基于故障樹分析的油庫火災(zāi)爆炸研究

李衛(wèi)東

摘 要：石油在我國能源構(gòu)成中占有重要地位，油料易燃、易爆、易揮發(fā)，容易引發(fā)油庫火災(zāi)爆炸事故。減輕和消除此類事故的風(fēng)險與危害，對油庫安全管理和運行具有重要意義。介紹了故障樹分析方法并將其應(yīng)用于油庫火災(zāi)爆炸事故安全評價。建立了包含44個基本事件的油庫火災(zāi)爆炸故障樹，采用“成功樹法”計算了最小徑集和結(jié)構(gòu)重要度，根據(jù)計算結(jié)果分析提出了風(fēng)險控制方案和事故預(yù)防措施，為保障油庫安全提供了科學(xué)的依據(jù)，具有一定的現(xiàn)場指導(dǎo)意義。

關(guān) 鍵 詞：油庫； 火災(zāi)爆炸； 故障樹； 安全； 預(yù)防措施

中圖分類號：TE 687 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1671-0460（2015）07-1609-03

Study on Fire and Explosive Accidents

of Oil Depots Based on Fault Tree Analysis

LI Wei-dong

（National Engineering Laboratory for Pipeline Safety， China University of Petroleum， Beijing 102249， China）

Abstract： Petroleum plays an important role in China's energy structure； oil can easily cause fire and explosive accidents due to its inflammability， explosivity and effumability. Reducing and eliminating the hazard of these accidents is pretty significant for secure management and operation of oil depots. In this paper， the fault tree analysis was introduced and applied into the security assessment of fire and explosive accidents of oil depots. A fault tree including 44 basic events was built， and minimal radius sets and structural importance were calculated by success tree method. Risk controlling plans and accident prevention measures were put forward according to the analysis of calculation outcomes.

Key words： Oil depot； Fire and explosive accidents； Fault tree； Security； Prevention measures

在我國的能源構(gòu)成中，石油占有重要地位。油庫是儲存油料的主要方式，油料易燃、易爆、易揮發(fā)，這些潛在危險因素可能造成火災(zāi)爆炸事故，具有巨大的危害性。目前油罐不斷向大型化方向發(fā)展，許多新建油罐都是10×104m3以上的大罐，一旦發(fā)生事故，造成的損失難以估計。因此減輕和消除這些風(fēng)險與危害，建立科學(xué)合理的油庫安全分析評價系統(tǒng)，對油庫安全管理和運行具有重要意義[1]。

近年來發(fā)展出了多種油庫安全評價方法：段彥斌將模糊數(shù)學(xué)和層次分析法引入到石油庫風(fēng)險評價中[2]；劉明成在某航油油庫安全綜合評價中采用了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型[3]；汪劍輝等介紹了DOW火災(zāi)爆炸指數(shù)評價法的原理、程序及計算步驟[4]。隨著可靠性理論的興起和發(fā)展，基于故障樹的油庫可靠性和安全性評價方法應(yīng)用日益廣泛。

故障樹分析方法是一種演繹分析方法，用于分析事故原因并對其進(jìn)行風(fēng)險評價。故障樹將特定故障事件的發(fā)生原因用布爾邏輯符號聯(lián)系起來，形成邏輯樹圖，因其形狀與倒置的樹相似，且涉及到的事件多為故障事件，因此被形象地稱為故障樹。故障樹分析法把系統(tǒng)可能發(fā)生或者已經(jīng)發(fā)生的事故（稱為頂事件）作為分析起點，用邏輯“與”門或邏輯“或”門自上而下地分析導(dǎo)致頂事件發(fā)生的可能原因及其邏輯關(guān)系，逐層深入，直至找到導(dǎo)致頂事件的基本原因，即底事件，然后定性或定量地分析事件發(fā)生的可能途徑和概率，從而找出事故預(yù)防方案并比較優(yōu)選出最佳安全對策。FTA法直觀形象，簡單易懂，邏輯清晰，是一種重要的系統(tǒng)安全分析方法。

1 油罐火災(zāi)爆炸故障樹的建立

以油罐火災(zāi)爆炸為頂事件，通過對此類事故的資料收集、整理和分析，研究了導(dǎo)致頂事件發(fā)生的原因及其相互關(guān)系，建立了相應(yīng)故障樹（圖1）。該故障樹較為全面地考察了引起油罐火災(zāi)爆炸的可能原因，共包含44個基本事件。

