基于FTA與FM EA的液化石油氣鋼瓶風險分析

范曉東 麻青春 蔡福海 王樹森 陳 晨

（1.赤峰市特種設備檢驗所 赤峰 024000）

（2.常州大連理工大學智能裝備研究院 常州 213164）

（3.常州機電職業技術學院 常州 213164）

國內的液化石油氣鋼瓶（LPG）保有量超億支，由于使用地點的不固定，在生產、運輸、使用等環節都可能造成鋼瓶受損。GB 8334—2011《液化石油氣鋼瓶定期檢驗與評定》[1]規定了LPG的定期檢驗規范，但是監管機構無法實時監控在役氣瓶的使用狀況，一旦氣瓶產生損傷，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險后果進行研究，可以為LPG的安全評估及風險管控提供數據和方法支撐。

王步美[4]對LPG爆炸原因進行了分析，總結了引起物理爆炸和化學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行了分析，確定了裂紋的擴展路徑；高玉坤[6]分析了實驗室氣瓶發生傾倒、泄漏和爆炸3類事故的致災因子，并綜合考慮事故的可能性以及后果的嚴重程度，用風險矩陣法建立了高校實驗室壓力氣瓶風險評估體系；董力宏[7]、石傳美[8]對壓力容器和天然氣球罐進行了失效故障樹和可靠性分析。

研究大多集中于復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在設計、生產、運輸、使用、檢驗過程中的全流程故障模式及其風險管控研究甚少。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險分析方法，對LPG全流程故障及失效模式進行了研究，為LPG風險管理提供了科學依據。

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]。它通過將失效狀態用對應符號來表達，建立各類頂事件、中間事件和底事件之間的關系，可以計算失效概率和其他定量指標，從而有效確定系統故障的原因[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頂事件失效的最小獨立故障單元，而獨立故障單元的多少，代表著可能引發頂事件故障的數量。針對圖1的故障樹，經布爾代數得到式（1)表達式，確定引發鋼瓶事故的所有割集：

經計算，共有割集數量188個，割集的階數越小，它發生的可能性就越大。因此，液化氣瓶故障樹中的3個一階最小割集和5個二階最小割集對液化氣瓶安全性影響較大，為整個系統的薄弱環節。

1.4 結構重要度計算

結構重要度指的是基本事件在故障樹結構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，計算公式見式（2）：

式中：

Ii——第i個底事件的結構重要度系數；

Kj——第j個最小割集；

Nj——第j個底事件位于Kj的底事件數；

xi∈Kj——第i個底事件屬于第j個最小割集。

通過式（2）的計算，可得排名前五的各事件結構重要度排名：

根據事故樹結構重要度排序，對液化氣瓶發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，應對相應事件進行重點監控。

2 液化氣瓶FMEA分析

通過FTA分析失效模式發生的概率和演繹過程，失效模式與影響分析（Failure Modes and Effect Analysis)FMEA則關注系統可能存在的失效模式及對其影響進行評價，兩者相互補充，形成一個整體。

FMEA是一種系統化的可靠性分析方法，對每一步可能出現的故障模式和影響因素，通過經驗和數據討論來確定故障模式的嚴重度（S)、頻度（O)、探測度（D)的等級和評估標準[9]。氣瓶的等級和評估標準可分為1-10個級別，見表2-表4。以RPN（Risk Priority Number)的數值對液化氣瓶進行風險分析，劃分其風險等級，RPN計算見式（3）。

在FMEA分析過程中，所計算得出的RPN值較高的失效模式，這些故障模式會使液化氣瓶出現較大的風險，如圖2所示。

表2 嚴重度(S)評價準則

表3 頻度(O)評價準則

表4 探測度(D)評價準則

圖2 氣瓶RPN計算結果

根據液化氣瓶風險等級評價表中的風險等級來，屬于較高級風險等級的失效模式為瓶閥泄漏、碰撞產生火花、超壓充裝、泄壓閥失效，屬于高級風險等級的失效模式為外力碰撞爆炸、充氣時氣流過快產生靜電。風險等級越高的失效模式，需要重點防范。

3 結束語

通過風險分析調整LPG的生產方案、嚴密監管和控制相關風險因素，對于LPG的整個生產、運輸、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，確定了結構重要度排序；采用FMEA法，建立了LPG失效模式與影響分析數據表，通過專家打分對失效模式的嚴重度、頻度、探測度進行系統評價，通過RPN的大小劃分了液化氣瓶的風險等級，確定了重點監控領域，為LPG風險管理提供科學依據。