基于故障树-层次分析法的槽车液化气泄漏事故致因分析*

高建丰 郑豫， 倪铠 李燕菊

1浙江海洋大学石化与能源工程学院2临港石油液化气储运技术国家地方联合工程实验室

2020 年6 月13 日，浙江省温岭市发生了槽罐车重大爆炸事故，引起了社会的广泛关注。液化气（液化天然气或液化石油气）在开发利用的同时由于其本身易燃、易爆的特性，不断给人们带来安全隐患。如今，液化气被广泛应用于各个行业各个地区，这更增大了液化气泄漏事故的发生概率。液化气泄漏事故，极有可能引起火灾、爆炸，从而导致群体性伤亡事件，造成巨大的社会影响。近几年我国液化气泄漏导致的爆炸事故多有发生（表1），本文通过对这些事故的调查分析，找出槽车液化气泄漏事故发生的根本原因，并提出相应的安全控制策略。

1 故障树-层次分析法

故障树是从结果推断事件原因的指示逻辑树。故障树分析是从结果出发，搜索导致顶部事件发生的原因事件，从结果中找出事故发生的直接原因和潜在原因。故障树分析方法具有逻辑性强、因果关系描述清晰、定量分析等特点。但是，在有些故障树分析中，基本事件的发生概率无法具体量化，经常使得分析结果出现较大误差。基于此，引入层次分析法来进行定量分析。层次分析法首先将一个评价对象划分为若干层次，根据决策者的经验判断给予指标量化，并根据层次结构图确定每一层各个因素的相对重要性权重系数，直到计算出各个指标层相对权数，从而给出优劣次序。采用故障树分析法和层次分析法相结合的方式确定故障综合分析权重系数，既能对故障进行量化处理，又能保证逻辑清晰。

表1 2016-2020液化气泄漏事故不完全统计Tab.1 Incomplete statistics of liquefied gas leakage failures in 2016-2020

故障树-层次分析法的详细应用步骤如下：

1.1 构建故障树模型

根据故障树构造方法，第一步确定顶事件，然后通过调查等方法找出导致顶事件发生的子事件，直至找到各个基本事件。搜索基本事件后，绘制故障树，理清基本事件之间的逻辑关系，建立故障树模型。

1.2 构建层次分析模型

由上一步仔细分析逻辑关系后，将故障树的基本事件归类为目标层、准则层、指标层，从而建立层次分析模型。

1.3 影响因素权重计算

影响因素权重计算过程如下：

（1）构造判断矩阵。判断矩阵是对于每一个层次中两两元素比较而言的，即为找出一个指定的因素，将它与该层内其他指标进行两两比较；根据实际情况，对其比较结果进行合理的赋值，将该层次内每一个指标两两比较赋值完成后就可得到一个正负反判矩阵，该矩阵表示了各指标的重要性比值分布。本文采用的标度为1～9标度（表2）。

（2）计算因素的相对权重。必须要得到各层次所有指标的相对权重才能反映出各个指标的重要性程度，只得到判断矩阵是不够的。于是首先要对判断矩阵进行归一化处理，本文应用算术平均法求得权重。数据处理方面用Matlab来求解。（3）一致性检验。在构建正负反判断矩阵时，由于人们意识的主观性影响和系统本身的复杂性，在比较这两个指标时，不可能达到判断的完全一致性。这通常会导致较大的误差，因此需要测试判断矩阵的一致性。测试过程如下：

表2 正负反判矩阵1～9标度Tab.2 1 to 9 scale of reciprocal judgement matrix

式中：n为判断矩阵的阶数；λmax为最大特征值[2]。

需要引入平均随机一致性指标RI来衡量和计算是否有偏差。并通过式（2）计算CR是否小于0.1。若小于0.1则认为判断矩阵的一致性能够经受住检验。

RI取值详见表3。

表3 RI 取值Tab.3 RI value

2 实例应用与分析

2.1 建立故障树模型

通过查阅资料，分析近年来槽车液化气泄漏事故，采用故障树作图法，建立槽车液化气泄漏事故树模型（图1），基本事件符号所代表的含义见表4。

2.2 建立层次分析模型

结合故障树模型，建立层次分析模型。

图1 液化气泄漏事故树模型Fig.1 Model of liquefied gas leakage fault tree

表4 液化气泄漏事故的基本事件及其含义Tab.4 Elementary events and implications of liquefied gas leakage failure

其中，以液化气泄漏事故(A) 作为层次分析模型中的目标层；以槽车泄漏问题(B1)、管线系统故障(B2)、检修问题(B3)、违规操作问题(B4)作为准则层；以故障树中的基本事件作为指标层。构建的液化气泄漏故障层次分析模型见图2[3]。

2.3 影响因素权重的计算

本文以故障树的中间事件作为准则层，从槽车泄漏问题、管线系统故障、检修问题、违规操作问题构建了准则层判断矩阵B。

图2 液化气泄漏事故层次分析模型Fig.2 Analysis model of the level of liquefied gas leakage failure

