基于故障樹-層次分析法的槽車液化氣泄漏事故致因分析*

高建豐 鄭豫， 倪鎧 李燕菊

1浙江海洋大學石化與能源工程學院2臨港石油液化氣儲運技術國家地方聯合工程實驗室

2020 年6 月13 日，浙江省溫嶺市發生了槽罐車重大爆炸事故，引起了社會的廣泛關注。液化氣（液化天然氣或液化石油氣）在開發利用的同時由于其本身易燃、易爆的特性，不斷給人們帶來安全隱患。如今，液化氣被廣泛應用于各個行業各個地區，這更增大了液化氣泄漏事故的發生概率。液化氣泄漏事故，極有可能引起火災、爆炸，從而導致群體性傷亡事件，造成巨大的社會影響。近幾年我國液化氣泄漏導致的爆炸事故多有發生（表1），本文通過對這些事故的調查分析，找出槽車液化氣泄漏事故發生的根本原因，并提出相應的安全控制策略。

1 故障樹-層次分析法

故障樹是從結果推斷事件原因的指示邏輯樹。故障樹分析是從結果出發，搜索導致頂部事件發生的原因事件，從結果中找出事故發生的直接原因和潛在原因。故障樹分析方法具有邏輯性強、因果關系描述清晰、定量分析等特點。但是，在有些故障樹分析中，基本事件的發生概率無法具體量化，經常使得分析結果出現較大誤差。基于此，引入層次分析法來進行定量分析。層次分析法首先將一個評價對象劃分為若干層次，根據決策者的經驗判斷給予指標量化，并根據層次結構圖確定每一層各個因素的相對重要性權重系數，直到計算出各個指標層相對權數，從而給出優劣次序。采用故障樹分析法和層次分析法相結合的方式確定故障綜合分析權重系數，既能對故障進行量化處理，又能保證邏輯清晰。

表1 2016-2020液化氣泄漏事故不完全統計Tab.1 Incomplete statistics of liquefied gas leakage failures in 2016-2020

故障樹-層次分析法的詳細應用步驟如下：

1.1 構建故障樹模型

根據故障樹構造方法，第一步確定頂事件，然后通過調查等方法找出導致頂事件發生的子事件，直至找到各個基本事件。搜索基本事件后，繪制故障樹，理清基本事件之間的邏輯關系，建立故障樹模型。

1.2 構建層次分析模型

由上一步仔細分析邏輯關系后，將故障樹的基本事件歸類為目標層、準則層、指標層，從而建立層次分析模型。

1.3 影響因素權重計算

影響因素權重計算過程如下：

（1）構造判斷矩陣。判斷矩陣是對于每一個層次中兩兩元素比較而言的，即為找出一個指定的因素，將它與該層內其他指標進行兩兩比較；根據實際情況，對其比較結果進行合理的賦值，將該層次內每一個指標兩兩比較賦值完成后就可得到一個正負反判矩陣，該矩陣表示了各指標的重要性比值分布。本文采用的標度為1～9標度（表2）。

（2）計算因素的相對權重。必須要得到各層次所有指標的相對權重才能反映出各個指標的重要性程度，只得到判斷矩陣是不夠的。于是首先要對判斷矩陣進行歸一化處理，本文應用算術平均法求得權重。數據處理方面用Matlab來求解。（3）一致性檢驗。在構建正負反判斷矩陣時，由于人們意識的主觀性影響和系統本身的復雜性，在比較這兩個指標時，不可能達到判斷的完全一致性。這通常會導致較大的誤差，因此需要測試判斷矩陣的一致性。測試過程如下：

表2 正負反判矩陣1～9標度Tab.2 1 to 9 scale of reciprocal judgement matrix

式中：n為判斷矩陣的階數；λmax為最大特征值[2]。

需要引入平均隨機一致性指標RI來衡量和計算是否有偏差。并通過式（2）計算CR是否小于0.1。若小于0.1則認為判斷矩陣的一致性能夠經受住檢驗。

RI取值詳見表3。

表3 RI 取值Tab.3 RI value

2 實例應用與分析

2.1 建立故障樹模型

通過查閱資料，分析近年來槽車液化氣泄漏事故，采用故障樹作圖法，建立槽車液化氣泄漏事故樹模型（圖1），基本事件符號所代表的含義見表4。

2.2 建立層次分析模型

結合故障樹模型，建立層次分析模型。

圖1 液化氣泄漏事故樹模型Fig.1 Model of liquefied gas leakage fault tree

表4 液化氣泄漏事故的基本事件及其含義Tab.4 Elementary events and implications of liquefied gas leakage failure

其中，以液化氣泄漏事故(A) 作為層次分析模型中的目標層；以槽車泄漏問題(B1)、管線系統故障(B2)、檢修問題(B3)、違規操作問題(B4)作為準則層；以故障樹中的基本事件作為指標層。構建的液化氣泄漏故障層次分析模型見圖2[3]。

2.3 影響因素權重的計算

本文以故障樹的中間事件作為準則層，從槽車泄漏問題、管線系統故障、檢修問題、違規操作問題構建了準則層判斷矩陣B。

圖2 液化氣泄漏事故層次分析模型Fig.2 Analysis model of the level of liquefied gas leakage failure

