基于故障樹-層次分析法的槽車液化氣泄漏事故致因分析*

高建豐 鄭豫， 倪鎧 李燕菊

1浙江海洋大學(xué)石化與能源工程學(xué)院2臨港石油液化氣儲運技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室

2020 年6 月13 日，浙江省溫嶺市發(fā)生了槽罐車重大爆炸事故，引起了社會的廣泛關(guān)注。液化氣（液化天然氣或液化石油氣）在開發(fā)利用的同時由于其本身易燃、易爆的特性，不斷給人們帶來安全隱患。如今，液化氣被廣泛應(yīng)用于各個行業(yè)各個地區(qū)，這更增大了液化氣泄漏事故的發(fā)生概率。液化氣泄漏事故，極有可能引起火災(zāi)、爆炸，從而導(dǎo)致群體性傷亡事件，造成巨大的社會影響。近幾年我國液化氣泄漏導(dǎo)致的爆炸事故多有發(fā)生（表1），本文通過對這些事故的調(diào)查分析，找出槽車液化氣泄漏事故發(fā)生的根本原因，并提出相應(yīng)的安全控制策略。

1 故障樹-層次分析法

故障樹是從結(jié)果推斷事件原因的指示邏輯樹。故障樹分析是從結(jié)果出發(fā)，搜索導(dǎo)致頂部事件發(fā)生的原因事件，從結(jié)果中找出事故發(fā)生的直接原因和潛在原因。故障樹分析方法具有邏輯性強、因果關(guān)系描述清晰、定量分析等特點。但是，在有些故障樹分析中，基本事件的發(fā)生概率無法具體量化，經(jīng)常使得分析結(jié)果出現(xiàn)較大誤差。基于此，引入層次分析法來進(jìn)行定量分析。層次分析法首先將一個評價對象劃分為若干層次，根據(jù)決策者的經(jīng)驗判斷給予指標(biāo)量化，并根據(jù)層次結(jié)構(gòu)圖確定每一層各個因素的相對重要性權(quán)重系數(shù)，直到計算出各個指標(biāo)層相對權(quán)數(shù)，從而給出優(yōu)劣次序。采用故障樹分析法和層次分析法相結(jié)合的方式確定故障綜合分析權(quán)重系數(shù)，既能對故障進(jìn)行量化處理，又能保證邏輯清晰。

表1 2016-2020液化氣泄漏事故不完全統(tǒng)計Tab.1 Incomplete statistics of liquefied gas leakage failures in 2016-2020

故障樹-層次分析法的詳細(xì)應(yīng)用步驟如下：

1.1 構(gòu)建故障樹模型

根據(jù)故障樹構(gòu)造方法，第一步確定頂事件，然后通過調(diào)查等方法找出導(dǎo)致頂事件發(fā)生的子事件，直至找到各個基本事件。搜索基本事件后，繪制故障樹，理清基本事件之間的邏輯關(guān)系，建立故障樹模型。

1.2 構(gòu)建層次分析模型

由上一步仔細(xì)分析邏輯關(guān)系后，將故障樹的基本事件歸類為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、指標(biāo)層，從而建立層次分析模型。

1.3 影響因素權(quán)重計算

影響因素權(quán)重計算過程如下：

（1）構(gòu)造判斷矩陣。判斷矩陣是對于每一個層次中兩兩元素比較而言的，即為找出一個指定的因素，將它與該層內(nèi)其他指標(biāo)進(jìn)行兩兩比較；根據(jù)實際情況，對其比較結(jié)果進(jìn)行合理的賦值，將該層次內(nèi)每一個指標(biāo)兩兩比較賦值完成后就可得到一個正負(fù)反判矩陣，該矩陣表示了各指標(biāo)的重要性比值分布。本文采用的標(biāo)度為1～9標(biāo)度（表2）。

（2）計算因素的相對權(quán)重。必須要得到各層次所有指標(biāo)的相對權(quán)重才能反映出各個指標(biāo)的重要性程度，只得到判斷矩陣是不夠的。于是首先要對判斷矩陣進(jìn)行歸一化處理，本文應(yīng)用算術(shù)平均法求得權(quán)重。數(shù)據(jù)處理方面用Matlab來求解。（3）一致性檢驗。在構(gòu)建正負(fù)反判斷矩陣時，由于人們意識的主觀性影響和系統(tǒng)本身的復(fù)雜性，在比較這兩個指標(biāo)時，不可能達(dá)到判斷的完全一致性。這通常會導(dǎo)致較大的誤差，因此需要測試判斷矩陣的一致性。測試過程如下：