利用软件Matlab进行编程计算，得到准则层各因素权重为=[0.110 0，0.102 0，0.380 1，0.407 9]；CI=0.003 5；CR=0.003 9（0.003 9＜0.10）；满足一致性检验要求，说明计算结果能够经受住检验。整理后的计算数据见表5[4]。

表5 A-B 准则层判断矩阵和各因素的权重值Tab.5 Judgment matrix of A-B criteria layer and the weight value of each factor

按照同样的方法，构造指标层判断矩阵，计算各因素权重、一致性指标CI、一致性比率CR，并对判断矩阵进行一致性检验。整理后的计算数据见表6～10[5]。

表6 B1-C(C1～C5)指标层判断矩阵和各因素的权重值Tab.6 Judgment matrix of B1-C(C1～C5) indicator layer and the weight value of each factor

表7 B2-C(C6～C9)指标层判断矩阵和各因素的权重值Tab.7 Judgment matrix of B2-C(C6～C9) indicator layer and the weight value of each factor

表8 B3-C(C10～C13)指标层判断矩阵和各因素的权重值Tab.8 B3-C(C10～C13) indicator layer judgment matrix and weighting values of each factor

表9 B4-C(C14～C19)指标层判断矩阵和各因素的权重值Tab.9 Judgment matrix of B4-C(C14～C19) indicator layer and the weight value of each factor

以指标层中的第一因子为例，计算出准则层中第一因子的重要性分值。由表可知目标层分值f11＝1.000 0，准则层f21=0.110 0，指标层f31=0.212 1，利用下式可计算该影响因素重要程度的分值，即

同理可计算每个影响因素的重要程度的分值Vi，计算结果见表10。

2.4 致因结果分析

由表10 可以看出，在导致槽车液化气泄漏事故发生的4个影响因素中，违规操作问题占权重为0.407 9，检修问题占权重为0.380 1，这说明违规操作问题和检修问题是导致槽车液化气泄漏事故发生的主要原因。同时从重要程度分值的分布可以看出，重要程度分值从大到小排在前5 位的分别是：未及时发现问题并制止（22.27%）、操作失误（17.46%）、未及时检修管线系统（9.38%）、槽车追尾故障（9.03%）、管道破裂（5.43%）。而其中重要度分值排在前三位的是未及时发现问题并制止、操作失误、未及时检修管线系统，三者均为人的不安全行为因素。另外，准则层里的检修问题和违规操作问题对应的基本影响因素的重要程度分值也普遍偏高。管道破裂因素重要度分值偏高，这也与液化气管道设施较为复杂，出现破裂时不易排查的实际情况相符合。

表10 每个影响因素的重要程度的分值Tab.10 Scores on the importance of each influencing factor

这些结果与现实中槽车液化气泄漏事件发生原因的调查结果相一致。因此得出，槽车液化气泄漏风险定量评估与分析是保证液化气运输安全和城市安全的重要手段。深入分析槽车液化气泄漏事故发生的原因，利用故障树-层次分析法对液化气泄漏事故进行了定性和定量分析后，其评价结果与实际情况吻合度较好[6]。

3 故障防控措施

通过以上对槽车液化气泄漏事故的定量评价，可以看出液化气泄漏事故的发生往往是多因素综合作用的结果。单一因素不能导致液化气泄漏事故的发生。因此，在制定故障预防策略时，必须掌握各种影响因素，并加以综合考虑。具体防治措施如下[7]：

（1）加大管理力度。从上述定量分析中可清晰地看出，人的不安全行为因素的重要程度分值普遍较高，因此首先要从管理上预防事故的发生。建议如下：①加强操作人员的职业培训；②检修人员严格执行检修程序；③增强工作人员的安全意识；④不断改进和完善检修制度和管理制度。

（2）严格把控槽车质量、降低槽车故障发生率。建议如下：①进入罐车区的罐车必须符合国家有关安全标准，并通过指定的移动式低温容器检验部门的安全鉴定[8]；②做好罐车日常维护和防腐工作，经常维护安全阀和液位计，防止罐车超载和超压。

（3）降低管线系统故障发生率。建议如下：①需要经常对其进行测试，以确定设备强度是否满足工作要求，避免出现腐蚀、破损、疲劳等情况；②从技术层面提高管道泄漏检测系统的敏感度，加强对管线系统的实时检测[9]。

4 结论

引入层次分析法将故障树模型转化为层次分析法模型进行定量分析，将故障树与层次分析法相结合，克服了故障树分析方法没有考虑基本事件本身发生概率而会产生误差的缺点；对槽车液化气泄漏故障进行了定量致因分析与评价，得出的结果与实际事故发生情况相吻合[10]。通过研究得出以下结论[11-13]：

（1）导致液化气泄漏故障发生的主要影响因素为：违规操作问题、检修问题、槽车泄漏问题和管线系统故障。

（2）人的不安全行为是导致槽车液化气泄漏的主要原因，包括未及时发现问题并制止、操作失误、未及时检修管线系统。

（3）采用故障树-层次分析法对液化气泄漏事故原因进行分析和评价，结果与实际情况相吻合，证明该方法在液化气泄漏事故防治领域具有较高的应用价值。