（遼寧石油化工大學(xué) 石油天然氣工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001）

基于最小割集的LNG船火災(zāi)和爆炸分析

馬洪建，劉寶玉，譚 磊，陳 印，曹彥青

（遼寧石油化工大學(xué) 石油天然氣工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001）

對(duì)引起LNG船發(fā)生火災(zāi)、爆炸的諸因素進(jìn)行研究，建立了以LNG船作為頂事件的事故樹(shù)，利用最小割集法對(duì)影響LNG船火災(zāi)和爆炸的諸因素進(jìn)行分析，并將底事件的重要度系數(shù)加權(quán)到分析中，進(jìn)而提出提高LNG船安全的相應(yīng)方法和改進(jìn)措施。

LNG船；最小割集法；事故樹(shù)；安全

近年來(lái)LNG由于其優(yōu)良的特性被許多國(guó)家廣泛使用，由于國(guó)與國(guó)之間的距離，特別是跨海的距離，使得LNG船也得到廣泛的使用。LNG船是國(guó)際公認(rèn)的高技術(shù)、高難度、高附加值的“三高”產(chǎn)品，LNG船是在-162 ℃低溫下運(yùn)輸液化氣的專用船舶， 是一種“海上超級(jí)冷凍車(chē)”，被喻為世界造船“皇冠上的明珠”，目前只有美國(guó)、中國(guó)、日本、韓國(guó)和歐洲的少數(shù)幾個(gè)國(guó)家的13家船廠能夠建造。

由于LNG船高昂的造價(jià)，獨(dú)特的特性，航行的安全，以及LNG特殊的低溫保存要求，對(duì)于LNG船的安全防護(hù)問(wèn)題越來(lái)越受到各國(guó)的重視。因此，開(kāi)展LNG船火災(zāi)和爆炸分析的重要性日漸凸顯［1］。

事故樹(shù)這種分析方法的提出，最早是由美國(guó)的貝爾電話研究所在1961年提出的。其后，美國(guó)原子能委員會(huì)公開(kāi)發(fā)表的《拉姆遜報(bào)告》，使得這種分析的方法得到了普及，得到了人們的重視。

利用事故樹(shù)來(lái)分析問(wèn)題，成為許多行業(yè)進(jìn)行系統(tǒng)安全分析的有效方式，而最小割集法是事故樹(shù)分析的兩種重要方法。最小割集法主要特點(diǎn)是能夠?qū)⑷我鈴?fù)雜的單調(diào)系統(tǒng)簡(jiǎn)化成等值的串并聯(lián)結(jié)構(gòu)，從而可以方便地求得系統(tǒng)的可靠度。

本文通過(guò)對(duì)LNG船火災(zāi)和爆炸分析，并引入底事件的重要度系數(shù)作為權(quán)重，使得各影響因素的作用更加明顯，從而為提出相應(yīng)的安全措施提供了參考和依據(jù)［2］。

1 最小割集法

1.1 事故樹(shù)簡(jiǎn)介

1961年，為了評(píng)價(jià)民兵式導(dǎo)彈控制系統(tǒng)的安全，Bell實(shí)驗(yàn)室的Watson首次提出了事故樹(shù)分析的概念。波音公司的分析人員改進(jìn)了事故樹(shù)分析技術(shù)，使之便于應(yīng)用數(shù)字計(jì)算機(jī)進(jìn)行定量分析。在隨后的十年中，特別是航天工業(yè)在該項(xiàng)分析技術(shù)的精細(xì)化和應(yīng)用方面，取得了巨大進(jìn)展［3］。

1.2 最小割集法簡(jiǎn)介

割集，有時(shí)也被稱為截止集、截集。割集是一系列事件的組合，這些事件被稱為基本事件，基本事件致使頂事件的發(fā)生。我們把這一組致使頂事件發(fā)生的基本事件稱作割集。其中，基本事件的限度最低的割集，我們稱為最小割集。

其求解方法一般有三種：行列法、結(jié)構(gòu)法、布爾代數(shù)化簡(jiǎn)法。其中，布爾代數(shù)化簡(jiǎn)法最為簡(jiǎn)單，較為普遍采用。

1.2.1 行列法

行列法是1972年福塞爾提出的方法，所以也稱其為福塞爾法。其理論依據(jù)是：“與門(mén)”使割集容

量增加，而不增加割集的數(shù)量；“或門(mén)”使割集的數(shù)量增加，而不增加割集的容量。這種方法是從頂上事件開(kāi)始，用下一層事件代替上一層事件，把“與門(mén)”連接的事件，按行橫向排列；把“或門(mén)”連接的事件，按列縱橫向擺開(kāi)。這樣，逐層向下，直至各基本事件，列出若干行，最后利用布爾代數(shù)化簡(jiǎn)?；?jiǎn)結(jié)果，就得出若干最小割集。

