FTA-Vensim法在LPG罐箱航道运输中的综合运用

田娟 胡澄 吴凤华

摘 要：針对液化石油气（LPG）易燃易爆的性质，结合LPG罐箱航道运输特点，本文从火灾三要素出发，运用事故树法（FTA）分析LPG罐箱在航道运输时可能导致火灾爆炸的一系列因素，并通过最小割集与最小径集分析出航运过程中的危险与安全组合，结合结构重要度排序提出相关控制措施，随后利用系统动力学软件vensim对控制措施进行了仿真验证，模拟结果显示LPG安全水平从30提升到75左右，防范措施合理，为LPG罐箱航道运输安全提供参考。

关键词：罐式集装箱  航道运输  事故树  仿真验证;

中图分类号：DU698              文献标识码：A            文章编号：1006—7973（2020）11-0048-03

随着经济的发展，液化石油气（Liquefied Petroleum Gas，LPG）作为一种重要的化工基本原料，在民用、工业领域用量占比越来越大。在运输方式上，全球一直沿袭采用LPG罐式集装箱（以下简称为罐箱）传统船舶运输，但由于LPG罐箱存在安全隐患大、运输装卸致灾因素复杂等问题，一旦发生事故后果不堪设想;且目前业内对于LPG罐箱航运事故的评价研究相对较少，亟待开展相关研究，故对其进行安全因素风险评价，具有十分重要的现实意义。

黄昆[1]等人最先对于LPG储罐站的安全性进行了分析，并提出相应措施予以改进，常光忠[2]等人专门针对储罐的失效案例，开发出了针对性的RBI定性评价方法，并将此运用于某石化公司且取得较好的效果，林建[3]等人选取系统动力学STELLA软件模拟LPG物流水运物流量预测，并以此来指导区域的LPG物流水运运力配置及路径的规划。 然而，这些研究大多局限于LPG储罐区的危害分析，对于LPG罐箱航运事故分析研究少之又少，因此在此基础上，提出利用事故树分析（Fault Tree Analysis，FTA）对航运规程中的危险因素进行定性分析，提出相关措施，为LPG罐箱安全航运管理提供可靠基础。

但既往研究成果一般在提出措施的基础上，都缺乏了对措施合理性及有效性的验证，为补足有关验证，本文利用Vensim[4]软件对罐箱船舶治理措施进行LPG安全水平仿真模拟，以验证相关措施的合理性。

1 LPG罐箱事故树分析

1.1事故树分析法简介

事故树分析法运用逻辑推理对各种系统的危险性进行辨识和评价，不仅能分析出事故的直接原因，而且能深入地揭示出事故的潜在原因，对于繁杂且多的事件情况分析更为合理，且能更简洁明了地表示出各事件之间的因果关系及逻辑关系[5]，因此，对于航运危害因素分析十分合理。

1.2事故原因分析

由于LPG自身易燃易爆以及受热膨胀性，极易与周围明火反应，致使我们在LPG罐箱航运过程中必须采用更为严格的管理措施，以尽可能的使LPG罐箱安全可靠地运输。以某一次航运过程为例，从充装罐箱到运输到最后安全卸货，以LPG火灾爆炸事故发生机理分析，主要可以从三个方面考虑，分别是火源、可燃物与助燃物。火源即周围可能存在的一切产生火花的点火源;可燃物即LPG本身，若想LPG燃烧，就必须使LPG脱离罐箱的箱体，使LPG泄漏;助燃物即是空气，在有氧环境下这三个条件缺一不可。

1.3编制事故树

根据以上因素综合分析，建立以“LPG罐箱航运火灾爆炸”为顶上事件的事故树，如下图1所示。

其中事故树所含代码及代码含义如下表1所示。

1.4事故树定性分析

利用布尔代数法定性分析事故原因，简化事故树，求出该事故树下最小割集、最小径集和结果重要度排序。

1.4.1求取最小割集与最小径集

最小割集代表分析系统的危险性，提供了事故发生的所有可能性，每个最小割集代表1种事故模式，通过分析事故树的13个基本事件，得出{P1，X1，X7，X12}{P1，X3，X7，X12}{P1，X5，X7，X12}……{P1，X6，X9，X13}{P1，X6，X11，X13}等60个最小割集。

而最小径集则代表着系统的安全组合状态，每个最小径集都代表1种安全组合，即要想事故不发生的可能方案。由事故树改为成功树得到系统的最小径集组合为{X1，X2，X3，X4，X5， X6}{P1}{X7，X8，X9，X10，X11}{X12，X13}4个最小径集。

