王文正，陳 亮，賀輝宗，厲建祥

(中石化安全工程研究院有限公司，山東青島 266104)

0 前言

液化天然氣(LNG)作為世界公認的優(yōu)質(zhì)、清潔、高效能源，在我國能源結(jié)構(gòu)中得到廣泛的重視和利用。由于LNG本身具有的易燃易爆特性和嚴苛的儲存運輸條件，導致LNG一旦發(fā)生泄漏，尤其是LNG儲罐泄漏，極有可能引發(fā)連鎖事故效應，造成災難性的后果。自1944年美國克利夫蘭LNG儲氣站火災爆炸事故以來，全球陸上有詳細記載的20多起LNG罐區(qū)泄漏爆燃事故，均造成巨大的人員傷亡和財產(chǎn)損失。因此，加強LNG儲罐泄漏致因的風險分析研究，對保障儲罐的安全平穩(wěn)運行具有重大的現(xiàn)實意義。Isaac A.對LNG儲存、運輸過程中的風險分析與評估研究進行了系統(tǒng)化綜述。劉云鵬基于Bow-tie模型對液化天然氣泄漏風險進行了深入分析，并結(jié)合保護層分析和風險矩陣對各類安全技術(shù)措施進行了評估。但是，目前開展的LNG儲罐泄漏分析主要是基于傳統(tǒng)事故樹開展的定性分析，部分學者雖然對導致儲罐泄漏的因素進行了定量研究，但未考慮基本事件的不確定性和概率的模糊性，受人為主觀因素的影響較大。為此，模糊集理論被引入事故樹量化分析當中，并得到廣泛的認可和應用。孟凡亭等構(gòu)建模糊事故樹對液氨泄漏爆炸事件進行了模糊量化分析。Anjuman S.采用模糊Bow-tie法對油氣管道開展了可持續(xù)性風險評估，分析了導致油氣管道失效的相關(guān)因素。

為此，針對LNG儲罐泄漏風險，通過構(gòu)建三角模糊事故樹，對導致LNG儲罐泄漏的風險因素進行定量分析，并提出針對性的建議和措施，為LNG儲罐的科學管理和平穩(wěn)運行提供借鑒。

1 基于模糊集理論的事故樹模型

1.1 事故樹分析方法

事故樹分析是以不期望事件作為分析對象，將系統(tǒng)各環(huán)節(jié)潛在的失效因素有機聯(lián)系在一起，找出導致頂事件發(fā)生的所有可能原因和原因組合。基于構(gòu)建的事故樹，可以采用上行法和下行法求解事故樹的最小割集。在不考慮各基本事件發(fā)生概率的情況下，可以計算基本事件的結(jié)構(gòu)重要度，如式(1)：

(1)

式中：

F

(

j

)——基本事件

j

的結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)；

n

——第

r

個包含基本事件

j

的最小割集的容量；

k

——包含基本事件

j

的最小割集的個數(shù)。

1.2 模糊集理論

1.2.1 三角模糊數(shù)

(2)

選取具有線性特征的三角模糊數(shù)與事故樹分析相結(jié)合，進行定量分析。隸屬函數(shù)可表示為：

(3)

圖1 三角模糊數(shù)隸屬度函數(shù)

1.2.2 三角模糊數(shù)的運算

三角模糊事故樹的計算過程與傳統(tǒng)事故樹類似，與門模糊算子和或門模糊算子分別為：

(4)

(5)

(

a

，

m

，

b

)——三角模糊數(shù)的下限、最可能值、上限參數(shù)；

n

——計算因子個數(shù)。

1.2.3 模糊重要度分析的中值法

假定三角模糊數(shù)隸屬度函數(shù)中存在一點Z，且經(jīng)過此點的分界線可以將三角面積等分，那么Z點就是該三角模糊數(shù)的中位數(shù)，則當

α

<

β

時存在：

(6)

可求得：

(7)

當

β

<

α

時存在：

(8)

可求得：

(9)

S

=

T

-

T

,

(10)

