基于最小割集的LNG船火災和爆炸分析

（遼寧石油化工大學 石油天然氣工程學院，遼寧 撫順 113001）

基于最小割集的LNG船火災和爆炸分析

馬洪建，劉寶玉，譚 磊，陳 印，曹彥青

（遼寧石油化工大學 石油天然氣工程學院，遼寧 撫順 113001）

對引起LNG船發生火災、爆炸的諸因素進行研究，建立了以LNG船作為頂事件的事故樹，利用最小割集法對影響LNG船火災和爆炸的諸因素進行分析，并將底事件的重要度系數加權到分析中，進而提出提高LNG船安全的相應方法和改進措施。

LNG船；最小割集法；事故樹；安全

近年來LNG由于其優良的特性被許多國家廣泛使用，由于國與國之間的距離，特別是跨海的距離，使得LNG船也得到廣泛的使用。LNG船是國際公認的高技術、高難度、高附加值的“三高”產品，LNG船是在-162 ℃低溫下運輸液化氣的專用船舶， 是一種“海上超級冷凍車”，被喻為世界造船“皇冠上的明珠”，目前只有美國、中國、日本、韓國和歐洲的少數幾個國家的13家船廠能夠建造。

由于LNG船高昂的造價，獨特的特性，航行的安全，以及LNG特殊的低溫保存要求，對于LNG船的安全防護問題越來越受到各國的重視。因此，開展LNG船火災和爆炸分析的重要性日漸凸顯［1］。

事故樹這種分析方法的提出，最早是由美國的貝爾電話研究所在1961年提出的。其后，美國原子能委員會公開發表的《拉姆遜報告》，使得這種分析的方法得到了普及，得到了人們的重視。

利用事故樹來分析問題，成為許多行業進行系統安全分析的有效方式，而最小割集法是事故樹分析的兩種重要方法。最小割集法主要特點是能夠將任意復雜的單調系統簡化成等值的串并聯結構，從而可以方便地求得系統的可靠度。

本文通過對LNG船火災和爆炸分析，并引入底事件的重要度系數作為權重，使得各影響因素的作用更加明顯，從而為提出相應的安全措施提供了參考和依據［2］。

1 最小割集法

1.1 事故樹簡介

1961年，為了評價民兵式導彈控制系統的安全，Bell實驗室的Watson首次提出了事故樹分析的概念。波音公司的分析人員改進了事故樹分析技術，使之便于應用數字計算機進行定量分析。在隨后的十年中，特別是航天工業在該項分析技術的精細化和應用方面，取得了巨大進展［3］。

1.2 最小割集法簡介

割集，有時也被稱為截止集、截集。割集是一系列事件的組合，這些事件被稱為基本事件，基本事件致使頂事件的發生。我們把這一組致使頂事件發生的基本事件稱作割集。其中，基本事件的限度最低的割集，我們稱為最小割集。

其求解方法一般有三種：行列法、結構法、布爾代數化簡法。其中，布爾代數化簡法最為簡單，較為普遍采用。

1.2.1 行列法

行列法是1972年福塞爾提出的方法，所以也稱其為福塞爾法。其理論依據是：“與門”使割集容

量增加，而不增加割集的數量；“或門”使割集的數量增加，而不增加割集的容量。這種方法是從頂上事件開始，用下一層事件代替上一層事件，把“與門”連接的事件，按行橫向排列；把“或門”連接的事件，按列縱橫向擺開。這樣，逐層向下，直至各基本事件，列出若干行，最后利用布爾代數化簡。化簡結果，就得出若干最小割集。

1.2.2 結構法

這種方法的理論根據是：事故樹的結構完全可以用最小割集來表示。

1.2.3 布爾代數化簡法

這種方法的理論依據是：上述結構法完全和布爾代數化簡事故樹法相似，所不同的只是“∪”與“+”的問題。實質上，布爾代數化簡法中的“+”和結構式中的“∪”是一致的。這樣，用布爾代數化簡法，就能求出構成事故樹的所有最小割集情況。

2 建立LNG船火災、爆炸事故樹

依據相關理論，取LNG船火災和爆炸A為整個事故樹的頂事件，然后分析可能引起頂事件發生的所有因素，逐級建立事故樹。

引起LNG船火災、爆炸的主要原因可以分成兩種：一種是內壓升高導致的，另一種是由于LNG泄漏，遇明火發生的［4］。

建立的事故樹如圖1所示。

圖1 LNG船火災爆炸事故樹圖Fig.1 LNG ship’s fire and explosion tree

其中：A——LNG船火災爆炸

B1——由火災引起的爆炸

B2——由超壓引起的爆炸

C1——泄漏

C2——火源

C3——安全閥失效

D1——明火

D2——撞擊火花

D3——靜電

Y1——通風不良

Y2——閥門損壞失效

Y3——儲罐泄漏

Y4——管線泄漏

Y5——吸煙

Y6——違章動火

Y7——儲罐靜電

Y8——人體靜電

Y9——絕熱層損壞

Y10——選型不當

Y11——安全閥損壞

從以上分析可以看出，引起LNG船火災和爆炸事故的原因可以分成兩大類，一類是人為因素，另一類是非人類因素。人為因素主要指員工意識不強，違反操作規程的行為；非人為因素系指管線老化破裂等。