表2 正負(fù)反判矩陣1～9標(biāo)度Tab.2 1 to 9 scale of reciprocal judgement matrix

式中：n為判斷矩陣的階數(shù)；λmax為最大特征值[2]。

需要引入平均隨機一致性指標(biāo)RI來衡量和計算是否有偏差。并通過式（2）計算CR是否小于0.1。若小于0.1則認(rèn)為判斷矩陣的一致性能夠經(jīng)受住檢驗。

RI取值詳見表3。

表3 RI 取值Tab.3 RI value

2 實例應(yīng)用與分析

2.1 建立故障樹模型

通過查閱資料，分析近年來槽車液化氣泄漏事故，采用故障樹作圖法，建立槽車液化氣泄漏事故樹模型（圖1），基本事件符號所代表的含義見表4。

2.2 建立層次分析模型

結(jié)合故障樹模型，建立層次分析模型。

圖1 液化氣泄漏事故樹模型Fig.1 Model of liquefied gas leakage fault tree

表4 液化氣泄漏事故的基本事件及其含義Tab.4 Elementary events and implications of liquefied gas leakage failure

其中，以液化氣泄漏事故(A) 作為層次分析模型中的目標(biāo)層；以槽車泄漏問題(B1)、管線系統(tǒng)故障(B2)、檢修問題(B3)、違規(guī)操作問題(B4)作為準(zhǔn)則層；以故障樹中的基本事件作為指標(biāo)層。構(gòu)建的液化氣泄漏故障層次分析模型見圖2[3]。

2.3 影響因素權(quán)重的計算

本文以故障樹的中間事件作為準(zhǔn)則層，從槽車泄漏問題、管線系統(tǒng)故障、檢修問題、違規(guī)操作問題構(gòu)建了準(zhǔn)則層判斷矩陣B。

圖2 液化氣泄漏事故層次分析模型Fig.2 Analysis model of the level of liquefied gas leakage failure

利用軟件Matlab進(jìn)行編程計算，得到準(zhǔn)則層各因素權(quán)重為=[0.110 0，0.102 0，0.380 1，0.407 9]；CI=0.003 5；CR=0.003 9（0.003 9＜0.10）；滿足一致性檢驗要求，說明計算結(jié)果能夠經(jīng)受住檢驗。整理后的計算數(shù)據(jù)見表5[4]。

表5 A-B 準(zhǔn)則層判斷矩陣和各因素的權(quán)重值Tab.5 Judgment matrix of A-B criteria layer and the weight value of each factor

按照同樣的方法，構(gòu)造指標(biāo)層判斷矩陣，計算各因素權(quán)重、一致性指標(biāo)CI、一致性比率CR，并對判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗。整理后的計算數(shù)據(jù)見表6～10[5]。

表6 B1-C(C1～C5)指標(biāo)層判斷矩陣和各因素的權(quán)重值Tab.6 Judgment matrix of B1-C(C1～C5) indicator layer and the weight value of each factor

表7 B2-C(C6～C9)指標(biāo)層判斷矩陣和各因素的權(quán)重值Tab.7 Judgment matrix of B2-C(C6～C9) indicator layer and the weight value of each factor

表8 B3-C(C10～C13)指標(biāo)層判斷矩陣和各因素的權(quán)重值Tab.8 B3-C(C10～C13) indicator layer judgment matrix and weighting values of each factor

表9 B4-C(C14～C19)指標(biāo)層判斷矩陣和各因素的權(quán)重值Tab.9 Judgment matrix of B4-C(C14～C19) indicator layer and the weight value of each factor

以指標(biāo)層中的第一因子為例，計算出準(zhǔn)則層中第一因子的重要性分值。由表可知目標(biāo)層分值f11＝1.000 0，準(zhǔn)則層f21=0.110 0，指標(biāo)層f31=0.212 1，利用下式可計算該影響因素重要程度的分值，即

