基于故障樹的LNG船舶裝卸貨泄漏事故分析

陳星星，盧金樹，吳文鋒，董良雄

（浙江海洋大學(xué)港航與交通運(yùn)輸工程學(xué)院，浙江舟山316022）

基于故障樹的LNG船舶裝卸貨泄漏事故分析

陳星星，盧金樹，吳文鋒，董良雄

（浙江海洋大學(xué)港航與交通運(yùn)輸工程學(xué)院，浙江舟山316022）

隨著全球?qū)NG需求的不斷上升，LNG船舶不斷呈現(xiàn)大型化發(fā)展的趨勢(shì)。同時(shí)，由于LNG具有低溫、易燃易爆等固有的特殊危險(xiǎn)性，LNG船舶裝卸貨過程中的安全問題隨之突顯。因此，針對(duì)LNG船裝卸貨泄漏事故，基于故障樹分析法對(duì)可能造成LNG船裝卸貨泄漏事故的船舶因素進(jìn)行分析，并建立故障樹模型，求出該模型的最小割集和結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)并排序，根據(jù)底事件概率算出頂事件發(fā)生概率，提出控制風(fēng)險(xiǎn)的建議措施。

故障樹；LNG船舶；裝卸貨；泄漏事故

液化天然氣船舶的裝卸作業(yè)是其海上運(yùn)輸起始和終止的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是事故易發(fā)生環(huán)節(jié)，約80%的事故是發(fā)生在港內(nèi)作業(yè)期間[1]。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，LNG船自1964年第一次投入商業(yè)運(yùn)營以來，發(fā)生有詳細(xì)記錄的裝卸貨操作事故33起，其中出現(xiàn)LNG泄漏事故達(dá)19起，幾乎所有的泄漏事故都對(duì)船體結(jié)構(gòu)或貨艙、卸料臂等相關(guān)設(shè)備造成了破壞[2]。其裝卸作業(yè)流程較之其他船型復(fù)雜許多，操作過程中稍不注意就會(huì)造成LNG泄漏、人員凍傷、火災(zāi)爆炸，進(jìn)而危及人員、船舶及港口，帶來的將是難以估計(jì)的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。因此迫切需要科學(xué)有效的方法對(duì)LNG船裝卸貨過程中泄漏風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行精確地評(píng)估。此前，學(xué)者們已經(jīng)開展了一些研究工作：VANEM等[3]通過建立事件樹對(duì)LNG船碰撞、擱淺、觸碰、火災(zāi)和爆炸及裝卸貨事故進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)研究，但并未進(jìn)行具體的事故原因分析，也未提出具體的控制事故的建議及措施；MELANI等[4]利用功能樹對(duì)LNG船裝卸貨系統(tǒng)進(jìn)行分析，通過貝葉斯網(wǎng)絡(luò)法計(jì)算事件可能性，提出降低風(fēng)險(xiǎn)的建議，但并沒有針對(duì)LNG泄漏事故進(jìn)行分析；單浩明[5]僅是簡(jiǎn)要介紹了LNG在裝卸中應(yīng)特別注意的安全作業(yè)要點(diǎn)以及發(fā)生事故時(shí)的應(yīng)急措施，其建議措施較為客觀；趙志壘[6]根據(jù)LNG船歷史事故進(jìn)行危險(xiǎn)識(shí)別，用事件樹分析法對(duì)其后果嚴(yán)重性進(jìn)行分析，其不足之處是在計(jì)算事故概率時(shí)，假設(shè)在所有LNG泄漏事故中都有船員在場(chǎng)并且船員受到凍傷傷害，該假設(shè)是偏于保守的。

可見，目前專門針對(duì)LNG船裝卸貨泄漏事故的研究并不多，且大都局限于定性分析，量化層面的研究不夠深入和完善。因此本文采用故障樹分析法對(duì)LNG裝卸貨泄漏事故進(jìn)行定性和定量分析，以期減少事故發(fā)生的可能性。故障樹分析法可通過逐步分析導(dǎo)致故障系統(tǒng)失效的原因，計(jì)算出各事件的發(fā)生概率，對(duì)整個(gè)故障系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估，從而采取相應(yīng)的改進(jìn)措施，提高系統(tǒng)的可靠性。

