事故树分析法在LPG储罐火灾爆炸事故中的应用

第8卷第1期2012年1月

中国安全生产科学技术

Journal of Safety Science and Technology

Vol．8No．1

Jan．2012

文章编号:1673－193X(2012)－01－0154－06

事故树分析法在LPG储罐火灾爆炸事故中的应用

郝彩霞1，许彦2，龚声武1

(1.湖南安全技术职业学院，长沙410151)

(2.湖南宁乡安监局，长沙410600)

摘要:LPG(液化石油气)属于危险化学品之一，LPG储罐发生火灾爆炸的机率大，造成的损失比

较严重，故对其火灾爆炸事故进行研究具有重要意义。LPG储罐爆炸根据其发生机理分为化学爆

炸(燃爆)和物理爆炸两种模式。本文通过对LPG储罐燃爆﹑物理爆炸两类事故进行系统分析，

建立了以LPG储罐燃爆、物理爆炸为顶事件的事故树。通过对其事故树的定性分析，得到了影响

顶事件的各个最小割(径)集。通过计算底事件的结构重要度，确定了影响LPG储罐火灾爆炸事

故的主要因素，并提出了相应的改进措施，进而提高LPG储罐的安全性和运行可靠性。

关键词:LPG;事故树;定性分析;结构重要度

中图分类号:X924文献标识码:A

Application of fault tree analysis on fire and blast accidents of LPG tank

HAO Cai-xia1，XU Yan2，GONG Sheng-wu1

( 1.Hunan Vocational Institute of Safety＆Technology，Changsha410151，China)

(2.Administration of Work Safety of Ningxiang Town，Hunan Province，Changsha410600，China)

Abstract:LPG(Liquefied petroleum gas)is one of the usual dangerous chemicals．Contrast to the common chemi-cal container，the chance of fire and blast accidents caused by LPG tank are larger，which means accidents caused by LPG tank will give rise to great losses and severe damages．So the study on the fire and blast accidents of LPG tank has a great significance．In view of the causation，the LPG tank accident can be classify into two different models，one is destruction of the chemical，the other is physical fire and explosion．In this paper the two types of accident of the LPG tank were analyzed，whick focused on the factors that cause fire and blast accident and physical blast accident of the LPG tank．The fault trees model was established with fire and blast accident and physical blast accident of the LPG tank as the top event．Through the qualitative analysis of these fault trees，all the minimum cut-sets affecting the top event were obtained．By calculating structure importance degree of the basic event，the primary factors which affect the accident of the LPG storage tank were confirmed．According to these results，corre-sponding measures were put forward so that the safety and reliability of LPG tanks could be ensured and improved．Key words:LPG;fault tree;qualitative analysis;structure importance degree

收稿日期:2011－05－29

作者简介:郝彩霞，女，助教。0引言

液化石油气(LPG:Liquefied petroleum gas)是以丙烷、丁烷、丙烯、丁烯为主要成分的烃类混合物，在常温常压下呈气体状态，但在加压和冷却时很容易变为液态。液化石油气由气态转为液态时，体积仅

为原体积的1/250－1/300，液态液化石油气比空气重，比重约为空气的1.5倍，一旦泄漏将迅速降压，由液态转化为气态，并在低洼沟槽处聚积。由于液化石油气爆炸下限很低(2%左右)，极易与周围空气混合形成爆炸气体，达到爆炸极限。遇到明火即刻引起火灾爆炸，因此被列为十大化学危险品之一［1］。

