故障傳播模型法在可能性分析中的應(yīng)用

在IEC61508中，將“風(fēng)險(xiǎn)”定義為“出現(xiàn)傷害的概率及該傷害嚴(yán)重性的組合”，其實(shí)質(zhì)是一個(gè)危險(xiǎn)事件概率及該事件后果的函數(shù)。用函數(shù)表示為：fi?表示事故發(fā)生的頻率；Ci?表示該事件產(chǎn)生的預(yù)期后果從該函數(shù)關(guān)系可以清楚的看到，風(fēng)險(xiǎn)的高低既取決于事件發(fā)生的概率，同時(shí)也取決于事故后果的嚴(yán)重程度，在考慮風(fēng)險(xiǎn)時(shí)必須要考慮可能性與后果的組合。關(guān)于事故后果的分析，目前主要是定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估（QRA）技術(shù)，一般是使用相應(yīng)的軟件，通過(guò)建立模型，輔助我們自動(dòng)生成事故后果，這里不再贅述，今天主要同大家分享一下有關(guān)事故發(fā)生可能性的分析方法——故障模型傳播法。故障模型傳播法是指將過(guò)程工廠的整體風(fēng)險(xiǎn)化整為零，分為眾多小的、可計(jì)量的部分，然后綜合每個(gè)小事件的可能性及其序列得出總體上危害的可能性，它基于引發(fā)某一事故或?qū)δ骋皇鹿屎蠊a(chǎn)生貢獻(xiàn)的某一事件的發(fā)生頻率。常見的故障模型傳播法有很多種，主要的包括事件樹分析、故障樹分析和可靠性框圖分析。一、事件樹分析（ETA）事件樹分析法是一種按事故發(fā)展的時(shí)間順序由初始事件開始推論可能的后果，從而進(jìn)行危險(xiǎn)源辨識(shí)的方法。這種方法將系統(tǒng)可能發(fā)生的某種事故與導(dǎo)致事故發(fā)生的各種原因之間的邏輯關(guān)系用一種稱為事件樹的樹形圖表示，通過(guò)對(duì)事件樹的定性與定量分析，找出事故發(fā)生的主要原因。如圖1所示，一個(gè)事件起始于一個(gè)初始事件，它位于事件樹的最左端，該初始事件擴(kuò)展為多個(gè)分支，每個(gè)分支代表一個(gè)可能的結(jié)果?！鴪D1典型事件樹二、故障樹分析（FTA）故障樹分析，也稱為事故樹分析，是一種表示導(dǎo)致事故的各種原因之間的因果和邏輯關(guān)系圖，其分析可以是定性的，也可以是定量的，其理論基礎(chǔ)是布爾代數(shù)。如圖2所示，事故樹生產(chǎn)的樹代表著初始、中間和頂上事件的邏輯關(guān)系，其目的是確定頂上事件的可能性。頂上事件的頻率是位于故障樹樹枝底部的基礎(chǔ)事件的函數(shù)。圖2故障樹示例三、可靠性框圖可靠性框圖是具有代表性的圖形和計(jì)算工具，用于為系統(tǒng)可用性和可靠性建模。在可靠性框圖中，一個(gè)方框代表系統(tǒng)中的一個(gè)設(shè)備，而方框在圖中的排列代表著存在潛在風(fēng)險(xiǎn)的設(shè)備的可靠性邏輯關(guān)系。如圖3所示，這個(gè)模型可用于計(jì)算整個(gè)系統(tǒng)失效的可能性。垂直排列的項(xiàng)目代表并行路徑（與邏輯），水平排列的項(xiàng)目代表串行路徑（或邏輯）?？煽啃钥驁D中可用圓圈代表復(fù)雜的表決設(shè)備組，如傳感器組的2oo3表決。每個(gè)方框的失效概率是由對(duì)應(yīng)于每一具體事例的故障特征計(jì)算得出?！鴪D3可靠性框圖示例四、案列分析如圖4所示，天然氣由管道a點(diǎn)進(jìn)入系統(tǒng)，經(jīng)減壓閥PV-01減壓后進(jìn)入儲(chǔ)氣罐，在儲(chǔ)氣罐和減壓閥之間設(shè)置PT-01檢測(cè)氣壓?！鴪D4天然氣減壓站示例現(xiàn)假設(shè)自動(dòng)控制回路PC-01失效，則減壓閥下游管線有可能超壓破裂，導(dǎo)致天然氣泄漏，假設(shè)其失效概率為20年一次。