基于故障树模型的液化石油气气瓶爆炸事故分析方法

吉楠 李保绪 罗金恒 李丽锋

摘   要：针对液化石油气气瓶爆炸事故频发的现状，应用故障树模型分析方法，对导致爆炸事故发生的各风险因素进行分析判断。通过求解故障树最小割集和最小径集，分析事故的发生路径和预防方法，借助各基本事件的结构重要度计算结果及排序，制定出减少液化石油气气瓶爆炸事故发生的相应对策。

关键词：液化石油气气瓶  故障树模型  爆炸事故  风险识别

中图分类号：U491                                   文献标识码：A                       文章编号：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，液化石油气钢瓶作为生活燃气的载体，已在城乡得到广泛使用。虽然在进入21世纪后，天然气作为一种清洁能源，通过管道进入千家万户，使得民用气的便捷性和安全性都有极大提高，但是我们同时可以发现，天然气的使用并未使民用液化气完全淘汰，在广大的中小城市的老旧居民小区、流动餐饮摊贩中，使用液化石油气钢瓶作为燃气的载体仍然是主要选择。据不完全统计，目前在役的液化石油气钢瓶超2000万，并且每年还在不断增长。液化石油气气瓶中所充装的气体具有易燃易爆的特性，加之气瓶所具有的移动特性，大大增加了气瓶风险管控的难度，使得液化石油气气瓶成为威胁公共安全和社会稳定的风险因素[1-3]。因此，运用科学的方法对液化石油气气瓶从制造到使用的全过程中所存在的风险因素进行分析评价，识别出高风险因素，建立液化石油气气瓶的风险评估体系，是保障液化石油气气瓶全生命周期服役安全的重要环节。

风险评价是以实现系统安全为目的，运用安全系统工程原理和方法，对生产过程和作业过程中的风险源，包括危险危害因素、危险源、隐患、故障等进行辨识和评估。风险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风险可接受准则、安全检查表法、风险矩阵等;定量分析方法包括预先危险性分析（PHA）、故障模式及影响因素（FMEA）、故障树分析（FTA）、可操作性研究（OS）、致命性分析（CA）、危险和可操作性研究（HAZOP）等。本文采用故障树分析（FTA）方法，识别液化石油气气瓶失效事故中的高风险因素，识别高风险因素，并制定出风险控制方法，有效的安全生产与使用[4-6]。

1  故障树分析方法

故障树分析（Fault Tree Analysis，FTA）是一种演绎的系统安全分析方法。它是从要分析的特定事故或故障开始，层层分析其发生原因，一直分析到不能再分解为止;将特定的事故和各层原因之间用逻辑门符号连接起来，得到形象、简洁地表达出其逻辑关系的逻辑树图形，即故障树。通过对故障树简化、计算达到分析、评价的目的。故障树分析方法是一种图形逻辑演绎方法，包括定性分析和定量分析，定性分析依据故障树对所有事件的两种状态（发生与不发生）进行分析，其目的在于根据故障树的结构查明顶上事件的发生途径，确定顶上事件的发生模式、起因及影响程度，为改善系统安全提供可选择的措施;定量分析是在求出各基本事件发生概率的情况下，计算或估算系统顶上事件发生的概率以及系统的有关可靠性特性，并以此为据，综合考虑事故（顶上事件）的损失严重程度，并与预定的目标进行比较[7]。

故障树中的最小割集是指引起顶事件发生的最低限度的基本事件的集合，表征了系统的失效途径，一般需要借助布尔代数法或行列法等数学方法求解。最小径集是指不引起顶上事件发生的最低限度基本事件的集合，表征了事故的最佳预防措施与途径。通常将故障树中的“与门”和“或门”互换后得到“成功树”，借助“成功树”的最小割集间接得到事故树的最小径集[8]。

下面以液化石油气瓶发生失效事故为例，通过故障树分析法定性分析导致事故发生风险因素。

2  液化石油气气瓶爆炸的故障树分析

2.1 故障树模型的建立

由于液化石油气具有易燃易爆的特性，这就决定了液化石油气气瓶的危险主要是爆炸和火灾[9]。发生爆炸多为瓶中的气体压力超过了气瓶的承压能力，而发生火灾则是需要在一定的空间内有足够的气体泄漏，而导致泄漏的原因也是多方面的。通过对大量液化石油气气瓶失效安全事故的统计分析[10]，确定了导致气瓶发生失效事故的多方面原因。根据建立故障树时的顶事件确定原则，选取液化石油气气瓶失效事故作为顶事件，将火灾和爆炸这两种主要的危险失效事故作为次顶事件，从液化石油气气瓶的设计、制造、使用、检验等多方面分析事故的底层原因，从而确定故障树模型的基本事件。图1所示为液化石油气气瓶失效事故故障树分析模型，模型中各符号所代表的相应事件见表1。

2.2 故障树定性分析

（1）最小割集分析。

根据布尔代数的计算方法对事故树中的最小割集进行计算如下：

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

得到液化石油气气瓶爆炸故障树模型中的38个最小割集，如表2所示。若每个割集中所包含的所有基本事件都发生的话，那么便会导致顶上事件的发生。

（2）最小径集。

将液化石油气气瓶爆炸故障树模型中的与门以及或门逻辑关系取反，即可得到“成功树”，然后再计算出“成功树”的最小割集，即是液化石油气气瓶爆炸故障树模型的最小径集。

（3）結构重要度。

故障树中众多基本事件对顶上事件均产生影响，但影响程度不同，这就需要对基本事件进行结构重要度分析。结构重要度主要用以分析各基本事件的发生对顶事件发生的影响程度。结构重要度的值如果较高，那么在风险评估项目的事故树模型中基本事件导致顶上事件发生的概率可能性就越大，结构重要度可按如下公式进行近似计算[11]：

