油庫儲罐區(qū)F&EI-HAZOP-FTA綜合評價模型的建立

趙傳奇， 張巨偉， 張園園， 李晟文

(遼寧石油化工大學 機械工程學院，遼寧 撫順 113001)

油庫儲罐區(qū)F&EI-HAZOP-FTA綜合評價模型的建立

趙傳奇， 張巨偉， 張園園， 李晟文

(遼寧石油化工大學 機械工程學院，遼寧 撫順 113001)

油庫一旦發(fā)生事故，由于油庫的特殊性質(zhì)，必然會對環(huán)境造成影響，不僅破壞周邊設施，而且會導致人員傷亡和財產(chǎn)損失。為了最大限度地降低油庫發(fā)生安全事故的概率，應采取有效的評價方法對油庫進行安全評價。道化學火災爆炸指數(shù)評價法(DOW)是非常適合儲油罐區(qū)安全評價的方法，但是DOW存在嚴重的不足，在詳細分析DOW缺陷的基礎上，建立F&EI-HAZOP-FTA綜合評價模型，通過該模型中的F&EI-HAZOP和HAZOP-FTA子模型并利用三角模糊數(shù)方法，建立了“DOW-工藝危險性影響因素-偏差-保護層失效概率-DOW實際評價”閉環(huán)的數(shù)據(jù)傳輸與共享通道。通過該模型可對油庫儲罐區(qū)進行更加全面的安全評價。

油庫儲罐區(qū)； F&EI-HAZOP-FTA綜合的評價模型； 數(shù)據(jù)傳輸與共享； 三角模糊數(shù)； 安全評價

若要保證石油化工行業(yè)的良性發(fā)展，則必須加強石油化工行業(yè)的安全工作。在現(xiàn)代安全管理中，進行安全分析、評價、預測，是進行事故預防的有效途徑[1]。目前使用比較廣泛的安全評價方法有：SCL(安全檢查表)、PHA(預先危險性分析)、重大危險源評價法、LEC(生產(chǎn)作業(yè)條件安全評價)、DOW(道化學火災爆炸指數(shù)評價法)、HAZOP(危險與可操作性研究)、魚刺圖、FMEA(故障類型及影響分析)、概率風險性評價、ETA(事件樹分析)、日本六階段安全評價法、FTA(事故樹分析)等[2-5]。DOW作為一種最早的指數(shù)法，在油庫儲罐的安全評價中得到了廣泛應用[6-9]。DOW將結(jié)構(gòu)復雜、難以表述的單元危險性進行處理，然后將模糊信息用具體數(shù)據(jù)定量表達，使評價結(jié)果較準確地反映危險程度，從而為有目標、有方向地采取相應的預防、控制措施提供決策依據(jù)。但是，在實際應用中DOW存在缺陷。例如，進行分析時對管理因素考慮較少，并且不能體現(xiàn)許多工藝的操作情況[10]。HAZOP是一種用于辨識設計缺陷、工藝過程危害及操作性問題的結(jié)構(gòu)化方法[10]；FTA不僅能分析出事故發(fā)生的直接原因，而且能深入揭示事故發(fā)生的潛在原因以及事故發(fā)生的主要影響因素[11]。利用三角模糊數(shù)方法處理FTA中基本事件的模糊和不確定問題，用模糊概率表示這些沒有統(tǒng)計資料的基本事件的故障概率[12-14]。

因此，針對各安全評價方法的優(yōu)缺點，本文提出一種綜合的安全評價模型——F&EI-HAZOP-FTA綜合評價模型進行安全評價。首先，建立影響一般工藝危險性和特殊工藝危險性因素與HAZOP偏差對應的通道；其次，分析產(chǎn)生偏差的原因，隨后利用三角模糊數(shù)方法確定偏差原因發(fā)生的概率，然后建立FTA圖，計算保護層失效概率；第三，建立保護層失效概率與影響因素取值對應關系圖；第四，根據(jù)保護層失效概率，確定影響因素最恰當取值。這樣，F(xiàn)&EI、HAZOP和FTA三種安全評價方法被完整地結(jié)合在一起，而且彼此之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ辣淮蛲?，可以有效地實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與共享，利用三種評價方法建立的評價模型進行儲油罐區(qū)的安全評價，可以最大程度地避免主觀的影響因素導致評價結(jié)果的失真。

