基于最小割集的LNG船火灾和爆炸分析

（辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院，辽宁 抚顺 113001）

基于最小割集的LNG船火灾和爆炸分析

马洪建，刘宝玉，谭 磊，陈 印，曹彦青

（辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院，辽宁 抚顺 113001）

对引起LNG船发生火灾、爆炸的诸因素进行研究，建立了以LNG船作为顶事件的事故树，利用最小割集法对影响LNG船火灾和爆炸的诸因素进行分析，并将底事件的重要度系数加权到分析中，进而提出提高LNG船安全的相应方法和改进措施。

LNG船；最小割集法；事故树；安全

近年来LNG由于其优良的特性被许多国家广泛使用，由于国与国之间的距离，特别是跨海的距离，使得LNG船也得到广泛的使用。LNG船是国际公认的高技术、高难度、高附加值的“三高”产品，LNG船是在-162 ℃低温下运输液化气的专用船舶， 是一种“海上超级冷冻车”，被喻为世界造船“皇冠上的明珠”，目前只有美国、中国、日本、韩国和欧洲的少数几个国家的13家船厂能够建造。

由于LNG船高昂的造价，独特的特性，航行的安全，以及LNG特殊的低温保存要求，对于LNG船的安全防护问题越来越受到各国的重视。因此，开展LNG船火灾和爆炸分析的重要性日渐凸显［1］。

事故树这种分析方法的提出，最早是由美国的贝尔电话研究所在1961年提出的。其后，美国原子能委员会公开发表的《拉姆逊报告》，使得这种分析的方法得到了普及，得到了人们的重视。

利用事故树来分析问题，成为许多行业进行系统安全分析的有效方式，而最小割集法是事故树分析的两种重要方法。最小割集法主要特点是能够将任意复杂的单调系统简化成等值的串并联结构，从而可以方便地求得系统的可靠度。

本文通过对LNG船火灾和爆炸分析，并引入底事件的重要度系数作为权重，使得各影响因素的作用更加明显，从而为提出相应的安全措施提供了参考和依据［2］。

1 最小割集法

1.1 事故树简介

1961年，为了评价民兵式导弹控制系统的安全，Bell实验室的Watson首次提出了事故树分析的概念。波音公司的分析人员改进了事故树分析技术，使之便于应用数字计算机进行定量分析。在随后的十年中，特别是航天工业在该项分析技术的精细化和应用方面，取得了巨大进展［3］。

1.2 最小割集法简介

割集，有时也被称为截止集、截集。割集是一系列事件的组合，这些事件被称为基本事件，基本事件致使顶事件的发生。我们把这一组致使顶事件发生的基本事件称作割集。其中，基本事件的限度最低的割集，我们称为最小割集。

其求解方法一般有三种：行列法、结构法、布尔代数化简法。其中，布尔代数化简法最为简单，较为普遍采用。

1.2.1 行列法

行列法是1972年福塞尔提出的方法，所以也称其为福塞尔法。其理论依据是：“与门”使割集容

量增加，而不增加割集的数量；“或门”使割集的数量增加，而不增加割集的容量。这种方法是从顶上事件开始，用下一层事件代替上一层事件，把“与门”连接的事件，按行横向排列；把“或门”连接的事件，按列纵横向摆开。这样，逐层向下，直至各基本事件，列出若干行，最后利用布尔代数化简。化简结果，就得出若干最小割集。

1.2.2 结构法

这种方法的理论根据是：事故树的结构完全可以用最小割集来表示。

1.2.3 布尔代数化简法

这种方法的理论依据是：上述结构法完全和布尔代数化简事故树法相似，所不同的只是“∪”与“+”的问题。实质上，布尔代数化简法中的“+”和结构式中的“∪”是一致的。这样，用布尔代数化简法，就能求出构成事故树的所有最小割集情况。

2 建立LNG船火灾、爆炸事故树

依据相关理论，取LNG船火灾和爆炸A为整个事故树的顶事件，然后分析可能引起顶事件发生的所有因素，逐级建立事故树。

引起LNG船火灾、爆炸的主要原因可以分成两种：一种是内压升高导致的，另一种是由于LNG泄漏，遇明火发生的［4］。

建立的事故树如图1所示。

图1 LNG船火灾爆炸事故树图Fig.1 LNG ship’s fire and explosion tree

其中：A——LNG船火灾爆炸

B1——由火灾引起的爆炸

B2——由超压引起的爆炸

C1——泄漏

C2——火源

C3——安全阀失效

D1——明火

D2——撞击火花

D3——静电

Y1——通风不良

Y2——阀门损坏失效

Y3——储罐泄漏

Y4——管线泄漏

Y5——吸烟

Y6——违章动火

Y7——储罐静电

Y8——人体静电

Y9——绝热层损坏

Y10——选型不当

Y11——安全阀损坏

从以上分析可以看出，引起LNG船火灾和爆炸事故的原因可以分成两大类，一类是人为因素，另一类是非人类因素。人为因素主要指员工意识不强，违反操作规程的行为；非人为因素系指管线老化破裂等。

