FTA在液氨罐車泄漏事故分析中的應(yīng)用

方學(xué)鋒，雒相垚，業(yè) 成，張伯君，周 丹，姜 君，文耀華

（南京市鍋爐壓力容器檢驗研究院，江蘇南京210019）

氨作為重要的化工原料和制冷劑得到廣泛應(yīng)用。液氨汽車公路運輸是主要運輸方式，在運輸過程中，如遇汽車剮蹭、追尾、側(cè)翻及罐體、管道、閥門等零部件損壞情況，易導(dǎo)致液氨發(fā)生泄漏事故，泄漏事故發(fā)生后一旦處置不及時，發(fā)生中毒、爆炸、起火等惡性后果的可能性將大幅提升，導(dǎo)致人員傷亡、環(huán)境污染、停工停產(chǎn)等一系列問題［1］。

許多學(xué)者對液氨泄漏進行了研究。Qu［2］等利用Phast軟件建立了液氨泄漏評價模型，實現(xiàn)了液氨泄漏事故毒性效應(yīng)的定量評價，為應(yīng)急救援提供技術(shù)指導(dǎo)和理論依據(jù)。Li［3］等通過模擬液氨泄漏事故的整體擴散過程，并進行了結(jié)果預(yù)測，比較了離泄漏源距離、風(fēng)速、環(huán)境穩(wěn)定性和地面粗糙度等因素對泄漏事故的影響程度。Kang［4］等基于GIS技術(shù)，運用高斯擴散模型對液氨儲罐泄露事故的擴散過程進行了模擬研究，分析對環(huán)境和附近人群的影響程度，為事故災(zāi)害后的應(yīng)急監(jiān)測、現(xiàn)場救援和評價奠定了科學(xué)的基礎(chǔ)。龍梅［5］對液氨儲罐火災(zāi)爆炸以及泄漏事故進行了事故樹分析，找出了事故發(fā)生的主要原因，并提出了相應(yīng)的改進對策。吳天魁［6］等采用故障樹分析方法對液氨儲罐泄漏事故進行了定性和定量分析，為防止頂事件的發(fā)生提供了相應(yīng)防范措施。周靜［7］通過故障樹分析方法分析了可能導(dǎo)致合成氨裝置液氨儲罐泄漏的原因和影響因素，為制定液氨儲罐泄漏事故措施提供了依據(jù)。徐中軒［8］等通過對液氨儲罐泄漏事故進行事故樹定性分析，為避免頂事件發(fā)生提供了可行性建議。孫長久［9］通過對液氨汽車運輸實際泄漏案例研究，提出了液氨泄漏后應(yīng)急處置的工作重點以及相應(yīng)處置方法。

綜上分析，國內(nèi)外學(xué)者大都通過事故樹分析對液氨儲罐泄漏事故進行了定性研究，對液氨罐車運輸過程中的泄漏事故研究較少。針對液氨罐車問題，文中采用事故樹分析法對液氨罐車泄漏事故進行定性分析，找出導(dǎo)致液氨罐車泄漏的主要影響因素，并從不同角度提出對應(yīng)的預(yù)防措施。

1 事故樹基本理論

基于事故樹分析方法（Fault Tree Analysis，F(xiàn)TA）對液氨罐車泄漏事故進行研究，采用定性的方法尋找導(dǎo)致頂事件發(fā)生的主要原因，主要從最小割集和結(jié)構(gòu)重要度2個方面進行定性分析。

1.1 最小割集

事故樹中使得頂事件發(fā)生的基本事件的集合叫做割集。如事故樹中存在n個基本事件x1,x2,???,xn，使得頂事件發(fā)生的基本事件的集合C=xi1,xi2,???,xin)，則C可稱為事故樹的割集。

若將割集中的基本事件任意刪除1項將不再構(gòu)成割集，此種割集就叫最小割集。如C=xi1,xi2,???,xin)中缺少任意1項底事件時，頂事件就不能發(fā)生，則C稱為事故樹的最小割集。

從最小割集方面對液氨罐車泄漏事故樹進行定性分析，可以了解整個液氨罐車泄漏事故樹系統(tǒng)的危險性。因為1個最小割集對應(yīng)液氨罐車泄漏事故樹系統(tǒng)發(fā)生泄漏的1種可能性，最小割集越多，液氨罐車系統(tǒng)越危險。因此，在液氨罐車泄漏事故樹分析中準確的得出最小割集非常重要。