圖1 油罐火災(zāi)爆炸故障樹

Fig.1 Fault tree of fire and explosive of oil depots

代表事件說明：F-火災(zāi)爆炸；F1-達(dá)到爆炸極限；F2-火源；F3-通風(fēng)不良；F4-油品泄露；F5-設(shè)備損壞；F6-罐體破裂；F7-其他；F8-靜電火花；F9-金屬撞擊火花；F10-雷電火花；F11-電器設(shè)備火花；F12-明火；F13-油庫靜電放電；F14-油庫靜電積累；F15-接地不良；F16-人體靜電放電；F17-測量操作失誤；F18-人體靜電積累；F19-避雷器失效；F20-電器設(shè)備損壞；X1-無排風(fēng)設(shè)施；X2-排風(fēng)設(shè)施損壞；X3-未定時排風(fēng)；X4-錯誤排空；X5-密封系統(tǒng)失效；X6-罐體過度腐蝕；X7-焊縫缺陷；X8-焊縫裂紋；X9-局部應(yīng)力過大；X10-罐底沉降；X11-人為操作失誤；X12-呼吸閥失效；X13-閥門損壞；X14-量油孔未關(guān)閉；X15-未設(shè)靜電接地；X16-接地電阻不達(dá)標(biāo)；X17-接地線損壞；X18-油液流速過快；X19-管道內(nèi)壁粗糙；X20-油液沖擊器壁；X21-油液與空氣摩擦；X22-測量器具不達(dá)標(biāo)；X23-靜置時間不夠；X24-用塑料桶裝油；X25-化纖衣物間摩擦；X26-人體與衣物摩擦；X27-鞋底與地面摩擦；X28-環(huán)境干燥；X29-油桶撞擊；X30-用鐵制工具作業(yè)；X31-穿鐵釘鞋作業(yè)；X32-發(fā)生雷擊；X33-設(shè)計問題；X34-接地不良；X35-避雷設(shè)施損壞；X36-短路；X37-絕緣老化；X38-電流過大；X39-防爆設(shè)施損壞；X40-油庫內(nèi)吸煙；X41-違章動火；X42-阻火器失效；X43-機(jī)動車排煙噴火；X44-油蒸汽與明火散發(fā)點距離不夠。

2 故障樹分析

2.1 最小割集和最小徑集

最小割集是導(dǎo)致頂事件發(fā)生的最低限度的底事件的集合，當(dāng)該集合中的事件全部都發(fā)生時頂事件必然發(fā)生，表明了系統(tǒng)的危險性。當(dāng)故障樹種包含的邏輯連接符號和故障事件較多時，傳統(tǒng)的“上行法”和“下行法”計算過程相當(dāng)繁瑣。為了減少計算量，常利用“成功樹”，求解原故障樹的最小徑集。

最小徑集是不能導(dǎo)致頂事件發(fā)生的最低限度的基本事件的集合，當(dāng)最小徑集中的基本事件都不發(fā)生時，頂事件就不會發(fā)生。通過對最小徑集的分析，可以找出系統(tǒng)中的危險程度較高的環(huán)節(jié)，提前采取應(yīng)對措施，提高系統(tǒng)的可靠性與安全性[6]。

根據(jù)以上分析求得該故障樹含有1個3階最小徑集，1個11階最小徑集，1個14階最小徑集，3個16階最小徑集，4個18階最小徑集，4個20階最小徑集，3個22階最小徑集，1個24階最小徑集。防止階數(shù)較小的最小徑集中基本事件發(fā)生是預(yù)防頂事件發(fā)生的有效途徑。本故障樹可以優(yōu)先考慮3階最小徑集基本事件，其次是11階最小徑集和14階最小徑集。

2.2 結(jié)構(gòu)重要度

結(jié)構(gòu)重要度是在假設(shè)各基本事件發(fā)生概率相等的條件下對頂事件發(fā)生的影響程度，可采用下面及近似判別式來計算[7]：

式中： I（i）—基本事件Xi結(jié)構(gòu)重要度的近似判斷值；

Xi∈Kj—其中事件Xi屬于Kj最小徑集；

ni—基本事件Xi所在最小徑集中包含基本事件的個數(shù)。

根據(jù)以上公式計算得到各基本事件的結(jié)構(gòu)重要度排序：

X1=X2=X3=0.25>X4=X5=X6=X7=X8=X9=X10=X11=

X12=X13=X14=0.000977>X29=X30=X31=X40=X41=

X42=X43=X44=0.000253>X15=X16=X17=0.000238>X28=X32=X39=0.000203>X25=X26=X27=X33=X34=

X35=X36=X37=X38=0.0000507>X18=X19=X20=X21=

X22=X23=X24=0.0000149

2.3 故障樹分析結(jié)論

從以上最小徑集和結(jié)構(gòu)重要度分析可以看出二者得到的結(jié)果是一致的。最小徑集中基本事件都不發(fā)生時，頂事件便不會發(fā)生。最小徑集越多，可供選擇的控制方案就越多，系統(tǒng)安全性就越高，因此可以根據(jù)最小徑集結(jié)果制定故障控制方案。