1 故障樹分析法

故障樹分析法（Fault Tree Analysis，F(xiàn)TA）又稱事故樹分析法，是一種圖形演繹、邏輯推理的方法，可就某些特定的故障狀態(tài)作各種因素包括人員、設(shè)備、管理及環(huán)境因素的逐層分析，分析各層次間各因素之間的邏輯關(guān)系，對(duì)故障事件進(jìn)行演繹和推理并畫出邏輯框圖（用專門符號(hào)標(biāo)示出來，如：與門、或門、基本事件、中間事件等）。其優(yōu)點(diǎn)在于能夠?qū)Ω鞣N因素和邏輯關(guān)系作出系統(tǒng)、直觀的描述，既能分析出導(dǎo)致故障事故發(fā)生的直接原因，又能挖掘出潛在的危險(xiǎn)因素；不僅能作定性分析，而且可以定量計(jì)算系統(tǒng)的可靠性參數(shù)及故障率，為系統(tǒng)的安全性和可靠性評(píng)價(jià)提供定性和定量的圖形及數(shù)據(jù)依據(jù)；故障樹分析法利用圖形演繹的方式，具有直觀的視覺效果，即使不參與系統(tǒng)設(shè)計(jì)的操作、管理及維修等環(huán)節(jié)都可以全面了解整個(gè)系統(tǒng)；同時(shí)還可以與其他的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法相結(jié)合，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

故障樹分析法通常包括以下六步：（1）確定頂上事件，即所要分析的對(duì)象事件，且頂上事件的確定不能太籠統(tǒng)；（2）調(diào)查事故、查明原因。了解掌握被分析事件的各種原因，找出系統(tǒng)內(nèi)固有或潛在的危險(xiǎn)因素，如：人的不安全行為、物的不安全狀態(tài)、環(huán)境的不良因素等；（3）編制故障樹。深入分析各原因事件的邏輯關(guān)系，并進(jìn)行整理，按照演繹分析法一級(jí)一級(jí)地把所有原因事件通過邏輯關(guān)系，用邏輯符號(hào)進(jìn)行連接，構(gòu)建故障樹；（4）對(duì)故障樹給予定性分析。根據(jù)所構(gòu)建的故障樹，采用布爾代數(shù)列出布爾表達(dá)式，求出最小徑集或最小割集，并通過最小徑集或最小割集來求出各個(gè)基本事件的結(jié)構(gòu)重要度，并找出結(jié)構(gòu)重要度數(shù)值最大的基本事件；（5）定量分析。根據(jù)各基本事件的發(fā)生概率求出頂上事件的發(fā)生概率；（6）制定控制風(fēng)險(xiǎn)的措施與對(duì)策?；诙ㄐ院投糠治觯Y(jié)合企業(yè)的實(shí)際能力，制定出行之有效的防御措施，以減少事故發(fā)生的可能性。

2 構(gòu)建并分析LNG船舶裝卸貨泄漏故障樹模型

造成LNG船裝卸貨泄漏事故的原因眾多，包括人員、管理、船舶自身設(shè)備及環(huán)境等因素，此處列出船舶自身設(shè)備因素，建立主要風(fēng)險(xiǎn)故障樹（圖1）。該故障樹由一個(gè)頂事件、17個(gè)中間事件、29個(gè)基本事件、4個(gè)與門和14個(gè)或門組成，其中表1為故障樹中各編號(hào)代表的事件。

2.1 最小割集分析

故障樹中的割集是指導(dǎo)致頂事件發(fā)生的基本事件組合，而最小割集是導(dǎo)致頂事件發(fā)生的最低限度的基本事件組合，表示了系統(tǒng)的危險(xiǎn)性。求解出最小割集可以掌握事故發(fā)生的各種可能性。經(jīng)過布爾代數(shù)化簡(jiǎn)，可求其最小割集。具體如下：

表1 故障樹中各編號(hào)代表的事件Tab.1Events indicated by codes in the fault tree

結(jié)果顯示，LNG船舶裝卸貨泄漏事故由16個(gè)一階最小割集，9個(gè)二階最小割集，4個(gè)三階最小割集組成。通常，故障樹中的最小割集表示了頂上事件發(fā)生的可能性，最小割集越多，系統(tǒng)就越危險(xiǎn)，且割集的階數(shù)越小危險(xiǎn)就越大。因此，故障樹中的16個(gè)一階最小割集對(duì)系統(tǒng)安全性的影響最大，是整個(gè)系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，需要特別防范。