比較分析各基本事件的模糊重要度

S

，可得基本事件對系統(tǒng)的影響程度。

2 LNG儲罐泄漏的事故樹建立與定性分析

2.1 LNG儲罐泄漏的事故樹建立

選取LNG儲罐泄漏作為頂事件，從LNG儲罐管線、罐體損傷、儲罐附件、閥門、法蘭、密封以及施工安裝、維護管理、第三方破壞、自然災害等方面自上而下開展邏輯分析，明確事故樹的中間事件、基本事件及各事件之間的邏輯關(guān)系，建立LNG儲罐泄漏的事故樹，如圖2，各符號代表的事件見表1。

表1 LNG儲罐泄漏事故樹中符號的意義

圖2 LNG儲罐泄漏事故樹

2.2 LNG儲罐泄漏事故樹結(jié)構(gòu)重要度分析

根據(jù)布爾運算采用下行法計算求解LNG儲罐泄漏事故樹，可得影響頂事件的最小割集為：X，X，X，X，X，X，X，X，X，X，X，X，X，X，X，X，X，X，X，X，X，X，X，X，X，X，XX，XX，XXX，XXX，XXX，XXX。其中包括26個1階最小割集、2個2階最小割集和4個3階最小割集。

同時，在不考慮各基本事件發(fā)生概率的情況下，從事故樹結(jié)構(gòu)上計算各基本事件的結(jié)構(gòu)重要度，分析各基本事件對LNG儲罐泄漏發(fā)生的影響程度。經(jīng)計算，各基本事件的結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)X=X=X=X=X=X=X=X=X=X=X=X=X=X=X=X=X=X=X=X=X=X=X=X=X=X=X>X=X=X=X=X=X=X=X。分析結(jié)構(gòu)重要度可知，罐體損傷、法蘭變形損壞、填料選擇與安裝相關(guān)基本事件的結(jié)構(gòu)重要度相對較大，需要高度重視；安全管理和檢修維護的規(guī)范有效也是造成LNG儲罐泄漏的重要因素，自然災害雖然不可控，但在儲罐設(shè)計建設(shè)過程中可以增加安全防護，提升儲罐抗自然災害的能力。

3 LNG儲罐泄漏事故樹模糊量化分析

3.1 LNG儲罐泄漏的模糊概率可能分布

(11)

式中：

m

——概率均值；

σ

——概率標準差；

x

——

k

項估計值；

n

——專家數(shù)。

首先，基于OREDA、CCPS等數(shù)據(jù)庫可直接獲取X(雷擊)、X(地震)和X(水災)的發(fā)生概率，分別為7.240×10、8.520×10、7.240×10，并將其發(fā)生概率轉(zhuǎn)化為三角模糊數(shù)。對于無精確概率統(tǒng)計的基本事件，組織6位專家對各基本事件概率進行評估，專家信息見表2。

表2 評估專家基本信息

在6位專家評估數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對每個基本事件去掉最大值和最小值保留4個有效數(shù)據(jù)，再采用表征法對評估結(jié)果進行三角模糊處理，得到各基本事件的三角模糊概率值，見表3。

表3 LNG儲罐泄漏基本事件的三角模糊概率

根據(jù)各基本事件的三角模糊概率，根據(jù)邏輯“與門”、“或門”模糊算子，計算獲得各中間事件和LNG儲罐泄漏的三角模糊概率，見表4。

表4 頂事件和各中間事件的三角模糊概率

分析表4可以看出，LNG儲罐泄漏的三角模糊概率分布為(9.559×10，1.391×10，1.827×10)，根據(jù)頂事件三角模糊數(shù)的核可知頂事件發(fā)生的概率為1.391×10，分析三角模糊數(shù)盲度可得頂事件發(fā)生概率波動范圍為(4.351×10，4.360×10)。