液化石油气作为一种通用燃料广泛应用于工业生产和人民生活中，但由于其具有易燃易爆的特性，在其生产、贮运和使用过程中极易引起爆炸火灾事故，尤其在液化石油气的贮罐区，贮罐集中贮量大，一旦发生爆炸火灾，将会造成严重的后果。例如1998年3月5日发生在西安市液化石油气站的爆炸火灾事故，造成12人死亡，32人受伤，直接经济损失400多万元。因此，预防LPG储罐的事故发生，特别是LPG储罐的火灾、爆炸等恶性事故的发生，提高其储罐系统本质安全并延长使用寿命，对于安全生产和国民经济的稳定发展具有十分重要的意义。事故树分析法作为工程系统可靠性分析与评价的有效方法，为分析LPG储罐火灾、爆炸事故提供了有效手段。通过对LPG储罐火灾、爆炸的分析，可以逐步分析LPG储罐火灾、爆炸事故的发生机理和原因，进而采取相应的安全措施，提高LPG储罐的可靠性和安全使用寿命。

1事故树分析法的基本理论

1.1事故树概述［2］

事故树分析法(Fault Tree Analysis，FTA)也称故障树分析法。事故树是从结果到原因描绘事故发生的有向逻辑树。它形似倒立着的树，树中的节点具有逻辑判别性质。树的“根部”顶点节点表示系统的某一个事故，树的“梢”底部节点表示事故发生的基本原因，树的“树杈”中间节点表示由基本原因促成的事故结果，又是系统事故的中间原因。事故因果关系的不同性质用不同逻辑门表示。这样画出的一个“树”用来描述事故发生的因果关系，称为事故树。

1.2事故树的优点

(1)既能找到引起事故的直接原因，又能揭示事故发生的潜在原因，并能概括导致事故发生的各种情况。

(2)逻辑性强，灵活性高，适用范围广。它不仅考虑设备及其部件的故障，而且还考虑环境因素和人的失误。既能分析已发生的事故，又能预测发生事故的可能性。

(3)既可定性分析，又可定量分析，定性分析详细分析事故的直接原因。也可用其分析复杂系统，并定量预测发生事故可能性大小。

(4)掌握一般数学知识的人可用它，具有高等文化水平的人也有深入研究发展它的余地。

1.3事故树分析的基本程序［3-4］

事故树分析是根据系统可能发生的事故或已经发生的事故所提供的信息，去寻找事故发生的原因，从而采取有效的防范措施，防止同类事故的再次发生。事故树分析步骤如图1所示

。

图1事故树分析程序

2建立LPG储罐火灾爆炸事故树［5-7］

根据引起LPG储罐火灾、爆炸有两种原因:一是化学爆炸模式，即罐内LPG泄漏，遇空气、火源发生火灾、爆炸;二是物理模式，即罐内压力急剧升高，罐体泄压系统失灵，压力超过罐体所能承受的压力，发生爆炸事故。故在此分别以“LPG储罐燃爆”和“LPG物理爆炸”两个顶事件来分析LPG储罐火灾爆炸。顶事件确定后，分析引起顶事件发生的最直接的、充分和必要的原因，建立以逻辑门符号表示的LPG物理爆炸、燃烧爆炸两个事故树，如图2、3所示，图中各符号所代表的事件如表1、2所示。

·

551

·

第1期中国安全生产科学技术

图2LPG 储罐物理爆炸事故树图表1

物理爆炸事件类型表

符号事件类型符号事件类型符号事件类型符号事件类型T LPG 储罐物理爆炸A7安全阀故障A14降温系统故障X7报警器故障A1压力表失效A8液面指示计失效X1未装压力表X8操作员失误A2超压A9没有操作员干预X2未装安全阀X9未装温度计A3安全阀失效A10温度计失效X3压力表损坏X10未装降温系统A4压力表故障A11降温系统失效X4设计缺陷X11液面指示计损坏A5充装过量A12液面指示计故障X5安全阀损坏X12温度计损坏A6

温度过高

A13

温度计故障

X6

未装液面指示计

X13

降温系统损坏

表2

燃爆事件类型表

符号事件类型

符号事件类型

符号

事件类型

符号

事件类型

T LPG 储罐燃爆

A11人体静电放电X8未定时排风X20未装避雷器P

爆炸极限A12避雷器失效X9储罐撞击

X21LPG 流速高

A1LPG 气源A13静电积累X10使用铁制工具作业X22管道内壁粗糙

A2火源

A14接地

X11穿带铁钉的鞋工作X23LPG 液冲击金属容器A3LPG 泄漏A15避雷器故障X12防雷接地电阻超标X24未设静电接地装置A4库内通风不良X1管道损坏泄漏X13储罐区吸烟X25接地电阻不符合要求A5撞击火花X2储罐损坏泄漏X14储罐区动火

