基于故障树分析的油库火灾爆炸研究

李卫东

摘 要：石油在我国能源构成中占有重要地位，油料易燃、易爆、易挥发，容易引发油库火灾爆炸事故。减轻和消除此类事故的风险与危害，对油库安全管理和运行具有重要意义。介绍了故障树分析方法并将其应用于油库火灾爆炸事故安全评价。建立了包含44个基本事件的油库火灾爆炸故障树，采用“成功树法”计算了最小径集和结构重要度，根据计算结果分析提出了风险控制方案和事故预防措施，为保障油库安全提供了科学的依据，具有一定的现场指导意义。

关 键 词：油库； 火灾爆炸； 故障树； 安全； 预防措施

中图分类号：TE 687 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2015）07-1609-03

Study on Fire and Explosive Accidents

of Oil Depots Based on Fault Tree Analysis

LI Wei-dong

（National Engineering Laboratory for Pipeline Safety， China University of Petroleum， Beijing 102249， China）

Abstract： Petroleum plays an important role in China's energy structure； oil can easily cause fire and explosive accidents due to its inflammability， explosivity and effumability. Reducing and eliminating the hazard of these accidents is pretty significant for secure management and operation of oil depots. In this paper， the fault tree analysis was introduced and applied into the security assessment of fire and explosive accidents of oil depots. A fault tree including 44 basic events was built， and minimal radius sets and structural importance were calculated by success tree method. Risk controlling plans and accident prevention measures were put forward according to the analysis of calculation outcomes.

Key words： Oil depot； Fire and explosive accidents； Fault tree； Security； Prevention measures

在我国的能源构成中，石油占有重要地位。油库是储存油料的主要方式，油料易燃、易爆、易挥发，这些潜在危险因素可能造成火灾爆炸事故，具有巨大的危害性。目前油罐不断向大型化方向发展，许多新建油罐都是10×104m3以上的大罐，一旦发生事故，造成的損失难以估计。因此减轻和消除这些风险与危害，建立科学合理的油库安全分析评价系统，对油库安全管理和运行具有重要意义[1]。

近年来发展出了多种油库安全评价方法：段彦斌将模糊数学和层次分析法引入到石油库风险评价中[2]；刘明成在某航油油库安全综合评价中采用了BP神经网络模型[3]；汪剑辉等介绍了DOW火灾爆炸指数评价法的原理、程序及计算步骤[4]。随着可靠性理论的兴起和发展，基于故障树的油库可靠性和安全性评价方法应用日益广泛。

故障树分析方法是一种演绎分析方法，用于分析事故原因并对其进行风险评价。故障树将特定故障事件的发生原因用布尔逻辑符号联系起来，形成逻辑树图，因其形状与倒置的树相似，且涉及到的事件多为故障事件，因此被形象地称为故障树。故障树分析法把系统可能发生或者已经发生的事故（称为顶事件）作为分析起点，用逻辑“与”门或逻辑“或”门自上而下地分析导致顶事件发生的可能原因及其逻辑关系，逐层深入，直至找到导致顶事件的基本原因，即底事件，然后定性或定量地分析事件发生的可能途径和概率，从而找出事故预防方案并比较优选出最佳安全对策。FTA法直观形象，简单易懂，逻辑清晰，是一种重要的系统安全分析方法。

1 油罐火灾爆炸故障树的建立

以油罐火灾爆炸为顶事件，通过对此类事故的资料收集、整理和分析，研究了导致顶事件发生的原因及其相互关系，建立了相应故障树（图1）。该故障树较为全面地考察了引起油罐火灾爆炸的可能原因，共包含44个基本事件。