3 基于最小割集的LNG船火灾和爆炸分析

3.1 最小割集分析

我们从事故树的分析方法不能看出，最小割集是事故发生的最小单位，所以我们分析的目的就是找出事故树的所有最小割集，进而找寻事件故障或导致事件发生的所有可能因素，从而确定出整个系统的薄弱环节，为改善改进提供参考和依据［5］。

由图1所示，并结合最小割集的有关理论，我们很容易得到LNG船火灾爆炸事故树的最小割集为：Y1Y2Y5，Y1Y2Y6，Y1Y2Y7，Y1Y2Y8，Y1Y3Y5，Y1Y3Y6，Y1Y3Y7，Y1Y3Y8，Y1Y4Y5，Y1Y4Y6，Y1Y4Y7，Y1Y4Y8，Y9Y10，Y9Y11。

由该结果可知，LNG船火灾爆炸事故树有12个三阶最小割集和2个二阶最小割集。从割集的相关理论我们可以知道，割集中各影响因素的作用程度并不是相等的，这就牵涉到结构重要度的问题。

3.2 底事件结构重要度分析

底事件结构重要度的计算公式如下：

其中：k——该事件中最小割集的个数；

Er——第r个最小割集；

mr——最小割集 中含有的基本事件个数；

Xi——第i个基本事件；

Ik(i)——基本事件 的割集重要度系数。

运用该公式计算各事件的重要度数数，可得：

从以上计算的结果我们可以看出，Y14(1)最大，为2/7，代表阀门损坏为引起LNG船火灾和爆炸事故最为常见的原因之一，其次，吸烟、违章动火和人体静电也是诱发LNG船火灾和爆炸事故的重要原因之一。这些人为原因可以杜绝，应加强相关工

作人员的责任意识和工作培训［6］。

4 结果分析及安全措施

由前面的计算结果我们可以看到，引起LNG船火灾和爆炸事故发生最重要的底事件是通风不良，其次是阀门损坏失效、储罐泄漏和管线泄漏。另外，人为的主观性原因必须严格控制，如吸烟问题和防护服的穿戴［7］。建议采取的相关措施如下：

（1）采用合理的通风措施，使罐区保持通风。

（2）采用特殊的建造工艺［8-9］。

（3）选用型号匹配的阀门，并经常检查，一旦发现问题应及时更换。

（4）在罐区装配一定数量的监测仪，一旦出现LNG泄漏的情况，可以及时发生警报。

（5）经常检查各管线，发现问题及时更换。

（6）进入工作区，应严格穿戴防静电服。

（7）严格禁止在工作区吸烟，工作区内未经审批不得动用明火。

（8）加强对LNG船舶海事安全监督管理的研究，从而最大程度地降低LNG停泊、卸载作业时的风险［10］。

（9）强化员工培训，全面提高工作人员的技术素质和操作水平［11］。

［1］ 孙庆国．LNG船舶航运安全体系研究[J]．交通企业管理，2013（1）：28－30．

［2］ 谭四红，刘庆辉．LNG槽船装卸临时性重大危险源事故风险评价[J]．煤气与热力，2010，30（8）：10－13.

［3］ 机械工业部生产管理局．事故树分析与应用[M]．北京：机械工业出版社，1986．

［4］ 于庭安，戴兴国．LNG储罐火灾和爆炸事故树分析[J]．中国安全科学学报，2007，17（8）：110－114．

［5］ 梁金桂．LNG海上安全运输分析[J]．水运管理，2006，28（9）：27-29．

［6］ 钱众，伍键东．LNG储存工艺的火灾危险性分析[J]．消防科学与技术，2006，25（4）：527－529．

［7］ 陈国华，成松柏．LNG泄漏事故后果模拟与定量风险评估[J]．天然气工业，27（6）：133－135．

［8］ 深圳海事局，洪汇勇，江玉国,等．LNG船舶海上运输的风险分析及其控制[J]．航海技术，2008（4）：33－35．

［9］ 奚大治. 爆炸和火灾危险环境的施工管理［J］. 辽宁化工，2013, 42（5）: 547.

［10］ 刘良喜．LNG船舶在港期间海事监管的安全性探讨[J]．天津航海，2010（2）：30－32．

［11］黄郑华．LNG船火灾爆炸危险性评估与事故预防[J]．油气储运，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

马洪建（1983-），男，山东东营人，辽宁石油化工大学油气储运工程专业在读硕士研究生，研究方向为：LNG埋地管道预冷研究。E-mail:173576019@qq.com。