X26接地线损坏

A6静电火花X3阀门密封失效X15电器设备不防爆

X27防雷接地电阻超标A7雷击火花X4挠性连接器失效X16罐区内使用电子通信工具X28避雷设施损坏A8明火X5违章操作X17防爆电器损坏X29设计缺陷

A9电火花X6无排风设施X18化纤品与人体摩擦A10储罐静电放电

X7排风设备损坏

X19作业中与人体摩擦

·651·中国安全生产科学技术第8卷

图3LPG燃爆事故树图

3LPG储罐火灾爆炸事故定性分析

事故树定性分析就是对事故中各事件不考虑发生概率多少，只考虑发生和不发生两种情况。通过定性分析可以知道哪一个或哪几个基本事件发生，顶上事件就一定发生，哪一个事件发生对顶上事件影响大，哪一个影响小，从而可以采取经济有效的措施，防止事故发生。

3.1求取最小割(径)集

事故树定性分析的主要任务就是求取最小割(径)集，发现系统故障或导致指定顶事件发生的全部可能原因，并定性地识别系统的薄弱环节，或发现使顶上事件不发生的几种可能方案，为控制事故发生提供依据。

能够引起顶上事件发生的最低限度的基本事件的集合，称为最小割集。换言之，如果割集中任一基本事件不发生，顶上事件绝不会发生。相反地，如果事故树中某些事件发生，则顶上事件就不发生，这些基本事件的集合称为径集。最小径集就是顶上事件不发生所需的最低限度的径集。

(1)燃爆事故树的最小割(径)集

根据最小割(径)集最多个数差别法判定，此故障树最小割集较多，而最小径集仅6个，所以宜采用最小径集进行分析。

根据成功树的构造法则，成功树的结构函数为: T'=A1’+A2’代换分解上式，可得6个最小径集如下:

P1={X1，X2，X3，X4，X5};P2={X6，X7，X8，}

P3={X9，X10，X11，X12，X13，X14，X15，X16，X17，X18，X19，X21，X22，X23}

P4={X9，X10，X11，X13，X14，X15，X16，X17，X18，X19，X20，X21，X22，X23，X27，X28，X29}

P5={X9，X10，X11，X12，X13，X14，X15，X16，X17，X18，X19，X24，X25，X26}

P6={X9，X10，X11，X13，X14，X15，X16，X17，X18，X19，X20，X24，X25，X26，X27，X28，X29}

(2)物理爆炸事故树的最小割(径)集

根据最小割(径)集个数的判定式，可得该故障树的最小割集较多，最小径集仅3个，所以，采用最小径集进行分析较为方便。经计算，得3个最小割集如下所示:P1={X1，X3，X4};P2={X2，X4，X5}; P3={X4，X6，X7，X8，X9，X10，X11，X12，X13}

·

751

·

第1期中国安全生产科学技术

3.2结构重要度分析

结构重要度分析，就是不考虑基本事件发生的概率是多少，仅从事故树结构上分析各基本事件的发生对顶上事件发生的影响程度。

结构重要度分析方法归纳起来有两种，一种是计算出各基本事件的结构重要系数，将系数由大到小排列各基本事件的重要顺序;第二种是用最小割集和最小径集近似判断各基本事件的结构重要系数的大小，并排列次序。由于前面已经求取了最小割(径)集，所以在此利用第二种方法来分析［5］。

