故障樹在CNG加氣母站失效分析中的應(yīng)用

薛榮 王大海 江一舟 劉寬 羅飛

摘要：隨著天然氣行業(yè)和城市交通的不斷發(fā)展，壓縮天然氣

（CNG）成為現(xiàn)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(diǎn)，其運(yùn)行設(shè)備又處于高壓狀態(tài)，一旦發(fā)生事故，可能會(huì)對(duì)場(chǎng)站及周邊地區(qū)造成巨大傷害，CNG加氣母站作為生產(chǎn)壓縮天然氣的場(chǎng)所，其安全管理尤為重要。本文通過故障樹分析對(duì)CNG加氣母站主要事故進(jìn)行分析，建立了CNG加氣母站失效故障樹，識(shí)別出引起CNG加氣母站失效的主要因素，并提出了相應(yīng)的安全管理措施，對(duì)CNG加氣母站的安全管理有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：壓縮天然氣 ?加氣母站 ?故障樹 ?防護(hù)措施

0 引言

為了降低汽車廢氣排放，改善大氣環(huán)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(yùn)行費(fèi)用，提高經(jīng)濟(jì)效益，延長(zhǎng)汽車設(shè)備使用壽命，降低維修費(fèi)用[1]。由于壓縮天然氣所具有的強(qiáng)大市場(chǎng)發(fā)展?jié)摿?，近年?lái)， CNG加氣母站的數(shù)量逐年增加。但是，天然氣主要成分是甲烷，甲烷為一級(jí)可燃?xì)怏w，甲類火災(zāi)危險(xiǎn)性，爆炸極限為5%～15%，對(duì)空氣的比重為0.55，擴(kuò)散系數(shù)為0.196，具有燃燒速度快、熱值高、易爆炸的特點(diǎn)。相對(duì)普通城市燃?xì)?，CNG加氣母站內(nèi)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(chǎn)生靜電、易泄漏等危險(xiǎn)特性，同時(shí)壓縮機(jī)、脫水撬等動(dòng)設(shè)備較多，運(yùn)行時(shí)處于高壓狀態(tài)，而CNG加氣母站一般處于城市周邊，一旦發(fā)生事故影響較大。因此，加強(qiáng)CNG加氣母站的安全管理，制定科學(xué)的安全防護(hù)措施，保證CNG加氣母站的連續(xù)安全平穩(wěn)運(yùn)行，對(duì)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(jiǎn)介 故障樹分析法（FTA，F(xiàn)ault Tree Analysis）是對(duì)于一些不易形成邏輯圖的復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別和評(píng)價(jià)的一種有效的方法。故障樹分析法采用事件符號(hào)、邏輯門符號(hào)和轉(zhuǎn)移符號(hào)來(lái)描述系統(tǒng)中各種事件之間的因果關(guān)系。

故障樹是一種邏輯樹，其樹枝代表系統(tǒng)、子系統(tǒng)或元件的事故事件，節(jié)點(diǎn)代表事故事件之間的邏輯關(guān)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(tǒng)頂事件的根出發(fā)逐級(jí)向下發(fā)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(guān)系是“與”和“或”。故障樹中采用的圖形符號(hào)有很多，表1列出幾種常用的符號(hào)。

故障樹分析在系統(tǒng)生產(chǎn)運(yùn)行中能為事件是否失效提供判斷依據(jù)，有助于改進(jìn)相關(guān)技術(shù)管理，促進(jìn)完善的生產(chǎn)運(yùn)行管理制度的建立，從而做好設(shè)備、安全控保裝置、壓力容器等的檢維修計(jì)劃和方案，達(dá)到預(yù)防為主、防治結(jié)合的目的。故障樹分析法是從系統(tǒng)到部件，再到零件的“下降形”分析的方法，具有可視性強(qiáng)、邏輯性強(qiáng)的特點(diǎn)，可以做定性分析，也可以做定量分析，體現(xiàn)了以系統(tǒng)工程方法為基礎(chǔ)來(lái)研究安全方面問題的系統(tǒng)性、準(zhǔn)確性和預(yù)測(cè)性。

1.2 故障樹分析基本程序

故障樹分析是系統(tǒng)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(tǒng);②熟悉所分析的系統(tǒng);③調(diào)查系統(tǒng)發(fā)生的事故;④確定故障樹的頂上事件;⑤調(diào)查與頂上事件有關(guān)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(píng)價(jià)。

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(yīng)壓縮天然氣的加氣站，通過壓縮機(jī)加壓后充裝給槽車送至CNG加氣子站或城鎮(zhèn)燃?xì)夤镜腃NG供應(yīng)站（儲(chǔ)配站或減壓站），供作汽車發(fā)動(dòng)機(jī)燃料或居民、商業(yè)、工業(yè)企業(yè)生活和生產(chǎn)用燃料的系統(tǒng)。CNG加氣母站是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，包括進(jìn)站預(yù)處理、干燥脫

