故障树在CNG加气母站失效分析中的应用

薛荣 王大海 江一舟 刘宽 罗飞

摘要：随着天然气行业和城市交通的不断发展，压缩天然气

（CNG）成为现代城市交通能源的重要组成部分，由于CNG具有易燃易爆的特点，其运行设备又处于高压状态，一旦发生事故，可能会对场站及周边地区造成巨大伤害，CNG加气母站作为生产压缩天然气的场所，其安全管理尤为重要。本文通过故障树分析对CNG加气母站主要事故进行分析，建立了CNG加气母站失效故障树，识别出引起CNG加气母站失效的主要因素，并提出了相应的安全管理措施，对CNG加气母站的安全管理有一定的指导意义。

关键词：压缩天然气  加气母站  故障树  防护措施

0 引言

为了降低汽车废气排放，改善大气环境，压缩天然气（ CNG）成为替代汽油、柴油的首选清洁燃料。该燃料能降低汽车运行费用，提高经济效益，延长汽车设备使用寿命，降低维修费用[1]。由于压缩天然气所具有的强大市场发展潜力，近年来， CNG加气母站的数量逐年增加。但是，天然气主要成分是甲烷，甲烷为一级可燃气体，甲类火灾危险性，爆炸极限为5%～15%，对空气的比重为0.55，扩散系数为0.196，具有燃烧速度快、热值高、易爆炸的特点。相对普通城市燃气，CNG加气母站内的气体为20～25MPa的高压天然气。所以CNG加气母站具有易燃、易爆、易产生静电、易泄漏等危险特性，同时压缩机、脱水撬等动设备较多，运行时处于高压状态，而CNG加气母站一般处于城市周边，一旦发生事故影响较大。因此，加强CNG加气母站的安全管理，制定科学的安全防护措施，保证CNG加气母站的连续安全平稳运行，对CNG加气母站的安全管理具有重要的意义。

1 故障树分析

1.1 故障树分析法简介 故障树分析法（FTA，Fault Tree Analysis）是对于一些不易形成逻辑图的复杂系统进行风险识别和评价的一种有效的方法。故障树分析法采用事件符号、逻辑门符号和转移符号来描述系统中各种事件之间的因果关系。

故障树是一种逻辑树，其树枝代表系统、子系统或元件的事故事件，节点代表事故事件之间的逻辑关系。逻辑门的输入事件是输出事件的“因”，逻辑门的输出事件是输入事件的“果”。故障树的组成是从系统顶事件的根出发逐级向下发展绘制，直到事件概率已知的基本事件为止，在故障树中表示事件之间最常用的逻辑关系是“与”和“或”。故障树中采用的图形符号有很多，表1列出几种常用的符号。

故障树分析在系统生产运行中能为事件是否失效提供判断依据，有助于改进相关技术管理，促进完善的生产运行管理制度的建立，从而做好设备、安全控保装置、压力容器等的检维修计划和方案，达到预防为主、防治结合的目的。故障树分析法是从系统到部件，再到零件的“下降形”分析的方法，具有可视性强、逻辑性强的特点，可以做定性分析，也可以做定量分析，体现了以系统工程方法为基础来研究安全方面问题的系统性、准确性和预测性。

1.2 故障树分析基本程序

故障树分析是系统可靠性和安全性分析的工具之一[2]。采用故障树分析法建立故障树的基本程序如下：①确定所分析的系统;②熟悉所分析的系统;③调查系统发生的事故;④确定故障树的顶上事件;⑤调查与顶上事件有关的所有原因事件;⑥故障树作图;⑦故障树定性分析;⑧定量分析;⑨安全性评价。

1.3 CNG加气母站失效故障树的建立 CNG加气母站是为CNG加气子站供应压缩天然气的加气站，通过压缩机加压后充装给槽车送至CNG加气子站或城镇燃气公司的CNG供应站（储配站或减压站），供作汽车发动机燃料或居民、商业、工业企业生活和生产用燃料的系统。CNG加气母站是一个复杂的系统，包括进站预处理、干燥脱

水、压缩、冷却、加气、储气井等系统，其工艺流程如图1所示。

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图1  CNG加气母站工艺流程图

CNG加气母站设备种类较多，工艺相对复杂，所以引发事故的因素是也多方面的、多层次的。从大量事故分析报告的统计结果来看，CNG加气母站主要事故类型包括机械伤害、火灾爆炸、触电伤害等。引发事故的危害因素则有违章操作、设计缺陷、人为损坏、设备失效等。

根据选择顶事件的原则，选取“CNG加气母站失效”作为顶事件，将主要事故分为机械伤害、火灾爆炸、触电伤害三个类型，并假设这三类事故为独立事件，然后再以这三类事故为次顶事件，采用类似方法继续深入分析，直到找到代表各种故障事件的中间事件和底事件[3-7]，建立CNG加气母站失效故障树图，如图2所示。该故障树共包含了25个底事件。故障树中的中间事件符号和底事件事件符号所表示的含义见表2和表3。