1 基于道化學評價方法的評價

1.1 評價對象概述

該單位汽油儲罐都是內(nèi)浮頂儲罐，包括容積為2.0×104m3的儲罐3座、容積為1.0×104m3的儲罐1座、容積為0.5×104m3的儲罐2座，汽油儲罐的總?cè)莘e達到8.0×104m3，庫區(qū)總占地面積為20.717 5×104m2。

1.2 物質(zhì)系數(shù)的確定

根據(jù)由美國消防協(xié)會規(guī)定的物質(zhì)可燃性Nf和化學活性(或不穩(wěn)定性)Nr，物質(zhì)系數(shù)可從DOW的附錄A中查到。從附錄中可查得原油的物質(zhì)系數(shù)，汽油的物質(zhì)系數(shù)MF=16。

1.3 工藝單元危險系數(shù)的確定

1.3.1 一般工藝危險系數(shù)F1

(1)放熱化學反應危險系數(shù)及吸熱反應危險系數(shù)。此評價單元中儲罐儲存的是汽油，不會發(fā)生放熱化學反應，也不會發(fā)生吸熱反應，因此汽油儲罐的放熱化學反應危險系數(shù)和吸熱反應危險系數(shù)均取0。

(2)物料處理與輸送危險系數(shù)。因為儲罐內(nèi)是Nf=3的汽油，且儲罐沒有采取任何遮蔽措施，具有發(fā)生火災、爆炸的可能性，因此汽油的物料處理與輸送危險系數(shù)取0.85。

(3)封閉單元或室內(nèi)單元危險系數(shù)。在此評價單元中，儲罐沒有任何遮蔽措施，因此汽油儲罐的封閉單元或室內(nèi)單元危險系數(shù)取0。

(4)通道危險系數(shù)。通向庫區(qū)外面的道路不止一個，因此，根據(jù)選取原則，汽油儲罐的通道危險系數(shù)取0。

(5)泄漏危險系數(shù)。該評價單元周邊是防止油品泄漏時發(fā)生重大事故的地下儲液池，儲液池的容量足夠可以承擔發(fā)生泄漏時泄漏液的轉(zhuǎn)移，可降低事故發(fā)生的可能性。因此泄漏危險系數(shù)取0.50。

(6)一般工藝危險系數(shù)。經(jīng)計算得一般工藝危險系數(shù)：F1=0.85+0.50+1.00=2.35。

1.3.2 特殊工藝危險系數(shù)F2

(1)毒性物質(zhì)危險系數(shù)。根據(jù)汽油物質(zhì)系數(shù)和特性表可知，汽油為低毒物質(zhì)，NH=1.00。根據(jù)公式F2A=0.20NH，計算可得汽油的毒性物質(zhì)危險系數(shù)為0.20。

(2)負壓操作危險系數(shù)。在該評價單元內(nèi)，儲罐的儲存壓力都是常壓，絕對壓力約為0.1 MPa，大于66.7 kPa，因此負壓操作危險系數(shù)取0[2]。

(3)燃燒范圍或其附近的操作危險系數(shù)。本評價單元設置了汽油油氣回收流程，也設置了惰性化氣體氮氣的掃線流程進行回收，但是不能避免氣體的混入，有造成火災、爆炸事故的可能性，因此該危險系數(shù)取0.50。

(4)粉塵爆炸危險系數(shù)。儲罐區(qū)粉塵的濃度遠低于火災爆炸的下限濃度，故儲罐區(qū)不會發(fā)生粉塵爆炸。因此，汽油儲罐的粉塵爆炸危險系數(shù)取0。

(5)釋放壓力危險系數(shù)。該評價單元在常壓即0.1 MPa(14.5磅/英寸2)下操作，所以釋放壓力危險系數(shù)取0.18。

(6)低溫危險系數(shù)。評價單元內(nèi)油罐汽油為常溫條件儲存，即使在冬季天氣氣溫-6 ℃時，由于及時采取保溫措施，溫度不會降到可能發(fā)生火災、爆炸事故的范圍，因此整個評價單元的低溫危險系數(shù)取0。

