基于故障树的LNG船舶装卸货泄漏事故分析

陈星星，卢金树，吴文锋，董良雄

（浙江海洋大学港航与交通运输工程学院，浙江舟山316022）

基于故障树的LNG船舶装卸货泄漏事故分析

陈星星，卢金树，吴文锋，董良雄

（浙江海洋大学港航与交通运输工程学院，浙江舟山316022）

随着全球对LNG需求的不断上升，LNG船舶不断呈现大型化发展的趋势。同时，由于LNG具有低温、易燃易爆等固有的特殊危险性，LNG船舶装卸货过程中的安全问题随之突显。因此，针对LNG船装卸货泄漏事故，基于故障树分析法对可能造成LNG船装卸货泄漏事故的船舶因素进行分析，并建立故障树模型，求出该模型的最小割集和结构重要度系数并排序，根据底事件概率算出顶事件发生概率，提出控制风险的建议措施。

故障树；LNG船舶；装卸货；泄漏事故

液化天然气船舶的装卸作业是其海上运输起始和终止的关键环节，也是事故易发生环节，约80%的事故是发生在港内作业期间[1]。据资料统计，LNG船自1964年第一次投入商业运营以来，发生有详细记录的装卸货操作事故33起，其中出现LNG泄漏事故达19起，几乎所有的泄漏事故都对船体结构或货舱、卸料臂等相关设备造成了破坏[2]。其装卸作业流程较之其他船型复杂许多，操作过程中稍不注意就会造成LNG泄漏、人员冻伤、火灾爆炸，进而危及人员、船舶及港口，带来的将是难以估计的人员伤亡和财产损失。因此迫切需要科学有效的方法对LNG船装卸货过程中泄漏风险进行精确地评估。此前，学者们已经开展了一些研究工作：VANEM等[3]通过建立事件树对LNG船碰撞、搁浅、触碰、火灾和爆炸及装卸货事故进行风险研究，但并未进行具体的事故原因分析，也未提出具体的控制事故的建议及措施；MELANI等[4]利用功能树对LNG船装卸货系统进行分析，通过贝叶斯网络法计算事件可能性，提出降低风险的建议，但并没有针对LNG泄漏事故进行分析；单浩明[5]仅是简要介绍了LNG在装卸中应特别注意的安全作业要点以及发生事故时的应急措施，其建议措施较为客观；赵志垒[6]根据LNG船历史事故进行危险识别，用事件树分析法对其后果严重性进行分析，其不足之处是在计算事故概率时，假设在所有LNG泄漏事故中都有船员在场并且船员受到冻伤伤害，该假设是偏于保守的。

可见，目前专门针对LNG船装卸货泄漏事故的研究并不多，且大都局限于定性分析，量化层面的研究不够深入和完善。因此本文采用故障树分析法对LNG装卸货泄漏事故进行定性和定量分析，以期减少事故发生的可能性。故障树分析法可通过逐步分析导致故障系统失效的原因，计算出各事件的发生概率，对整个故障系统进行评估，从而采取相应的改进措施，提高系统的可靠性。

1 故障树分析法

故障树分析法（Fault Tree Analysis，FTA）又称事故树分析法，是一种图形演绎、逻辑推理的方法，可就某些特定的故障状态作各种因素包括人员、设备、管理及环境因素的逐层分析，分析各层次间各因素之间的逻辑关系，对故障事件进行演绎和推理并画出逻辑框图（用专门符号标示出来，如：与门、或门、基本事件、中间事件等）。其优点在于能够对各种因素和逻辑关系作出系统、直观的描述，既能分析出导致故障事故发生的直接原因，又能挖掘出潜在的危险因素；不仅能作定性分析，而且可以定量计算系统的可靠性参数及故障率，为系统的安全性和可靠性评价提供定性和定量的图形及数据依据；故障树分析法利用图形演绎的方式，具有直观的视觉效果，即使不参与系统设计的操作、管理及维修等环节都可以全面了解整个系统；同时还可以与其他的风险评价方法相结合，对系统进行综合评价。