3 基于最小割集的LNG船火災和爆炸分析

3.1 最小割集分析

我們從事故樹的分析方法不能看出，最小割集是事故發生的最小單位，所以我們分析的目的就是找出事故樹的所有最小割集，進而找尋事件故障或導致事件發生的所有可能因素，從而確定出整個系統的薄弱環節，為改善改進提供參考和依據［5］。

由圖1所示，并結合最小割集的有關理論，我們很容易得到LNG船火災爆炸事故樹的最小割集為：Y1Y2Y5，Y1Y2Y6，Y1Y2Y7，Y1Y2Y8，Y1Y3Y5，Y1Y3Y6，Y1Y3Y7，Y1Y3Y8，Y1Y4Y5，Y1Y4Y6，Y1Y4Y7，Y1Y4Y8，Y9Y10，Y9Y11。

由該結果可知，LNG船火災爆炸事故樹有12個三階最小割集和2個二階最小割集。從割集的相關理論我們可以知道，割集中各影響因素的作用程度并不是相等的，這就牽涉到結構重要度的問題。

3.2 底事件結構重要度分析

底事件結構重要度的計算公式如下：

其中：k——該事件中最小割集的個數；

Er——第r個最小割集；

mr——最小割集 中含有的基本事件個數；

Xi——第i個基本事件；

Ik(i)——基本事件 的割集重要度系數。

運用該公式計算各事件的重要度數數，可得：

從以上計算的結果我們可以看出，Y14(1)最大，為2/7，代表閥門損壞為引起LNG船火災和爆炸事故最為常見的原因之一，其次，吸煙、違章動火和人體靜電也是誘發LNG船火災和爆炸事故的重要原因之一。這些人為原因可以杜絕，應加強相關工

作人員的責任意識和工作培訓［6］。

4 結果分析及安全措施

由前面的計算結果我們可以看到，引起LNG船火災和爆炸事故發生最重要的底事件是通風不良，其次是閥門損壞失效、儲罐泄漏和管線泄漏。另外，人為的主觀性原因必須嚴格控制，如吸煙問題和防護服的穿戴［7］。建議采取的相關措施如下：

（1）采用合理的通風措施，使罐區保持通風。

（2）采用特殊的建造工藝［8-9］。

（3）選用型號匹配的閥門，并經常檢查，一旦發現問題應及時更換。

（4）在罐區裝配一定數量的監測儀，一旦出現LNG泄漏的情況，可以及時發生警報。

（5）經常檢查各管線，發現問題及時更換。

（6）進入工作區，應嚴格穿戴防靜電服。

（7）嚴格禁止在工作區吸煙，工作區內未經審批不得動用明火。

（8）加強對LNG船舶海事安全監督管理的研究，從而最大程度地降低LNG停泊、卸載作業時的風險［10］。

（9）強化員工培訓，全面提高工作人員的技術素質和操作水平［11］。

［1］ 孫慶國．LNG船舶航運安全體系研究[J]．交通企業管理，2013（1）：28－30．

［2］ 譚四紅，劉慶輝．LNG槽船裝卸臨時性重大危險源事故風險評價[J]．煤氣與熱力，2010，30（8）：10－13.

［3］ 機械工業部生產管理局．事故樹分析與應用[M]．北京：機械工業出版社，1986．

［4］ 于庭安，戴興國．LNG儲罐火災和爆炸事故樹分析[J]．中國安全科學學報，2007，17（8）：110－114．

［5］ 梁金桂．LNG海上安全運輸分析[J]．水運管理，2006，28（9）：27-29．

［6］ 錢眾，伍鍵東．LNG儲存工藝的火災危險性分析[J]．消防科學與技術，2006，25（4）：527－529．

［7］ 陳國華，成松柏．LNG泄漏事故后果模擬與定量風險評估[J]．天然氣工業，27（6）：133－135．

［8］ 深圳海事局，洪匯勇，江玉國,等．LNG船舶海上運輸的風險分析及其控制[J]．航海技術，2008（4）：33－35．

［9］ 奚大治. 爆炸和火災危險環境的施工管理［J］. 遼寧化工，2013, 42（5）: 547.

［10］ 劉良喜．LNG船舶在港期間海事監管的安全性探討[J]．天津航海，2010（2）：30－32．

［11］黃鄭華．LNG船火災爆炸危險性評估與事故預防[J]．油氣儲運，2011，30（5）：340-342．

Analysis on LNG Ship Fire and Explosion Based on Minimal Cut Sets

MA Hong-jian，LIU Bao-yu，TIAN Lei，CHEN Yi，CAO Yan-qing
（College of Petroleum and Natural Gas Engineering,Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001, China）

Various factors to cause fire and explosion of LNG ship were studied, the fault tree using a LNG carrier as the top event was established, various factors to affect LNG ship fire and explosion were analyzed by the minimal cut set method, and the bottom important events weighting coefficients were taken into account, then corresponding methods and improvement measures to increase LNG ship safety were put forward.

LNG ship; Linimal cut set method; Fault tree; Safe

TE 88

： A

： 1671-0460（2014）01-0051-03

2013-06-05

馬洪建（1983-），男，山東東營人，遼寧石油化工大學油氣儲運工程專業在讀碩士研究生，研究方向為：LNG埋地管道預冷研究。E-mail:173576019@qq.com。