1.2.2 結(jié)構(gòu)法

這種方法的理論根據(jù)是：事故樹(shù)的結(jié)構(gòu)完全可以用最小割集來(lái)表示。

1.2.3 布爾代數(shù)化簡(jiǎn)法

這種方法的理論依據(jù)是：上述結(jié)構(gòu)法完全和布爾代數(shù)化簡(jiǎn)事故樹(shù)法相似，所不同的只是“∪”與“+”的問(wèn)題。實(shí)質(zhì)上，布爾代數(shù)化簡(jiǎn)法中的“+”和結(jié)構(gòu)式中的“∪”是一致的。這樣，用布爾代數(shù)化簡(jiǎn)法，就能求出構(gòu)成事故樹(shù)的所有最小割集情況。

2 建立LNG船火災(zāi)、爆炸事故樹(shù)

依據(jù)相關(guān)理論，取LNG船火災(zāi)和爆炸A為整個(gè)事故樹(shù)的頂事件，然后分析可能引起頂事件發(fā)生的所有因素，逐級(jí)建立事故樹(shù)。

引起LNG船火災(zāi)、爆炸的主要原因可以分成兩種：一種是內(nèi)壓升高導(dǎo)致的，另一種是由于LNG泄漏，遇明火發(fā)生的［4］。

建立的事故樹(shù)如圖1所示。

圖1 LNG船火災(zāi)爆炸事故樹(shù)圖Fig.1 LNG ship’s fire and explosion tree

其中：A——LNG船火災(zāi)爆炸

B1——由火災(zāi)引起的爆炸

B2——由超壓引起的爆炸

C1——泄漏

C2——火源

C3——安全閥失效

D1——明火

D2——撞擊火花

D3——靜電

Y1——通風(fēng)不良

Y2——閥門(mén)損壞失效

Y3——儲(chǔ)罐泄漏

Y4——管線泄漏

Y5——吸煙

Y6——違章動(dòng)火

Y7——儲(chǔ)罐靜電

Y8——人體靜電

Y9——絕熱層損壞

Y10——選型不當(dāng)

Y11——安全閥損壞

從以上分析可以看出，引起LNG船火災(zāi)和爆炸事故的原因可以分成兩大類(lèi)，一類(lèi)是人為因素，另一類(lèi)是非人類(lèi)因素。人為因素主要指員工意識(shí)不強(qiáng)，違反操作規(guī)程的行為；非人為因素系指管線老化破裂等。

3 基于最小割集的LNG船火災(zāi)和爆炸分析

3.1 最小割集分析

我們從事故樹(shù)的分析方法不能看出，最小割集是事故發(fā)生的最小單位，所以我們分析的目的就是找出事故樹(shù)的所有最小割集，進(jìn)而找尋事件故障或?qū)е率录l(fā)生的所有可能因素，從而確定出整個(gè)系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，為改善改進(jìn)提供參考和依據(jù)［5］。

由圖1所示，并結(jié)合最小割集的有關(guān)理論，我們很容易得到LNG船火災(zāi)爆炸事故樹(shù)的最小割集為：Y1Y2Y5，Y1Y2Y6，Y1Y2Y7，Y1Y2Y8，Y1Y3Y5，Y1Y3Y6，Y1Y3Y7，Y1Y3Y8，Y1Y4Y5，Y1Y4Y6，Y1Y4Y7，Y1Y4Y8，Y9Y10，Y9Y11。

由該結(jié)果可知，LNG船火災(zāi)爆炸事故樹(shù)有12個(gè)三階最小割集和2個(gè)二階最小割集。從割集的相關(guān)理論我們可以知道，割集中各影響因素的作用程度并不是相等的，這就牽涉到結(jié)構(gòu)重要度的問(wèn)題。

3.2 底事件結(jié)構(gòu)重要度分析

底事件結(jié)構(gòu)重要度的計(jì)算公式如下：

其中：k——該事件中最小割集的個(gè)數(shù)；

Er——第r個(gè)最小割集；

mr——最小割集 中含有的基本事件個(gè)數(shù)；

Xi——第i個(gè)基本事件；

Ik(i)——基本事件 的割集重要度系數(shù)。

運(yùn)用該公式計(jì)算各事件的重要度數(shù)數(shù)，可得：

從以上計(jì)算的結(jié)果我們可以看出，Y14(1)最大，為2/7，代表閥門(mén)損壞為引起LNG船火災(zāi)和爆炸事故最為常見(jiàn)的原因之一，其次，吸煙、違章動(dòng)火和人體靜電也是誘發(fā)LNG船火災(zāi)和爆炸事故的重要原因之一。這些人為原因可以杜絕，應(yīng)加強(qiáng)相關(guān)工