最小割(径)集法的四条原则如下:①单事件最小割(径)集中基本结构重要度系数最大。②仅出现在同一个最小割(径)集中的所有基本事件结构重要度系数相等。③仅出现在基本事件个数相等的若干个最小割(径)集中的各基本事件结构重要度系数依出现次数而定，即出现次数少，其结构重要度系数小;出现次数多，其结构重要度系数大;出现次数相等，其结构重要度系数相等。④两个基本事件仅出现在基本事件个数不等的若干最小割(径)集中。在这种情况下，基本事件结构重要度大小依下列不同条件而定:(a)若它们重复在各最小割(径)集中出现的次数相等，则少事件最小割(径)集中出现的基本事件结构重要度大;(b)在少事件最小割(径)集中出现次数少的，与多事件最小割(径)集中出现次数多的基本事件比较，应用下式计算近似判别值:

I(i)=∑

X i∈K j

1 2n i－1

式中:I(i)—基本事件X i结构重要度系数的近似判别值

X

i

∈K j—基本事件X i属于K j最小割(径)集中;

n i —基本事件X

i

所在最小割(径)集中包含基

本事件的个数。

(1)燃爆事故树结构重要度分析

据最小割(径)集法的四条原则可知其结构重要度:

I(6)=I(7)=I(8)=1/22

I(1)=I(2)=I(3)=I(4)=I(5)=1/24= 1/16

I(9)=I(10)=I(11)=I(12)=I(13)=I (14)=I(15)=I(16)=I(17)=I(18)=I(19) =(1/213+1/216)?2=0.000275

I(20)=1/213+1/213=0.000244

I(21)=I(22)=I(23)=1/213+1/216= 0.000137I(24)=I(25)=I(26)=1/213+1/216 =0.000137I(15)=I(27)=I(28)=I(29)=1/ 216+1/216=0.0000305

结构重要度排序:I(6)=I(7)=I(8)＞I(1) =I(2)=I(3)=I(4)=I(5)＞I(9)=I(10)=I (11)=I(12)=I(13)=I(14)=I(15)=I(16) =I(17)=I(18)=I(19)＞I(20)＞I(21)=I (22)=I(23)=I(24)=I(25)=I(26)＞I(15)= I(27)=I(28)=I(29)

(2)物理爆炸事故树结构重要度分析

同理可知其结构重要度顺序:

I(4)=1/22+1/22+1/28=0.504

I(2)=I(3)=I(5)=1/22=0.25

I(8)=I(9)=I(10)=I(11)=I(12)=I (13)=1/28=0.004

结构重要度排序:I(4)＞I(2)=I(3)=I(5)＞I(8)=I(9)=I(10)=I(11)=I(12)=I(13) 3.3主要影响因素和改进措施

从LPG燃爆事故树的结构重要度的分析结果可以看出，防止LPG储罐燃爆事故应从防止泄漏、消除火源两个方面入手，控制各底事件的发生，特别是结构重要度系数大的底事件，如“罐区通风不良”、“阀门密封失效”、“扰性连接器失效”、“罐体损坏”、“误操作LNG泄漏”、“罐区内吸烟”、“罐区违章动火”等底事件，从而达到预防储罐发生事故。相关措施建议如下［8-11］:

(1)加强对储罐库区可然性气体的含量监测，以及加强监测设备和报警设备的维护;

(2)正确选择阀门、连接器以及罐体的安全附件的型号，保证设备的本质安全性;

(3)加强阀门、法兰、储罐安全附件和罐体完整性、安全性的检查，防止因腐蚀等原因造成罐体开裂，预防泄漏;

(4)加强安全检查，禁止在罐区内吸烟，严格执行LPG罐区的动火规章制度;

(5)禁止在库内使用手机等电子通信设备，严禁使用非防爆电器，并加强对防爆电器的安全性

·

851

·中国安全生产科学技术第8卷

检查;

(6)定期检查和检测防雷防静电设施及附件设备，保证其符合安全规定;

(7)严禁使用铁器和用铁器敲打地面和管线、设备;