故障树分析法通常包括以下六步：（1）确定顶上事件，即所要分析的对象事件，且顶上事件的确定不能太笼统；（2）调查事故、查明原因。了解掌握被分析事件的各种原因，找出系统内固有或潜在的危险因素，如：人的不安全行为、物的不安全状态、环境的不良因素等；（3）编制故障树。深入分析各原因事件的逻辑关系，并进行整理，按照演绎分析法一级一级地把所有原因事件通过逻辑关系，用逻辑符号进行连接，构建故障树；（4）对故障树给予定性分析。根据所构建的故障树，采用布尔代数列出布尔表达式，求出最小径集或最小割集，并通过最小径集或最小割集来求出各个基本事件的结构重要度，并找出结构重要度数值最大的基本事件；（5）定量分析。根据各基本事件的发生概率求出顶上事件的发生概率；（6）制定控制风险的措施与对策。基于定性和定量分析，结合企业的实际能力，制定出行之有效的防御措施，以减少事故发生的可能性。

2 构建并分析LNG船舶装卸货泄漏故障树模型

造成LNG船装卸货泄漏事故的原因众多，包括人员、管理、船舶自身设备及环境等因素，此处列出船舶自身设备因素，建立主要风险故障树（图1）。该故障树由一个顶事件、17个中间事件、29个基本事件、4个与门和14个或门组成，其中表1为故障树中各编号代表的事件。

2.1 最小割集分析

故障树中的割集是指导致顶事件发生的基本事件组合，而最小割集是导致顶事件发生的最低限度的基本事件组合，表示了系统的危险性。求解出最小割集可以掌握事故发生的各种可能性。经过布尔代数化简，可求其最小割集。具体如下：

表1 故障树中各编号代表的事件Tab.1Events indicated by codes in the fault tree

结果显示，LNG船舶装卸货泄漏事故由16个一阶最小割集，9个二阶最小割集，4个三阶最小割集组成。通常，故障树中的最小割集表示了顶上事件发生的可能性，最小割集越多，系统就越危险，且割集的阶数越小危险就越大。因此，故障树中的16个一阶最小割集对系统安全性的影响最大，是整个系统的薄弱环节，需要特别防范。

2.2 结构重要度分析

结构重要度是指从结构上分析各个基本事件对顶上事件发生所产生的影响程度，第i个基本事件结构重要度的计算公式如下：

其中：kj表示第j最小割集；nj表示第r个最小割集；xi表示第i个基本事件；运用该公式计算各事件的重要度数，可得：

因此，各底事件的结构重要度系数大小排序为：

从各基本事件的结构重要度顺序来看，事件X1-X21对顶事件发生的影响力较大。在安全防护中，按照结构重要度系数高低逐层防范，加强法兰、阀门、管线的密封性检查，防止因腐蚀老化或质量缺陷发生泄漏；日常还应加强对装卸臂及紧急脱离装置的检查和维护，确保其良好工作；同时为防止工作人员出现误操作行为，需要强化对他们的操作培训；当然增强操作人员的安全意识和责任意识也是必不可少的，而且定期组织紧急事故安全演练也是很有必要的。

2.3 定量分析

求解故障树顶事件发生概率通常的方法有以下3种：通过底事件发生概率直接求解、通过最小割集求解和通过最小径集求解[7]。利用底事件发生概率直接求解法要求故障树中不含重复底事件，反之按另外两种方法计算。因此本文采取通过底事件发生概率求解的方式计算故障概率，计算流程如下：

通过底事件发生概率直接求顶事件发生概率由n底事件组成的故障树，其结构函数为：

如果故障树顶事件代表系统故障，底事件代表元部件故障，则顶事件发生的概率就是系统的不可靠度Fs（t），其数学表达式为：

其中：Fi（t）——第i个元部件的不可靠度；

φ（X）——故障树的结构函数。

根据或门和与门的结构函数有：

a与门结构：

求解底事件概率常用的方法有：专家估算法、实验数据统计分析法和历史故障经验数据统计分析法。

3 实例分析

结合以上故障树分析方法流程，本研究选取了某接收站，对其进行安全分析。目前，许多工业发达国家都建立了故障率数据库，甚至多个国家联合建库，由于我国并未建立自己的数据库，为保证概率数据统计的可信度，本文主要采用了国际上现有的数据库，其失效数据来源于：

