油库静电火灾爆炸事故树分析

油库静电火灾爆炸事故树分析(1)

1 引言

当液相与固相之间，液相与气相之间，液相与另一不相容的液相之间以及固相和气相之间，由于流动、搅拌、沉降、过滤、冲刷、喷射、灌注、飞溅、剧烈晃动以及发泡等接触、分离的相对运动，都会在介质中产生静电。许多石油化工产品都属于高绝缘物质，这类非导电性液体在生产和储运过程中，产生和积聚大量的静电荷，静电聚积到一定程度就可发生火花放电。如果在放电空间还同时存在爆炸性气体，便可能引起着火和爆炸。油库静电引起火灾爆炸是一种恶性事故，因而对于油库中防静电危害具有非常重要的意义。因此，如何安全有效地管理和维修油库，提高油库的安全可靠性，已是当前油库安全管理工作所面临的一个重大课题。故障树分析法（FTA法）是分析复杂、大型系统安全可靠性的有效工具〔1〕。通过油库静电故障树分析，可找出系统存在的薄弱环节，然后进行相应的整改，从而提高油库系统的安全性。

2 油库静电火灾爆炸事故树

2.1 故障树分析方法

故障树分析方法〔2〕（FTA）是一种图形演绎法，是从结果到原因描绘事故发生的有向逻辑树分析方法。这种树是一种逻辑分析过程，遵从逻辑学演绎分析原则（即从结果到原因的分析原则）。把系统不希望出现的事件作为故障树的顶事件，用逻辑“与”或“或”门自上而下地分析导致顶事件发生的所有可能的直接原因及相互间的逻辑关系，并由此逐步深入，直到找出事故的基本原因，即为故障树的基本事件。

2.2 故障树分析的基本程序

FTA法的基本程序〔3〕：熟悉系统—调查事故—确定顶事件—确定目标—调查原因事件—编制故障树—定性分析—定量分析—安全评价。故障树分析过程大致可分为9个步骤。第1~5步是分析的准备阶段，也是分析的基础，属于传统安全管理；第6步作图是分析正确与否的关键；第7步定性分析，是分析的核心；第8步定量分析，是分析的方向，即用数据表示安全与否；第9步安全性评价，是目的。

2.3 油库静电火灾爆炸故障树的建立

油库静电火花造成油库火灾爆炸的事故树的建立过程，如图1所示。

图1 油库静电火灾爆炸事故树

（1）确定顶上事件——“油库静电火灾爆炸”（一层）。

（2）调查爆炸的直接原因事件、事件的性质和逻辑关系。直接原因事件：“静电火花”和“油气达到可燃浓度”。这两个事件不仅要同时发生，而且必须在“油气达到爆炸极限”时，爆炸事件才会发生，因此，用“条件与”门连接（二层）。

（3）调查“静电火花”的直接原因事件、事件的性质和逻辑关系。直接原因事件：“油库静电放电”和“人体静电放电”。这两个事件只要其中一个发生，则“静电火花”事件就会发生。因此，用“或”门连接（三层）。

（4）调查“油气达到可燃浓度”的直接原因事件、事件的性质和逻辑关系。直接原因事件：“油气存在”和“库区内通风不良”。“油气存在”这是一个正常状态下的功能事件，因此，该事件用房形符号。“库区内通风不良”为基本事件。这两个事件只有同时发生，“油气达到可燃浓度”事件才会发生，故用“与”门连接（三层）。

（5）调查“油库静电放电”的直接原因事件、事件的性质和逻辑关系。直接原因事件：“静电积聚”和“接地不良”。这两个事件必须同时发生，才会发生静电放电，故用“与”门连接（四层）。

（6）调查“人体静电放电”的直接原因事件、事件的性质和逻辑关系。直接原因事件：“化纤品与人体摩擦”和“作业中与导体接近”。同样，这两个事件必须同时发生，才会发生静电放电，故用“与”门连接（四层）。

（7）调查“静电积聚”的直接原因事件、事件的性质和逻辑关系。直接原因事件：“油液流速高”、“管道内壁粗糙”、“高速抽水”、“油液冲击金属容器”、“飞溅油液与空气摩擦”、“油面有金属漂浮物”和“测量操作失误”。这些事件只要其中一个发生，就会发生“静电积聚”。因此，用“或”门连接（五层）。（8）调查“接地不良”的直接原因事件、事件的性质和逻辑关系。直接原因事件：“未设防静电接地装置”、“接地电阻不符合要求”和“接地线损坏”。这3个事件只要其中1个发生，就会发生“接地不良”。因此，用“或”门连接（五层）。（9）调查“测量操作失误”的直接原因事件、事件的性质和逻辑关系。直接原因事件：“器具不符合标准”和“静置时间不够”。这2个事件其中有1个发生，则“测量操作失误”就会发生。故用“或”门连接（六层）。