1.2 結(jié)構(gòu)重要度

結(jié)構(gòu)重要度是指事故樹系統(tǒng)包含的各底事件對頂事件的影響大小，即從事故樹結(jié)構(gòu)分析各底事件的重要程度，是與時間、零部件可靠性參數(shù)及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相關(guān)的函數(shù)。文中研究液氨擦罐車泄漏事故樹的結(jié)構(gòu)重要度暫不考慮基本事件發(fā)生的概率，或假設(shè)任意基本事件發(fā)生的概率均相等[10]。

若Xi=1表示基本事件發(fā)生；Xi=0表示基本事件不發(fā)生，則結(jié)構(gòu)函數(shù)為：

結(jié)構(gòu)函數(shù)遵循布爾代數(shù)的運算法則，是基本事件狀態(tài)變量的布爾表達式，φ(x)隨xi的取值在變化，即：結(jié)構(gòu)函數(shù)從

變化到

φ=(x)=1，頂事件發(fā)生；φ=(x)=0，頂事件不發(fā)生。

當xi固定時，φ(x)最多包含2n-1種組合。假設(shè)nφ(i)為2n-1個組合中，發(fā)生從（2）到（3）的變化次數(shù)的總和，則當基本事件Xi發(fā)生時（xi取1）引起頂事件發(fā)生的總次數(shù)為：

因此，基本事件xi的結(jié)構(gòu)重要度為：

如果用Iφ(i)表示基本事件xi的結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)，則可通過式（6）求解：

式中Iφ(i)—基本事件xi的結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)；K—最小割集的總數(shù)；ni—基本事件xi所在Ki的事件數(shù)。

2 液氨罐車泄漏事故樹建立與分析

2.1 液氨罐車事故樹分析步驟

液氨罐車主要由車體、罐體、安全附件、承壓附件、管路附件等部件組成，這些部件又由不同的零件焊接組成，如安全附件包括安全閥、爆破片、壓力表、溫度計、液位計、緊急切斷裝置、導(dǎo)靜電裝置等。管路系統(tǒng)又可分為連接管道、閥門、測量儀等，結(jié)構(gòu)系統(tǒng)非常復(fù)雜，任何1個結(jié)構(gòu)出現(xiàn)故障都可能對人民生命及經(jīng)濟造成重大影響。

只有對液氨罐車結(jié)構(gòu)及其運輸系統(tǒng)以及可能發(fā)生的事故類型充分了解的基礎(chǔ)上，才能通過FTA對液氨罐車泄露事故進行準確分析。

液氨罐車泄漏事故樹分析步驟見圖1。

圖1 液氨罐車泄漏事故樹分析步驟

2.2 液氨罐車泄漏原因分析

液氨罐車發(fā)生的事故大體可分為泄漏和爆炸2類，而爆炸事故大多也是泄漏事故的延伸。因此，將液氨罐車泄漏作為事故樹中的頂事件。導(dǎo)致液氨罐車泄漏的原因可大致概括為為3種。

（1）罐體設(shè)備自身問題；（2）人的不安全因素；（3）外界不安全因素，因此將此3個問題作為事故樹的次頂事件。

罐體設(shè)備自身問題導(dǎo)致的泄漏主要由罐體本體缺陷、安全附件及管道系統(tǒng)故障2大問題導(dǎo)致。

罐體本體泄漏是由設(shè)備自身不合格和設(shè)備長時間使用開裂導(dǎo)致的。由于設(shè)計或制造的不合理加之粗心驗收，就會出現(xiàn)不合格的罐體產(chǎn)品。即使是合格的罐體產(chǎn)品，如果長時間使用后不及時處理，也將導(dǎo)致罐體腐蝕開裂、疲勞開裂或沖蝕穿孔，此時表現(xiàn)為罐體本體的腐蝕或安全閥及液位計失靈或超壓等情形。

如果安全附件及管道系統(tǒng)出現(xiàn)故障，主要表現(xiàn)為管道開裂、閥門或法蘭密封失效、閥門失效及安全閥起跳等情況［11］。

人的不安全因素由工作人員因素與管理人員因素組成。

工作人員因素主要是操作人員的失誤與維修人員的失誤。操作人員失誤主要有操作人員操作程序的不規(guī)范，甚至違章操作，維修人員的失誤主要是維修人員發(fā)現(xiàn)不及時及未定期檢測，導(dǎo)致未及時維修故障設(shè)備以及未及時更新老化設(shè)備，最終導(dǎo)致發(fā)生泄漏事故。