1.4.2结构重要度排序

随后通过最小径集计算结构重要度排序得：I（P1） = 1.0000>I（X12）=I（X 13）=0.5000>I（X 7）=I（X 8）=I（X 9）=I（X 10）=I（X 11）=0.06250>I（X 1）=I（X 2）=I（X 3）=I（X 4）=I（X 5）=I（X 6）=0.03125

通过结构重要度排序可得，在满足爆炸极限的基础上，基本事件X12，X13的结构重要度最大，即尽可能保持船舶通风顺畅，一旦发生LPG泄漏，及时启动通风系统，稀释LPG浓度，防止事故发生;再就是LPG泄漏和点火源的原因，从根本上杜绝航运过程中LPG罐箱的泄漏。

1.5综合控制措施

根据事故树分析，针对结构重要度LPG罐箱航运火灾爆炸事故原因排序提出了以下综合控制措施：

（1）按时检修。对罐箱箱体、结构设备防护层和安全阀等相关设备都要进行定期或不定期的检修维护操作，在每趟航运过程中，都不能有所松懈。

（2）加强安全管理。船方应完善航运过程中应遵守的各项规章制度，以安全运输为终极目标，加大领导安全监督力度，对船员实行安全操作管理考核，并设置奖惩机制以鞭策船员的行动力。

（3）制定完善的培训课程。船方应制定专业对口的LPG罐箱装载运输手册，要求船员熟记且按要求办事，并采取培训考核的方式验收培训成果。

（4）合理设计装配。要严格按照海事局要求，配备专用的集装箱船舶、通风设备和消防设备等。

2仿真模拟LPG安全水平系统

Vensim是一种可以建立动态模型，随变量关系时间推移导致因果关系循环的系统动力学[6]仿真软件。为了验证以上控制措施的合理性，在此引入Vensim，通過结合控制措施与事故树结构重要度排序分析，绘制LPG安全水平因果关系图，如图2所示。

其中，以LPG安全水平为水平变量，LPG安全水平增量为速率变量，相关治理措施为辅助变量，从而建立LPG安全水平系统动力学流图，如图3所示。

在系统动力学中，水平变量方程L=初始值a+安全水平增量b，安全水平增量b可以由安全水平系统动力学流图中各因素权重值来定义，而权重值则可用前文事故树结构重要度来表示。假设系统安全水平初始值为30，观察周期为5年，得出LPG安全水平变化的仿真结果如图4所示。

如图可见，随着一段时间内各项措施的实施（在百分百实施的情况下），LPG罐箱航运过程的安全水平从最初的30逐渐升高到了75左右，可得出各项控制措施对于安全航行LPG罐箱确有一定的作用，且能使系统逐渐趋于稳定。

3结论

本文通过对液化石油气罐箱在航运过程中可能出现的事故原因进行了综合分析，利用事故树分析方法中的结构重要度定性得出通风不良占影响因素的比例最大，在实际操作中必须随时保持罐箱储存间的通风与空气流动;其次，是船舶、罐箱和附属设备等在设计投入使用时需要遵循海事局的规定，保持设备的完好与人员的素质培养。同时利用系统动力学Vensim软件模拟LPG安全水平变化，通过安全水平的增加验证了相关措施的合理性，为LPG罐箱安全航运输送提供了有效的参考。

参考文献：

[1]黄昆，蒋宏业，李余斌，于磊，马国光.LPG储罐火灾与爆炸事故分析[J].西南石油学院学报，2004（05）：74-76+90.

[2]常光忠，施哲雄，蒋晓东.基于RBI方法的储罐风险评价技术研究与软件开发[J].腐蚀科学与防护技术，2009，21（03）：343-346.

[3]林建，杨双炜.基于系统动力模型的LPG物流水运配送路径优化[J].统计与决策，2016（04）：50-53.

[4]刘清，韩丹丹，陈艳清等. 基于系统动力学的三峡大坝通航风险演化研究[J].中国安全科学学报，2016，26（04）：19-23.

[5]董海佩，程贵海，牛虎，陈庆发.基于事故树分析法的控制爆破危害影响研究[J].爆破，2018，35（02）：151-154+176.

[6]李海丽，陈勇，张文龙等.矿山顶板事故的FTA-Fuzzy-Vensim分析方法探究[J].安全与环境工程，2019，26（04）：147-151+160.

基金项目：贵州省科技计划课题（20161082）;贵州省科技计划项目（20191102）