同理可計算每個影響因素的重要程度的分值Vi，計算結(jié)果見表10。

2.4 致因結(jié)果分析

由表10 可以看出，在導(dǎo)致槽車液化氣泄漏事故發(fā)生的4個影響因素中，違規(guī)操作問題占權(quán)重為0.407 9，檢修問題占權(quán)重為0.380 1，這說明違規(guī)操作問題和檢修問題是導(dǎo)致槽車液化氣泄漏事故發(fā)生的主要原因。同時從重要程度分值的分布可以看出，重要程度分值從大到小排在前5 位的分別是：未及時發(fā)現(xiàn)問題并制止（22.27%）、操作失誤（17.46%）、未及時檢修管線系統(tǒng)（9.38%）、槽車追尾故障（9.03%）、管道破裂（5.43%）。而其中重要度分值排在前三位的是未及時發(fā)現(xiàn)問題并制止、操作失誤、未及時檢修管線系統(tǒng)，三者均為人的不安全行為因素。另外，準(zhǔn)則層里的檢修問題和違規(guī)操作問題對應(yīng)的基本影響因素的重要程度分值也普遍偏高。管道破裂因素重要度分值偏高，這也與液化氣管道設(shè)施較為復(fù)雜，出現(xiàn)破裂時不易排查的實際情況相符合。

表10 每個影響因素的重要程度的分值Tab.10 Scores on the importance of each influencing factor

這些結(jié)果與現(xiàn)實中槽車液化氣泄漏事件發(fā)生原因的調(diào)查結(jié)果相一致。因此得出，槽車液化氣泄漏風(fēng)險定量評估與分析是保證液化氣運輸安全和城市安全的重要手段。深入分析槽車液化氣泄漏事故發(fā)生的原因，利用故障樹-層次分析法對液化氣泄漏事故進(jìn)行了定性和定量分析后，其評價結(jié)果與實際情況吻合度較好[6]。

3 故障防控措施

通過以上對槽車液化氣泄漏事故的定量評價，可以看出液化氣泄漏事故的發(fā)生往往是多因素綜合作用的結(jié)果。單一因素不能導(dǎo)致液化氣泄漏事故的發(fā)生。因此，在制定故障預(yù)防策略時，必須掌握各種影響因素，并加以綜合考慮。具體防治措施如下[7]：

（1）加大管理力度。從上述定量分析中可清晰地看出，人的不安全行為因素的重要程度分值普遍較高，因此首先要從管理上預(yù)防事故的發(fā)生。建議如下：①加強操作人員的職業(yè)培訓(xùn)；②檢修人員嚴(yán)格執(zhí)行檢修程序；③增強工作人員的安全意識；④不斷改進(jìn)和完善檢修制度和管理制度。

（2）嚴(yán)格把控槽車質(zhì)量、降低槽車故障發(fā)生率。建議如下：①進(jìn)入罐車區(qū)的罐車必須符合國家有關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)，并通過指定的移動式低溫容器檢驗部門的安全鑒定[8]；②做好罐車日常維護和防腐工作，經(jīng)常維護安全閥和液位計，防止罐車超載和超壓。

（3）降低管線系統(tǒng)故障發(fā)生率。建議如下：①需要經(jīng)常對其進(jìn)行測試，以確定設(shè)備強度是否滿足工作要求，避免出現(xiàn)腐蝕、破損、疲勞等情況；②從技術(shù)層面提高管道泄漏檢測系統(tǒng)的敏感度，加強對管線系統(tǒng)的實時檢測[9]。

4 結(jié)論

引入層次分析法將故障樹模型轉(zhuǎn)化為層次分析法模型進(jìn)行定量分析，將故障樹與層次分析法相結(jié)合，克服了故障樹分析方法沒有考慮基本事件本身發(fā)生概率而會產(chǎn)生誤差的缺點；對槽車液化氣泄漏故障進(jìn)行了定量致因分析與評價，得出的結(jié)果與實際事故發(fā)生情況相吻合[10]。通過研究得出以下結(jié)論[11-13]：

（1）導(dǎo)致液化氣泄漏故障發(fā)生的主要影響因素為：違規(guī)操作問題、檢修問題、槽車泄漏問題和管線系統(tǒng)故障。

（2）人的不安全行為是導(dǎo)致槽車液化氣泄漏的主要原因，包括未及時發(fā)現(xiàn)問題并制止、操作失誤、未及時檢修管線系統(tǒng)。

（3）采用故障樹-層次分析法對液化氣泄漏事故原因進(jìn)行分析和評價，結(jié)果與實際情況相吻合，證明該方法在液化氣泄漏事故防治領(lǐng)域具有較高的應(yīng)用價值。