化工园区重大危险源多米诺效应定量分析方法

引言

化工园区由于其集中的化工生产和危险源密集的特点，常面临较高的事故风险，特别是重大危险源引发的多米诺效应，其潜在的连锁反应可能导致更大范围的灾难性后果。当前，化工园区安全管理面临识别和评估复杂性高、危险源多、事件传递路径难以预判等挑战，现有的定性分析方法难以准确量化风险的传播过程。为有效应对该问题，基于定量分析的多米诺效应评估方法成为重要研究方向，它能识别危险源间的相互关系、评估事故的传播概率，从而为化工园区的安全防范提供科学依据。

1 化工园区重大危险源识别与分类

1.1 化工园区常见重大危险源类型

化工园区的重大危险源主要与高危化学品的储存、生产过程及设备设施的运行密切相关。常见的重大危险源有高压气体储罐、易燃易爆物质、反应釜、压力容器、储罐群以及管道系统等[1]。化学反应过程中发生的放热反应、气体泄漏、火灾和爆炸等危险，都是园区内的潜在重大危险源。此外，园区内的危险化学品运输和处理过程中，操作不当或设备故障都会引发次生灾害，成为安全隐患的源头[2]。

1.2 重大危险源的识别方法

危险源识别有定性识别和定量识别两种方式。定性识别依据危险源清单、工艺流程图以及设备的技术规范，并对各类设备、工艺和原料等进行分析，识别潜在的危险源。定量识别方法涉及使用故障树分析（FTA）、事件树分析（ETA）等工具，评估危险源发生故障的概率及其可能带来的后果[3]。化工园区采用HIRA（危害和可操作性研究）方法，结合历史事故数据和专家判断，系统性地识别潜在风险。

2 多米诺效应的建模与定量分析方法

2.1 多米诺效应的概念与特点

多米诺效应指的是一个单位的某个单元发生事故，可能会引起其他单元或邻近单位发生次级事故，因此有可能发生三级或更高级别的事故[4]。多米诺效应的关键特点有故障的传递性、不可预测性和影响的非线性，这些特点使得传统的单一风险评估方法难以应对园区内复杂的风险传播过程，所以需要引入更加精细的定量分析手段[5]。

2.2 定量分析方法的基本框架

多米诺效应的定量分析依托于风险传播模型和概率计算框架。定量分析方法的基本框架有以下几个步骤：第一，事件识别：识别关键设备、工艺环节和可能发生故障的危险源。第二，传播路径分析：确定多米诺效应的传播路径，分析故障如何从一个系统传递到另一个系统。第三，传播概率计算：基于事件的发生概率和影响范围，计算事故在不同环节间传播的可能性，传播概率的计算公式通常基于以下关系式：

其中，P 为最终事故发生的总概率，P 为第 i 个事件的发生概率，n 为事件数目

该公式考虑了多个事件的联动性，适用于描述多米诺效应中的风险传播过程。其四，后果评估：评估人员伤亡、财产损失以及环境影响等事故传播后果。

.3 多米诺效应中事件树分析的应用

事件树分析（ETA）是用于分析系统故障和事故传播的定量方法，它借助构建事故发生后的事件树，预测事故后果并计算发生概率，每个分支代表一个事件的结果，分支间的联动关系则展示了多米诺效应的传播过程。化工园区的多米诺效应分析中ETA 用来描述事故从初始事件到最终结果的全过程，根据分支节点分析每一事件的发生与否，并计算每个事件的发生概率，ETA 模型的基本构造表示为：

其中， P_zcideat 为事故发生的总概率， P（E₁，E₂，…，E_n） 为每一事件组合的联合概率， E₁，E₂，…，E_n 表示事件树中的各个节点，m 为组合数目。

2.4 风险传播路径的建模方法

风险传播路径的建模主要是使用分析各事件间的因果关系，构建数学模型以量化事故在园区内的扩展过程。传播路径建模的核心是依据设备故障、化学反应和人员操作等因素，确定其在系统中的相互依赖关系，并模拟事故从一个环节到另一个环节的传播过程。风险传播的基本模型可用Markov 过程或贝叶斯网络进行建模，Markov 过程模型中系统的状态变化可借助转移概率来描述：

P_ij=P（state_j|state_i）

其中， P_ij 为从状态i 转移到状态j 的概率，statei 和 statej 分别表示系统的不同状态，Markov 链模型可以计算从初始事件到最终事故的传播概率，进而评估不同路径的风险水平。

3 多米诺效应定量分析实施步骤

3.1 数据收集与危险源信息整合

数据收集与危险源信息整合是多米诺效应定量分析的基础，其主要步骤如下：第一，危险源识别与分类：对化工园区内的设备、设施、化学品以及操作规程等进行全面识别，确定所有潜在的重大危险源，这些危险源常包含设备（反应器、储罐、管道等）和化学品（易燃、易爆、有毒物质等），以及关键设施（安全阀、自动化控制系统等）。第二，收集设备与设施数据：获取园区内所有关键设施的技术参数（设备设计压力、温度、材料、使用年限、故障率以及维护记录等），为后续的分析提供基础数据，这些数据详细到每台设备的操作规范、历史故障及检修记录和潜在故障模式等。第三，操作规程与环境数据整合：收集园区操作规程、流程图和安全操作手册等文件，了解每个设备的操作条件和安全规程，并收集气候变化、自然灾害风险以及外部攻击等外部环境因素的数据，这些因素影响园区内部设备或人员的安全。第四，信息整合与标准化：所有收集到的数据进行整合、标准化和存储，统一数据格式、分类方式，并使用数据库管理系统进行存储，保证信息易于更新和检索，便于后续分析和建模。

