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(yè)技術(shù)學院 常州 213164）

國內(nèi)的液化石油氣鋼瓶（LPG）保有量超億支，由于使用地點的不固定，在生產(chǎn)、運輸、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與評定》[1]規(guī)定了LPG的定期檢驗規(guī)范，但是監(jiān)管機構(gòu)無法實時監(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險后果進行研究，可以為LPG的安全評估及風險管控提供數(shù)據(jù)和方法支撐。

王步美[4]對LPG爆炸原因進行了分析，總結(jié)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(fā)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(shè)計、生產(chǎn)、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(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，建立各類頂事件、中間事件和底事件之間的關(guān)系，可以計算失效概率和其他定量指標，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立故障單元，而獨立故障單元的多少，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)表達式，確定引發(fā)鋼瓶事故的所有割集：

經(jīng)計算，共有割集數(shù)量188個，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(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)。

1.4 結(jié)構(gòu)重要度計算

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，計算公式見式（2）：

式中：

Ii——第i個底事件的結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)；

Kj——第j個最小割集；

Nj——第j個底事件位于Kj的底事件數(shù)；

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(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)事件進行重點監(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行評價，兩者相互補充，形成一個整體。

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)驗和數(shù)據(jù)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(shù)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(xiàn)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(jié)果

根據(jù)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(chǎn)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(chǎn)生靜電。風險等級越高的失效模式，需要重點防范。

3 結(jié)束語

通過風險分析調(diào)整LPG的生產(chǎn)方案、嚴密監(jiān)管和控制相關(guān)風險因素，對于LPG的整個生產(chǎn)、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(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重度、頻度、探測度進行系統(tǒng)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(jiān)控領(lǐng)域，為LPG風險管理提供科學依據(jù)。