水、壓縮、冷卻、加氣、儲(chǔ)氣井等系統(tǒng)，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(shè)備種類較多，工藝相對(duì)復(fù)雜，所以引發(fā)事故的因素是也多方面的、多層次的。從大量事故分析報(bào)告的統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看，CNG加氣母站主要事故類型包括機(jī)械傷害、火災(zāi)爆炸、觸電傷害等。引發(fā)事故的危害因素則有違章操作、設(shè)計(jì)缺陷、人為損壞、設(shè)備失效等。

根據(jù)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(jī)械傷害、火災(zāi)爆炸、觸電傷害三個(gè)類型，并假設(shè)這三類事故為獨(dú)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(xù)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(gè)底事件。故障樹中的中間事件符號(hào)和底事件事件符號(hào)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(dǎo)致故障樹頂事件發(fā)生的數(shù)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(dú)立，根據(jù)布爾代數(shù)法進(jìn)行邏輯運(yùn)算和化簡(jiǎn)，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(gè)：5個(gè)1階最小割集、32個(gè)2階最小割集。一般來(lái)說(shuō)，割集中所含基本事件數(shù)越少，其發(fā)生的概率就越大。因此，5個(gè)1階最小割集對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的可靠性影響最大，是系統(tǒng)中的相對(duì)的薄弱環(huán)節(jié)，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(dāng)，絕緣保護(hù)失效，設(shè)計(jì)缺陷和人為損壞。

2 安全防護(hù)措施

CNG加氣母站具有高壓、易燃、易爆的特點(diǎn)，是具有較高危險(xiǎn)性的作業(yè)場(chǎng)所，生產(chǎn)工藝較多且復(fù)雜，一旦出現(xiàn)事故，會(huì)產(chǎn)生較大損失或較嚴(yán)重后果。通過對(duì)故障樹的分析，識(shí)別出引起CNG加氣母站失效的主要因素：違章操作，設(shè)計(jì)缺陷，人為損壞，正常生產(chǎn)防護(hù)不當(dāng)，斷、送電操作不當(dāng)和設(shè)備失效。針對(duì)失效原因，給出以下CNG加氣母站安全防護(hù)措施建議。

2.1 加強(qiáng)管理制度建設(shè)，提高員工操作技能 在日常生產(chǎn)管理中應(yīng)利用安全活動(dòng)例會(huì)、生產(chǎn)例會(huì)和HSE教育不斷學(xué)習(xí)制度規(guī)范，常抓制度管理，使各項(xiàng)規(guī)章制度深入人心。做好站內(nèi)操作人員的安全技術(shù)培訓(xùn)，嚴(yán)格按照操作規(guī)程進(jìn)行操作，并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行修改完善，提高員工操作技能。

2.2 加強(qiáng)設(shè)備安全管理，注重檢查維修工作 對(duì)設(shè)計(jì)缺陷的地方進(jìn)行工藝改造。要做好設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)工作;對(duì)調(diào)壓、計(jì)量監(jiān)測(cè)、脫水、水露點(diǎn)檢測(cè)、過濾設(shè)備進(jìn)行定期計(jì)劃?rùn)z修;定期進(jìn)行春檢、秋檢，夏季注意消除靜電，冬季做好保溫工作;加強(qiáng)巡檢管理，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和排除隱患，確保設(shè)備處于完好狀態(tài)。

2.3 嚴(yán)格執(zhí)行門禁管理，規(guī)范車輛人員管理 由于CNG加氣母站人員流動(dòng)大，對(duì)于進(jìn)站人員要做好人員登記、安全教育。對(duì)于客戶，認(rèn)真檢查備案槽車的年度檢測(cè)報(bào)告等資料，槽車進(jìn)站前檢查槽車車頭車掛號(hào)、余壓、防火帽和安全附件等。對(duì)于施工作業(yè)人員嚴(yán)格執(zhí)行“兩書一表”，并根據(jù)實(shí)際情況定期進(jìn)行修訂完善。

2.4 扎實(shí)開展應(yīng)急演練，提高安全防護(hù)意識(shí) 每月定期開展天然氣泄漏、緊急切斷閥異常關(guān)閉、UPS系統(tǒng)故障等應(yīng)急演練活動(dòng)，并對(duì)演練效果進(jìn)行總結(jié)和分析，不斷完善應(yīng)急預(yù)案，提高員工應(yīng)急事故處理能力，使員工從“要我安全”到“我要安全”。

3 結(jié)論

本文總結(jié)了CNG加氣母站失效的原因，采用故障樹分析法對(duì)失效原因進(jìn)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(duì)應(yīng)的安全防護(hù)措施，對(duì)CNG加氣母站的安全管理有一定的指導(dǎo)意義。

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基金項(xiàng)目：本文為惠州市產(chǎn)學(xué)研結(jié)合項(xiàng)目：太陽(yáng)能光伏發(fā)電逆變系統(tǒng)開發(fā)及并網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究（2012B050013004）。