故障樹在CNG加氣母站失效分析中的應用

薛榮 王大海 江一舟 劉寬 羅飛

摘要：隨著天然氣行業和城市交通的不斷發展，壓縮天然氣

（CNG）成為現代城市交通能源的重要組成部分，由于CNG具有易燃易爆的特點，其運行設備又處于高壓狀態，一旦發生事故，可能會對場站及周邊地區造成巨大傷害，CNG加氣母站作為生產壓縮天然氣的場所，其安全管理尤為重要。本文通過故障樹分析對CNG加氣母站主要事故進行分析，建立了CNG加氣母站失效故障樹，識別出引起CNG加氣母站失效的主要因素，并提出了相應的安全管理措施，對CNG加氣母站的安全管理有一定的指導意義。

關鍵詞：壓縮天然氣 ?加氣母站 ?故障樹 ?防護措施

0 引言

為了降低汽車廢氣排放，改善大氣環境，壓縮天然氣（ CNG）成為替代汽油、柴油的首選清潔燃料。該燃料能降低汽車運行費用，提高經濟效益，延長汽車設備使用壽命，降低維修費用[1]。由于壓縮天然氣所具有的強大市場發展潛力，近年來， CNG加氣母站的數量逐年增加。但是，天然氣主要成分是甲烷，甲烷為一級可燃氣體，甲類火災危險性，爆炸極限為5%～15%，對空氣的比重為0.55，擴散系數為0.196，具有燃燒速度快、熱值高、易爆炸的特點。相對普通城市燃氣，CNG加氣母站內的氣體為20～25MPa的高壓天然氣。所以CNG加氣母站具有易燃、易爆、易產生靜電、易泄漏等危險特性，同時壓縮機、脫水撬等動設備較多，運行時處于高壓狀態，而CNG加氣母站一般處于城市周邊，一旦發生事故影響較大。因此，加強CNG加氣母站的安全管理，制定科學的安全防護措施，保證CNG加氣母站的連續安全平穩運行，對CNG加氣母站的安全管理具有重要的意義。

1 故障樹分析

1.1 故障樹分析法簡介 故障樹分析法（FTA，Fault Tree Analysis）是對于一些不易形成邏輯圖的復雜系統進行風險識別和評價的一種有效的方法。故障樹分析法采用事件符號、邏輯門符號和轉移符號來描述系統中各種事件之間的因果關系。

故障樹是一種邏輯樹，其樹枝代表系統、子系統或元件的事故事件，節點代表事故事件之間的邏輯關系。邏輯門的輸入事件是輸出事件的“因”，邏輯門的輸出事件是輸入事件的“果”。故障樹的組成是從系統頂事件的根出發逐級向下發展繪制，直到事件概率已知的基本事件為止，在故障樹中表示事件之間最常用的邏輯關系是“與”和“或”。故障樹中采用的圖形符號有很多，表1列出幾種常用的符號。

故障樹分析在系統生產運行中能為事件是否失效提供判斷依據，有助于改進相關技術管理，促進完善的生產運行管理制度的建立，從而做好設備、安全控保裝置、壓力容器等的檢維修計劃和方案，達到預防為主、防治結合的目的。故障樹分析法是從系統到部件，再到零件的“下降形”分析的方法，具有可視性強、邏輯性強的特點，可以做定性分析，也可以做定量分析，體現了以系統工程方法為基礎來研究安全方面問題的系統性、準確性和預測性。

1.2 故障樹分析基本程序

故障樹分析是系統可靠性和安全性分析的工具之一[2]。采用故障樹分析法建立故障樹的基本程序如下：①確定所分析的系統;②熟悉所分析的系統;③調查系統發生的事故;④確定故障樹的頂上事件;⑤調查與頂上事件有關的所有原因事件;⑥故障樹作圖;⑦故障樹定性分析;⑧定量分析;⑨安全性評價。

1.3 CNG加氣母站失效故障樹的建立 CNG加氣母站是為CNG加氣子站供應壓縮天然氣的加氣站，通過壓縮機加壓后充裝給槽車送至CNG加氣子站或城鎮燃氣公司的CNG供應站（儲配站或減壓站），供作汽車發動機燃料或居民、商業、工業企業生活和生產用燃料的系統。CNG加氣母站是一個復雜的系統，包括進站預處理、干燥脫

水、壓縮、冷卻、加氣、儲氣井等系統，其工藝流程如圖1所示。

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圖1 ?CNG加氣母站工藝流程圖

CNG加氣母站設備種類較多，工藝相對復雜，所以引發事故的因素是也多方面的、多層次的。從大量事故分析報告的統計結果來看，CNG加氣母站主要事故類型包括機械傷害、火災爆炸、觸電傷害等。引發事故的危害因素則有違章操作、設計缺陷、人為損壞、設備失效等。

根據選擇頂事件的原則，選取“CNG加氣母站失效”作為頂事件，將主要事故分為機械傷害、火災爆炸、觸電傷害三個類型，并假設這三類事故為獨立事件，然后再以這三類事故為次頂事件，采用類似方法繼續深入分析，直到找到代表各種故障事件的中間事件和底事件[3-7]，建立CNG加氣母站失效故障樹圖，如圖2所示。該故障樹共包含了25個底事件。故障樹中的中間事件符號和底事件事件符號所表示的含義見表2和表3。

