基于故障樹模型的液化石油氣氣瓶爆炸事故分析方法

吉楠 李保緒 羅金恒 李麗鋒

摘 ? 要：針對液化石油氣氣瓶爆炸事故頻發(fā)的現(xiàn)狀，應(yīng)用故障樹模型分析方法，對導(dǎo)致爆炸事故發(fā)生的各風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行分析判斷。通過求解故障樹最小割集和最小徑集，分析事故的發(fā)生路徑和預(yù)防方法，借助各基本事件的結(jié)構(gòu)重要度計(jì)算結(jié)果及排序，制定出減少液化石油氣氣瓶爆炸事故發(fā)生的相應(yīng)對策。

關(guān)鍵詞：液化石油氣氣瓶 ?故障樹模型 ?爆炸事故 ?風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別

中圖分類號(hào)：U491 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2020）05（a）-0123-04

Abstract：Aimed at the frequent occurrence of the explosion of the LPG cylinder，F(xiàn)aulty tree model analysis method is used for estimating the different risk factor that led to the happening of the accidents. The happening path and risk factor are analyzed through the calculation of the minimum cut set and minimum path set. The countermeasures that aiming at reducing the occurrence of the accidents are worked out with the help of the computation and ranking result of the structure importance degree.

Key Words：LPG cylinder;Fault tree model;Explosion accidents;Risk identification

近30年來，液化石油氣鋼瓶作為生活燃?xì)獾妮d體，已在城鄉(xiāng)得到廣泛使用。雖然在進(jìn)入21世紀(jì)后，天然氣作為一種清潔能源，通過管道進(jìn)入千家萬戶，使得民用氣的便捷性和安全性都有極大提高，但是我們同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，天然氣的使用并未使民用液化氣完全淘汰，在廣大的中小城市的老舊居民小區(qū)、流動(dòng)餐飲攤販中，使用液化石油氣鋼瓶作為燃?xì)獾妮d體仍然是主要選擇。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前在役的液化石油氣鋼瓶超2000萬，并且每年還在不斷增長。液化石油氣氣瓶中所充裝的氣體具有易燃易爆的特性，加之氣瓶所具有的移動(dòng)特性，大大增加了氣瓶風(fēng)險(xiǎn)管控的難度，使得液化石油氣氣瓶成為威脅公共安全和社會(huì)穩(wěn)定的風(fēng)險(xiǎn)因素[1-3]。因此，運(yùn)用科學(xué)的方法對液化石油氣氣瓶從制造到使用的全過程中所存在的風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，識(shí)別出高風(fēng)險(xiǎn)因素，建立液化石油氣氣瓶的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系，是保障液化石油氣氣瓶全生命周期服役安全的重要環(huán)節(jié)。

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)安全為目的，運(yùn)用安全系統(tǒng)工程原理和方法，對生產(chǎn)過程和作業(yè)過程中的風(fēng)險(xiǎn)源，包括危險(xiǎn)危害因素、危險(xiǎn)源、隱患、故障等進(jìn)行辨識(shí)和評(píng)估。風(fēng)險(xiǎn)分析方法包括定性分析方法和定量分析方法，其中定性分析方法包括風(fēng)險(xiǎn)可接受準(zhǔn)則、安全檢查表法、風(fēng)險(xiǎn)矩陣等;定量分析方法包括預(yù)先危險(xiǎn)性分析（PHA）、故障模式及影響因素（FMEA）、故障樹分析（FTA）、可操作性研究（OS）、致命性分析（CA）、危險(xiǎn)和可操作性研究（HAZOP）等。本文采用故障樹分析（FTA）方法，識(shí)別液化石油氣氣瓶失效事故中的高風(fēng)險(xiǎn)因素，識(shí)別高風(fēng)險(xiǎn)因素，并制定出風(fēng)險(xiǎn)控制方法，有效的安全生產(chǎn)與使用[4-6]。