(7)易燃和不穩(wěn)定物質(zhì)能量的危險系數(shù)。根據(jù)文獻[8]，查得汽油儲罐的該危險系數(shù)為0.47。

(8)腐蝕危險系數(shù)。在評價單元中，儲罐防腐采用涂刷內(nèi)、外防腐漆方式，其他設備及管線防腐采用涂刷外防腐漆方式，同時儲存的液體無腐蝕性，當?shù)氐沫h(huán)境良好，故汽油儲罐的腐蝕危險系數(shù)取0.10。

(9)泄漏-接頭和填料處泄漏的危險系數(shù)。在接頭、墊片和填料處及軸的密封處，由于使用年限已久或者是由于操作失誤，不可避免地產(chǎn)生少量的漏油現(xiàn)象，因此泄漏-接頭和填料處泄漏的危險系數(shù)取0.10。

(10)明火設備使用的危險系數(shù)。明火設備的使用考慮的是工藝過程中的設備，在評價單元內(nèi)，熬制防水或防腐瀝青距離油罐較遠，不是考慮的對象，因此此項危險系數(shù)取0。

(11)熱油交換系統(tǒng)的危險系數(shù)。汽油的儲油罐內(nèi)沒有設置熱油交換系統(tǒng)，因此汽油儲罐的熱油交換系統(tǒng)的危險系數(shù)應取0。

(12)轉(zhuǎn)動設備危險系數(shù)。在評價單元中，油品外運的主要設施為泵。當評價單元中使用功率大于75馬力(約為55.125 kW)時，選取轉(zhuǎn)動設備危險系數(shù)為0.50。

(13)特殊工藝危險系數(shù)。計算特殊工藝危險系數(shù)：F2=0.20+0.50+1.00+0.18+0.47+0.10+0.10+0.50=3.05。

1.3.3 工藝單元危險系數(shù)的確定 工藝單元危險系數(shù)F3=F1F2=7.17。

1.4 火災爆炸指數(shù)(F&EI)的確定

F&EI系數(shù)及危險等級見表1。

表1 F&EI系數(shù)及危險等級

汽油儲罐的工藝單元危險系數(shù)為7.17。由此可確定，其火災爆炸危險指數(shù)為7.17×16=114.72，由表1可知其危險等級為中等。

1.5 安全措施補償系數(shù)的確定

1.5.1 工藝控制補償系數(shù)C1的計算

(1)應急電源補償系數(shù)。本儲油罐區(qū)供電負荷等級為二級，消防電動閥設應急電源，因此補償系數(shù)取0.98。

(2)冷卻補償系數(shù)。庫區(qū)設有消防泵房2座，消防水儲量為9 000 m3，庫區(qū)采用穩(wěn)高壓消防水系統(tǒng)，且在評價單元中設置了備用的冷卻系統(tǒng)，因此冷卻補償系數(shù)取0.97。

(3)抑爆補償系數(shù)。在本評價單元中采用了易爆裝置，因此抑爆補償系數(shù)取1.00。

(4)緊急停車裝置補償系數(shù)。在評價單元中，儲罐區(qū)沒有設置緊急停車裝置，因此緊急停車裝置補償系數(shù)取1.00。

(5)計算機控制補償系數(shù)。儲罐區(qū)能夠在一定程度上減輕工人的負擔，但是不能遙控儲罐區(qū)的重要設備，因此計算機控制補償系數(shù)取0.99。

(6)惰性氣體保護補償系數(shù)。掃線罐的惰性氣體儲量比較大，而且電腦控制吹掃所有的儲罐，因此惰性氣體保護補償系數(shù)取0.94。

(7)操作指南或操作規(guī)程補償系數(shù)。本評價單元均遵守操作規(guī)程且有章可尋，因此此項補償系數(shù)取0.97。

(8)活性化學物質(zhì)檢查補償系數(shù)。評價單元中沒有活性化學物質(zhì)大綱檢查，且員工沒有獲得應用于本職工作的活性化學物質(zhì)指南，因此此項補償系數(shù)取1.00。

