故等都证明人的因素影响非常大。尽管在人的因素领域已进行了20余年的研究，但除专家判断法外，还没有任何实用方法来辨识人为失误及确定其概率值。

数据的准确性也是限制因素之一。元件失效的经验可用来进行统计外推，计算失效率，但这样计算的失效率是否能够从一种情形借鉴到另一种情形还值得考虑。

2)假设和专家判断法

分析结果与假设条件、系统建模以及将历史数据代入模型所作的判断等一系列因素有关。整个分析过程中都要使用相当多的专家判断方法。如果专家判断法已被认可，那么分析结果是有效的。但实际上，在进行概率危险评价过程中，技术上和分析方法上使用的判断方法是多种多样的：描述危险特性、选择如何来填补不足的数据、什么样的事件可忽略不计、模拟复杂的物理现象、描述分析结果的可信度、选择表述方式等。整个分析过程中都要进行假设，所有的假设都要求判断是否合适。此外，专家陷入自己的分析思路中，难以按科学的标准鉴别社会技术系统内存在的分歧。

由于专家判断法固有的主观性，因此，所分析人员对同一工厂进行评价时，评价结果相差很大。可靠性计算的经验表明，概率评价能产生2个数量级的误差。早期用概率危险评价方法评价液化天然气贮罐的危险性也出现了类似的误差。当用个体危险性表示工厂附近居民的危险性时，不同概率危险评价的结果也有几个数量级的误差。这类误差并非由于分析方法上的缺陷引起的，而且在评价对象的描述、假设和使用模式方面存在的差异引起的。

核工业部门累积了概率危险评价结果的差异性。目前，美国核反应堆芯熔化损失的概率估计为10—5／年10—3／年。这一差别并非仅仅是设计和场所不同，正如评价权威专家指出的那样，研究的范围、使用的概率危险评价方法、分析时所作的假设等因素都会影响分析结果。瑞典的研究表明，建模不同也会产生较大的误差。在一份概率危险评价现状的研究材

料中美国政府统计办公室认为，概率危险评价结果的差异性限制了它们之间的比较，且也是该方法最致命的问题。

3)表达不确定性

在很大程度上，概率危险评价方法的不确定性取决于分析的完整性、建模的准确性以及参数估计的充分性。后者的不确定性可通过分析扩展数据的概率分布进行计算而得出(假设分析数据充足)。由分析方法本身和模型不完整性引起的不确定性的解决是很困难的。这些因素常用敏感度分析方法来解决。

类似的问题在早期的液化石油气贮存装置的概率危险评价中已有报道。由于不了解持不同意见的专家的看法和不同的评价模型，分析人员总是过高地估计分析结果的可信度。虽然通过分析人员的判断也减少了一些事故，但掩盖了这种判断本身可能存在的不足，有时选择参数与定性讨论的结果相差几个数量级。在有害化学物质的危险评价中，不能直接说明不确定性也是一个很大的障碍。

4)复杂性

技术系统日趋复杂和相互渗透产生了一系列有待解决的问题。例如，大规模的核安全评价包含了无数个不同的系数，要求不同领域的专家参与。计算的数据令人吃惊。一座核电站进行一次概率危险评价要求估计成千上万个参数，报告长达几千页。这阻碍了研究结果的应用交流。然而，核电站危险评价还是—个相对简单且已为人们了解的技术，许多化工厂比核电站要复杂得多，人们了解得也较少。尽管概率危险评价采用“各个击破”的方法较适用于评价复杂系统的危险性，但它只适合结构和定义都明确的系统。

5 应用实例

5．1 Canvey岛危险评价

1)概述

1976年，应英国环境与就业大臣的要求，英国卫生与安全管理局(HSE)对Canvey岛／Thurrock地区工业设施的危险性进行了评价。该项研究源于公众质询是否允许在这一地区建1座炼油厂。研究的目的是了解现有工业设施及建成炼油厂后对居民造成的危险性。

Canvey岛位于泰晤士河伦敦以北，居民3万人，现有7座工厂，雇工3200人。这些工厂主要贮存、运输、生产汽油和石油产品，约贮存10万t液化天然气、1800万t石油产品。