1 ?故障樹分析方法

故障樹分析（Fault Tree Analysis，F(xiàn)TA）是一種演繹的系統(tǒng)安全分析方法。它是從要分析的特定事故或故障開始，層層分析其發(fā)生原因，一直分析到不能再分解為止;將特定的事故和各層原因之間用邏輯門符號(hào)連接起來，得到形象、簡潔地表達(dá)出其邏輯關(guān)系的邏輯樹圖形，即故障樹。通過對故障樹簡化、計(jì)算達(dá)到分析、評(píng)價(jià)的目的。故障樹分析方法是一種圖形邏輯演繹方法，包括定性分析和定量分析，定性分析依據(jù)故障樹對所有事件的兩種狀態(tài)（發(fā)生與不發(fā)生）進(jìn)行分析，其目的在于根據(jù)故障樹的結(jié)構(gòu)查明頂上事件的發(fā)生途徑，確定頂上事件的發(fā)生模式、起因及影響程度，為改善系統(tǒng)安全提供可選擇的措施;定量分析是在求出各基本事件發(fā)生概率的情況下，計(jì)算或估算系統(tǒng)頂上事件發(fā)生的概率以及系統(tǒng)的有關(guān)可靠性特性，并以此為據(jù)，綜合考慮事故（頂上事件）的損失嚴(yán)重程度，并與預(yù)定的目標(biāo)進(jìn)行比較[7]。

故障樹中的最小割集是指引起頂事件發(fā)生的最低限度的基本事件的集合，表征了系統(tǒng)的失效途徑，一般需要借助布爾代數(shù)法或行列法等數(shù)學(xué)方法求解。最小徑集是指不引起頂上事件發(fā)生的最低限度基本事件的集合，表征了事故的最佳預(yù)防措施與途徑。通常將故障樹中的“與門”和“或門”互換后得到“成功樹”，借助“成功樹”的最小割集間接得到事故樹的最小徑集[8]。

下面以液化石油氣瓶發(fā)生失效事故為例，通過故障樹分析法定性分析導(dǎo)致事故發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)因素。

2 ?液化石油氣氣瓶爆炸的故障樹分析

2.1 故障樹模型的建立

由于液化石油氣具有易燃易爆的特性，這就決定了液化石油氣氣瓶的危險(xiǎn)主要是爆炸和火災(zāi)[9]。發(fā)生爆炸多為瓶中的氣體壓力超過了氣瓶的承壓能力，而發(fā)生火災(zāi)則是需要在一定的空間內(nèi)有足夠的氣體泄漏，而導(dǎo)致泄漏的原因也是多方面的。通過對大量液化石油氣氣瓶失效安全事故的統(tǒng)計(jì)分析[10]，確定了導(dǎo)致氣瓶發(fā)生失效事故的多方面原因。根據(jù)建立故障樹時(shí)的頂事件確定原則，選取液化石油氣氣瓶失效事故作為頂事件，將火災(zāi)和爆炸這兩種主要的危險(xiǎn)失效事故作為次頂事件，從液化石油氣氣瓶的設(shè)計(jì)、制造、使用、檢驗(yàn)等多方面分析事故的底層原因，從而確定故障樹模型的基本事件。圖1所示為液化石油氣氣瓶失效事故故障樹分析模型，模型中各符號(hào)所代表的相應(yīng)事件見表1。

2.2 故障樹定性分析

（1）最小割集分析。

根據(jù)布爾代數(shù)的計(jì)算方法對事故樹中的最小割集進(jìn)行計(jì)算如下：

T=M1+M2=（X10+X11+X12+X13+X17+X18+X19+X20+X21）×（X14+X15+X16）×X1+（X2+X3+X4+X5+X6+X7）+（X9+X10+X11+X12+X13）×X8

得到液化石油氣氣瓶爆炸故障樹模型中的38個(gè)最小割集，如表2所示。若每個(gè)割集中所包含的所有基本事件都發(fā)生的話，那么便會(huì)導(dǎo)致頂上事件的發(fā)生。