3.2 风险场景的构建与评估

数据收集的基础上构建潜在的事故场景并进行风险评估，具体步骤如下：第一，构建风险场景：基于化工园区的实际情况来结合收集的数据，构建可能的事故场景。每个场景描述一个或多个初始事件的发生（设备失效、操作错误等）以及这些事件的传播路径（泄漏引发火灾、爆炸等）。根据绘制事件链（Event Chain）或故障树 （_FTA） ，明确事故发生的先后顺序和可能的连锁反应。第二，确定事件链条：对每个场景进一步分析，确定关键事件及其相互依赖关系，设备失效可能导致危险物质泄漏，进而引发火灾或爆炸。使用故障树分析（FTA）

等方法，识别场景中的关键节点和影响因子，并构建每个事故链条。第三，评估风险场景的发生概率和严重性：对每个风险场景的发生概率和后果严重性进行评估。第四，风险矩阵应用：利用风险矩阵（将发生概率与严重性结合的 2×2 矩阵）评估每个场景的风险等级，根据矩阵结果来识别出园区内高风险场景，为后续的防控措施提供依据。

3.3 多米诺效应传播路径的建模与传播概率的定量化

4 案例分析与决策支持

4.1 化工园区的多米诺效应评估

案例选取了某典型化工园区为分析对象，该园区主要从事石油化工和精细化学品生产。数据收集阶段获取了园区内的设备参数、历史故障数据和操作记录，园区有5 台反应釜、10 座储罐和3 台加热炉，反应釜的设计压力为 0.5MPa ，储罐的储存容量为2000 立方米，管道系统长度超过15 公里。根据设备的历史故障率，反应釜的故障率为 1/5000 小时，储罐的故障率为1/10000 小时，管道系统的故障率为1/8000 小时。依据上述设备和化学品数据，结合事件树分析（ETA）和故障树分析（FTA）方法，构建了化工园区内的潜在事故场景，事故场景中有反应釜故障引发火灾、储罐泄漏引发爆炸和管道破裂引发火灾等多种情形。凭借模拟多米诺效应的传播路径，计算了不同事故场景的传播概率：反应釜发生故障后，发生温度失控，其火灾传播的概率为0.05；储罐泄漏引发爆炸的概率为 0.02 根据这些分析结果，可以对园区的风险进行定量评估，为制定针对性的安全防控措施和应急预案提供科学依据。

4.2 评估分析结果

根据上述收集的实际数据和多米诺效应传播路径的定量分析结果，生成了以下评估分析结果。凭借风险矩阵（发生概率与后果严重性结合）对各个场景的风险进行评估，得到以下风险等级分布表1，在该风险矩阵中，反应釜故障引发火灾和储罐泄漏引发爆炸的风险等级被评为“高”，需要优先进行安全防控和应急预案制定。

根据多米诺效应传播路径建模，绘制了园区内主要设备发生故障后引发的连锁反应路径图，具体见图1，图中节点代表不同的事件或设备，边代表事件之间的因果关系。传播路径示意图如下，该路径图显示了反应釜故障引发火灾的过程，先是设备故障，接着是温度失控，最终导致火灾发生，进而可能引发储罐爆炸或管道破裂。模拟多次传播过程得出该路径的发生概率为0.08。

依据评估分析结果，提出了以下决策支持建议：第一，增强反应釜和储罐的安全管理：反应釜故障引发火灾和储罐泄漏引发爆炸的风险较高，建议增加设备的定期检查与维修频率，同时加强操作人员的安全培训。第二，改进管道系统的监测与维护：管道破裂的风险虽相对较低，但其可能引发火灾或泄漏，建议实施实时监测系统，及时发现并排除故障。第三，应急预案的优化：加强园区内的应急响应能力，特别是对火灾、爆炸和化学品泄漏的应急预案，保证能在事故发生时迅速响应，从而减少损失。

5 结论

文章根据化工园区重大危险源的多米诺效应进行了定量分析，提出了基于事件树分析（ETA）和风险传播路径建模的方法。依据对典型化工园区的风险源进行识别与分类，结合多米诺效应模型，定量评估了不同故障源之间的传播概率，结果表明，园区内各设施的故障率对多米诺效应传播有明显影响，特别是反应釜故障引发火灾、储罐泄漏导致爆炸和管道破裂等事件的传播路径。对这些风险场景的分析可以为园区内的安全防控提供科学依据，为风险管控措施的优化、应急预案的制定以及资源的合理配置提供指导。

参考文献

[1]倪平，高越，胡丽条，等.基于多米诺效应的南京化工园区洪水 Natech 风险研究[J].化工环保，2024，44（05）：720-729.

[2]楚志勇，张孝春，蒋君豪，等.考虑多米诺效应的化工园区应急资源调配问题研究[J].安全与环境学报，2024，24（05）：1658-1671.

[3]王琪.化工园区事故多米诺效应的防范及应急对策[J].中国石油和化工标准与质量，2023，43（18）：65-67.

[4]赵景斌，王彦富，王涛，等.安全防护对火灾多米诺效应时空演变的影响[J].南京工业大学学报（自然科学版），2023，45（01）：93-102.

[5]王自龙，蒋勇.某储罐区火灾多米诺效应场景推演[J].火灾科学，2021，30（01）：54-62

作者简介：鲁文毅，女，汉族，1976.12-，江苏南京人，本科，工程师，研究方向：安全管理