(9)其他工藝過程危險分析補償系數(shù)。在本評價單元內(nèi)，采取了安全檢查表評價方法，因此此項補償系數(shù)取0.98。

(10)工藝控制補償系數(shù)。計算工藝控制補償系數(shù)：C1=0.98×0.97×0.99×0.94×0.97×0.98=0.84。

1.5.2 危險性物質(zhì)隔離補償系數(shù)C2的計算

(1)遠距離控制閥補償系數(shù)。在本評價單元中可以遠距離操控閥門，在緊急情況下可以迅速地將儲罐、管線隔離，因此此項補償系數(shù)取0.98。

(2)備用卸料裝置補償系數(shù)。在儲罐區(qū)沒有安裝備用泄料裝置，因此該項補償系數(shù)取1.00。

(3)排放系統(tǒng)補償系數(shù)。該評價單元設置了安全可靠的排放系統(tǒng)，因此排放系統(tǒng)補償系數(shù)取0.97。

(4)聯(lián)鎖裝置補償系數(shù)。所有儲油罐均設有液位檢測及高低限液位報警，高限液位報警與儲罐進口控制閥聯(lián)鎖，低限液位報警與裝船、裝車泵聯(lián)鎖，因此此項補償系數(shù)取0.98。

(5)危險性物質(zhì)隔離補償系數(shù)。計算危險性物質(zhì)隔離補償系數(shù)：C2=0.98×1.00×0.97×0.98=0.93。

1.5.3 防火措施補償系數(shù)C3的計算

(1)泄漏檢測裝置補償系數(shù)。該檢測裝置能夠使系統(tǒng)免受損壞，因此此項補償系數(shù)取0.94。

(2)鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)補償系數(shù)。該汽油儲罐沒有涂抹防止火災發(fā)生的涂料，因此不考慮此補償措施，此項補償系數(shù)取1.00 。

(3)消防水供應補償系數(shù)。油庫內(nèi)設消防水池儲備最大一次消防所需的水量，因此此項補償系數(shù)取0.97。

(4)特殊系統(tǒng)補償系數(shù)。在本評價單元中沒有設置特殊的滅火系統(tǒng)，不考慮此項防火措施，因此此項補償系數(shù)取1.00。

(5)噴灑系統(tǒng)補償系數(shù)。在本評價單元中沒有設置噴灑系統(tǒng)，不考慮此項防火措施，因此此項補償系數(shù)取1.00。

(6)水幕補償系數(shù)。在本評價單元中沒有設置水幕系統(tǒng)，不考慮此項防火措施，因此此項補償系數(shù)取1.00。

(7)泡沫裝置補償系數(shù)。在本評價單元中，固定式泡沫滅火系統(tǒng)采用低倍數(shù)空氣泡沫，此項補償系數(shù)取0.97。

(8)手提式滅火器補償系數(shù)。該評價單元配備固定式干粉滅火裝置及推車式和手提式干粉滅火器，此項補償系數(shù)取0.98。

(9)電纜保護補償系數(shù)。電纜采用直埋敷設方法和與工藝管架共架的電纜橋架敷設相結(jié)合的方式，此項補償系數(shù)取0.94。

(10)防火措施補償系數(shù)。計算防火措施補償系數(shù)：C3=0.94×0.97×0.97×0.98×0.94=0.81。

1.5.4 安全措施補償系數(shù)的確定 安全措施補償系數(shù)確定如下：C=C1C2C3=0.84×0.93×0.81=0.63。

1.6 暴露面積的確定

暴露半徑用R=F&EI×0.84×0.304 8求得[8]，然后根據(jù)暴露半徑求出暴露區(qū)域面積S=πR2。計算可得暴露半徑為29.37 m，暴露面積為2 708.55 m2。

1.7 最大可能財產(chǎn)損失(MPPD)的確定

該汽油儲罐區(qū)原來成本為120萬元，價格增長系數(shù)為1.1，財產(chǎn)(指更換)價值=原成本×0.82×增長系數(shù)=108.24(萬元)；危害系數(shù)確定為0.62，基本最大可能財產(chǎn)損失(基本MPPD)=暴露區(qū)域的更換價值×危害系數(shù)=67.11(萬元)。