表2 ?中間事件含義

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表3 ?底事件含義

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1.4 故障樹定性分析 故障樹分析中，將導致故障樹頂事件發生的數目不可再少的底事件的集合稱為最小割集。圖1所示故障樹中的底事件相互獨立，根據布爾代數法進行邏輯運算和化簡，則有：

T= X1 + X2+X3+X4+X5+X8X10+X8X11+X8X12+X8

X3+X8X14+X9X10+X9X11+X9X12+X9X13+X9X14+X15X10+X15X11+X15X12+X15X13+X15X14+X16X10+X16

X11 + X16 X12 + X16 X13 + 16X14+X17X10+X17X11+X17

X12+X17X13+X17X14+X18X10+X18X11+X18X12+X18

X13+X18X14+X20X21+X22X23

則CNG加氣母站失效故障樹的所有最小割集為：

{X1}，{X2}，{X3}，{X4}，{X5}，{X8，X10}，{X8，X11}，{X8，X12}，{X8，X13}，{X8，X14}，{X9，X10}，{X9，X11}，{X9，X12}，{X9，X13}，{X9，X14}，{X15，X10}，{X15，X11}，{X15，X12}，{X15，X13}，{X15，X14}，{X16，X10}，{X16，X11}，{X16，X12}，{X16，X13}，{X16，X14}，{X17，X10}，{X17，X11}，{X17，X12}，{X17，X13}，{X17，X14}，{X18，X10}，{X18，X11}，{X18，X12}，{X18，X13}，{X18，X14}，{X20，X21}，{X22，X23}

由此可知，該故障樹共有最小割集37個：5個1階最小割集、32個2階最小割集。一般來說，割集中所含基本事件數越少，其發生的概率就越大。因此，5個1階最小割集對整個系統的可靠性影響最大，是系統中的相對的薄弱環節，故引起CNG加氣母站失效的主要因素有：違章操作，斷、送電操作不當，絕緣保護失效，設計缺陷和人為損壞。

2 安全防護措施

CNG加氣母站具有高壓、易燃、易爆的特點，是具有較高危險性的作業場所，生產工藝較多且復雜，一旦出現事故，會產生較大損失或較嚴重后果。通過對故障樹的分析，識別出引起CNG加氣母站失效的主要因素：違章操作，設計缺陷，人為損壞，正常生產防護不當，斷、送電操作不當和設備失效。針對失效原因，給出以下CNG加氣母站安全防護措施建議。

2.1 加強管理制度建設，提高員工操作技能 在日常生產管理中應利用安全活動例會、生產例會和HSE教育不斷學習制度規范，常抓制度管理，使各項規章制度深入人心。做好站內操作人員的安全技術培訓，嚴格按照操作規程進行操作，并根據實際情況進行修改完善，提高員工操作技能。

2.2 加強設備安全管理，注重檢查維修工作 對設計缺陷的地方進行工藝改造。要做好設備的維護保養工作;對調壓、計量監測、脫水、水露點檢測、過濾設備進行定期計劃檢修;定期進行春檢、秋檢，夏季注意消除靜電，冬季做好保溫工作;加強巡檢管理，及時發現和排除隱患，確保設備處于完好狀態。

2.3 嚴格執行門禁管理，規范車輛人員管理 由于CNG加氣母站人員流動大，對于進站人員要做好人員登記、安全教育。對于客戶，認真檢查備案槽車的年度檢測報告等資料，槽車進站前檢查槽車車頭車掛號、余壓、防火帽和安全附件等。對于施工作業人員嚴格執行“兩書一表”，并根據實際情況定期進行修訂完善。

2.4 扎實開展應急演練，提高安全防護意識 每月定期開展天然氣泄漏、緊急切斷閥異常關閉、UPS系統故障等應急演練活動，并對演練效果進行總結和分析，不斷完善應急預案，提高員工應急事故處理能力，使員工從“要我安全”到“我要安全”。

3 結論

本文總結了CNG加氣母站失效的原因，采用故障樹分析法對失效原因進行分析，建立了比較完整的CNG加氣母站失效故障樹，找出了影響CNG加氣母站失效的主要因素，并提出對應的安全防護措施，對CNG加氣母站的安全管理有一定的指導意義。

參考文獻：

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[2]國家標準局.GB7829-87，故障樹分析程序[S].1987-06-03.

[3]劉海燕.天然氣加氣站安全評價[D].西南石油大學碩士論文，2007：18-28.

[4]陳楊，王為民，姜東方，喬偉彪，賀雷.基于故障樹與灰色模糊理論的城市CNG加氣站安全評價[J].中國安全生產科學技術，2011，7（4）：124-125.

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[7]何淑靜，周偉國，嚴銘卿.上海城市燃氣輸配管網失效模糊故障樹分析法[J].同濟大學學報（自然科學版），2005，33（4）：508.

基金項目：本文為惠州市產學研結合項目：太陽能光伏發電逆變系統開發及并網關鍵技術研究（2012B050013004）。