安全科学技术

空间故障树的径集域与割集域的定义与认识

崔铁军，马云东

摘要：目的：对系统进行故障分析时，可发现各元件的工作时间t和工作适应温度c等都不一样，随着系统整体运行环境的改变，其故障概率也是不同的。为从环境因素变化角度分析可靠性，研究在某些因素条件组合下系统可靠性是否满足要求，提出径集域与割集域的概念。径集域描述系统可靠性满足要求时的因素条件组合；割集域描述不满足要求时的因素条件组合。这两个概念不再像传统的径集与割集，只关注基本事件的组合，而是更关注系统的工作环境条件。方法：论文提出的径集域与割集域的概念是空间故障树理论体系的基本概念，包括单一基本事件（元件故障）的径集域与割集域及顶事件（系统故障）的相关概念。这些定义是基于空间故障树已有概念和方法的。割集域是单一基本事件发生（故障）的可能性大于预定的或必要的概率的空间区域（在研究区域中）。这个区域为定义者所不能接受的区域，定义者认为这个区域的故障率过高，应使该元件避免在这个区域工作，或采取措施降低故障率。径集域是单一基本事件发生（故障）的可能性小于预定的或必要的概率的空间区域（在研究区域中）。这个区域为定义者所能接受的区域，定义者认为这个区域的故障率不高，应使该元件尽量在这个区域工作，不用采取措施降低故障率。域边界Pb是上述定义中所述的预定的或必要的概率等值线或面或更高维形式。径集域、割集域和域边界组成了整个的研究区域。域边界曲线或面或更高维形式应是闭合的。系统的径集域、割集域和域边界的性质及其相互关系与单一基本事件的相同，但形态更加复杂。结果：使用上述径集域、割集域和域边界的概念分析了实例系统中元件X1，并实现了系统更换周期的计算。对于元件X1进行分析。设Pb=0.6，X1的故障概率分布图中的2个黑色封闭粗线即为Pb=0.6的域边界曲线。图中割集域为域边界以外的区域，该区域对应的t和c组合是X1所要避免的。径集域为域边界以内的区域，该区域对应的t和c组合适合X1工作。同时这些概念也可以参照模糊数学思想，将域边界也扩展成一个区域，这个区域为径集域和割集域的过度区域。如果原本在径集域工作的元件由于条件的变化进入过度域，那么就应立即采取措施，使元件回到径集域。确定系统的最优更换周期。根据事件更换周期TLiα和系统更换周期的概念 TLα，说明最优更换方案 MTLα的求解过程：设系统故障概率小于0.7，即α=70%。根据元件X1～5的故障特点按照一定方式更换元件使系统的故障概率保持小于70%。这种更换方案很多，需同时考虑成本和故障概率寻找最优更换方案MTL70%。该系统可靠性变化过程可用 X1～5最大理想更换周期 PT（t,c）。设 Pb=0.7，图中黑色折线围成的区域内为系统的径集域，黑色折线为域边界，黑色线外的区域为割集域。实施了最优更换周期后的系统径集域不断扩大，割集域不断减小。同时也可以通过径集域占整个研究区域的大小来判更换方案的优劣程度。当5个元件都被替换时，用集合表示系统径集域={(t,c)|t∩c,t∈[0,100],c∈[14,30]}；同理割集域={(t,c)|t∩c,t∈[0,100],c∈[0,14)∩(30,50]}。如果更加准确简洁地表示，可将这个研究区域分为径集域={(t,c)|t∩c,t∈[0,100],c∈[14,30]}；割集域={(t,c)|t∩c,t∈[0,100],c∈[0,10]∩[35,50]}；过度域={(t,c)|t∩c,t∈[0,100],c∈(10,14)∩(30,35)}。结论：在空间故障树概念的框架内，定义径集域与割集域。这两个概念不仅考虑了基本事件与系统的结构关系，还考虑了基本事件在不同环境下表现出来的故障概率的变化特征，进而可从宏观的系统工作环境角度来衡量系统的故障特征。它可以判定系统在什么环境下的故障概率可接受或不可接受，将原有故障树的径集与割集发展为针对运行环境角度上的径集域与割集域。