管理人員因素主要是管理人員平時沒有對操作人員進行應(yīng)急知識培訓(xùn)及安全教育、罐體設(shè)備采購不嚴、設(shè)備維修保養(yǎng)與檢修制度不完善以及領(lǐng)導(dǎo)管理能力欠缺等。

結(jié)合實際液氨泄漏事故原因調(diào)查情況，發(fā)生泄漏的根本原因是外界不安全環(huán)境導(dǎo)致的機械損傷泄漏，主要有液氨罐車剮蹭、液氨罐車追尾、液氨罐車側(cè)翻，外在偶然因素導(dǎo)致的液氨罐車發(fā)生泄漏，如在運輸途中遇到其它車輛不按規(guī)則出行或是不可避免的大雪或高溫活暴雨等極端天氣，對液氨罐車的安全運輸造成了很大的影響，也對其它車輛的安全出行造成了影響，間接影響到液氨罐車的運行，最終導(dǎo)致事故的發(fā)生。

2.3 液氨罐車泄漏事故樹的建立

為方便液氨罐車泄漏事故的定性分析與計算，假設(shè)各基本事件之間相互獨立，事件只有發(fā)生與不發(fā)生2種情況，且認為短時間內(nèi)不會存在2個以上的結(jié)構(gòu)同時失效。

根據(jù)對液氨罐車泄漏事故原因綜合分析，建立液氨罐車泄漏事故樹見圖2、3。

事故樹給出了液氨罐車泄漏事故中可能發(fā)生的主要事故模式。文中共考慮了35個基本事件，基本事件（X）、中間事件（M）、頂事件（T）的各自含義見表1。

圖2 液氨罐車泄漏事故樹（1）

圖3 液氨罐車泄漏事故樹（2）

表1 液氨罐車泄漏事故樹各事件的含義

2.4 液氨罐車泄漏事故樹的定性分析

根據(jù)液氨罐車泄漏事故樹可知最小割集有42個，最小徑集有66個，文中主要從割集和結(jié)構(gòu)重要度2個方面對液氨罐車進行定性分析，通過對事故樹定性分析，找到液氨罐車泄漏的主要原因。

文中采用下行法（Fussell法）對所建立的事故樹進行定性分析，運用布爾代數(shù)進行邏輯運算，頂事件表示見式7。

最小割集越多，液氨罐車系統(tǒng)越危險，由式（7）中可知，液氨罐車泄漏事故樹的最小割集數(shù)量為42個，各階最小割集見表2。

表2 各階最小割集

從最小割集方面對液氨罐車泄漏事故樹進行定性分析，可以定性了解整個液氨罐車泄漏事故樹系統(tǒng)的危險性。分析表2可知，事故樹的42個最小割集對應(yīng)液氨罐車泄漏事故樹系統(tǒng)發(fā)生泄漏的42種可能性。

最小割集中基本事件出現(xiàn)次數(shù)越多，說明該因素最可能達成頂事件。

由表2可知，最小割集中基本事件X5、X6、X7、X12、X13、X14、X19、X20、X35出現(xiàn)了5次，X28、X29、X30、X31出現(xiàn)4次，X15、X16、X22出現(xiàn)3次，基本事件X5、X6、X7、X12、X13、X14、X19、X20、X35出現(xiàn)次數(shù)最多，說明罐體設(shè)備采購過程不嚴、罐體設(shè)備維修保養(yǎng)與檢修質(zhì)量差、領(lǐng)導(dǎo)能力欠缺、疏忽或缺乏意識、工具使用不規(guī)范、未及時更新、未按要求驗收、未檢查出缺陷、應(yīng)急體系不完善最可能導(dǎo)致頂事件液氨罐車泄漏事故的發(fā)生，對此類事件應(yīng)多加重視。