表2  中间事件含义

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表3  底事件含义

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1.4 故障树定性分析 故障树分析中，将导致故障树顶事件发生的数目不可再少的底事件的集合称为最小割集。图1所示故障树中的底事件相互独立，根据布尔代数法进行逻辑运算和化简，则有：

T= X1 + X2+X3+X4+X5+X8X10+X8X11+X8X12+X8

X3+X8X14+X9X10+X9X11+X9X12+X9X13+X9X14+X15X10+X15X11+X15X12+X15X13+X15X14+X16X10+X16

X11 + X16 X12 + X16 X13 + 16X14+X17X10+X17X11+X17

X12+X17X13+X17X14+X18X10+X18X11+X18X12+X18

X13+X18X14+X20X21+X22X23

则CNG加气母站失效故障树的所有最小割集为：

{X1}，{X2}，{X3}，{X4}，{X5}，{X8，X10}，{X8，X11}，{X8，X12}，{X8，X13}，{X8，X14}，{X9，X10}，{X9，X11}，{X9，X12}，{X9，X13}，{X9，X14}，{X15，X10}，{X15，X11}，{X15，X12}，{X15，X13}，{X15，X14}，{X16，X10}，{X16，X11}，{X16，X12}，{X16，X13}，{X16，X14}，{X17，X10}，{X17，X11}，{X17，X12}，{X17，X13}，{X17，X14}，{X18，X10}，{X18，X11}，{X18，X12}，{X18，X13}，{X18，X14}，{X20，X21}，{X22，X23}

由此可知，该故障树共有最小割集37个：5个1阶最小割集、32个2阶最小割集。一般来说，割集中所含基本事件数越少，其发生的概率就越大。因此，5个1阶最小割集对整个系统的可靠性影响最大，是系统中的相对的薄弱环节，故引起CNG加气母站失效的主要因素有：违章操作，断、送电操作不当，绝缘保护失效，设计缺陷和人为损坏。

2 安全防护措施

CNG加气母站具有高压、易燃、易爆的特点，是具有较高危险性的作业场所，生产工艺较多且复杂，一旦出现事故，会产生较大损失或较严重后果。通过对故障树的分析，识别出引起CNG加气母站失效的主要因素：违章操作，设计缺陷，人为损坏，正常生产防护不当，断、送电操作不当和设备失效。针对失效原因，给出以下CNG加气母站安全防护措施建议。

2.1 加强管理制度建设，提高员工操作技能 在日常生产管理中应利用安全活动例会、生产例会和HSE教育不断学习制度规范，常抓制度管理，使各项规章制度深入人心。做好站内操作人员的安全技术培训，严格按照操作规程进行操作，并根据实际情况进行修改完善，提高员工操作技能。

2.2 加强设备安全管理，注重检查维修工作 对设计缺陷的地方进行工艺改造。要做好设备的维护保养工作;对调压、计量监测、脱水、水露点检测、过滤设备进行定期计划检修;定期进行春检、秋检，夏季注意消除静电，冬季做好保温工作;加强巡检管理，及时发现和排除隐患，确保设备处于完好状态。

2.3 严格执行门禁管理，规范车辆人员管理 由于CNG加气母站人员流动大，对于进站人员要做好人员登记、安全教育。对于客户，认真检查备案槽车的年度检测报告等资料，槽车进站前检查槽车车头车挂号、余压、防火帽和安全附件等。对于施工作业人员严格执行“两书一表”，并根据实际情况定期进行修订完善。

2.4 扎实开展应急演练，提高安全防护意识 每月定期开展天然气泄漏、紧急切断阀异常关闭、UPS系统故障等应急演练活动，并对演练效果进行总结和分析，不断完善应急预案，提高员工应急事故处理能力，使员工从“要我安全”到“我要安全”。

3 结论

本文总结了CNG加气母站失效的原因，采用故障树分析法对失效原因进行分析，建立了比较完整的CNG加气母站失效故障树，找出了影响CNG加气母站失效的主要因素，并提出对应的安全防护措施，对CNG加气母站的安全管理有一定的指导意义。

参考文献：

[1]张沛.CNG汽车是天然气利用的重要发展途径[J].石油与天然气化工，2008，37（1）：23-26.

[2]国家标准局.GB7829-87，故障树分析程序[S].1987-06-03.

[3]刘海燕.天然气加气站安全评价[D].西南石油大学硕士论文，2007：18-28.

[4]陈杨，王为民，姜东方，乔伟彪，贺雷.基于故障树与灰色模糊理论的城市CNG加气站安全评价[J].中国安全生产科学技术，2011，7（4）：124-125.

[5]黄海波，杨建军，李开国，何太碧.CNG加气站设备失效与爆炸燃烧风险评价[J].西华大学学报（自然科学版），2005，24（4）：18-19.

[6]于培林.城市燃气管网事故抢修应急方案研究[D].西南石油大学硕士论文，2008：74-84.

[7]何淑静，周伟国，严铭卿.上海城市燃气输配管网失效模糊故障树分析法[J].同济大学学报（自然科学版），2005，33（4）：508.

基金项目：本文为惠州市产学研结合项目：太阳能光伏发电逆变系统开发及并网关键技术研究（2012B050013004）。