3 定性分析——结构重要度分析

故障树分析的任务是求出故障树的全部最小径集或最小割集。如果故障树中与门很多，最小割集就少，说明该系统为安全；如果或门多，最小割集就多，说明该系统较为危险〔3〕。最小径集就是顶事件不发生所必需的最低限度的径集。一个最小径集中的基本事件都不发生，就可使顶事件不发生。故障树中有几个最小径集，就有几种可能的方案，并掌握系统的安全性如何，为控制事故提供依据。故障树中最小径集越多，系统就越安全。下面介绍采用布尔代数化简，得到若干交集的并集，每个交集都是成功树的最小割集，也就是原故障树的最小径集。

（1）判别最小割（径）集数目。根据“加乘法”判别方法判别得该事故树的最小割集共25个。将其事故树转化为成功树，求得该成功树的最小径集共7个。

（2）求结构函数：

故障树的结构函数：

T=（（x1+x2+x3+x4+x5+x6+x7+x8）（x9+x10+x11）+x12x13）x14x15x16

原故障树的成功树的结构函数：

T=（x1x2x3x4x5x6x7x8+x9x10x11 ）（x12+x13 ）+（x14+x15 ）+x16

= x1x2x3x4x5x6x7x8x12 + x9x10x11x12+x1x2x3x4x5x6x7x8x13 +x9x10x11x13+x14+x15+x16

即得到7组最小径集为：

P1={x1，x2，x3，x4，x5，x6，x7，x8，x12}；

P2={x9，x10，x11，x12}；

P3={ x1，x2，x3，x4，x5，x6，x7，x8，x13}；

P4={ x9，x10，x11，x13}；

P5={x14}；

P6={x15}；

P7={x16} 。

（3）求结构重要度。由于该事故树比较简单，没有重复事件，而且最小径集比最小割集数少得多。因此，利用最小径集判别结构重要度。

x14，x15，x16是单事件的最小径集，分别出现在P5、P6、P7中，因此，

I （14）=I （15）=I （16）=12 1-1 =1＞I （i）

（i =（1，2，…，13））；

x9，x10，x11同时出现在P2 、P4中，因此，

I （9）=I（10）=I （11）=12 4-1 +12 4-1 =14；

x12 、x13共有2个事件分别同时出现在P1、P2和P3、P4中，因此，

I （12）=I （13）=12 9-1 +12 4-1 =12 8+12 3；

x 1、x 2、x 3、…、x 8共有8个事件同时出现在P 1、P 4中，因此，

I （1）=I （2）=I （3）=…=I （8）=12 9-1 +12 9-1 =12 8+12 8=12 7；

所以，结构重要度的顺序为：

I （14）=I （15）=I （16）＞I （9）=I （10）=I （11）＞I （12）=I （13）＞I （1）= I （2）=I （3）=I （4）=I （5）=I （6）=I （7）=I （8）

（4）事故树分析的结论

通过定性分析，最小割集25个，最小径集7个。也就是说油库发生静电火灾爆炸事故有25种可能性。但从7个最小径集可得出，只要采取最小径集方案中的任何一个，由于静电引起油库火灾爆炸事故就可避免。

第一方案（x14，x15，x16）的方案，由于油气的挥发是一个自然过程，即只要有挥发的空间，油气就存在。油气达爆炸浓度，是一个浓度的大小问题。因此，只要库区内通风畅通良好就可以预防。其次是第二方案（x9，x10，x11），为了保证库区内导体的接地良好，应使防静电接地装置、接地电阻及接地线等处于正常的工作状态。第三方案（x12、x13）应尽量避免进入库区的人员通过人体静电放电，特别是作业人员应穿上不产生静电的服装和把人体作业时产生的静电及时导走。第四方案（x1、x2、x3、…、x8）库区内产生的静电不发生积聚，或尽量减少静电产生和积聚。因此，从控制事故发生的角度来看，要想从第四

方案入手是比较困难的。所以，可从第一方案和第二方案采取预防事故对策。当然，并不是说第三方案和第四方案不重要，也应该加以重视，不能掉以轻心

4 防静电措施

静电放电引起火灾爆炸必须具备以下四个条件：（1）有产生静电的来源；（2）使静电得以积聚，并具有足够大的电场强度和达到引起火花放电的静电电压；（3）静电放电的能量达到爆炸性混合物的最小引燃能量；（4）静电放电火花周围有爆炸性的混合物存在，其浓度必须处于爆炸极限内。反之，防止静电事故的措施是从控制这四个条件着手。控制前三个条件实质上是控制静电的产生和积累，是消除静电危害的直接措施。控制第四条件是消除或减少周围环境爆炸的危险，是防止静电危害的间接措施。