3.2 LNG儲罐泄漏的模糊重要度分析

圖3 基本事件模糊重要度

分析圖3可知，35個基本事件的模糊重要度區(qū)分明顯，聚類后可分為第一區(qū)間“>1.0×10”、第二區(qū)間“1.0×10～1.0×10”、第三區(qū)間“<1.0×10”共3個區(qū)間。第一區(qū)間“>1.0×10”包括X(法蘭墊片變形)、X(填料未正確安裝)、X(操作不當)共3個基本事件，且X(法蘭墊片變形)的模糊重要度最大，達到了3.2970×10，對LNG儲罐泄漏頂事件的發(fā)生影響最為顯著。第二區(qū)間“1.0×10～1.0×10”包含X(法蘭結(jié)合處保溫不佳)、X(壓蓋與閥桿間空隙過大或過小)、X(焊接不良)共14個基本事件，是導致頂事件LNG儲罐泄漏的重要事件。第三區(qū)間“<1.0×10”包含X(填料超期)、X(排氣系統(tǒng)未啟動)共18個基本事件，其模糊重要度相對較低，對LNG儲罐泄漏的發(fā)生影響相對較小。

同時，結(jié)合結(jié)構(gòu)重要度分析結(jié)果以及各基本事件的三角模糊概率可以發(fā)現(xiàn)，雖然基本事件X、X、X、X、X、X、X、X的三角模糊概率都比較高，但由于上述基本事件與頂事件存在邏輯“與門”連接，導致相關(guān)事件的模糊重要度較低，處于第三區(qū)間。但是，這并不意味著可以放松對這8個基本事件的管控，其高三角模糊概率特征意味著相關(guān)事件的高頻率發(fā)生，容易造成經(jīng)常性違章和生產(chǎn)異常，應該重點關(guān)注。

4 建議措施

根據(jù)LNG儲罐泄漏事故樹的定性分析和定量分析，理清了LNG儲罐泄漏的演化規(guī)律和各中間事件、基本事件的作用機制，提出有針對性的建議措施。

a) 分級開展LNG儲罐泄漏風險管控。影響LNG儲罐泄漏的35個風險因素可以聚類分為3個區(qū)間，風險因素個數(shù)分別為3、14、18。企業(yè)應根據(jù)導致LNG儲罐泄漏的風險因素的模糊重要度和所在區(qū)間分類分級制定管控措施，重點關(guān)注第一區(qū)間中X(法蘭墊片變形)、X(填料未正確安裝)、X(操作不當)3個核心事件，合理分配資源。

b) 強化LNG儲罐附件的本質(zhì)安全設(shè)計與維護。法蘭、填料室、閥體等LNG儲罐附件的本質(zhì)安全缺陷和維護保養(yǎng)不當是導致儲罐泄漏的重要因素，企業(yè)在LNG儲罐設(shè)計建造過程中要嚴格把關(guān)儲罐附件的本質(zhì)安全水平，投入運行后要重點關(guān)注儲罐的日常維護保養(yǎng)。

c) 加強LNG儲罐作業(yè)人員專業(yè)技能把關(guān)與培訓提升。現(xiàn)場操作人員操作不當以及施工作業(yè)人員專業(yè)技能不足是導致LNG儲罐泄漏的主要因素，企業(yè)在聘用新員工和選擇承包商時應嚴格把關(guān)相關(guān)人員的教育背景和專業(yè)技能，不斷加強專業(yè)技能培訓和安全意識教育。

d) 關(guān)注高概率重點基本事件的發(fā)生。基本事件X、X、X、X、X、X、X、X自身的高概率特性容易造成經(jīng)常性的生產(chǎn)異常，應該引起企業(yè)額外關(guān)注。

5 結(jié)論

通過建立LNG儲罐泄漏的事故樹演化路徑，計算獲得中間事件和基本事件的三角模糊概率和模糊重要度，并對導致儲罐泄漏的風險因素定量聚類分析。

a) 歸納分析LNG儲罐泄漏的風險因素，構(gòu)建LNG儲罐泄漏的三角模糊事故樹，清晰地揭示了LNG儲罐泄漏的原因和演化路徑，并根據(jù)事故樹結(jié)構(gòu)開展了定性分析。

b) 基于模糊集理論和三角模糊事故樹，計算獲得LNG儲罐泄漏和各中間事件的三角模糊概率，采用中值法求解各基本事件的模糊重要度，開展聚類分析獲得各基本事件對LNG儲罐泄漏發(fā)生的影響。