基于动态故障树理论化工企业事故危险性分析

第３７卷㊀第３期
沈㊀阳㊀化㊀工㊀大㊀学㊀学㊀报
Ｖｏｌ.３７㊀Ｎｏ.３
２０２３.０６
ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＳＨＥＮＹＡＮＧＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹＯＦＣＨＥＭＩＣＡＬＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
Ｊｕｎ.２０２３
收稿日期:㊀２０２０－０９－１５
作者简介:㊀高梓涵(１９９５ )ꎬ男ꎬ辽宁葫芦岛人ꎬ硕士研究生在读ꎬ主要从事安全工程的研究.通信联系人:㊀张福群(１９７３ )ꎬ男ꎬ辽宁锦州人ꎬ教授ꎬ博士ꎬ主要从事化工安全工程的研究.
文章编号:㊀２０９５－２１９８(２０２３)０３－０２１８－０４
基于动态故障树理论化工企业事故危险性分析
高梓涵ꎬ㊀张福群
(沈阳化工大学环境与安全工程学院ꎬ辽宁沈阳１１０１４２)
摘㊀要:㊀以某化工企业中毒或窒息事故为例ꎬ建立以动态故障树为基础的事故模型ꎬ并得出导致事故发生的基本事件.首先ꎬ采用ＢＤＤ法分别对模型中的静态子树进行定性和定量分析ꎬ然后ꎬ采用马尔科夫链法对动态子树进行分析ꎬ得出事故后果失效概率以及各事件结构重要度ꎬ并基于对事故进行分析得出的结果ꎬ进一步提出有关事故的预防措施.关键词:㊀动态故障树ꎻ㊀安全评价ꎻ㊀马尔科夫ꎻ㊀二元决策图ＤＯＩ:１０.３９６９/ｊ.ｉｓｓｎ.２０９５－２１９８.２０２３.０３.００４中图分类号:㊀ｘ９３７㊀㊀㊀文献标识码:㊀Ａ
㊀㊀在我国ꎬ化工已经被视为国家经济的命脉之一.随着我国经济的逐步发展㊁化工产品的普遍化ꎬ人们对化工产品的依赖也逐渐增强ꎬ大到军事用品㊁航空材料ꎬ小到我们的生活日用品等[１].化工产品消费的提高ꎬ使得化工行业快速成长.但是传统化工行业的生产工艺复杂㊁安全隐患大ꎬ使得化工企业的事故预防工作十分复杂.只有全面分析和管理化工行业的风险ꎬ进一步研究和完善已建立的化工事故风险评估体系ꎬ才能有效地预防事故的发生[２].传统故障树需要准确了解潜在事件的发生概率ꎬ并且对具有动态特征的故障无法评估ꎬ而实际化工系统具有模糊性和动态性ꎬ传统的故障树方法已不适用于现代工业系统的故障诊断ꎬ因此ꎬ需要与其他技术方法相结合以提高该方法的适用性[３].为了描述和分析动态系统ꎬ弗吉尼亚大学的Ｄｕｇａｎ教授于１９９２年扩展了静态故障树(ＳＦＴ)模型ꎬ用于空间站和空中交通管制动态系统的可靠性分析ꎬ并提出了动态故障树(ｄｙｎａｍｉｃｆａｕｌｔｔｒｅｅꎬＤＦＴ)ꎬ弥补了静态故障树应用范围较窄的不足.运用安全分析的科学方法和基本原理ꎬ使企业的安全管理向科学化㊁规范化㊁有序化的方向发展ꎬ
确保经济安全稳定运行和可持续发展.
本文采用动态故障树分析法ꎬ对合成氨工艺中存在的中毒事故危险因素进行分析ꎬ通过分析确定底事件相对于顶层事件的重要度及影响ꎬ精确计算事故发生的概率ꎬ并进行有效预防.通过对繁琐故障树的简化ꎬ在不影响最终结果的前提下ꎬ极大地减少了计算量.与传统的故障树方法相比ꎬ动态故障树分析法适用范围更广.