在油品的储运过程中，防止静电事故的安全措施主要有以下就个方面：

4.1 防止爆炸性气体的形成

在爆炸和火灾危险场所采用通风装置加强通风，及时排出爆炸性气体，使浓度不在爆炸范围内，以防止静电火花引起爆炸。同时对应于爆炸浓度范围还与温度密切相关，把温度控制在爆炸温度范围之外也是防止静电引起爆炸的途径。对于油面空间不能采用正压通风的办法来防止爆炸性混合气体的形成，可采用惰性气体覆盖的方法（如氮气覆盖），或采用浮顶罐、内浮顶罐。浮顶罐或内浮顶罐虽可消除浮盘以下的油气空间，尤其是内浮顶罐浮顶上面含有较多可燃气体，但浮盘上部的可燃气体发生火花放电现象也应该予以重视。

4.2 加速静电泄漏，防止或减少静电聚积

静电的产生本身并不危险。实际的危险在于电荷的积聚，因为这样能储存足够的能量，从而产生火花将可燃性气体引燃。为了加速油品电荷的泄漏，可以接地、跨接以及增加油品的电导率。

4.2.1 接地和跨接

静电接地和跨接是为了导走或消除导体上的静电，是消除静电危害的最有效措施之一。静电接地的具体方法是把设备容器及管线通过金属导线和接地体与大地连通形成等电位，并有最小电阻值。跨接是指将金属设备以及各管线之间用金属导线相连造成等电位。显然，接地与跨接的目的在于人为地与大地造成一个等电位体，不致因静电电位差造成火花放电而引起危害。管线跨接的另一个目的是当有杂散电流时，给它以一个良好的通路，以免在断路处发生火花而造成事故。油罐取和油品作业区的管与管、管与罐、罐上的部件及其附近有可能感应带电的金属物体都应接地。根据《石油库设计规范》（GBJ74—84）和《石油化工企业设计防火规范》（GB50160—92）的规定，防静电接地装置的接地电阻不宜大于100Ω。

4.2.2 添加抗静电剂

油品容器的接地只能消除容器外壁的电荷，由于油品的电导率较小，油品表面及其内部的电荷很难靠接地泄漏。添加抗静电剂既可以增加油品的导电率、加速静电泄漏和导出，又可减少油品中积聚的电荷并降低油品的电位。

4.2.3 设置静电缓和器

静电缓和器又叫静电中和器，它是消除或减少带电体电荷的装置。其工作原理是它所产生的电子和离子与带电体上相反符号的电荷中和，从而消除静电危险。

4.3 防止操作人员带电

人体表皮有一定的电阻，如果穿着高电阻的鞋，因人体和衣服之间相互摩擦等原因，会使人体带电。因此，经常在油泵房、灌发油间及从事装卸作业的人员，应避免穿着化纤服装，最好穿着棉织品内外衣和穿防静电鞋。

4.4 减少静电的产生

从目前的技术状况来看，还不能完全杜绝静电产生。对于防止石油静电危害来说，不能完全消除静电电荷的产生，只能采取减少产生静电的技术措施。

4.4.1 控制油品的流速

油品在管道中流动产生的流动电荷和电荷密度的饱和值与油品流速的二次方成正比，因此控制流速（尤其是油品在进罐、灌装和加油时的流速）是减少油品静电产生的有效方法。根据《石油库设计规范》（GBJ 74—84），装油鹤管的出口只有在被油品淹没后才可提高灌装流速，且汽油、煤油和轻柴油等油品的灌装流速不宜超过4.5m/s，初始灌装流速应低于1m/s。

4.4.2 控制加油方式

油罐从顶部溅装油时，油品必然要冲击油罐壁，搅动罐内油品，使其静电量急剧增加。实验表明，从顶部喷溅装油产生静电量与底部进油产生的静电量之比为2∶1。另外，顶部装油还会使油面局部电荷较为集中，容易发生放电。可见从油罐底部（或从顶部沿油罐壁伸至罐底）装油比顶部装油安全得多。

4.4.3 防止不同闪点的油品相混及控制清扫介质

不同油品或油中含有的水和空气之间发生摩擦而产生静电。同时，轻质油品内混合重质油品时，重质油就会吸收轻质油的蒸气而减少了容器内气体空间混合气体中油蒸气的浓度，使得未充满液体的空间由原来充满轻质油气体（即超过爆炸上限）转变成合乎爆炸浓度的油蒸气和空气的混合气体。因此，防止不同闪点的油品相混或降低油品中的含气率和含水率。严禁使用压缩空气进行甲乙类油品的调合和清扫作业。

4.4.4 流经过滤器的油品要有足够的漏电时间

流经过滤器的油品产生了剧烈的摩擦，油品的带电量会增加10～100倍。为了避免大量带电油品进入油罐或罐车，流经过滤器后的油品漏电时间需30s以上。