（1）由挪威船级社发布的OREDA（Offshore Reliability Data Handbook《离岸可靠性数据手册》）；

（2）美国Exida公司的发布的Safety Equipment Reliability Handbook；

（3）Reliability Data for Safety Instrumented Systems-PDS Data Handbook；

（4）WOAD（全球离岸工程事故数据库）；

（5）HSE（英国离岸结构安全部）；

（6）NPD（挪威石油管理部门）；

（7）由现场积累的设备失效数据；

（8）对某些具体的设备进行失效模式和影响分析，得到其失效数据。

经过计算，该泄漏事故的发生概率见表2。

表2 各中间事件故障率Tab.2Failure rate of Intermediate events

实例计算表明，在LNG船卸货过程中出现泄漏事故的原因主要是以阀门、法兰及管线失效为主。因此，预防LNG发生装卸货泄漏事故，除了设备的正确选型之外，同时对阀门、法兰及安全附件的维护和检查工作必须严格，尤其是防止其长期处于低温腐蚀老化、产生缝隙出现密封不良等状况，设备损坏时一定要及时更换，在容易发生泄漏的点设置监控装置及报警设备，以达到降低事故发生的目的。

4 结束语

LNG船舶装卸货作业是LNG船运输的重要环节，同时也是事故的易发生环节,其安全性和可靠性将直接影响LNG海上运输行业的健康发展。因此，本文基于故障树分析法对可能造成LNG船舶装卸货泄漏事故的船舶因素进行分析，通过建立故障树模型，求出最小割集和结构重要度系数并排序，同时以根据底事件概率算出顶事件发生概率，从而进行定性和定量分析，并结合某某LNG接收站，对其进行安全分析，提出了相应的预防事故发生的建议和措施。

[1]祁超忠.LNG船舶港内作业前期研究及风险防范[J].航海技术,2008(6):2-5.

[2]U.S.Departmentof Energy.Liquefied Natural Gas Safety Research Report to Congress[R].2012.

[3]VANEM E,ANT O P,准STVIK I,et al.Analysing the risk of LNG carrier operations[J].Reliability Engineering and System Safety,2008,93(9):1 328-1 344.

[4]MELANI A H D A,SILVA D W R,SOUZA G F M.Use of Bayesian Network to Support Risk-Based Analysis of LNG Carrier Loading Operation[C]//Probabilistic Safety Assessmentand Management PSAM 12.2014.

[5]单浩明.液化气船装卸流程及海上运输安全性的研究[D].大连:大连海事大学,2001.

[6]赵志垒.对LNG船舶装卸货泄漏事故的安全评估[J].中国水运:下半月,2013,13(7):7-8．

[7]邓强.液化天然气供气站风险评价研究[D].重庆:重庆大学,2008.

The Fault Tree Analysis of LNG Carrier Cargo Leakage on Loading and Unloading Operation

CHEN Xing-xing,LU Jin-shu,WU Wen-feng,et al
(School of Port and Transportation Engineering of Zhejiang Ocean University,Zhoushan316022,China)

With the rising global demand for LNG,LNG carriers are constantly showing the trend of large-scale development.Meanwhile,due to the low temperature,inflammable and explosive and other special inherent dangers,the security issues of LNG carriers in the process of loading and unloading are increasingly highlighted.Therefore,as for the LNG carrier cargo leakage accidentson loading and unloading operation, based on the Fault Tree Analysis，the ship factors caused LNG carriers cargo spill were analyzed,the fault tree model is established.According to that,the minimum cut sets and structure importance coefficient were calculated,the probability of bottom events and top event probability are analyzed too,the risk control measures are put forward.

fault tree analysis;LNG carrier;loading and unloading operation;cargo leakage

X937

A

1008－830X(2016)06－0509－05

2016-08-01

舟山市科技局项目（2016C41021）

陈星星（1993-），女，江西九江人，硕士研究生，研究方向：海上通航保障技术.E-mail:17805808892@163.com

卢金树.E-mail:lu_goldtree@163.com