（1）

其中，Ii为第i个基本事件的结构重要度系数，Kj为第j个最小割集，Nj为第i个基本事件位于Kj中的底事件数，xi∈Kj表示第i个子事件属于第j个最小割集。由此计算可得液化石油气气瓶爆炸事故故障树中各基本事件的结构重要度为：

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）

通过对以上液化石油气气瓶爆炸事故树中各个原因事件的结构重要度系数大小的分析，我们能够得出结论：基本事件X2～X7的结构重要度系数最大，X8的结构重要度系数次之，X17～X20的结构重要度系数最小。

2.3 事故安全性对策分析

根据故障树的定性分析可知，导致液化石油气气瓶发生爆炸的最小割集有38个，这也就意味着导致爆炸事故发生的可能性有38种。从各基本事件的结构重要度分析结果来看，X2（人为加热）、X3（灌装地点与使用地点温差较大）、X4（连续暴晒）、X5（称量装置失效）、X6（未对称量装置进行称重）、X7（称量人员未经培训上岗）这7个基本事件的结构重要度系数最大，是液化石油气气瓶爆炸事故发生的重要条件，这就要求我们要相应地采取有针对性的措施。其次在气瓶充装的过程中，严格执行气瓶充装操作规程，充装地点及充装条件也要满足相应的规章制度，对充装过程中所用到的各类计量器具要按周期及时进行计量检定，操作人员也应当进行培训，并且取得相应的资质，持证上岗，工商管理部门也要加大巡查力度，严厉查处气瓶充装的黑作坊，以保证气瓶充装过程的合理合规。在使用时要使气瓶远离火炉等热源，同时在夏季避免长时间将气瓶置于室外的高温中，以杜绝由于高温造成瓶内气体膨胀而引发的气瓶超压爆炸事故。

X8（气瓶未定期检验）的重要度排在第二位，因此要保证在用气瓶的定期检验，及时淘汰质量不合格的气瓶，这也是保证气瓶安全使用的重要环节;X1（空间密闭，排风不畅）的重要度排在第三位，这就要求我们在室内使用液化气的过程中保持开窗通风，避免由于液化气泄漏而导致可热气体在室内的大量聚集。

综上所述，为避免液化石油气气瓶爆炸事故的发生，可以从2方面入手：

（1）加强气瓶检验。各类气瓶检验机构要加强对气瓶的出厂检验和定期检验，一方面可以杜绝质量不合格的气瓶投入市场，另一方面要通过周期检验及时淘汰市场中使用时间较长，存在质量问题的问题气瓶，从质量管理方面避免事故的发生;

（2）加强气瓶管理。各级市场监管部门应加大巡查力度，坚决查处市面上所存在的各类非法液化气灌装作坊，保证气瓶充装过程的合理合规，同时也可以避免问题气瓶在市场上的流通使用。

3  结语

采用故障树分析方法，定性分析了导致液化石油气气瓶爆炸事故发生的原因，通过结构重要度的分析，明确了人为加热、空间密闭、充装过程存在纰漏、气瓶未定期检验等因素是气瓶事故发生的主要原因，同时提出了避免事故发生的两方面对策：

（1）加强气瓶检验。各类气瓶检验机构要加强对气瓶的出厂检验和定期检验，一方面可以杜绝质量不合格的气瓶投入市场，另一方面要通过周期检验及时淘汰市场中使用时间较长，存在质量问题的问题气瓶，从质量管理方面避免事故的发生;

（2）加强气瓶管理。各级市场监管部门应加大巡查力度，坚决查处市面上所存在的各类非法液化气灌装作坊，保证气瓶充装过程的合理合规，同时也可以避免问题气瓶在市场上的流通使用。

参考文献

[1] 刘柏林.家用液化石油气爆炸因素及防治对策[J].中国公共安全：学术版，20013（32）：30-32.

[2] 李慎彦.关于规范液化石油气瓶安全管理的思考与建议[J].中国特种设备安全，2016，32（7）：38-40.

[3] 仇飞，谢浩平，陆益锋.液化石油气瓶泄漏原因分析[J].广东化工，2015，42（22）：170-171.

[4] 杨虹霞，孙有仙.事故树定性分析法在实际运用中存在的问题[J].中国安全生产科学技术，2011，7（9）：203-206.

[5] 姜宗博.风险评估技术研究及其在承压设备中的应用[D].北京化工大学，2013.

[6] 陈伟珂，张欣.危化品储运火灾爆炸事故多因素耦合动力学关系[J]. 中国安全科学学报，2017，27（6）：49-54.

[7] 罗云.风险分析与安全评价[M].北京：化学工业出版社，2015.

[8] 李震，李金林，张勇.基于事故树模型的海洋平台爆炸事故[J]. 中国海洋平台，2019，34（2）：34-38，46.

[9] 陈国华.液化石油气钢瓶事故综论[J].中国特种设备安全，2009，25（9）：29-32.

[10]吴旭正.特种设备典型事故案例集[M].北京：化学工业出版社，2015.

[11]辜冬梅.车用压缩天然气（CNG）气瓶事故风险评估[D]. 西南石油大学，2013.