2.2 結(jié)構(gòu)重要度分析

結(jié)構(gòu)重要度是指從結(jié)構(gòu)上分析各個(gè)基本事件對(duì)頂上事件發(fā)生所產(chǎn)生的影響程度，第i個(gè)基本事件結(jié)構(gòu)重要度的計(jì)算公式如下：

其中：kj表示第j最小割集；nj表示第r個(gè)最小割集；xi表示第i個(gè)基本事件；運(yùn)用該公式計(jì)算各事件的重要度數(shù)，可得：

因此，各底事件的結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)大小排序?yàn)椋?/p>

從各基本事件的結(jié)構(gòu)重要度順序來看，事件X1-X21對(duì)頂事件發(fā)生的影響力較大。在安全防護(hù)中，按照結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)高低逐層防范，加強(qiáng)法蘭、閥門、管線的密封性檢查，防止因腐蝕老化或質(zhì)量缺陷發(fā)生泄漏；日常還應(yīng)加強(qiáng)對(duì)裝卸臂及緊急脫離裝置的檢查和維護(hù)，確保其良好工作；同時(shí)為防止工作人員出現(xiàn)誤操作行為，需要強(qiáng)化對(duì)他們的操作培訓(xùn)；當(dāng)然增強(qiáng)操作人員的安全意識(shí)和責(zé)任意識(shí)也是必不可少的，而且定期組織緊急事故安全演練也是很有必要的。

2.3 定量分析

求解故障樹頂事件發(fā)生概率通常的方法有以下3種：通過底事件發(fā)生概率直接求解、通過最小割集求解和通過最小徑集求解[7]。利用底事件發(fā)生概率直接求解法要求故障樹中不含重復(fù)底事件，反之按另外兩種方法計(jì)算。因此本文采取通過底事件發(fā)生概率求解的方式計(jì)算故障概率，計(jì)算流程如下：

通過底事件發(fā)生概率直接求頂事件發(fā)生概率由n底事件組成的故障樹，其結(jié)構(gòu)函數(shù)為：

如果故障樹頂事件代表系統(tǒng)故障，底事件代表元部件故障，則頂事件發(fā)生的概率就是系統(tǒng)的不可靠度Fs（t），其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

其中：Fi（t）——第i個(gè)元部件的不可靠度；

φ（X）——故障樹的結(jié)構(gòu)函數(shù)。

根據(jù)或門和與門的結(jié)構(gòu)函數(shù)有：

a與門結(jié)構(gòu)：

求解底事件概率常用的方法有：專家估算法、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析法和歷史故障經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析法。

3 實(shí)例分析

結(jié)合以上故障樹分析方法流程，本研究選取了某接收站，對(duì)其進(jìn)行安全分析。目前，許多工業(yè)發(fā)達(dá)國家都建立了故障率數(shù)據(jù)庫，甚至多個(gè)國家聯(lián)合建庫，由于我國并未建立自己的數(shù)據(jù)庫，為保證概率數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的可信度，本文主要采用了國際上現(xiàn)有的數(shù)據(jù)庫，其失效數(shù)據(jù)來源于：

（1）由挪威船級(jí)社發(fā)布的OREDA（Offshore Reliability Data Handbook《離岸可靠性數(shù)據(jù)手冊(cè)》）；

