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(yàn)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(yùn)輸是主要運(yùn)輸方式,在運(yùn)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(jìn)行了研究。Qu[2]等利用Phast軟件建立了液氨泄漏評價模型,實(shí)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(kuò)散過程,并進(jìn)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(yùn)用高斯擴(kuò)散模型對液氨儲罐泄露事故的擴(kuò)散過程進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(yùn)輸實(shí)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(diǎn)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(jìn)行了定性研究,對液氨罐車運(yùn)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(jìn)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。
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(jìn)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(jìn)行定性分析。
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(xiàng)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(xiàng)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(jìn)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?yàn)?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(zhǔn)確的得出最小割集非常重要。
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(yùn)算法則,是基本事件狀態(tài)變量的布爾表達(dá)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(dāng)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(dāng)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)。
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(jì)造成重大影響。
只有對液氨罐車結(jié)構(gòu)及其運(yùn)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(jìn)行準(zhǔn)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
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(yàn)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(jìn)行應(yīng)急知識培訓(xùn)及安全教育、罐體設(shè)備采購不嚴(yán)、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(shí)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(jī)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(yùn)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(yùn)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(yùn)行,最終導(dǎo)致事故的發(fā)生。
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(dú)立,事件只有發(fā)生與不發(fā)生2種情況,且認(rèn)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
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(jìn)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(jìn)行定性分析,運(yùn)用布爾代數(shù)進(jìn)行邏輯運(yùn)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(jìn)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(dá)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(yán)、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(yàn)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(bǔ)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(yùn)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(jìn)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(bǔ)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(xiàn)[1]液氨罐車發(fā)生泄漏事故的實(shí)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(shí)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(yùn)行,應(yīng)采取針對性措施嚴(yán)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(bǔ)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(hù),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。
運(yùn)用FTA對液氨罐車泄漏進(jìn)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(bǔ)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(shí)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(yùn)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(diǎn)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(yùn)輸提供指南。