（2）最小徑集。

將液化石油氣氣瓶爆炸故障樹模型中的與門以及或門邏輯關(guān)系取反，即可得到“成功樹”，然后再計(jì)算出“成功樹”的最小割集，即是液化石油氣氣瓶爆炸故障樹模型的最小徑集。

（3）結(jié)構(gòu)重要度。

故障樹中眾多基本事件對頂上事件均產(chǎn)生影響，但影響程度不同，這就需要對基本事件進(jìn)行結(jié)構(gòu)重要度分析。結(jié)構(gòu)重要度主要用以分析各基本事件的發(fā)生對頂事件發(fā)生的影響程度。結(jié)構(gòu)重要度的值如果較高，那么在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估項(xiàng)目的事故樹模型中基本事件導(dǎo)致頂上事件發(fā)生的概率可能性就越大，結(jié)構(gòu)重要度可按如下公式進(jìn)行近似計(jì)算[11]：

（1）

其中，Ii為第i個(gè)基本事件的結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)，Kj為第j個(gè)最小割集，Nj為第i個(gè)基本事件位于Kj中的底事件數(shù)，xi∈Kj表示第i個(gè)子事件屬于第j個(gè)最小割集。由此計(jì)算可得液化石油氣氣瓶爆炸事故故障樹中各基本事件的結(jié)構(gòu)重要度為：

I（X7）=I（X6）=I（X5）=I（X4）=I（X3）=I（X2）>I（X8）>I（X1）>I（X16）=I（X15）=I（X14）>I（X13）=I（X12）=I（X11）=I（X10）>I（X9）>I（X21）=I（X20）=I（X19）=I（X18）=I（X17）

通過對以上液化石油氣氣瓶爆炸事故樹中各個(gè)原因事件的結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)大小的分析，我們能夠得出結(jié)論：基本事件X2～X7的結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)最大，X8的結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)次之，X17～X20的結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)最小。

2.3 事故安全性對策分析

根據(jù)故障樹的定性分析可知，導(dǎo)致液化石油氣氣瓶發(fā)生爆炸的最小割集有38個(gè)，這也就意味著導(dǎo)致爆炸事故發(fā)生的可能性有38種。從各基本事件的結(jié)構(gòu)重要度分析結(jié)果來看，X2（人為加熱）、X3（灌裝地點(diǎn)與使用地點(diǎn)溫差較大）、X4（連續(xù)暴曬）、X5（稱量裝置失效）、X6（未對稱量裝置進(jìn)行稱重）、X7（稱量人員未經(jīng)培訓(xùn)上崗）這7個(gè)基本事件的結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)最大，是液化石油氣氣瓶爆炸事故發(fā)生的重要條件，這就要求我們要相應(yīng)地采取有針對性的措施。其次在氣瓶充裝的過程中，嚴(yán)格執(zhí)行氣瓶充裝操作規(guī)程，充裝地點(diǎn)及充裝條件也要滿足相應(yīng)的規(guī)章制度，對充裝過程中所用到的各類計(jì)量器具要按周期及時(shí)進(jìn)行計(jì)量檢定，操作人員也應(yīng)當(dāng)進(jìn)行培訓(xùn)，并且取得相應(yīng)的資質(zhì)，持證上崗，工商管理部門也要加大巡查力度，嚴(yán)厲查處氣瓶充裝的黑作坊，以保證氣瓶充裝過程的合理合規(guī)。在使用時(shí)要使氣瓶遠(yuǎn)離火爐等熱源，同時(shí)在夏季避免長時(shí)間將氣瓶置于室外的高溫中，以杜絕由于高溫造成瓶內(nèi)氣體膨脹而引發(fā)的氣瓶超壓爆炸事故。

X8（氣瓶未定期檢驗(yàn)）的重要度排在第二位，因此要保證在用氣瓶的定期檢驗(yàn)，及時(shí)淘汰質(zhì)量不合格的氣瓶，這也是保證氣瓶安全使用的重要環(huán)節(jié);X1（空間密閉，排風(fēng)不暢）的重要度排在第三位，這就要求我們在室內(nèi)使用液化氣的過程中保持開窗通風(fēng)，避免由于液化氣泄漏而導(dǎo)致可熱氣體在室內(nèi)的大量聚集。