（2）美國Exida公司的發(fā)布的Safety Equipment Reliability Handbook；

（3）Reliability Data for Safety Instrumented Systems-PDS Data Handbook；

（4）WOAD（全球離岸工程事故數(shù)據(jù)庫）；

（5）HSE（英國離岸結(jié)構(gòu)安全部）；

（6）NPD（挪威石油管理部門）；

（7）由現(xiàn)場(chǎng)積累的設(shè)備失效數(shù)據(jù)；

（8）對(duì)某些具體的設(shè)備進(jìn)行失效模式和影響分析，得到其失效數(shù)據(jù)。

經(jīng)過計(jì)算，該泄漏事故的發(fā)生概率見表2。

表2 各中間事件故障率Tab.2Failure rate of Intermediate events

實(shí)例計(jì)算表明，在LNG船卸貨過程中出現(xiàn)泄漏事故的原因主要是以閥門、法蘭及管線失效為主。因此，預(yù)防LNG發(fā)生裝卸貨泄漏事故，除了設(shè)備的正確選型之外，同時(shí)對(duì)閥門、法蘭及安全附件的維護(hù)和檢查工作必須嚴(yán)格，尤其是防止其長期處于低溫腐蝕老化、產(chǎn)生縫隙出現(xiàn)密封不良等狀況，設(shè)備損壞時(shí)一定要及時(shí)更換，在容易發(fā)生泄漏的點(diǎn)設(shè)置監(jiān)控裝置及報(bào)警設(shè)備，以達(dá)到降低事故發(fā)生的目的。

4 結(jié)束語

LNG船舶裝卸貨作業(yè)是LNG船運(yùn)輸?shù)闹匾h(huán)節(jié)，同時(shí)也是事故的易發(fā)生環(huán)節(jié),其安全性和可靠性將直接影響LNG海上運(yùn)輸行業(yè)的健康發(fā)展。因此，本文基于故障樹分析法對(duì)可能造成LNG船舶裝卸貨泄漏事故的船舶因素進(jìn)行分析，通過建立故障樹模型，求出最小割集和結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)并排序，同時(shí)以根據(jù)底事件概率算出頂事件發(fā)生概率，從而進(jìn)行定性和定量分析，并結(jié)合某某LNG接收站，對(duì)其進(jìn)行安全分析，提出了相應(yīng)的預(yù)防事故發(fā)生的建議和措施。

[1]祁超忠.LNG船舶港內(nèi)作業(yè)前期研究及風(fēng)險(xiǎn)防范[J].航海技術(shù),2008(6):2-5.

[2]U.S.Departmentof Energy.Liquefied Natural Gas Safety Research Report to Congress[R].2012.

[3]VANEM E,ANT O P,準(zhǔn)STVIK I,et al.Analysing the risk of LNG carrier operations[J].Reliability Engineering and System Safety,2008,93(9):1 328-1 344.

[4]MELANI A H D A,SILVA D W R,SOUZA G F M.Use of Bayesian Network to Support Risk-Based Analysis of LNG Carrier Loading Operation[C]//Probabilistic Safety Assessmentand Management PSAM 12.2014.

[5]單浩明.液化氣船裝卸流程及海上運(yùn)輸安全性的研究[D].大連:大連海事大學(xué),2001.

[6]趙志壘.對(duì)LNG船舶裝卸貨泄漏事故的安全評(píng)估[J].中國水運(yùn):下半月,2013,13(7):7-8．

[7]鄧強(qiáng).液化天然氣供氣站風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究[D].重慶:重慶大學(xué),2008.

The Fault Tree Analysis of LNG Carrier Cargo Leakage on Loading and Unloading Operation

CHEN Xing-xing,LU Jin-shu,WU Wen-feng,et al
(School of Port and Transportation Engineering of Zhejiang Ocean University,Zhoushan316022,China)

With the rising global demand for LNG,LNG carriers are constantly showing the trend of large-scale development.Meanwhile,due to the low temperature,inflammable and explosive and other special inherent dangers,the security issues of LNG carriers in the process of loading and unloading are increasingly highlighted.Therefore,as for the LNG carrier cargo leakage accidentson loading and unloading operation, based on the Fault Tree Analysis，the ship factors caused LNG carriers cargo spill were analyzed,the fault tree model is established.According to that,the minimum cut sets and structure importance coefficient were calculated,the probability of bottom events and top event probability are analyzed too,the risk control measures are put forward.

fault tree analysis;LNG carrier;loading and unloading operation;cargo leakage

X937

A

1008－830X(2016)06－0509－05

2016-08-01

舟山市科技局項(xiàng)目（2016C41021）

陳星星（1993-），女，江西九江人，碩士研究生，研究方向：海上通航保障技術(shù).E-mail:17805808892@163.com

盧金樹.E-mail:lu_goldtree@163.com