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的現狀，應用故障樹模型分析方法，對導致爆炸事故發生的各風險因素進行分析判斷。通過求解故障樹最小割集和最小徑集，分析事故的發生路徑和預防方法，借助各基本事件的結構重要度計算結果及排序，制定出減少液化石油氣氣瓶爆炸事故發生的相應對策。

關鍵詞：液化石油氣氣瓶 ?故障樹模型 ?爆炸事故 ?風險識別

中圖分類號：U491 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）05（a）-0123-04

Abstract：Aimed at the frequent occurrence of the explosion of the LPG cylinder，Faulty 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氣的載體，已在城鄉得到廣泛使用。雖然在進入21世紀后，天然氣作為一種清潔能源，通過管道進入千家萬戶，使得民用氣的便捷性和安全性都有極大提高，但是我們同時可以發現，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、流動餐飲攤販中，使用液化石油氣鋼瓶作為燃氣的載體仍然是主要選擇。據不完全統計，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特性，大大增加了氣瓶風險管控的難度，使得液化石油氣氣瓶成為威脅公共安全和社會穩定的風險因素[1-3]。因此，運用科學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險因素進行分析評價，識別出高風險因素，建立液化石油氣氣瓶的風險評估體系，是保障液化石油氣氣瓶全生命周期服役安全的重要環節。

風險評價是以實現系統安全為目的，運用安全系統工程原理和方法，對生產過程和作業過程中的風險源，包括危險危害因素、危險源、隱患、故障等進行辨識和評估。風險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險可接受準則、安全檢查表法、風險矩陣等;定量分析方法包括預先危險性分析（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）、危險和可操作性研究（HAZOP）等。本文采用故障樹分析（FTA）方法，識別液化石油氣氣瓶失效事故中的高風險因素，識別高風險因素，并制定出風險控制方法，有效的安全生產與使用[4-6]。

1 ?故障樹分析方法

故障樹分析（Fault Tree Analysis，FTA）是一種演繹的系統安全分析方法。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連接起來，得到形象、簡潔地表達出其邏輯關系的邏輯樹圖形，即故障樹。通過對故障樹簡化、計算達到分析、評價的目的。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，定性分析依據故障樹對所有事件的兩種狀態（發生與不發生）進行分析，其目的在于根據故障樹的結構查明頂上事件的發生途徑，確定頂上事件的發生模式、起因及影響程度，為改善系統安全提供可選擇的措施;定量分析是在求出各基本事件發生概率的情況下，計算或估算系統頂上事件發生的概率以及系統的有關可靠性特性，并以此為據，綜合考慮事故（頂上事件）的損失嚴重程度，并與預定的目標進行比較[7]。

故障樹中的最小割集是指引起頂事件發生的最低限度的基本事件的集合，表征了系統的失效途徑，一般需要借助布爾代數法或行列法等數學方法求解。最小徑集是指不引起頂上事件發生的最低限度基本事件的集合，表征了事故的最佳預防措施與途徑。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生失效事故為例，通過故障樹分析法定性分析導致事故發生風險因素。

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主要是爆炸和火災[9]。發生爆炸多為瓶中的氣體壓力超過了氣瓶的承壓能力，而發生火災則是需要在一定的空間內有足夠的氣體泄漏，而導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計分析[10]，確定了導致氣瓶發生失效事故的多方面原因。根據建立故障樹時的頂事件確定原則，選取液化石油氣氣瓶失效事故作為頂事件，將火災和爆炸這兩種主要的危險失效事故作為次頂事件，從液化石油氣氣瓶的設計、制造、使用、檢驗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，模型中各符號所代表的相應事件見表1。

2.2 故障樹定性分析

（1）最小割集分析。

根據布爾代數的計算方法對事故樹中的最小割集進行計算如下：

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個最小割集，如表2所示。若每個割集中所包含的所有基本事件都發生的話，那么便會導致頂上事件的發生。

（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系取反，即可得到“成功樹”，然后再計算出“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）結構重要度。

故障樹中眾多基本事件對頂上事件均產生影響，但影響程度不同，這就需要對基本事件進行結構重要度分析。結構重要度主要用以分析各基本事件的發生對頂事件發生的影響程度。結構重要度的值如果較高，那么在風險評估項目的事故樹模型中基本事件導致頂上事件發生的概率可能性就越大，結構重要度可按如下公式進行近似計算[11]：

（1）

其中，Ii為第i個基本事件的結構重要度系數，Kj為第j個最小割集，Nj為第i個基本事件位于Kj中的底事件數，xi∈Kj表示第i個子事件屬于第j個最小割集。由此計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構重要度為：

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原因事件的結構重要度系數大小的分析，我們能夠得出結論：基本事件X2～X7的結構重要度系數最大，X8的結構重要度系數次之，X17～X20的結構重要度系數最小。

2.3 事故安全性對策分析

根據故障樹的定性分析可知，導致液化石油氣氣瓶發生爆炸的最小割集有38個，這也就意味著導致爆炸事故發生的可能性有38種。從各基本事件的結構重要度分析結果來看，X2（人為加熱）、X3（灌裝地點與使用地點溫差較大）、X4（連續暴曬）、X5（稱量裝置失效）、X6（未對稱量裝置進行稱重）、X7（稱量人員未經培訓上崗）這7個基本事件的結構重要度系數最大，是液化石油氣氣瓶爆炸事故發生的重要條件，這就要求我們要相應地采取有針對性的措施。其次在氣瓶充裝的過程中，嚴格執行氣瓶充裝操作規程，充裝地點及充裝條件也要滿足相應的規章制度，對充裝過程中所用到的各類計量器具要按周期及時進行計量檢定，操作人員也應當進行培訓，并且取得相應的資質，持證上崗，工商管理部門也要加大巡查力度，嚴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。在使用時要使氣瓶遠離火爐等熱源，同時在夏季避免長時間將氣瓶置于室外的高溫中，以杜絕由于高溫造成瓶內氣體膨脹而引發的氣瓶超壓爆炸事故。

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

綜上所述，為避免液化石油氣氣瓶爆炸事故的發生，可以從2方面入手：

（1）加強氣瓶檢驗。各類氣瓶檢驗機構要加強對氣瓶的出廠檢驗和定期檢驗，一方面可以杜絕質量不合格的氣瓶投入市場，另一方面要通過周期檢驗及時淘汰市場中使用時間較長，存在質量問題的問題氣瓶，從質量管理方面避免事故的發生;

（2）加強氣瓶管理。各級市場監管部門應加大巡查力度，堅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，同時也可以避免問題氣瓶在市場上的流通使用。

3 ?結語

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

（1）加強氣瓶檢驗。各類氣瓶檢驗機構要加強對氣瓶的出廠檢驗和定期檢驗，一方面可以杜絕質量不合格的氣瓶投入市場，另一方面要通過周期檢驗及時淘汰市場中使用時間較長，存在質量問題的問題氣瓶，從質量管理方面避免事故的發生;

（2）加強氣瓶管理。各級市場監管部門應加大巡查力度，堅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，同時也可以避免問題氣瓶在市場上的流通使用。

參考文獻

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