乙烯球罐风险评估的定性与定量分析方法对比分析*

张子健，吕钟杰，沈正祥，柴军辉

(1. 宁波市劳动安全技术服务有限公司，浙江宁波 315048；
2. 宁波市特种设备检验研究院，浙江宁波 315048)

球形储罐具有整体受力均匀、相同体积条件下钢材使用量小等优点，广泛应用在石油化工企业[1]。但球罐的应用过程也同样存在安全隐患，球罐中通常为易燃易爆等危险性较大的介质，若出现泄漏或者失稳，会对环境和经济造成一定的影响；
同时，球罐的现场组焊安装难度大，使用过程中的升压和降压还易产生疲劳裂纹[2-3]。因此，对球罐的风险水平把控较为重要，目前针对球罐的风险评估软件的研发、购置与后期维护费用相对较高，对于未购置相关计算软件的单位，其风险评估工作难度极高，GB/T 26610.3—2014《承压设备系统基于风险的检验实施导则 第3部分：风险的定性分析方法》给出了风险评估定性分析的思路，可以粗略计算球罐的风险水平，一定程度上解决定量分析存在的难题。

GB/T 26610.3—2014第1章指出该标准可用于石油化工装置中压力容器及其承压零部件的风险评估，第4.3.1节指出风险的定性分析可以单独计算并应用，也可以与定量计算组合使用。因此，球罐风险评估定性分析可以参考GB/T 26610.3—2014。

1.1 失效可能性定性评估

根据所评估球罐的具体情况，对以下6个因子进行赋值或者计算：设备因子EF、损伤因子DF、检验因子IF、维护状态因子MCF、工艺因子PF、机械设计因子MDF。

根据被评估装置中可能发生失效的设备总数对进行设备因子EF赋值，单个球罐评估时一般取2；
根据球罐损伤机理的可能性数量对DF进行赋值；
根据球罐的检验情况对IF进行赋值；
根据企业管理水平、装置设计制造水平和维修方案的有效性对MCF进行赋值；
根据停工次数、工艺稳定性、保护装置可靠性对PF进行赋值；
根据设计、制造、维护、工艺合规性对MDF进行赋值。上述6个因子的值之和为失效可能性因子的值，失效可能性等级见表1。

表1 失效可能性等级

1.2 失效后果定性评估

失效后果的定性评估主要考虑燃烧与爆炸、中毒后果2个方面，评估原则为：①当球罐介质泄漏后仅产生单一后果时，直接对该后果进行评估；
②当2种后果并存时，则需要判断是否存在主导后果，若有主导后果则不必考虑另一种后果，若无主导后果，则需单独评估后，确定较严重的后果进行评估。

1.2.1 燃烧与爆炸后果评估

燃烧与爆炸后果评估中需对以下6个因子进行赋值：化学因子CF、损伤量因子DQF、状态因子SF、自燃因子AF、压力因子PRF、安全防护因子CRF。

化学因子CF主要与可燃次因子FF、反应次因子RF相关；
损伤量因子DQF与泄漏的可燃介质的最大存量相关；
状态因子SF与介质在标准大气压下的沸点温度相关；
自燃因子AF与介质工作温度和自然温度相关；
压力因子PRF与介质的物性状态相关；
安全防护因子CRF主要与设备的安全防护装置情况相关。上述6个因子的值之和为燃烧与爆炸后果因子的值，燃烧与爆炸后果等级见表2。

表2 燃烧与爆炸后果等级

1.2.2 中毒后果评估

中毒后果评估需要对以下4个因子进行赋值：中毒量因子TQF、扩散因子DI、安全防护因子CRF、人口因子PPF。

中毒量因子TQF与泄漏事件中可能存在损失的有毒介质最大存量次因子TQF1、健康危害次因子TQF2相关；
扩散因子DI与介质在标准大气压下的沸点温度相关；
安全防护因子CRF与有毒介质泄漏后相关安全防护措施是否到位相关；
人口因子PPF与距离泄漏400 m半径范围内的日间平均人口数量相关。上述4个因子的值之和为中毒后果因子的值，中毒后果等级见表3。

