基于FTA與FM EA的液化石油氣鋼瓶風(fēng)險(xiǎn)分析

范曉東 麻青春 蔡福海 王樹森 陳 晨

（1.赤峰市特種設(shè)備檢驗(yàn)所 赤峰 024000）

（2.常州大連理工大學(xué)智能裝備研究院 常州 213164）

（3.常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 常州 213164）

國內(nèi)的液化石油氣鋼瓶（LPG）保有量超億支，由于使用地點(diǎn)的不固定，在生產(chǎn)、運(yùn)輸、使用等環(huán)節(jié)都可能造成鋼瓶受損。GB 8334—2011《液化石油氣鋼瓶定期檢驗(yàn)與評定》[1]規(guī)定了LPG的定期檢驗(yàn)規(guī)范，但是監(jiān)管機(jī)構(gòu)無法實(shí)時(shí)監(jiān)控在役氣瓶的使用狀況，一旦氣瓶產(chǎn)生損傷，則可能存在著較大的安全隱患。因此，對LPG故障模式及其失效風(fēng)險(xiǎn)后果進(jìn)行研究，可以為LPG的安全評估及風(fēng)險(xiǎn)管控提供數(shù)據(jù)和方法支撐。

王步美[4]對LPG爆炸原因進(jìn)行了分析，總結(jié)了引起物理爆炸和化學(xué)爆炸的不同故障模式；S.Kingklang[5]采用故障評估圖（FAD），對LPG的不同初始裂紋在不同壓力下的失效方式進(jìn)行了分析，確定了裂紋的擴(kuò)展路徑；高玉坤[6]分析了實(shí)驗(yàn)室氣瓶發(fā)生傾倒、泄漏和爆炸3類事故的致災(zāi)因子，并綜合考慮事故的可能性以及后果的嚴(yán)重程度，用風(fēng)險(xiǎn)矩陣法建立了高校實(shí)驗(yàn)室壓力氣瓶風(fēng)險(xiǎn)評估體系；董力宏[7]、石傳美[8]對壓力容器和天然氣球罐進(jìn)行了失效故障樹和可靠性分析。

研究大多集中于復(fù)雜固定式壓力容器或者氣瓶單一故障模式及其失效方式，而針對LPG在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、運(yùn)輸、使用、檢驗(yàn)過程中的全流程故障模式及其風(fēng)險(xiǎn)管控研究甚少。本文基于故障樹分析法（FTA)與失效模式與影響分析法（FMEA)的液化石油氣鋼瓶風(fēng)險(xiǎn)分析方法，對LPG全流程故障及失效模式進(jìn)行了研究，為LPG風(fēng)險(xiǎn)管理提供了科學(xué)依據(jù)。

1 LPG故障樹分析

1.1 故障樹方法概述

故障樹分析方法，是一種可靠性分析方法[7]。它通過將失效狀態(tài)用對應(yīng)符號來表達(dá)，建立各類頂事件、中間事件和底事件之間的關(guān)系，可以計(jì)算失效概率和其他定量指標(biāo)，從而有效確定系統(tǒng)故障的原因[8，9]。

1.2 LPG故障樹模型

參考車用壓縮天然氣（CNG)氣瓶事故建模方法[10]，以LPG事故為頂事件，建立事故樹如圖1所示，故障樹中各符號代表意義見表1。

圖1 液化氣瓶故障樹

表1 液化氣瓶故障樹符號意義

1.3 事故樹最小割集

最小割集指的是引發(fā)頂事件失效的最小獨(dú)立故障單元，而獨(dú)立故障單元的多少，代表著可能引發(fā)頂事件故障的數(shù)量。針對圖1的故障樹，經(jīng)布爾代數(shù)得到式（1)表達(dá)式，確定引發(fā)鋼瓶事故的所有割集：

經(jīng)計(jì)算，共有割集數(shù)量188個(gè)，割集的階數(shù)越小，它發(fā)生的可能性就越大。因此，液化氣瓶故障樹中的3個(gè)一階最小割集和5個(gè)二階最小割集對液化氣瓶安全性影響較大，為整個(gè)系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)。