2)引发事件及其发生概率

该项研究系统分析了各工厂火灾、爆炸、毒物泄漏事故发生的条件。重点研究了贮存和运输过程能引发事故的下列事件：

(1)管道和贮罐破裂(自发或疲劳)；

(2)泵壳破裂；

(3)控制过程失控(压力、温度、流量等)。

此外，爆炸冲击波、爆炸碎片以及贮罐过热等火灾、爆炸事故也会对附近的设施造成损失。

引发事故发生的概率以及后续事件发生的条件概率，主要通过分析统计资料和技术判断获得。为获得定量的数值和结果，主要采用了下述方法：

(1)分析统计资料；

(2)在统计分析基础上，对个别缺项进行判断补充；

(3)通过已做FTA分析的类似案例，分析估计得出定量数值和结果；

(4)对一些无法获得的数据进行主观判断；

(5)通过分析文献资料获取数据。

3)事故影响

研究对象中可能发生爆炸事故的工业设施距离居民区1km以上。如果这些设施就地爆炸，则后果较小；但若是爆炸性蒸气飘向居民区而发生爆炸，则可能发生下列事故：

(1)直接的爆炸压力伤害；

(2)冲击波伤害；

(3)爆炸热伤害(在爆炸火球范围内)；

(4)由爆炸引起的火灾伤害；

(5)窒息伤害；

(6)爆炸火球的热辐射伤害。

Canvey岛地区的平均人口密度为4000人／km2，通过估算得出了厂区蒸气云爆炸的条件概率和伤亡人数(死亡人数按总伤亡人数的一半计)，结果见表1。

表1 蒸气云爆炸的条件概率和伤亡人数

应该注意的是，为计算蒸气云在居民区爆炸的概率，必须了解爆炸性蒸气云的形成概率、爆炸概率以及向居民区运行概率和在该地区被引爆的概率。

假设压力贮罐爆炸后形成了1000t的无水氨蒸气云(20％蒸气，80％液体)，在当地气象条件下(风速为6m／s)，危险的氨气沿风向分布，形成一个半轴为2．5km和3km的椭球形区域。考虑人口分布及气象条件，得到1000t氨泄漏后的伤亡人数及条件概率，结果见表2。

表2 1000t氨泄漏后的伤亡人数及条件概率

该研究分析了可能出现的38种情况，得出了Canvey岛现有工业设施以及扩建后和经安全改善措施前后4种条件下的风险。

社会风险概率见表3。

表3 社会风险概率和伤亡人数

最大个人风险率见表4。

表4 最大个人风险率

5．2 Riinmond地区危险评价

1979年应荷兰居民安全委员会要求，英国伦敦Cremer ＆Warner公司和德国法兰克福Battele公司对Rijnmond地区的6个工业设施进行了风险评价。Rijnmond位于鹿特丹到北海的莱茵河三角洲，长40km，宽15km，居民10万人。此研究项目的目的是探索对工业设施进行风险分析的可行性，为实际应用积累经验。

1)工业设施

这6个工业设施分别是：丙烯腈贮罐、液氨贮罐、液氯贮罐群、液化天然气贮罐、丙烯贮罐和二乙醇胺再生炉。

(1)丙烯腈贮罐：该贮罐容积为3700m3，配备有灭火设备和贮罐冷却设备。装置主要是人工控制。研究中对贮罐、输送管道及泵等进行了分析。

(2)液氨贮罐：环形液氨贮罐容积1000m3，平均贮量为250000 kg，相当总贮量40％，贮罐压力高达1．2MPa，温度为室温。装配有应急关闭系统。通常情况下人工操作和远距离控制相结合。该贮罐属于一个生产化工原料和化肥的工厂，仅对贮罐、输送管道、泵及其他附属设备进行了分析。

(3)液氯贮罐群：这是一个大化工厂的液氯贮罐群，由5个90m3容积(每个相当于100t 液氯)贮罐、输送管以及废气压缩机组成，贮罐压力0．65MPa，温度为室温。每天罐群的液氯通过量约300t。