割集階數(shù)越小，其發(fā)生的可能性就越大，應(yīng)對其格外重視。由表2可知，42個最小割集中容量為1的最小割集占10個，占比很大，1階最小割集對應(yīng)的基本事件液氨罐車剮蹭、追尾、側(cè)翻；閥門失效；補焊造成的開裂；閥門密封失效；法蘭密封失效；安全閥及液位計失效；內(nèi)外防腐層破壞；充裝過量此類事件發(fā)生的可能性較大，對于此類基本事件，運輸企業(yè)應(yīng)多加防范，同時，企業(yè)也可通過對某個割集中的基本事件發(fā)生的某1條件進行破壞，即可使該割集失去造成事故發(fā)生的可能性。如最小割集{X5，X30，X31}、{X6，X30，X31}、{X7，X30，X31}中均包含“發(fā)現(xiàn)不及時”和“未定期檢測”2個基本事件，只要破壞2個基本事件中的任何1個，就能避免3種故障模式導(dǎo)致的泄漏事故。如企業(yè)及時發(fā)現(xiàn)故障或按時檢測，就可能排除2個基本事件導(dǎo)致的液氨儲罐泄漏事故。

根據(jù)式（6），通過最小割集計算出各基本事件的結(jié)構(gòu)重要度，得出因素權(quán)重，見表3。

表3 各基本事件結(jié)構(gòu)重要度及因素權(quán)重

通過表3可知，各基本事件的結(jié)構(gòu)重要度大小如下：

由上述結(jié)構(gòu)重要度大小可知X1、X2、X3、X4、X8、X9、X10、X11、X21、X27的權(quán)重遠遠高于其它基本事件，其次是X12、X13與X14的權(quán)重也較大，可知容易引起液氨罐車泄漏的因素主要是液氨罐車剮蹭、追尾、側(cè)翻；閥門失效；補焊造成的開裂；密封失效；安全閥及液位計失效；內(nèi)外防腐層破壞；充裝過量。其次為人員疏忽、使用工具不規(guī)范等人員不安全行為。

根據(jù)文獻［1］液氨罐車發(fā)生泄漏事故的實際情況可知，外界不安全環(huán)境（剮蹭、追尾、側(cè)翻）導(dǎo)致的破壞是造成其泄漏的主要原因，而充裝過量、法蘭和閥門等零部件腐蝕、連接部件絲扣松動、焊接缺陷、安全閥不動作、儀表無法顯示等是引起罐車泄漏的內(nèi)在主要因素，由此可見，實際情況與計算結(jié)果基本一致。

為保證液氨罐車的安全長周期運行，應(yīng)采取針對性措施嚴格管控。另外，基本事件X1、X2、X3、X4、X8、X9、X10、X11、X21和X27的權(quán)重相同，表明液氨罐車剮蹭、追尾、側(cè)翻、閥門失效、補焊開裂、密封失效、內(nèi)外防腐層破壞等因素對液氨罐車泄漏的影響程度基本相同。

從結(jié)構(gòu)重要度總體比較來看，外界環(huán)境不安全因素權(quán)重要大于人的不安全因素權(quán)重，有些外界環(huán)境不安全因素不由人為控制，只能從人的不安全因素方面防控。因此，企業(yè)管理人員應(yīng)該重視對作業(yè)人員的安全教育和培訓(xùn)，使其掌握必要的安全知識；企業(yè)要按規(guī)定做好罐車罐體及其安全附件與管道系統(tǒng)的定期檢測和維護，若發(fā)現(xiàn)管道老化、破裂等異常情況，應(yīng)及時采取防范措施。

3 結(jié)論

運用FTA對液氨罐車泄漏進行了事故樹分析，從最小割集和結(jié)構(gòu)重要度2個方面定性分析了液氨罐車泄漏的主要影響因素。導(dǎo)致液氨罐車泄漏失效的35個基本事件，根據(jù)因素權(quán)重，得出外界不安全環(huán)境（剮蹭、追尾、側(cè)翻）、閥門失效、補焊造成的開裂、密封失效、安全閥及液位計失效、內(nèi)外防腐層破壞、充裝過量等因素權(quán)重最大，其次是人員疏忽、使用工具不規(guī)范等人員不安全因素。

結(jié)合實際情況，由于車輛不安全行為及極端天氣等外界環(huán)境因素不好控制，所以提高液氨罐車運輸車輛防側(cè)滑、側(cè)翻及追尾的性能至關(guān)重要，在有效控制外界不安全因素的基礎(chǔ)上，人員疏忽、使用工具不規(guī)范等人員不安全行為需予以重視，重點防控，避免事故的發(fā)生。文中通過定性分析從宏觀上給出了液氨罐車泄漏事故發(fā)生的潛在風(fēng)險因素，為采取有效的措施控制風(fēng)險并保證液氨罐車長周期運輸提供指南。