图1 油罐火灾爆炸故障树

Fig.1 Fault tree of fire and explosive of oil depots

代表事件说明：F-火灾爆炸；F1-达到爆炸极限；F2-火源；F3-通风不良；F4-油品泄露；F5-设备损坏；F6-罐体破裂；F7-其他；F8-静电火花；F9-金属撞击火花；F10-雷电火花；F11-电器设备火花；F12-明火；F13-油库静电放电；F14-油库静电积累；F15-接地不良；F16-人体静电放电；F17-测量操作失误；F18-人体静电积累；F19-避雷器失效；F20-电器设备损坏；X1-无排风设施；X2-排风设施损坏；X3-未定时排风；X4-错误排空；X5-密封系统失效；X6-罐体过度腐蚀；X7-焊缝缺陷；X8-焊缝裂纹；X9-局部应力过大；X10-罐底沉降；X11-人为操作失误；X12-呼吸阀失效；X13-阀门损坏；X14-量油孔未关闭；X15-未设静电接地；X16-接地电阻不达标；X17-接地线损坏；X18-油液流速过快；X19-管道内壁粗糙；X20-油液冲击器壁；X21-油液与空气摩擦；X22-测量器具不达标；X23-静置时间不够；X24-用塑料桶装油；X25-化纤衣物间摩擦；X26-人体与衣物摩擦；X27-鞋底与地面摩擦；X28-环境干燥；X29-油桶撞击；X30-用铁制工具作业；X31-穿铁钉鞋作业；X32-发生雷击；X33-设计问题；X34-接地不良；X35-避雷设施损坏；X36-短路；X37-绝缘老化；X38-电流过大；X39-防爆设施损坏；X40-油库内吸烟；X41-违章动火；X42-阻火器失效；X43-机动车排烟喷火；X44-油蒸汽与明火散发点距离不够。

2 故障树分析

2.1 最小割集和最小径集

最小割集是导致顶事件发生的最低限度的底事件的集合，当该集合中的事件全部都发生时顶事件必然发生，表明了系统的危险性。当故障树种包含的逻辑连接符号和故障事件较多时，传统的“上行法”和“下行法”计算过程相当繁琐。为了减少计算量，常利用“成功树”，求解原故障树的最小径集。

最小径集是不能导致顶事件发生的最低限度的基本事件的集合，当最小径集中的基本事件都不发生时，顶事件就不会发生。通过对最小径集的分析，可以找出系统中的危险程度较高的环节，提前采取应对措施，提高系统的可靠性与安全性[6]。

根据以上分析求得该故障树含有1个3阶最小径集，1个11阶最小径集，1个14阶最小径集，3个16阶最小径集，4个18阶最小径集，4个20阶最小径集，3个22阶最小径集，1个24阶最小径集。防止阶数较小的最小径集中基本事件发生是预防顶事件发生的有效途径。本故障树可以优先考虑3阶最小径集基本事件，其次是11阶最小径集和14阶最小径集。

2.2 结构重要度

结构重要度是在假设各基本事件发生概率相等的条件下对顶事件发生的影响程度，可采用下面及近似判别式来计算[7]：

式中： I（i）—基本事件Xi结构重要度的近似判断值；

Xi∈Kj—其中事件Xi属于Kj最小径集；

ni—基本事件Xi所在最小径集中包含基本事件的个数。

根据以上公式计算得到各基本事件的结构重要度排序：

X1=X2=X3=0.25>X4=X5=X6=X7=X8=X9=X10=X11=

X12=X13=X14=0.000977>X29=X30=X31=X40=X41=

X42=X43=X44=0.000253>X15=X16=X17=0.000238>X28=X32=X39=0.000203>X25=X26=X27=X33=X34=

X35=X36=X37=X38=0.0000507>X18=X19=X20=X21=

X22=X23=X24=0.0000149

2.3 故障樹分析结论

从以上最小径集和结构重要度分析可以看出二者得到的结果是一致的。最小径集中基本事件都不发生时，顶事件便不会发生。最小径集越多，可供选择的控制方案就越多，系统安全性就越高，因此可以根据最小径集结果制定故障控制方案。

方案1{X1，X2，X3}，油气挥发是自发进行的过程，而油气浓度达到爆炸极限是顶事件发生的必要条件，因此改善库区通风状况，控制库区油气浓度，可有效防止油库火灾爆炸事故发生。方案一从这方面着手，安装并检修排风设施，定时排风，保障库区通风良好。此外还可以设置油气浓度报警设备，当浓度达到设定值时发出警报，工作人员可及时采取相应措施。