1.4 結(jié)構(gòu)重要度計(jì)算

結(jié)構(gòu)重要度指的是基本事件在故障樹結(jié)構(gòu)中所占地位造成的影響程度，衡量基本事件對頂事件影響的大小和排序，計(jì)算公式見式（2）：

式中：

Ii——第i個(gè)底事件的結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)；

Kj——第j個(gè)最小割集；

Nj——第j個(gè)底事件位于Kj的底事件數(shù)；

xi∈Kj——第i個(gè)底事件屬于第j個(gè)最小割集。

通過式（2）的計(jì)算，可得排名前五的各事件結(jié)構(gòu)重要度排名：

根據(jù)事故樹結(jié)構(gòu)重要度排序，對液化氣瓶發(fā)生事故影響較大的基本事件有X1、X7、X8、X12、X11、X10、X9、X6、X5、X4、X3等，應(yīng)對相應(yīng)事件進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)控。

2 液化氣瓶FMEA分析

通過FTA分析失效模式發(fā)生的概率和演繹過程，失效模式與影響分析（Failure Modes and Effect Analysis)FMEA則關(guān)注系統(tǒng)可能存在的失效模式及對其影響進(jìn)行評價(jià)，兩者相互補(bǔ)充，形成一個(gè)整體。

FMEA是一種系統(tǒng)化的可靠性分析方法，對每一步可能出現(xiàn)的故障模式和影響因素，通過經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)討論來確定故障模式的嚴(yán)重度（S)、頻度（O)、探測度（D)的等級和評估標(biāo)準(zhǔn)[9]。氣瓶的等級和評估標(biāo)準(zhǔn)可分為1-10個(gè)級別，見表2-表4。以RPN（Risk Priority Number)的數(shù)值對液化氣瓶進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析，劃分其風(fēng)險(xiǎn)等級，RPN計(jì)算見式（3）。

在FMEA分析過程中，所計(jì)算得出的RPN值較高的失效模式，這些故障模式會使液化氣瓶出現(xiàn)較大的風(fēng)險(xiǎn)，如圖2所示。

表2 嚴(yán)重度(S)評價(jià)準(zhǔn)則

表3 頻度(O)評價(jià)準(zhǔn)則

表4 探測度(D)評價(jià)準(zhǔn)則

圖2 氣瓶RPN計(jì)算結(jié)果

根據(jù)液化氣瓶風(fēng)險(xiǎn)等級評價(jià)表中的風(fēng)險(xiǎn)等級來，屬于較高級風(fēng)險(xiǎn)等級的失效模式為瓶閥泄漏、碰撞產(chǎn)生火花、超壓充裝、泄壓閥失效，屬于高級風(fēng)險(xiǎn)等級的失效模式為外力碰撞爆炸、充氣時(shí)氣流過快產(chǎn)生靜電。風(fēng)險(xiǎn)等級越高的失效模式，需要重點(diǎn)防范。

3 結(jié)束語

通過風(fēng)險(xiǎn)分析調(diào)整LPG的生產(chǎn)方案、嚴(yán)密監(jiān)管和控制相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)因素，對于LPG的整個(gè)生產(chǎn)、運(yùn)輸、使用、維修方面都極為重要。本文以LPG為研究對象，采用FTA法，建立了LPG的故障樹模型，確定了結(jié)構(gòu)重要度排序；采用FMEA法，建立了LPG失效模式與影響分析數(shù)據(jù)表，通過專家打分對失效模式的嚴(yán)重度、頻度、探測度進(jìn)行系統(tǒng)評價(jià)，通過RPN的大小劃分了液化氣瓶的風(fēng)險(xiǎn)等級，確定了重點(diǎn)監(jiān)控領(lǐng)域，為LPG風(fēng)險(xiǎn)管理提供科學(xué)依據(jù)。