1.8 實際最大可能財產(chǎn)損失(實際MPPD)的確定

實際MPPD=基本最大可能財產(chǎn)損失×安全措施補償系數(shù)=67.11×0.63=42.28(萬元)。

2 汽油儲罐區(qū)火災爆炸后果的綜合評價

2.1 F&EI-HAZOP子模型的建立

建立F&EI-HAZOP子模型的關鍵是建立影響一般工藝危險性和特殊工藝危險性因素與偏差數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ馈Ｓ绊懸话愎に囄ｋU性的因素有：吸熱反應及放熱化學反應、物料處理與輸送、密閉式或室內(nèi)工藝單元、通道、排放和泄漏控制；影響特殊工藝危險性的因素有：毒性物質(zhì)、負壓、易燃范圍內(nèi)及接近易燃范圍的操作惰性化、低溫、易燃及不穩(wěn)定物質(zhì)的質(zhì)量、腐蝕與磨蝕、接頭和填料處的泄漏、明火設備的使用、熱油交換系統(tǒng)、轉(zhuǎn)動設備。

所建立的F&EI-HAZOP子模型如圖1所示。圖1中，影響因素及衍生偏差后括號內(nèi)的數(shù)字為各種危險影響因素及衍生偏差的代碼。

圖1 F&EI-HAZOP子模型

2.2 HAZOP-FTA子模型的建立

所建立的HAZOP-FTA子模型如圖2所示，圖2中，n表示可能發(fā)生的所有基本事件的數(shù)量。在實際分析過程中，產(chǎn)生不同偏差的原因數(shù)量可能不同，每個保護層事故樹圖的原因事件數(shù)量也不一定相同，實際系統(tǒng)不一定每個保護層都需要考慮，根據(jù)實際情況，分析特別需要考慮的保護層。

圖2 HAZOP-FTA子模型

2.3 基于F&EI-HAZOP子模型的汽油儲罐區(qū)偏差的確定

2.3.1 汽油儲罐區(qū)的偏差 汽油儲罐區(qū)的影響因素及偏差見表2。

2.3.2 偏差原因及發(fā)生概率的確定 本文對于偏差的發(fā)生概率運用了三角模糊數(shù)方法進行確定，對于無法獲得精確概率的基本事件，采用專家打分法，一般選用3人以上的專家組成評估小組。對于專家給出的概率值采用3σ法進行模糊處理。取各基本事件概率的均值為m，方差為σ，假設各基本事件的概率值服從正態(tài)分布，又設a=b=3σ，將各個基本事件的概率模糊表征為：<3σ，m，3σ>，然后取其平均發(fā)生概率。

表2 汽油儲罐區(qū)的影響因素及偏差

(1)

式中，xk為第k相的概率值，k=1，2，3，…，n。

本文通過3人組成的專家對基本事件發(fā)生的概率進行打分，再利用式(1)和3σ法確定基本事件的模糊概率，然后取其平均發(fā)生概率。偏差原因及其發(fā)生概率見表3。

表3 偏差原因及其發(fā)生概率

續(xù)表3

2.4 基于HAZOP-FTA子模型的汽油儲罐區(qū)保護層失效概率的計算

1c與1e保護層失效FTA圖如圖3所示。圖3中，xij表示各偏差發(fā)生的概率，i為1至5的整數(shù)，j表示保護層c或e；T代表偏差類型。

(a) 1c

(b) 1e

1c保護層失效概率：

pTc=1-(1-x1c)(1-x2c)(1-x3c)· (1-x4c)(1-x5c)

=1-(1-1.0×10-3)(1-3.0×10-3)· (1-5.0×10-3)(1-80.0×10-3)· (1-50.0×10-3)

=0.13

1e保護層失效概率：

pTe=1-(1-x1e)(1-x2e)(1-x3e)· (1-x4e)(1-x5e)

=1-(1-0.1×10-3)(1-1.0×10-3)· (1-60.0×10-3)(1-30.0×10-3)· (1-60.0×10-3)

