基于FTA与FM EA的液化石油气钢瓶风险分析

范晓东 麻青春 蔡福海 王树森 陈 晨

（1.赤峰市特种设备检验所 赤峰 024000）

（2.常州大连理工大学智能装备研究院 常州 213164）

（3.常州机电职业技术学院 常州 213164）

国内的液化石油气钢瓶（LPG）保有量超亿支，由于使用地点的不固定，在生产、运输、使用等环节都可能造成钢瓶受损。GB 8334—2011《液化石油气钢瓶定期检验与评定》[1]规定了LPG的定期检验规范，但是监管机构无法实时监控在役气瓶的使用状况，一旦气瓶产生损伤，则可能存在着较大的安全隐患。因此，对LPG故障模式及其失效风险后果进行研究，可以为LPG的安全评估及风险管控提供数据和方法支撑。

王步美[4]对LPG爆炸原因进行了分析，总结了引起物理爆炸和化学爆炸的不同故障模式；S.Kingklang[5]采用故障评估图（FAD），对LPG的不同初始裂纹在不同压力下的失效方式进行了分析，确定了裂纹的扩展路径；高玉坤[6]分析了实验室气瓶发生倾倒、泄漏和爆炸3类事故的致灾因子，并综合考虑事故的可能性以及后果的严重程度，用风险矩阵法建立了高校实验室压力气瓶风险评估体系；董力宏[7]、石传美[8]对压力容器和天然气球罐进行了失效故障树和可靠性分析。

研究大多集中于复杂固定式压力容器或者气瓶单一故障模式及其失效方式，而针对LPG在设计、生产、运输、使用、检验过程中的全流程故障模式及其风险管控研究甚少。本文基于故障树分析法（FTA)与失效模式与影响分析法（FMEA)的液化石油气钢瓶风险分析方法，对LPG全流程故障及失效模式进行了研究，为LPG风险管理提供了科学依据。

1 LPG故障树分析

1.1 故障树方法概述

故障树分析方法，是一种可靠性分析方法[7]。它通过将失效状态用对应符号来表达，建立各类顶事件、中间事件和底事件之间的关系，可以计算失效概率和其他定量指标，从而有效确定系统故障的原因[8，9]。

1.2 LPG故障树模型

参考车用压缩天然气（CNG)气瓶事故建模方法[10]，以LPG事故为顶事件，建立事故树如图1所示，故障树中各符号代表意义见表1。

图1 液化气瓶故障树

表1 液化气瓶故障树符号意义

1.3 事故树最小割集

最小割集指的是引发顶事件失效的最小独立故障单元，而独立故障单元的多少，代表着可能引发顶事件故障的数量。针对图1的故障树，经布尔代数得到式（1)表达式，确定引发钢瓶事故的所有割集：

经计算，共有割集数量188个，割集的阶数越小，它发生的可能性就越大。因此，液化气瓶故障树中的3个一阶最小割集和5个二阶最小割集对液化气瓶安全性影响较大，为整个系统的薄弱环节。

1.4 结构重要度计算

结构重要度指的是基本事件在故障树结构中所占地位造成的影响程度，衡量基本事件对顶事件影响的大小和排序，计算公式见式（2）：

式中：

Ii——第i个底事件的结构重要度系数；

Kj——第j个最小割集；

Nj——第j个底事件位于Kj的底事件数；

xi∈Kj——第i个底事件属于第j个最小割集。

通过式（2）的计算，可得排名前五的各事件结构重要度排名：

根据事故树结构重要度排序，对液化气瓶发生事故影响较大的基本事件有X1、X7、X8、X12、X11、X10、X9、X6、X5、X4、X3等，应对相应事件进行重点监控。

2 液化气瓶FMEA分析

通过FTA分析失效模式发生的概率和演绎过程，失效模式与影响分析（Failure Modes and Effect Analysis)FMEA则关注系统可能存在的失效模式及对其影响进行评价，两者相互补充，形成一个整体。

FMEA是一种系统化的可靠性分析方法，对每一步可能出现的故障模式和影响因素，通过经验和数据讨论来确定故障模式的严重度（S)、频度（O)、探测度（D)的等级和评估标准[9]。气瓶的等级和评估标准可分为1-10个级别，见表2-表4。以RPN（Risk Priority Number)的数值对液化气瓶进行风险分析，划分其风险等级，RPN计算见式（3）。

在FMEA分析过程中，所计算得出的RPN值较高的失效模式，这些故障模式会使液化气瓶出现较大的风险，如图2所示。

表2 严重度(S)评价准则

表3 频度(O)评价准则

表4 探测度(D)评价准则

图2 气瓶RPN计算结果

根据液化气瓶风险等级评价表中的风险等级来，属于较高级风险等级的失效模式为瓶阀泄漏、碰撞产生火花、超压充装、泄压阀失效，属于高级风险等级的失效模式为外力碰撞爆炸、充气时气流过快产生静电。风险等级越高的失效模式，需要重点防范。

3 结束语

通过风险分析调整LPG的生产方案、严密监管和控制相关风险因素，对于LPG的整个生产、运输、使用、维修方面都极为重要。本文以LPG为研究对象，采用FTA法，建立了LPG的故障树模型，确定了结构重要度排序；采用FMEA法，建立了LPG失效模式与影响分析数据表，通过专家打分对失效模式的严重度、频度、探测度进行系统评价，通过RPN的大小划分了液化气瓶的风险等级，确定了重点监控领域，为LPG风险管理提供科学依据。