１　动态故障树方法简介
动态故障树方法(ＤＦＴＡ)是指至少包含一个动态逻辑门的故障树ꎬ并在传统故障树基础上进行扩充.它结合了故障树分析和马尔可夫链方法的优点ꎬ是解决具有动态特性系统可靠性分析的有效方法.二叉决策图(ｂｉｎａｒｙｄｅｃｉｓｉｏｎｄｉａ￣ｇｒａｍｓꎬＢＤＤ)是近年来开发的一种新的故障树分析方法ꎬ它源于Ｓｈａｎｎｏｎ定理.ＢＤＤ方法在解决一些复杂的故障树问题以及计算顶事件概率方面非常有效ꎬ比其他方法快得多ꎬ并且可以有效地解决原始故障树分析所面临的问题.通过将故障树转换为仅包含底部事件而不依赖中间事件的图形ꎬＢＤＤ的布尔函数可以直接用于定性
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和定量分析.首先ꎬ对动态故障树进行模块化ꎬ以获得独立的静态子树和动态子树ꎻ然后ꎬ分别通过ＢＤＤ图法和马尔可夫过程法求解[４].与其他方法相比ꎬ动态故障树方法在解决生产过程中动力学复杂㊁事故种类繁多的化工系统诊断问题上具有更大的优势.因此ꎬ本文选择动态故障树分析方法来诊断化工设备的故障.下面以某化工企业中毒事故为例ꎬ建立动态故障树模型并进行风险分析.２㊀企业中毒或窒息事故危险性分析
确定故障树的顶事件为转化单元发生中毒或窒息事故.该事件是在有毒气体泄漏而未及时控制泄漏事件的情况下发生的.考虑到系统的复杂性ꎬ综合多方面的因素ꎬ建立毒气泄漏事故的动态故障树ꎬ该故障树由静态逻辑门的与门和或门以及动态逻辑门优先与门(ＰＡＮＤ)组成(见图１)
.
Ｔ 中毒或窒息ꎻ㊀Ｇ１ 泄漏ꎻ㊀Ｇ２ 未及时控制泄漏事件ꎻ㊀Ｇ３ 腐蚀ꎻ㊀Ｇ４ 未发现ꎻ㊀Ｇ５ 控制失误ꎻ㊀Ｘ１ 存在有毒气体ꎻＸ２ 人失误ꎻ㊀Ｘ３ 材质不合格ꎻ㊀Ｘ４ 催化剂结碳ꎬ炉管烧穿ꎻ㊀Ｘ５ 焦炉气中含有硫化氢ꎻ㊀Ｘ６ 副反应生成物中含有二氧化碳ꎻＸ７ 生成物中含有氢气ꎻ㊀Ｘ８ 加入二段炉的空气中有氮气ꎻ㊀Ｘ９ 无报警器ꎻ㊀Ｘ１０ 报警器故障ꎻ㊀Ｘ１１ 通风条件差ꎻ
Ｘ１２ 设备故障ꎻ㊀Ｍ１ 动态子树模块ꎻ㊀Ｍ２㊁Ｍ３ 静态子树模块.
图１㊀转化单元发生中毒或窒息事故的故障树
Ｆｉｇ.１㊀Ｆａｕｌｔｔｒｅｅｆｏｒｐｏｉｓｏｎｉｎｇｏｒｓｕｆｆｏｃａｔｉｏｎａｃｃｉｄｅｎｔｓｉｎｔｈｅｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｕｎｉｔ
２ １㊀基于ＢＤＤ的危险性分析
由于Ｍ２㊁Ｍ３模块底事件较多ꎬ过程比较复杂ꎬ因此ꎬ需要将原有故障树转化为相应的仅含底事件的ＢＤＤꎬ并确定Ｍ２㊁Ｍ３的最小割集合ꎬ通过这种方法计算顶事件的失效概率. (１)Ｇ３静态子树对应的ＢＤＤ如图２所示.在ＢＤＤ中ꎬ底事件{Ｘ５}㊁{Ｘ６}㊁{Ｘ７}㊁{Ｘ８}为中间节点.通过ＢＤＤ求解单调关联故障树最小割集的过程如下:
①搜索ＢＤＤ中从根节点到叶节点为１的路径ꎬ则图２中叶节点为１的路径为Ｘ５㊁Ｘ６㊁Ｘ７㊁Ｘ８.
②对ＢＤＤ进行分析可得:静态子树Ｇ３的割集为{Ｘ５}㊁{Ｘ６}㊁{Ｘ７}㊁{Ｘ８}.
由于Ｘ５故障概率为３ˑ１０－６/ｈꎬＸ６故障概率为１０－５/ｈꎬＸ７故障概率为１０－３/ｈꎬＸ８故障概率为３ˑ１０－４/ｈꎬ则顶事件Ｇ３故障概率为１ ０１ˑ１０－５/ｈ.