=0.14

按同樣的方法，可計算其他保護層的失效概率，結(jié)果見表4。

表4 各保護層的失效概率

2.5 基于F&EI-HAZOP-FTA綜合評價模型的汽油儲罐區(qū)新增風險分析

根據(jù)保護層失效概率可知，汽油儲罐一般工藝危險性考慮人為因素增加的風險為1c層、1e層、1f層保護層失效概率之和，即：

F1增=0.13+0.14+0.16=0.43

汽油儲罐特殊工藝危險性考慮人為因素增加的風險為2c層、2d層、2f層、2g層保護層失效概率之和，即：

F2增=0.11+0.06+0.07+0.38=0.62

汽油儲罐工藝危險性對比見表5。

表5 汽油儲罐工藝危險性風險對比

2.6 汽油儲罐區(qū)最初評價結(jié)果與實際風險綜合評估結(jié)果

汽油儲罐區(qū)最初評價結(jié)果與實際風險綜合評估結(jié)果見表6。由表6可知，采用綜合評估模型進行風險補償之后，汽油儲罐區(qū)的危險等級由中等變?yōu)榉浅４?，而且由于工藝危險性的增加，危害系統(tǒng)和暴露面積相應地增加，財產(chǎn)損失也相應地變大。

表6 汽油儲罐區(qū)最初評價結(jié)果與實際風險綜合評估結(jié)果

3 結(jié) 論

(1)利用F&EI-HAZOP子模型，得到了汽油儲罐區(qū)的一般工藝危險性和特殊工藝危險性的影響因素與偏差數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ?，確定了偏差產(chǎn)生的原因，彌補了DOW對管理因素考慮較少的缺陷。

(2)利用HAZOP-FTA子模型，得到了一般工藝危險性因素3個可能失效的保護層及特殊工藝危險性4個可能失效的保護層，繪制保護層失效FTA圖；利用三角模糊數(shù)方法確定了各偏差原因的發(fā)生概率，利用FTA圖確定了保護層失效的概率；根據(jù)保護層失效的概率，確定了一般工藝危險性和特殊工藝危險性新增的風險。

(3)根據(jù)新增的風險，采用綜合評估模型進行風險補償之后，汽油儲罐區(qū)的危險等級由中等變?yōu)榉浅４?，而且由于工藝危險性的增加，危害系統(tǒng)和暴露面積相應增加，財產(chǎn)損失也相應變大。

(4)采用F&EI-HAZOP-FTA綜合的評價模型，可以更全面合理地分析油庫儲罐區(qū)的安全隱患，為系統(tǒng)安全分析提供一種新的途徑。F&EI-HAZOP-FTA綜合評價模型為了從根本上保證油庫儲罐區(qū)的安全提供了理論支撐。

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(編輯 宋錦玉)

Establishment of the Oil Storage Tank Area F&EI-HAZOP-FTA Comprehensive Evaluation Model

Zhao Chuanqi， Zhang Juwei， Zhang Yuanyuan， Li Shengwen

(SchoolofMechanicalEngineering，LiaoningShihuaUniversity，F(xiàn)ushunLiaoning113001，China)

Due to the special nature of oil depot, the occasional accident happening in the oil depot would damage the surrounding facilities, which inevitably would lead to a large number of casualties and property losses masses. To minimize the probability of oil depot safety accidents, the effective evaluation methods should be adopted for the oil depot safety evaluation. DOW was the evaluation method of safety evaluation which was very suitable for oil tank area. But DOW chemical evaluation method also had serious deficiencies. By the detailed analysis of the flaws of the DOW chemical evaluation method on the basis, the F&EI-HAZOP-FTA comprehensive evaluation model was established. Through the model of F&EI-HAZOP and HAZOP-FTA model, the "preliminary evaluation of DOW chemical process risk factors-deviation, protective layer failure probability, DOW chemical actual evaluation" closed-loop channel of data transmission and sharing was found. The safety assessment to oil tank area could be obtained more comprehensive through the model.

Oil storage tank area； F&EI-HAZOP-FTA comprehensive evaluation model； Data transfer and sharing； Triangular fuzzy number； The safety evaluation

1672-6952(2017)01-0053-08

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2016-05-10

2016-07-10

趙傳奇(1990-)，男，碩士研究生，從事石化設備安全評價、結(jié)構(gòu)完整性及災害預防方面的研究；E-mail：1143161010@qq.com。

張巨偉(1962-)，男，碩士，教授，從事安全工程、石油化工設備的安全評價等方面的研究；E-mail：z6682201@126.com。

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10.3969/j.issn.1672-6952.2017.01.011