(8)上岗必须穿戴符合安全规定的防静电工作服和个体劳动保护品。

从LPG物理爆炸事故树的结构重要度的分析结果可以看出，材料缺陷的重要度最大，表明它对顶上事件的影响大。但材料缺陷属难以控制事件，故考虑预防对策时，不宜做为控制重点。防止LPG储罐物理爆炸应从防止超压、防止压力表、液面指示器等显示装置及安全附件失效两个方面入手，控制各底事件的发生。相关措施建议如下:

(1)正确选择各种指示器、安全阀装置，保证设备的本质安全性;

(2)定期检查和检测显示器、安全阀，保证其有效性;

(3)严格控制LPG输入与输出的工艺参数，预防储罐超压。

4结论

本文将事故树成功地应用于LPG储罐燃爆、物理爆炸事故中，体现了事故树分析法的简明、直观、易懂、灵活、全面的特点，是对系统可靠性与安全性进行分析和评价的便捷、灵活、有效的方法。由于目前对于LPG储罐火灾、爆炸的基本事件发生概率的历史资料还很缺乏，所以只是进行LPG储罐火灾、爆炸事故树的定性分析，若能获得可靠的事故树基本事件发生概率，将可获得比较精确的分析结果，无疑会对储罐火灾、爆炸事故的预防发挥重要作用。从事故树的结构重要度计算与分析的结果可以得出:

(1)利用事故树计算机辅助软件，如国内清华大学核研究院与工物系联合开发的FTAS程序，可更方便地找出事故树的最小割集。

(2)采用近似的计算方法，可快捷地计算出影响因素的重要度大小的顺序，进而找出影响因子重大的因素，提高安全工作的水平以及安全对策的准确性。

(3)鉴于目前LPG工业的发展和风险事故的研究现状，有必要建立和完善LPG储罐信息数据库，加强随机模糊因素对LPG储罐影响的风险评估研究以及概率模型的研究。

参考文献

［1］王志荣，蒋军成．液化石油气罐区火灾危险性定量评价［J］．化工进展，2002，21(8)，607-610

WANG Zhi-rong，JIANG Jun-cheng．The quantitative e-

valuation of fire risk for LPG Spherical Tank Yard［J］．

Chemical Industry and Engineering Progress，2002，21

(8)，607-610

［2］罗云．注册安全工程师手册［M］．北京:化学工业出版社，2004

［3］汪元辉．安全系统工程［M］．天津:天津大学出版社，1999

［4］刘铁民．安全评价方法应用指南［M］．北京:化学工业出版社，2005

［5］张景林，崔国璋．安全系统工程［M］．北京:煤炭工业出版社，2002

［6］李荫中编．石油化工防火防爆手册［M］．北京:中国石化出版社，2003

［7］邱慧琴，吴宗之，金龙哲．液化石油气罐区火灾爆炸危险性评价［J］．中国安全生产科学技术，2006，2(4):

109-113

QIU Hui-qin，WU Zong-zhi，JIN Long-zhe．Risk evalua-

tion of LPG tanks fire and explosion［J］．Journal of Safety

Science and Technology，2006，2(4):109-113

［8］刘维平．液化石油气球罐泄漏危险的预防和控制探讨［J］．中国安全生产科学技术，2007，3(6):107-110

LIU Wei-ping．The safety measures of prevention and

control for leakage of LPG spherical tank［J］．Journal of

Safety Science and Technology，2007，3(6):107-110［9］祁景新，孙旭红．液化石油气储罐风险综合评价研究［J］．工业安全与环保，2010，(6)

QI Jing-xin，SUN Xuhong．Study on comprehensive risk

assessment of LPG tanks［J］．Industrial Safety and Envi-

ronmental Protection，2010，(6)

［10］祖因希．液化石油气操作技术与安全管理［M］．北京:化学工业出版社，2004

［11］张广华，张海峰，万世波．危险化学品生产安全技术与管理［M］．北京:中国石化出版社，2004

·

951

·

第1期中国安全生产科学技术