(２)Ｍ２静态子树对应的ＢＤＤ如图３所示.在ＢＤＤ图中ꎬ底事件{Ｘ２}㊁{Ｘ３}㊁{Ｘ４}㊁{Ｇ３}为中间节点.通过ＢＤＤ求解单调关联故障树最小割集的过程如下:
①搜索ＢＤＤ中从根节点到叶节点为１的路径ꎬ则图３中叶节点为１的路径为Ｘ２㊁Ｘ３㊁Ｘ４㊁Ｇ３.㊀㊀②对ＢＤＤ进行分析可得:静态子树Ｍ２的
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割集为{Ｘ２}㊁{Ｘ３}㊁{Ｘ４}㊁{Ｇ３}.由于Ｘ２失效概率为１０－５/ｈꎬＸ３故障概率为３ˑ１０－４/ｈꎬＸ４故障概率为１０－４/ｈꎬＧ３失效概率为１ ０１ˑ
１０－５/ｈꎬ则静态子模块Ｍ２的失效概率为３ ２１ˑ１０－４/ｈ.
㊀㊀(３)Ｍ３静态子树对应的ＢＤＤ如图４所示.底事件{Ｘ９}㊁{Ｘ１０}㊁{Ｘ２}㊁{Ｘ１１}㊁{Ｘ１２}为中间节点.通过ＢＤＤ求解单调关联故障树最小割集的过程如下:
搜索ＢＤＤ中从根节点到叶节点为１的路
径ꎬ则图４中叶节点为１的路径为Ｘ９㊁Ｘ１０㊁Ｘ２㊁Ｘ１１㊁Ｘ１２ꎬ则静态子树Ｍ３的割集为{Ｘ９}㊁{Ｘ１０}㊁{Ｘ２}㊁{Ｘ１１}㊁{Ｘ１２}.Ｍ３失效概率为７ １ˑ
１０－５/
ｈ.
图２㊀Ｇ３对应的ＢＤＤ
Ｆｉｇ.２㊀Ｇ３ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｔｏ
ＢＤＤ图３㊀Ｍ２对应的ＢＤＤ
Ｆｉｇ.３㊀Ｍ２ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｔｏ
ＢＤＤ图４㊀Ｍ３对应的ＢＤＤ
Ｆｉｇ.４㊀Ｍ３ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｔｏＢＤＤ
２ ２㊀基于马尔科夫模型的危险性分析
由于转化单元中含有动态逻辑门ꎬ所以不能采用传统的故障树分析法进行分析ꎬ而是采用构建马尔科夫模型这一方法进行分析.
从图１中可以看出ꎬＭ２㊁Ｍ３为静态故障子
树ꎬＭ１为动态子树.用马尔科夫链法进行分析ꎬ
动态子模块Ｍ１及相应的马尔可夫转移链如图５
所示.利用马尔科夫过程分析图５中的动态故障树ꎬ在该马尔可夫链转移图中ꎬ０００状态表示正常运行状态ꎬＯｐ表示毒气泄漏事故未发生ꎬＦａ表示发生毒气泄漏事故.每次事件都是相对独立的ꎬ并且只有Ｏｐ㊁Ｆａ两种工作状态
.
Ｆａ 故障ꎻＯｐ 正常.
图５㊀Ｍ１动态子模块及其马尔科夫状态转移链
Ｆｉｇ.５㊀Ｍ１ｄｙｎａｍｉｃｓｕｂｍｏｄｕｌｅａｎｄｉｔｓＭａｒｋｏｖｓｔａｔｅｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｃｈａｉｎ
㊀第３期高梓涵ꎬ等:基于动态故障树理论化工企业事故危险性分析２２１㊀
㊀㊀在图５中ꎬ从故障状态回溯ꎬ得到马尔科夫链０００ң１００ң１１０ңＦａ.
㊀㊀由此得到动态子树的故障模式为
Ｘ１ңＧ１ңＧ２.
综合以上结果ꎬ对故障子树进行合成运算ꎬ针对较为复杂的系统可以使用割序法列出系统的结构函数ꎬ运用时间规则得出系统失效模式.
由于Ｘ１故障概率为３ˑ１０－４/ｈꎬＧ１故障概率３ ２１ˑ１０－４/ｈꎬＧ２失效概率为７ １ˑ１０－５/ｈꎬ则顶事件Ｔ发生概率为１ １２９ˑ１０－４/ｈ.