表3 中毒后果等级

1.3 风险等级确定方法

将赋值完成的失效可能性等级和失效后果等级组合在5×5的风险矩阵中，进而确定被评估球罐的风险等级。

2.1 失效可能性定量评估

球罐的失效可能性定量计算是采用同类失效频率法，失效可能性Pf计算公式如下：

式中，Pf是以时间t为函数的失效可能性；
gff是同类失效频率；
FMS是管理系统系数；
Df是破坏系数。

同类失效频率gff是以同一公司内多个工厂或同一行业内各个工厂中、参考文献和商业可靠性数据库中的记录数据为基础，计算得到的失效数据，是通用部件的数据，具有代表性。标准里提供了4种离散孔尺寸，可对各种事件(小泄漏到破裂)的泄放情况进行建模。

管理系统系数FMS是针对管理、工艺信息安全、工艺危害性分析、变更管理、操作规程、安全生产实践规程、培训、机械完整性、投用前的安全审查、应急响应、事故调查、承包商、管理系统评估等13个方面进行评估，然后经计算求得的，FMS适用于工厂内所有的设备。

破坏系数Df是根据统计学原理，用以评估随使用时间变化可能出现的破坏机理和破坏量以及某一检验活动的有效性。Df主要由与结构材料相适应的破坏机理、工艺水平、部件的物理状态以及量化损伤的检验方法来确定。其中破坏机理主要与减薄、应力腐蚀开裂、外部破坏、高温氢腐蚀、机械疲劳、脆性断裂等相关。失效可能性Pf等级划分见表4。

表4 失效可能性等级划分

2.2 失效后果定量评估

失效后果定量计算分为2种级别：①1级后果计算针对标准中所列出的代表性流体清单，该方法利用查表法和图表，无需专用建模软件便可计算出泄放介质的后果；
②2级后果计算准确性更高，包含详细的计算程序，更适用于广泛的有毒有害介质。

后果定量计算采用以下步骤：①采用事件树计算可燃和爆炸性后果，确定各种结果的可能性(如液池火、闪燃和蒸气云爆炸)，并结合计算机模型确定后果的严重程度，根据热辐射和爆炸所造成的人员严重伤害和部件损坏确定后果面积，根据公布的受影响面积确定经济损失。②采用计算机模型计算毒性后果，确定由于人员过度接触蒸气云中毒性浓度所造成的后果面积的严重程度。若流体为可燃毒性流体，其毒性事件概率可假定为：泄放物点燃时，毒性后果忽略不计，根据公布的受影响面积确定经济损失。③考虑非可燃、非毒性泄放物。根据人员严重伤害确定化学品喷溅和高温蒸汽燃烧的后果。物理爆炸和沸腾液体膨胀蒸汽爆炸(BLEVE)也会造成人员严重伤害和部件损坏。④经济后果包括业务中断损失以及环境泄放物相关的费用损失，分别根据可燃和非可燃后果面积的函数估算业务中断后果，泄放有效质量或泄放率确定环境后果。失效后果等级划分见表5。

表5 失效后果等级划分

2.3 风险定量计算

风险值R是时间t的函数，按式(2)计算。

式中，Cf假定为不随时间改变的函数，但明显的工艺变化可引起Cf改变，工艺变化包括介质属性的变化、设备使用寿命期间的产量变化、设备再利用或改造等情况。此外，泄漏探测、介质隔离和泄漏减缓系统的变化也会影响Cf。

随着时间延长，工艺操作上的改变也可导致Pf和Cf改变。工艺操作上的改变(如温度、压力或介质腐蚀性的改变)可导致Pf增大，主要是由于工艺改变有可能导致腐蚀速率增大或产生了其他破坏导致的。因此，Pf或Cf出现重大变化时需重新进行风险评估。