利用軟件Matlab進行編程計算，得到準則層各因素權重為=[0.110 0，0.102 0，0.380 1，0.407 9]；CI=0.003 5；CR=0.003 9（0.003 9＜0.10）；滿足一致性檢驗要求，說明計算結果能夠經受住檢驗。整理后的計算數據見表5[4]。

表5 A-B 準則層判斷矩陣和各因素的權重值Tab.5 Judgment matrix of A-B criteria layer and the weight value of each factor

按照同樣的方法，構造指標層判斷矩陣，計算各因素權重、一致性指標CI、一致性比率CR，并對判斷矩陣進行一致性檢驗。整理后的計算數據見表6～10[5]。

表6 B1-C(C1～C5)指標層判斷矩陣和各因素的權重值Tab.6 Judgment matrix of B1-C(C1～C5) indicator layer and the weight value of each factor

表7 B2-C(C6～C9)指標層判斷矩陣和各因素的權重值Tab.7 Judgment matrix of B2-C(C6～C9) indicator layer and the weight value of each factor

表8 B3-C(C10～C13)指標層判斷矩陣和各因素的權重值Tab.8 B3-C(C10～C13) indicator layer judgment matrix and weighting values of each factor

表9 B4-C(C14～C19)指標層判斷矩陣和各因素的權重值Tab.9 Judgment matrix of B4-C(C14～C19) indicator layer and the weight value of each factor

以指標層中的第一因子為例，計算出準則層中第一因子的重要性分值。由表可知目標層分值f11＝1.000 0，準則層f21=0.110 0，指標層f31=0.212 1，利用下式可計算該影響因素重要程度的分值，即

同理可計算每個影響因素的重要程度的分值Vi，計算結果見表10。

2.4 致因結果分析

由表10 可以看出，在導致槽車液化氣泄漏事故發生的4個影響因素中，違規操作問題占權重為0.407 9，檢修問題占權重為0.380 1，這說明違規操作問題和檢修問題是導致槽車液化氣泄漏事故發生的主要原因。同時從重要程度分值的分布可以看出，重要程度分值從大到小排在前5 位的分別是：未及時發現問題并制止（22.27%）、操作失誤（17.46%）、未及時檢修管線系統（9.38%）、槽車追尾故障（9.03%）、管道破裂（5.43%）。而其中重要度分值排在前三位的是未及時發現問題并制止、操作失誤、未及時檢修管線系統，三者均為人的不安全行為因素。另外，準則層里的檢修問題和違規操作問題對應的基本影響因素的重要程度分值也普遍偏高。管道破裂因素重要度分值偏高，這也與液化氣管道設施較為復雜，出現破裂時不易排查的實際情況相符合。

表10 每個影響因素的重要程度的分值Tab.10 Scores on the importance of each influencing factor

這些結果與現實中槽車液化氣泄漏事件發生原因的調查結果相一致。因此得出，槽車液化氣泄漏風險定量評估與分析是保證液化氣運輸安全和城市安全的重要手段。深入分析槽車液化氣泄漏事故發生的原因，利用故障樹-層次分析法對液化氣泄漏事故進行了定性和定量分析后，其評價結果與實際情況吻合度較好[6]。

3 故障防控措施

通過以上對槽車液化氣泄漏事故的定量評價，可以看出液化氣泄漏事故的發生往往是多因素綜合作用的結果。單一因素不能導致液化氣泄漏事故的發生。因此，在制定故障預防策略時，必須掌握各種影響因素，并加以綜合考慮。具體防治措施如下[7]：

（1）加大管理力度。從上述定量分析中可清晰地看出，人的不安全行為因素的重要程度分值普遍較高，因此首先要從管理上預防事故的發生。建議如下：①加強操作人員的職業培訓；②檢修人員嚴格執行檢修程序；③增強工作人員的安全意識；④不斷改進和完善檢修制度和管理制度。

（2）嚴格把控槽車質量、降低槽車故障發生率。建議如下：①進入罐車區的罐車必須符合國家有關安全標準，并通過指定的移動式低溫容器檢驗部門的安全鑒定[8]；②做好罐車日常維護和防腐工作，經常維護安全閥和液位計，防止罐車超載和超壓。

（3）降低管線系統故障發生率。建議如下：①需要經常對其進行測試，以確定設備強度是否滿足工作要求，避免出現腐蝕、破損、疲勞等情況；②從技術層面提高管道泄漏檢測系統的敏感度，加強對管線系統的實時檢測[9]。

4 結論

引入層次分析法將故障樹模型轉化為層次分析法模型進行定量分析，將故障樹與層次分析法相結合，克服了故障樹分析方法沒有考慮基本事件本身發生概率而會產生誤差的缺點；對槽車液化氣泄漏故障進行了定量致因分析與評價，得出的結果與實際事故發生情況相吻合[10]。通過研究得出以下結論[11-13]：

（1）導致液化氣泄漏故障發生的主要影響因素為：違規操作問題、檢修問題、槽車泄漏問題和管線系統故障。

（2）人的不安全行為是導致槽車液化氣泄漏的主要原因，包括未及時發現問題并制止、操作失誤、未及時檢修管線系統。

（3）采用故障樹-層次分析法對液化氣泄漏事故原因進行分析和評價，結果與實際情況相吻合，證明該方法在液化氣泄漏事故防治領域具有較高的應用價值。