来源出版物：中国安全科学学报, 2014, 24(4)： 27-32

入选年份：2017

褐煤燃烧阶段烃生成规律研究

周西华，白刚，聂荣山，等

摘要：目的：褐煤变质程度低，自然发火期短，极易发生自燃。煤矿发生火灾后，生成气体组分复杂，可燃性气体较多，尤其是高瓦斯矿井火灾，极易诱发瓦斯煤尘爆炸等次生灾害。火灾生成的烃类气体混入后改变了瓦斯爆炸界限，增加了瓦斯爆炸的危险性。现有的研究主要集中在低温氧化阶段火区气体预测，而火灾发生后烃类气体生成规律、火区温度分布与燃烧状态判定未进行研究，为此有必要研究火灾时期烃类气体生成规律。方法：采用热重实验与管式炉程序升温实验相结合方法，通过热重实验研究煤质量变化率、热流率变化规律，基于质量变化量划分原则，划分瑞安褐煤燃烧过程的3个阶段，确定褐煤燃烧阶段温度范围。利用管式炉程序升温实验模拟褐煤燃烧过程，利用气相色谱分析仪分析不同温度下生成碳氢化合物气体的体积分数，得出耗氧量、碳氢化合物气体生成量与温度之间的变化关系，并对烷烃类气体浓度及其相对比例以及链烷比与C2H2/CH4比值随温度变化关系进行分析。结果：根据热重实验与管式炉程序升温试验数据分析，得出：① 基于煤样质量变化量划分原则，褐煤燃烧的 3个阶段所对应的温度分别为：失水失重阶段20～117℃，氧化增重阶段117～247℃，燃烧阶段247～433℃，在408℃左右达到快速燃烧状态；② 随着温度升高，耗氧量、燃烧产生的碳氢化合物气体变化规律相似，均是先升高后下降。耗氧量及 C2H6，C3H8，C2H4，C2H2气体在 200～399℃气体生成量迅速上升，399～438℃气体生成量下降，CH4气体在 200～348℃气体生成量迅速上升，348～438℃气体生成量下降，348℃达到最大值，C2H6、C3H8、C2H4与C2H2气体体积分数较CH4达到峰值温度滞后一段时间，均于399℃达到最大值。③ 耗氧量、CH4、C2H4、C3H8体积分数与温度符合近线性变化关系，C2H6和C2H2体积分数与温度符合指数变化关系。④ 随着温度升高，褐煤燃烧烷烃类气体浓度及其相对比例(C2H6+C3H8)/(CH4+C2H6+C3H8)比值升高，CH4/(CH4+C2H6+C3H8)比值、CH4/(C2H6+C3H8)比值均降低。随着温度增加，链烷比C3H8/C2H6比值升高，C2H6/CH4比值下降，C2H2/CH4比值下降。⑤ 随着温度升高，燃烧阶段C2H2/CH4比值和 C2H6/CH4比值呈指数关系增大，C3H8/C2H6与温度呈指数关系减小。结论：根据褐煤燃烧阶段耗氧量、燃烧生成的气体组分及其体积分数变化可判别火区温度及气体分布，并对火区温度进行预测，结合瓦斯爆炸界限实验可判定火灾诱发瓦斯爆炸危险性，确定瓦斯爆炸易爆区域。根据烷烃类气体浓度及其相对比例(C2H6+C3H8)/(CH4+C2H6+C3H8)、CH4/(CH4+C2H6+C3H8)、CH4/(C2H6+C3H8)比值与链烷比（C3H8/C2H6、C2H6/CH4）与C2H2/CH4比值关系及指标气体优选的3个原则可判定火区燃烧状态。研究成果可以应用于褐煤燃烧阶段预测指标，但燃烧阶段指标气体优选还需进一步深入研究。

来源出版物：中国安全科学学报, 2016, 1(1)： 58-63

入选年份：2017