為避免泄漏，現(xiàn)有兩項(xiàng)措施避，一是儲(chǔ)氣罐設(shè)置了泄壓閥，假設(shè)此泄壓閥失效率為0.05。二是操作人員的干預(yù)，如果操作人員發(fā)現(xiàn)從獨(dú)立冗余的傳感器PT-06傳來(lái)的高壓報(bào)警信號(hào)，便激活HS-02，關(guān)閉上游切斷閥。該項(xiàng)保護(hù)措施失效的主要原因?yàn)椴僮魅藛T失誤，其失誤的可能性為0.1。1、事件樹分析首先確定初始事件，該事件中初始事件為控制回路PC-01失效，兩個(gè)保護(hù)措施分別為樹的兩個(gè)樹枝，每個(gè)樹枝又包含兩個(gè)選項(xiàng)，分別代表保護(hù)措施的成功與否。因此，出現(xiàn)三個(gè)可能結(jié)果，儲(chǔ)罐破裂、系統(tǒng)操作人員關(guān)閉閥門、系統(tǒng)經(jīng)泄壓閥排出氣體，如圖5所示。▲圖5事件樹分析實(shí)例對(duì)于事故樹的每種結(jié)果，其概率為初始事件的頻率和所有通向該結(jié)果路徑上的各個(gè)可能性概率的乘積，根據(jù)已知條件，則得出該儲(chǔ)氣罐破裂概率為2.5×10-4次/年。2、故障樹分析與事件樹一樣，首先建立基礎(chǔ)事件相關(guān)邏輯關(guān)系圖。該實(shí)例中，基礎(chǔ)事件是PC-01失效、操作人員干預(yù)失敗和泄壓閥失效。頂上事件為儲(chǔ)氣罐破裂，如圖6所示?！鴪D6故障樹分析實(shí)例從邏輯上講，只有當(dāng)初始事件PC-01失效和保護(hù)措施都失效時(shí)，儲(chǔ)氣罐破裂才有可能發(fā)生，因此邏輯關(guān)系都采用了與門。最終結(jié)果為初始事件頻率和兩個(gè)保護(hù)措施失效概率乘積，最終結(jié)果同事件樹分析一致，該儲(chǔ)氣罐故障率為2.5×10-4次/年。3、可靠性框圖分析相對(duì)于事件樹和故障樹分析，用可靠性框圖對(duì)系統(tǒng)失效建模，要更困難一些。首先，可靠性框圖法是用來(lái)計(jì)算系統(tǒng)成功而非系統(tǒng)失效。因此，多了一步轉(zhuǎn)化過(guò)程，需要將計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)化為失效概率。其次，與故障樹一樣，可靠性框圖法不能直接用頻率，取而代之的是將頻率轉(zhuǎn)化為單位時(shí)間內(nèi)的概率，最后再將那段時(shí)間內(nèi)失效的概率轉(zhuǎn)化為頻率。我們先建立框圖，如果所有儀表設(shè)備和控制器都正常工作，那么系統(tǒng)就能正常運(yùn)行，而如果系統(tǒng)失常，操作人員會(huì)人為干預(yù)關(guān)閉上游進(jìn)氣閥，或泄壓閥自動(dòng)泄壓。因?yàn)檫@三部分都正常，整個(gè)系統(tǒng)才會(huì)正常工作，所以將圖畫成垂直運(yùn)行的三個(gè)方塊，如圖7所示：▲圖7可靠性框圖分析實(shí)例在可靠性框圖中，要計(jì)算非互斥的獨(dú)立變量概率的疊加。在求解之前，需要先計(jì)算出每部分的正常概率。系統(tǒng)正常運(yùn)行的概率：系統(tǒng)的失效概率：據(jù)此，儲(chǔ)氣罐破裂的頻率為2.5×10-4次/年。與事件樹和故障樹計(jì)算結(jié)果相同。通過(guò)以上三種分析方法，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)事件樹是一種歸納的分析方法，它非常靈活，特別適用于初始事件及防護(hù)措施失效引起的事故可能性分析，簡(jiǎn)便且易于使用。故障樹適合在已知事故后果的情況下，逐步向下尋找引發(fā)事故的一系列原因，是一種演繹分析方法，其分析過(guò)程與事件樹正好相反