考虑安全屏障不确定性的火灾暴露油罐区动态韧性模型：一种贝叶斯网络方法

《Journal of Loss Prevention in the Process Industries》：A dynamic resilience model of oil tank farms exposed to fire: A Bayesian network approach considering safety barrier uncertainties

　　

**摘要**

化工储罐区发生火灾可能导致严重后果并引发多米诺效应。以往的研究主要集中在储罐区的防火和损失减轻方面，而关于储罐区在火灾情景下的应急响应和韧性研究尚不充分。本研究基于热辐射协同效应和贝叶斯网络理论，构建了油罐区的概率计算网络和韧性模型。该研究考虑了储罐的升级效应，计算了相应的先验概率，并将概率纳入贝叶斯网络中以量化罐区的失效概率。该韧性模型包括韧性指标、韧性能力、韧性评估与量化。本研究同时采用主动和被动安全屏障来定义罐区内危险事故的传播链，量化储罐的系统性能，并评估韧性优化能力。其中，主动屏障和被动屏障分别为水喷淋系统（SPS）和防火涂层材料（FPC）。结果表明，罐区的系统性能和韧性随时间推移逐渐降低。安全屏障对增强罐区的系统性能和韧性具有显著作用。水喷淋系统（SPS）和防火涂层（FPC）提高韧性的效果分别量化为40.68%和32.15%，且SPS的韧性增强效果更为显著。对于被动防火涂层而言，其防护效率ηFPC对系统性能具有显著影响。本研究开发了一种韧性评估和韧性驱动的决策方法，为化工储罐区的损失防控提供了科学依据。

**引言**

化工园区储罐安全是关键的科研优先事项，历史灾难性事故以及持续的风险减轻与管理研究进一步强调了这一关注点（Joseph等，2005）。过程安全与风险管理的评估方法和模型可分为定性、半定量、定量和混合类型（Khan等，2015）。化工园区储罐区火灾经常引发多米诺效应，导致多个油罐同时被引燃并造成灾难性事故，因为此类火灾产生的强烈热负荷会对相邻油罐的壳体结构产生逐步削弱效应，最终导致其结构失效（Bubbico和Mazzarotta，2018；Godoy和Batista-Abreu，2012；Khakzad等，2014；Santos和Landesmann，2014；Wu等，2020）。储罐的损坏形式主要包括屈曲失效，屈曲失效是指油罐受热不均匀，局部区域受非均匀热应力影响，在受压区域产生变形，导致储罐结构突然变化，最终导致储罐破坏甚至坍塌（Burgos等，2015；Salahshour和Fallah，2018；Yang等，2023b）。

当前关于储罐区安全的研究主要集中在四个核心维度：多米诺效应数值模拟、动态定量风险评估、系统性安全韧性分析以及安全屏障预防体系构建。围绕储罐设施受高温火灾暴露下的灾害演化特征，现有研究系统探讨了罐区火灾事故的链式传播规律、设备结构失效机理以及系统性风险的固有相关性。这些工作进一步阐明了火灾载荷下级联灾害扩散和结构失稳失效的基本机制与演化规律，为预防重大罐区事故、分层风险管控以及安全保护体系优化提供了坚实的理论基础。该领域的主流研究成果系统总结如下：

**多米诺效应数值模拟**旨在揭示次生事故的固有传播机理并量化其相应的发生概率。Wang（2014）整合了化工事故的多维度传播因素，采用故障树分析（FTA）结合概率模拟来量化储罐区的次生事故概率。Zhao等（2015）采用固体火焰模型定量分析了热通量对储罐风险的影响，并研究了不同消防能力条件下多米诺效应的作用。后续研究进一步扩展了多米诺效应的事故情景类型和评估维度，涵盖外部冲击引起的储罐失效、爆炸冲击波传播、雷击引发级联事故以及粉尘爆炸多米诺情景（Lauret等，2016；Yang等，2018；Yuan等，2016）。随着数值模拟和概率算法的发展，动态精细的多米诺风险评估成为研究热点。WenHu等（2019）将热辐射和冲击波参数纳入贝叶斯网络模型，揭示了多米诺事故演化中多因素参数的耦合关系。Zhang等（2019）对165起储罐区历史多米诺事故案例进行了统计分析，建立了融合初始事故发生概率、各传播节点升级概率和目标储罐失效概率的传播概率模型。Li等（2021）采用CFD模拟突破了传统叠加方法的局限，揭示了多罐池火协同升级机理。

**动态定量风险评估**主要用于工程系统的系统性风险分析和潜在失效预测。Jinlong等（2021）研究了LPG储罐爆炸冲击波的物理动态特性，建立了数值模型分析冲击波传播规律和储罐链式失效机理。Alauddin等（2021）基于蒙特卡洛方法构建了风险事件树模型，评估了各种干预措施的效果。Su等（2022）将蒙特卡洛算法与基于故障-安全事件模型的实时概率风险计算方法相结合，评估了储罐区火灾引发的多米诺效应，在评估多米诺事故动态概率方面表现出更高的效率和准确性。Yang等（2025）建立了全尺寸住宅爆炸试验平台，进行了实验测试和数值模拟，研究了不同点火位置下典型住宅环境中天然气的爆炸特征和结构失效模式。

**系统安全韧性分析**聚焦于韧性模型的构建和系统可靠性的评估。韧性理论最初源于生态学研究（Holling，1973），后来扩展到工程和城市系统研究，重点关注系统抵御外部扰动、吸收损害和快速恢复稳定运行的能力（Ifejika Speranza等，2014；Khakzad，2015；Meerow等，2016；Tredgold，1818）。在化工安全领域，现有研究已构建了多种韧性评估框架和模型。早期研究从现场运行数据和事故统计特征的角度为化工厂建立了针对性的韧性模型（Palazzi等，2014；Shirali等，2012）。在此基础上，学者们进一步优化了理论体系，提出了园区级安全韧性增强框架和过程韧性分析体系，实现了系统可预测性、可生存性和可恢复性的多维表征（Jain等，2018；Reniers等，2018）。