綜上所述，為避免液化石油氣氣瓶爆炸事故的發(fā)生，可以從2方面入手：

（1）加強(qiáng)氣瓶檢驗(yàn)。各類氣瓶檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)要加強(qiáng)對氣瓶的出廠檢驗(yàn)和定期檢驗(yàn)，一方面可以杜絕質(zhì)量不合格的氣瓶投入市場，另一方面要通過周期檢驗(yàn)及時(shí)淘汰市場中使用時(shí)間較長，存在質(zhì)量問題的問題氣瓶，從質(zhì)量管理方面避免事故的發(fā)生;

（2）加強(qiáng)氣瓶管理。各級(jí)市場監(jiān)管部門應(yīng)加大巡查力度，堅(jiān)決查處市面上所存在的各類非法液化氣灌裝作坊，保證氣瓶充裝過程的合理合規(guī)，同時(shí)也可以避免問題氣瓶在市場上的流通使用。

3 ?結(jié)語

采用故障樹分析方法，定性分析了導(dǎo)致液化石油氣氣瓶爆炸事故發(fā)生的原因，通過結(jié)構(gòu)重要度的分析，明確了人為加熱、空間密閉、充裝過程存在紕漏、氣瓶未定期檢驗(yàn)等因素是氣瓶事故發(fā)生的主要原因，同時(shí)提出了避免事故發(fā)生的兩方面對策：

（1）加強(qiáng)氣瓶檢驗(yàn)。各類氣瓶檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)要加強(qiáng)對氣瓶的出廠檢驗(yàn)和定期檢驗(yàn)，一方面可以杜絕質(zhì)量不合格的氣瓶投入市場，另一方面要通過周期檢驗(yàn)及時(shí)淘汰市場中使用時(shí)間較長，存在質(zhì)量問題的問題氣瓶，從質(zhì)量管理方面避免事故的發(fā)生;

（2）加強(qiáng)氣瓶管理。各級(jí)市場監(jiān)管部門應(yīng)加大巡查力度，堅(jiān)決查處市面上所存在的各類非法液化氣灌裝作坊，保證氣瓶充裝過程的合理合規(guī)，同時(shí)也可以避免問題氣瓶在市場上的流通使用。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉柏林.家用液化石油氣爆炸因素及防治對策[J].中國公共安全：學(xué)術(shù)版，20013（32）：30-32.

[2] 李慎彥.關(guān)于規(guī)范液化石油氣瓶安全管理的思考與建議[J].中國特種設(shè)備安全，2016，32（7）：38-40.

[3] 仇飛，謝浩平，陸益鋒.液化石油氣瓶泄漏原因分析[J].廣東化工，2015，42（22）：170-171.

[4] 楊虹霞，孫有仙.事故樹定性分析法在實(shí)際運(yùn)用中存在的問題[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2011，7（9）：203-206.

[5] 姜宗博.風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)研究及其在承壓設(shè)備中的應(yīng)用[D].北京化工大學(xué)，2013.

[6] 陳偉珂，張欣.?；穬?chǔ)運(yùn)火災(zāi)爆炸事故多因素耦合動(dòng)力學(xué)關(guān)系[J]. 中國安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2017，27（6）：49-54.

[7] 羅云.風(fēng)險(xiǎn)分析與安全評(píng)價(jià)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2015.

[8] 李震，李金林，張勇.基于事故樹模型的海洋平臺(tái)爆炸事故[J]. 中國海洋平臺(tái)，2019，34（2）：34-38，46.

[9] 陳國華.液化石油氣鋼瓶事故綜論[J].中國特種設(shè)備安全，2009，25（9）：29-32.

[10]吳旭正.特種設(shè)備典型事故案例集[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2015.

[11]辜冬梅.車用壓縮天然氣（CNG）氣瓶事故風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[D]. 西南石油大學(xué)，2013.