３　结束语
通过上述分析计算可知:首先ꎬ将动态故障树进行模块化分解成静态子树和动态子树ꎻ然后ꎬ分别利用ＢＤＤ和马尔可夫链进行分析ꎬ并通过计算得出各模块在系统中的发生概率ꎬ得出该系统的失效模式.由各个模块的ＢＤＤ及马尔科夫链图分析得出ꎬ底事件Ｘ１的危险性最大ꎬ其次是Ｘ２的危险性大ꎬ在生产中要特别注意对Ｘ１㊁Ｘ２的安全防护.
现代工业生产过程的运行模式种类繁多ꎬ运用有效的故障检测技术能够保证生产的正常进行[５].传统故障树作为安全评价方法的一种ꎬ有着灵活性㊁直接性㊁适用范围广等优点ꎬ但是其本身有一定局限性.本文在传统故障树的基础上同时引入模块化的概念ꎬ提出构建动态故障树以对化工系统中中毒或窒息事故进行诊断分析.该方法既可以包含传统故障树优点ꎬ又能够处理含有动态逻辑门的复杂性故障树问题ꎬ能够更好地解决化工行业实际生产过程中出现的各种问题.
参考文献:
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报ꎬ２０１９ꎬ３３(３):２６３－２６９.
ＡｃｃｉｄｅｎｔＲｉｓｋＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＣｈｅｍｉｃａｌＥｎｔｅｒｐｒｉｓｅｓ
ＢａｓｅｄｏｎＤｙｎａｍｉｃＦａｕｌｔＴｒｅｅＴｈｅｏｒｙ
ＧＡＯＺｉｈａｎꎬ㊀ＺＨＡＮＧＦｕｑｕｎ
(ＳｈｅｎｙａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＣｈｅｍｉｃａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＳｈｅｎｙａｎｇ１１０１４２ꎬＣｈｉｎａ)
Ａｂｓｔｒａｃｔ:㊀Ｔａｋｉｎｇｔｈｅｐｏｉｓｏｎｉｎｇｏｒｓｕｆｆｏｃａｔｉｏｎａｃｃｉｄｅｎｔｏｆａｃｈｅｍｉｃａｌｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅａｓａｎｅｘａｍｐｌｅꎬａｎａｃｃｉ￣ｄｅｎｔｍｏｄｅｌｂａｓｅｄｏｎｄｙｎａｍｉｃｆａｕｌｔｔｒｅｅｉｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄꎬａｎｄｔｈｅｂａｓｉｃｅｖｅｎｔｓｌｅａｄｉｎｇｔｏｔｈｅａｃｃｉｄｅｎｔａｒｅｏｂ￣ｔａｉｎｅｄ.ＦｉｒｓｔｌｙꎬＢＤＤｍｅｔｈｏｄｉｓｕｓｅｄｔｏａｎａｌｙｚｅｔｈｅｓｔａｔｉｃｓｕｂｔｒｅｅｑｕａｌｉｔａｔｉｖｅｌｙａｎｄｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅｌｙꎬａｎｄｔｈｅｎＭａｒｋｏｖｃｈａｉｎｍｅｔｈｏｄｉｓｕｓｅｄｔｏａｎａｌｙｚｅｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｓｕｂｔｒｅｅ.Ｔｈｅｆａｉｌｕｒｅｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙｏｆａｃｃｉｄｅｎｔｃｏｎｓｅ￣ｑｕｅｎｃｅａｎｄｔｈｅｉｍｐｏｒｔａｎｃｅｏｆｅａｃｈｅｖｅｎｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｒｅｏｂｔａｉｎｅｄ.Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅａｃｃｉｄｅｎｔꎬｆｕｒ￣ｔｈｅｒｐｒｅｖｅｎｔｉｖｅｍｅａｓｕｒｅｓｒｅｌａｔｅｄｔｏａｃｃｉｄｅｎｔｓａｒｅｐｒｏｐｏｓｅｄ.
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:㊀ｄｙｎａｍｉｃｆａｕｌｔｔｒｅｅꎻ㊀ｓａｆｅｔｙｅｖａｌｕａｔｉｏｎꎻ㊀Ｍａｒｋｏｖꎻ㊀ｂｉｎａｒｙｄｅｃｉｓｉｏｎｄｉａｇｒａｍ。