**储罐安全屏障体系**由一系列工程和管理措施组成，旨在减轻自然灾害和人为灾害引发的不良后果。这些系统旨在减少储罐事故损失并恢复储罐设施的正常运行状态。现有相关研究的主要方法和关键发现总结如下：Amouei等（2022）基于概率、严重性和准备度三个主要组成部分，建立了过程工业安全韧性评估的半定量模型和安全屏障体系。贝叶斯网络（BN）已成为韧性动态评估的主流工具。与安全屏障理论相结合，BN能够有效表征事故扰动下系统状态转移的时间相关概率依赖性（Cincotta等，2019；Tong等，2020；Yodo等，2017）。此外，现有研究集成了三种主流安全屏障分析方法，即混合多准则决策、动态随机量化和功能共振分析。在此基础上，实现了罐区系统的韧性评估，实现了系统安全性能的确定性优化和多维综合评估（Chen等，2021；Zarei等，2021；Zinetullina等，2021）。最新研究进一步将数值模拟与智能算法相结合，以解决事故演化中的不确定性问题，实现对多米诺效应风险和安全屏障系统可靠性的定量评估（Amer等，2023；Gao等，2025；Ou等，2025；Zeng等，2023）。

这些研究可为化工园区储罐区多米诺效应的预防和减轻提供有价值的参考。然而，仍存在若干重要不足。首先，大多数现有模型仅考虑单一物理机制，忽略了多罐之间的热辐射协同效应；同时，相关研究主要集中在单个独立储罐的热力学分析上，而大规模化工罐区多米诺效应传播的系统性探索仍然缺乏。其次，大多数研究采用的概率参数严重依赖确定性假设，无法充分表征安全屏障的随机不确定性。此外，将基于贝叶斯网络的多米诺效应建模与储罐系统的定量韧性评估相结合的研究尚少。第三，针对储罐结构加固和韧性增强以抑制多米诺升级的目标优化策略尚不明确。此外，储罐火灾引发的动态风险演化具有显著的周期性、多维交互性和复杂时空耦合特征。因此，有必要开发先进的多米诺效应减轻和系统性韧性评估方法，这对于提高化工园区的整体安全性和运行可靠性至关重要。

本研究基于热辐射协同理论和贝叶斯网络原理，为油罐区开发了概率计算网络和韧性评估框架。其核心方法创新在于定量失效计算与概率推断的深度融合。具体而言，基于Probit的、考虑热辐射协同效应的失效时间估计被整合到贝叶斯网络概率传播过程中，其中主动和被动安全屏障的随机性能波动被显式纳入概率传递过程。通过时间序列后处理，储罐单元级后验失效概率被进一步映射到系统级动态吸收韧性，实现了对多米诺事故升级过程中从安全屏障不确定性到系统动态韧性的传播机理的定量表征。此外，充分考虑事故升级效应推导相应的先验概率，并将其导入贝叶斯网络以精确量化储罐单元和整个罐系统的失效可能性。所提出的模型整合了韧性指标建立、能力表征、评估流程和定量分析。通过基于主动-被动双重安全屏障的事故传播路径识别，本研究实现了系统运行性能和韧性优化潜力的系统化量化。研究成果为油罐区的韧性导向风险分析和事故预防提供了改进的方法范式。

**部分片段**

**储罐韧性定义**

韧性是一个被广泛采用的概念，但尚无适用于各领域的统一定义。当前研究对工程韧性进行了系统综述，总结了韧性理论在海洋工程领域的核心挑战和发展机遇，并构建了韧性指标框架（Wang等，2023，2025）。Yang等（2023a）开发了深海油气设备运行的动态风险评估方法。

**案例描述**

化工园区罐区具有多样化的危险源且布局相对集中，这使得多米诺效应事故的传播过程高度复杂和不确定。对罐区多米诺事故进行贝叶斯网络（BN）建模和分析，不仅能够直观地可视化多米诺效应传播路径，还有利于定量表征节点间的概率关系。在此基础上，

**讨论**

当化工园区发生池火事故时，火源受空气卷吸效应约束，产生强烈的热辐射，使相邻储罐温度升高，从而引起其Mises应力和结构位移增大。这加剧了事故升级的概率，进而引发多层级多米诺事故，导致灾难性后果。

现有研究主要关注…结论：本研究基于热辐射协同效应和贝叶斯网络理论，构建了油罐区的概率计算网络和韧性模型。本研究考虑了储罐的升级效应，计算了相应的先验概率，并将概率纳入贝叶斯网络以量化罐区的失效概率。本研究采用主动和被动安全屏障来定义…的传播链。CRediT作者贡献声明：肖慎彬：撰写—审阅与编辑，撰写—初稿，方法论。魏立军：撰写—初稿，调查研究，形式分析。多永泉：监督，软件。杨国强：可视化，资源，形式分析。徐益行：软件，调查研究。黄岚：数据管理。张新宇：验证，资源。卢大为：形式分析，数据管理。陈超：监督，方法论，数据管理。利益冲突声明：作者声明，他们不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。致谢：本研究受中华人民共和国应急管理部重点科技项目（2024EMST060602）及四川省国际科技创新合作/港澳台科技创新合作项目（编号：2025YFHZ0176）资助。此外，我们衷心感谢匿名审稿专家。肖慎彬|魏立军|多永泉|杨国强|徐益行|黄岚|张新宇|卢大为|陈超，中国矿业大学（北京）应急管理与安全工程学院，北京，100083，中国