以某化工企业3 000 m3乙烯球罐为研究对象，进行风险评估应用研究，该球罐的基本参数见表6。

表6 乙烯球罐基本参数

3.1 定性分析

3.1.1 失效可能性赋值

针对该球罐的设计参数和使用工况，对6个因子进行赋值，结果见表7。

表7 失效可能性赋值结果

由表7可见：经计算，失效可能性因子为16，失效可能性等级为2。

3.1.2 失效后果赋值

由于乙烯具有燃烧和爆炸的特性，且在不完全燃烧时会产生有毒有害的物质，因此分别对燃烧和爆炸、中毒后果进行赋值，结果分别见表8和表9。

表8 燃烧和爆炸后果赋值结果

表9 中毒后果赋值结果

由表8和表9可见：经计算，燃烧和爆炸后果因子为24，后果等级为B；
中毒后果因子为-15，后果等级为A。综上分析，球罐的失效后果等级为B级。

3.1.3 风险等级的确定

根据球罐的失效可能性等级为2级，失效后果等级为B级，判断该球罐的风险等级为低风险。

3.2 定量分析

3.2.1 腐蚀机理识别

参考GB/T 30578—2014《承压设备损伤模式识别》，该球罐存在的损伤机理有层下腐蚀(CUI)、介质侧腐蚀等，在风险评估定量计算时选取内部减薄和外部减薄损伤机理。

3.2.2 风险评估定量计算

风险评估定量计算采用Synergi Plant RBI Onshore 5.5软件，在计算过程中对球罐壁板内外壁腐蚀速率的选取较为关键，由于该球罐为首次定期检验，暂无测厚数据，因此腐蚀速率的设定采用理论计算值，最终计算结果见表10和表11。

表10 失效可能性定量计算结果

表11 失效后果定量计算结果

由表10和表11可见：该球罐目前风险等级和 未来风险等级均为低风险，失效可能性由目前的0.000 527 836上升至0.000 539 991(2年后)，但失效后果均为83 216.1，未发生变化，该结果与之前分析的失效后果定量计算结果一致，总体风险由目前的43.924 5上升至44.935 9(2年后)，呈小幅上升趋势。

3.3 定性与定量结果对比分析

将上述风险定性和定量分析评估结果进行对比分析，结果见表12。

表12 定性分析和定量分析评估结果对比

由表12可见：①定性和定量分析的总体结果一致，均为低风险，主要差别为定性分析的失效可能性等级为2级，定量分析的失效可能性等级为3级，定量分析结果高于定性分析结果；
②定量分析中腐蚀速率的确定较为关键，其取值关系到整个风险评估的结果，该研究中采用软件内嵌的理论算法，具有较高的可靠性；
③定性分析采用赋值法，一定程度上减少了腐蚀速率和后果参数设置过程中存在的难题，操作简单易行；
④定性分析法适合现场快速的风险评估，无需依赖商业化软件；
⑤当受条件限制，无法全部采用定量计算时，可以通过定性分析筛选出高风险设备，再对所筛选的设备进行定量分析，进而采用相应的检验策略；
⑥若能精准测定腐蚀速率，如采用腐蚀挂片试验或者定点测厚等技术，推荐采用定量分析；
⑦当设备材料或储存介质未收录在计算软件的数据库中，假设代替存在一定难度时，可采用定性分析。

对某台3 000 m3乙烯球罐进行风险的定性和定量评估，对比分析了2种评估方法的差异，确定了定性和定量评估方法的使用原则，得到以下结论。

1)风险评估的定性分析步骤操作简单易行，当定量分析存在困难时，定性分析可以在一定程度上代替定量分析，为风险的合理把控提供一种切实可行的方法。

2)定性和定量分析的结果会存在一定的差异，但该差异在可接受范围内。

3)风险的定性或定量分析均可为球罐的风险评估提供科学的评估结果，应合理利用2种风险评估方法，实现风险评估资源利用最大化。