方案1{X1，X2，X3}，油氣揮發(fā)是自發(fā)進(jìn)行的過程，而油氣濃度達(dá)到爆炸極限是頂事件發(fā)生的必要條件，因此改善庫區(qū)通風(fēng)狀況，控制庫區(qū)油氣濃度，可有效防止油庫火災(zāi)爆炸事故發(fā)生。方案一從這方面著手，安裝并檢修排風(fēng)設(shè)施，定時排風(fēng)，保障庫區(qū)通風(fēng)良好。此外還可以設(shè)置油氣濃度報警設(shè)備，當(dāng)濃度達(dá)到設(shè)定值時發(fā)出警報，工作人員可及時采取相應(yīng)措施。

方案2{X4， X5， X6， X7， X8， X9， X10， X11， X12， X13， X14 }，從控制可燃物的角度預(yù)防油罐火災(zāi)爆炸事故。原油泄露多由設(shè)備損壞引起，加強(qiáng)對罐體、閥門和密封系統(tǒng)的定期檢查，避免人為錯誤放空，都能有效降低原油泄露的風(fēng)險。

方案3{X15， X16， X17， X28， X29， X30， X31， X40， X41， X42， X43， X44， X32， X39}，這是火源產(chǎn)生的角度預(yù)防事故。油庫火源的形式有很多，其中明火和金屬撞擊產(chǎn)生的火花相對容易發(fā)現(xiàn)和預(yù)防，而靜電火花隱蔽性較強(qiáng)，往往不易察覺，是油庫火災(zāi)爆炸防范工作的重點。

以上三種方案是根據(jù)最小徑集分析得出的，除此之外還有其他很多方案，這些方案對于預(yù)防油庫火災(zāi)爆炸事故同樣是有效的，只是因為涉及到的基本事件較多，實施難度更大。

3 預(yù)防措施

通過以上分析，針對油庫火災(zāi)爆炸事故提出以下預(yù)防措施：

（1）定期檢查設(shè)備，防止油料泄露。油氣混合物的形成是發(fā)生油罐火災(zāi)爆炸事故的必要條件，因此要定期對設(shè)備進(jìn)行檢查，及時發(fā)現(xiàn)油罐腐蝕、裂紋；密切監(jiān)視罐體應(yīng)力和沉降變形是否超過安全要求，提前針對這些問題采取相應(yīng)的預(yù)防措施；密封系統(tǒng)失效和閥門的損壞也可能導(dǎo)致油料泄露，對其定期巡檢也是油庫日常管理的重要內(nèi)容。

（2）加強(qiáng)庫區(qū)通風(fēng)，避免油氣聚集。良好的通風(fēng)能夠有效控制油氣混合物濃度，保障排風(fēng)設(shè)施的正常運轉(zhuǎn)對于防止油氣聚集至關(guān)重要。因此一旦發(fā)生油品泄露，必需首先采取措施保證空氣流動暢通。此外，還應(yīng)設(shè)置油氣濃度報警設(shè)備實時監(jiān)測庫區(qū)重點區(qū)域油氣濃度，一旦發(fā)生異常，可迅速采取相應(yīng)措施，避免油氣進(jìn)一步聚集。

（3）控制靜電火花的產(chǎn)生。油庫火源有很多種，包括靜電火花、雷電火花、電器設(shè)備火花、金屬撞擊火花和明火等，其中靜電火花最為隱蔽，不易被發(fā)現(xiàn)。靜電的危害性在于電荷積累到一定程度后，儲存的能量會產(chǎn)生火花，從而引爆可燃?xì)怏w。為此可根據(jù)引起靜電火花的原因制定相應(yīng)的防護(hù)措施，一方面可以從減少靜電產(chǎn)生入手：采用合理的加油方式，控制流速，避免液面震蕩，保證足夠漏電時間，工作人員穿著棉織品和防靜電鞋等，都能有效控制靜電聚集；另一方面也可以從靜電泄放考慮：接地和跨接、增加空氣濕度、添加抗靜電劑等讓靜電安全地導(dǎo)走。

4 結(jié) 論

（1）故障樹分析法簡單直觀，能夠清楚地揭示引起油庫火災(zāi)爆炸事故的原因及其邏輯關(guān)系，增加油庫安全管理工作中的主動性和科學(xué)性，是一種重要的安全評價方法。這種方法的關(guān)鍵在于正確建立故障樹，并且在故障樹分析過程中要完成比較復(fù)雜的計算。

（2）本文建立了以油罐火災(zāi)爆炸為頂事件的故障樹，考慮了44個基本事件，比較全面地涵蓋了事故原因。通過對故障樹結(jié)構(gòu)函數(shù)的分析化簡，得到18個最小徑集。計算了各基本事件的結(jié)構(gòu)重要度，并據(jù)此提出了故障控制方案和火災(zāi)爆炸事故的預(yù)防措施，為油庫安全運行管理提供了科學(xué)的依據(jù)，具有一定的實現(xiàn)場指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)：

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