(4)液化天然气(LNG)贮罐：对2个液化天然气贮罐及其附属设备进行了研究，每个容积为5700m3，LNG贮存温度－162℃。

(5)丙烯贮罐：为2个球形贮罐，容量共1200t，室温下最大压力0．14MPa，几乎全部靠手动阀控制。

(6)二乙醇胺再生炉(脱硫设备)：该装置是汽油脱硫过程的一部分，操作温度约92℃，压力0．06MPa。

经危险预分析，潜在的事故危险有火灾、爆炸、毒物泄漏。

2)分析方法

(1)分析方法。

首先用检查表和危险与可操作性分析方法辨识失效模式、引发事件及事故。大多数引发事件和事故发生的概率都直接来自统计资料。表5中列出了统计的各贮罐引发事件数和事故类型，对有些缺乏统计资料的事件则用FTA推导其发生概率。

表5 贮罐引发事件数和事故类型的统计资料

(2)事故发生概率。

事故发生概率主要通过统计分析和FTA分析获得。为此要求了解引发事件概率、元件失效率以及人为失误率。主要通过下述3个途径获取：

①收集文献资料中的有关数据；

②工厂提供有关数据；

③估计。

重点分析对象是：泵、管道、软管、装载臂、阀门、测量仪器、控制装置、电气设备、贮罐、人的失误、外部事件等11类。

3)事故影响

(1)爆炸。

只考虑爆炸冲击波的影响时，冲击波最大压力与损坏程度之间的关系见表6。

表6 冲击波最大压力与损坏程度之间的关系

(2)火灾。

蒸气云爆炸(火球)能量密度与破坏形式和程度的关系见表7。

表7 蒸气云爆炸(火球)能量密度与破坏形式和程度的关系

稳定状态火灾热通量水平与损坏形式和程度的关系见表8。

表8 稳定状态火灾热通量水平与损坏形式和程度的关系

(3)毒性气体影响

在所评价的设施中，有氯气、氨气、硫化氢等3种有毒气体，其毒性见表9。

表9 毒性气体的影响

4)研究结果与结论经分析计算得出6个设施的风险性，见表10。

表10 评价结果

由上表可见，脱硫设备的危险最低，原因是物质潜在危险性低，工厂设计较好。由于居民区远离液化天然气贮罐，且贮罐有厚达1m的混凝土保护壁，所以危险性较小。丙烯腈设施对居民的危险非常低，因为该设施的危险影响范围小；但对作业人员的危险较高，因为有较高的事故发生率。

相比之下，液氨贮罐、液氯贮罐和丙烯贮罐的危险要高，主要原因是所贮存物质本身的危险性大、贮量大，并且较接近居民区，以及泄漏后高压液化气体特性等。

5．3 Canvey岛危险评价与Rijnmond地区危险评价的比较

如上所述，Canvey与Rijnmond风险评价研究的目的不同。在Canvey岛风险评价中，主要目的是了解整个地区工业设施对居民的风险。在Rijnmond风险评价中，主要目的是探索什么样的风险评价方法可用于化工厂的安全评价。因此，两项研究的侧重点不同。Canvey 没有详细分析工厂细节，着重于在统计资料分析和估计基础上进行总体评价，重点放在工业区一个工厂内发生的事故引发另一个工厂发生事故后造成的总的后果。在Rijnmond研究中，用FTA详细分析了研究对象，由于研究对象仅是工厂的一部分，因此，评价结果不是整个工厂的风险性，此外也没有考虑事故对厂内其他设施的影响。因此，可以说Canvey评价的方法是宏观的，评价的是整个区域，它忽略了一些细节，提出的改善措施也是宏观的，不涉及具体细节。相比之下，Rijnmond评价是针对具体的设计细节。Canvey岛评价更适合用于项目选址阶段，确定建设项目安全条件，对周边居民、人员、环境和社会的影响作一详细论证。Rijnmond方法对项目装置情况分析比较透彻，适合用于在役装置安全评价，评价运行的装置对周边居民及现场作业人员的安全影响。

理想情况下要把宏观方法和微观方法结合起来。对一般设施可通过统计资料分析获取数据，必要时可用技术判断方法；对危险性很大的设施则用FTA方法分析。

概率危险评价方法对我们了解技术的危险性起了很大的促进作用。该方法要求对系统进行完整分析，且要求有充足的失效数据，因此，它是一项复杂的技术性工作。要求系统分析的完整性、建模的准确性以及参数估计的充分性和不同评价方法之间的差异性，限制了概率危险评价方法，因此它只适合结构和定义都明确的系统。