方案2{X4， X5， X6， X7， X8， X9， X10， X11， X12， X13， X14 }，从控制可燃物的角度预防油罐火灾爆炸事故。原油泄露多由设备损坏引起，加强对罐体、阀门和密封系统的定期检查，避免人为错误放空，都能有效降低原油泄露的风险。

方案3{X15， X16， X17， X28， X29， X30， X31， X40， X41， X42， X43， X44， X32， X39}，这是火源产生的角度预防事故。油库火源的形式有很多，其中明火和金属撞击产生的火花相对容易发现和预防，而静电火花隐蔽性较强，往往不易察觉，是油库火灾爆炸防范工作的重点。

以上三种方案是根据最小径集分析得出的，除此之外还有其他很多方案，这些方案对于预防油库火灾爆炸事故同样是有效的，只是因为涉及到的基本事件较多，实施难度更大。

3 预防措施

通过以上分析，针对油库火灾爆炸事故提出以下预防措施：

（1）定期检查设备，防止油料泄露。油气混合物的形成是发生油罐火灾爆炸事故的必要条件，因此要定期对设备进行检查，及时发现油罐腐蚀、裂纹；密切监视罐体应力和沉降变形是否超过安全要求，提前针对这些问题采取相应的预防措施；密封系统失效和阀门的损坏也可能导致油料泄露，对其定期巡检也是油库日常管理的重要内容。

（2）加强库区通风，避免油气聚集。良好的通风能够有效控制油气混合物浓度，保障排风设施的正常运转对于防止油气聚集至关重要。因此一旦发生油品泄露，必需首先采取措施保证空气流动畅通。此外，还应设置油气浓度报警设备实时监测库区重点区域油气浓度，一旦发生异常，可迅速采取相应措施，避免油气进一步聚集。

（3）控制静电火花的产生。油库火源有很多种，包括静电火花、雷电火花、电器设备火花、金属撞击火花和明火等，其中静电火花最为隐蔽，不易被发现。静电的危害性在于电荷积累到一定程度后，储存的能量会产生火花，从而引爆可燃气体。为此可根据引起静电火花的原因制定相应的防护措施，一方面可以从减少静电产生入手：采用合理的加油方式，控制流速，避免液面震荡，保证足够漏电时间，工作人员穿着棉织品和防静电鞋等，都能有效控制静电聚集；另一方面也可以从静电泄放考虑：接地和跨接、增加空气湿度、添加抗静电剂等让静电安全地导走。

4 结 论

（1）故障树分析法简单直观，能够清楚地揭示引起油库火灾爆炸事故的原因及其逻辑关系，增加油库安全管理工作中的主动性和科学性，是一种重要的安全评价方法。这种方法的关键在于正确建立故障树，并且在故障树分析过程中要完成比较复杂的计算。

（2）本文建立了以油罐火灾爆炸为顶事件的故障树，考虑了44个基本事件，比较全面地涵盖了事故原因。通过对故障树结构函数的分析化简，得到18个最小径集。计算了各基本事件的结构重要度，并据此提出了故障控制方案和火灾爆炸事故的预防措施，为油库安全运行管理提供了科学的依据，具有一定的实现场指导意义。

参考文献：

[1]张琳，罗小武，江伍英，等.油库安全的事故树分析法[J].石油工程建设，2006，32（2）：11-14.

[2]段彦斌.模糊评价方法在石油库风险评价中的应用[D].大连：大连交通学院，2007.

[3]刘明成.基于神经网络的方法油库储油安全中的应用[J].中国石油和化工标准与质量，2011（6）：240.

[4]汪剑辉，薛一江.DOW指数法在某油库安全评价中的应用[J].石油工程建设，2010，36（4）：66-69.

[5]黄祥瑞.可靠性工程[M].北京：清华大学出版社，1990.

[6]顾莉，刘晓东，鄢洪青.故障树在油库火灾爆炸事故风险评价中的应用[ [J]. 环境科学与技术，2007，30（6）：52-54.

[7]蒋军成，郭振龙.安全系统工程[M].北京：化学工业出版社，2004.