作人員的責(zé)任意識(shí)和工作培訓(xùn)［6］。

4 結(jié)果分析及安全措施

由前面的計(jì)算結(jié)果我們可以看到，引起LNG船火災(zāi)和爆炸事故發(fā)生最重要的底事件是通風(fēng)不良，其次是閥門(mén)損壞失效、儲(chǔ)罐泄漏和管線泄漏。另外，人為的主觀性原因必須嚴(yán)格控制，如吸煙問(wèn)題和防護(hù)服的穿戴［7］。建議采取的相關(guān)措施如下：

（1）采用合理的通風(fēng)措施，使罐區(qū)保持通風(fēng)。

（2）采用特殊的建造工藝［8-9］。

（3）選用型號(hào)匹配的閥門(mén)，并經(jīng)常檢查，一旦發(fā)現(xiàn)問(wèn)題應(yīng)及時(shí)更換。

（4）在罐區(qū)裝配一定數(shù)量的監(jiān)測(cè)儀，一旦出現(xiàn)LNG泄漏的情況，可以及時(shí)發(fā)生警報(bào)。

（5）經(jīng)常檢查各管線，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)更換。

（6）進(jìn)入工作區(qū)，應(yīng)嚴(yán)格穿戴防靜電服。

（7）嚴(yán)格禁止在工作區(qū)吸煙，工作區(qū)內(nèi)未經(jīng)審批不得動(dòng)用明火。

（8）加強(qiáng)對(duì)LNG船舶海事安全監(jiān)督管理的研究，從而最大程度地降低LNG停泊、卸載作業(yè)時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)［10］。

（9）強(qiáng)化員工培訓(xùn)，全面提高工作人員的技術(shù)素質(zhì)和操作水平［11］。

［1］ 孫慶國(guó)．LNG船舶航運(yùn)安全體系研究[J]．交通企業(yè)管理，2013（1）：28－30．

［2］ 譚四紅，劉慶輝．LNG槽船裝卸臨時(shí)性重大危險(xiǎn)源事故風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[J]．煤氣與熱力，2010，30（8）：10－13.

［3］ 機(jī)械工業(yè)部生產(chǎn)管理局．事故樹(shù)分析與應(yīng)用[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1986．

［4］ 于庭安，戴興國(guó)．LNG儲(chǔ)罐火災(zāi)和爆炸事故樹(shù)分析[J]．中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2007，17（8）：110－114．

［5］ 梁金桂．LNG海上安全運(yùn)輸分析[J]．水運(yùn)管理，2006，28（9）：27-29．

［6］ 錢(qián)眾，伍鍵東．LNG儲(chǔ)存工藝的火災(zāi)危險(xiǎn)性分析[J]．消防科學(xué)與技術(shù)，2006，25（4）：527－529．

［7］ 陳國(guó)華，成松柏．LNG泄漏事故后果模擬與定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[J]．天然氣工業(yè)，27（6）：133－135．

［8］ 深圳海事局，洪匯勇，江玉國(guó),等．LNG船舶海上運(yùn)輸?shù)娘L(fēng)險(xiǎn)分析及其控制[J]．航海技術(shù)，2008（4）：33－35．

［9］ 奚大治. 爆炸和火災(zāi)危險(xiǎn)環(huán)境的施工管理［J］. 遼寧化工，2013, 42（5）: 547.

［10］ 劉良喜．LNG船舶在港期間海事監(jiān)管的安全性探討[J]．天津航海，2010（2）：30－32．

［11］黃鄭華．LNG船火災(zāi)爆炸危險(xiǎn)性評(píng)估與事故預(yù)防[J]．油氣儲(chǔ)運(yùn)，2011，30（5）：340-342．

Analysis on LNG Ship Fire and Explosion Based on Minimal Cut Sets

MA Hong-jian，LIU Bao-yu，TIAN Lei，CHEN Yi，CAO Yan-qing
（College of Petroleum and Natural Gas Engineering,Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001, China）

Various factors to cause fire and explosion of LNG ship were studied, the fault tree using a LNG carrier as the top event was established, various factors to affect LNG ship fire and explosion were analyzed by the minimal cut set method, and the bottom important events weighting coefficients were taken into account, then corresponding methods and improvement measures to increase LNG ship safety were put forward.

LNG ship; Linimal cut set method; Fault tree; Safe

TE 88

： A

： 1671-0460（2014）01-0051-03

2013-06-05

馬洪建（1983-），男，山東東營(yíng)人，遼寧石油化工大學(xué)油氣儲(chǔ)運(yùn)工程專業(yè)在讀碩士研究生，研究方向?yàn)椋篖NG埋地管道預(yù)冷研究。E-mail:173576019@qq.com。