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1、评价讲义分享安全评价讲座 第八讲 故障树分析（Fault Tree Analysis, FTA）故障树分析（FTA）技术是美国贝尔电话实验室于1962年开发的，它采用逻辑的方法，形象地进行危险的分析工作，特点是直观、明了，思路清晰，逻辑性强，可以做定性分析，也可以做定量分析。体现了以系统工程方法研究安全问题的系统性、准确性和预测性，它是安全系统工程的主要分析方法之一。一般来讲，安全系统工程的发展也是以故障树分析为主要标志的。1974年美国原子能委员会发表了关于核电站危险性评价报告，即“拉姆森报告”，大量、有效地应用了FTA，从而迅速推动了它的发展。1 数学基础1.1基本概念(1)集：从最普遍的

2、意义上说，集就是具有某种共同可识别特点的项（事件）的集合。这些共同特点使之能够区别于他类事物。（2）并集把集合A的元素和集合B的元素合并在一起，这些元素的全体构成的集合叫做A与B的并集，记为AB或AB。若A与B有公共元素，则公共元素在并集中只出现一次。例 若A=a、b、c、d；B=c、d、e、f；AB= a、b、c、d、e、f。（3）交集两个集合A与B的交集是两个集合的公共元素所构成的集合，记为AB或AB。根据定义，交是可以交换的，即AB=BA例若 A=a、b、c、d；B=c、d、e；则AB=c、d。（4）补集在整个集合（）中集合A的补集为一个不属于A集的所有元素的集。补集又称余，记为A或A。

3、1.2 布尔代数规则布尔代数用于集的运算，与普通代数运算法则不同。它可用于故障树分析，布尔代数可以帮助我们将事件表达为另一些基本事件的组合。将系统失效表达为基本元件失效的组合。演算这些方程即可求出导致系统失效的元件失效组合（即最小割集），进而根据元件失效概率，计算出系统失效的概率。布尔代数规则如下（X、Y代表两个集合）：（1）交换律 XY=YXXY=YX（2）结合律 X（YZ）=（XY）ZX（YZ）=（XY）Z（3）分配律 X（YZ）=XYXZX（YZ）=（XY）（XZ）（4）吸收律 X（XY）=XX（XY）=X（5）互补律 XX=1XX=（表示空集）（6）幂等律 XX=XXX=X （7）狄摩

4、根定律 （XY）=XY（XY）=XY（8）对合律 （X）= X（9）重叠律 XXY= XY=YYX 2 故障树的编制故障树是由各种事件符号和逻辑门组成的，事件之间的逻辑关系用逻辑门表示。这些符号可分逻辑符号、事件符号等。2.1故障树的符号及意义（1） 事件符号矩形符号：代表顶上事件或中间事件，见图81（a）。是通过逻辑门作用的、由一个或多个原因而导致的故障事件。圆形符号：代表基本事件，见图81（b）。表示不要求进一步展开的基本引发故障事件。屋形符号：代表正常事件，见图81（c）。即系统在正常状态下发挥正常功能的事件。菱形符号：代表省略事件，见图81（d）。因该事件影响不大或因情报不足，因而没有

5、进一步展开的故障事件。椭圆形符号：代表条件事件，见图81（e）。表示施加于任何逻辑门的条件或限制。(a) (b) (c) (d) (e) 图81 事件符号 （2）逻辑符号故障树中表示事件之间逻辑关系的符号称门，主要有以下几种。或门：代表一个或多个输入事件发生，即发生输出事件的情况。或门符号见图82（a），或门示意图见图83。图82 逻辑符号图83 或门示意图与门：代表当全部输入事件发生时，输出事件才发生的逻辑关系。表现为逻辑积的关系。与门符号见图82（b），与门示意图见图84。 图84 与门示意图 禁门：是与门的特殊情况。它的输出事件是由单输入事件所引起的。但在输入造成输出之间，必须满足某种特

6、定的条件。禁门符号见图82（c），禁门示意图见图85。 图85 禁门示意图 例如 许多化学反应只有在催化剂存在的情况下才能反应完全，催化剂不参加反应，但它的存在是必要的。这种逻辑如图86所示。图86 禁门举例2.2建树原则故障树的树形结构是进行分析的基础。故障树树形结构正确与否，直接影响到故障树的分析及其可靠程度。因此，为了成功地建造故障树，要遵循一套基本规则。（1）“直接原因原理”（细步思考法则）编制故障树时，首先从顶上事件分析，确定顶上事件的直接、必要和充分的原因，应注意不是顶上事件的基本原因。将这直接、必要和充分原因事件作为次顶上事件（即中间事件），再来确定它们的直接、必要和充分的原因，

7、这样逐步展开。这时，“直接原因”是至关重要的。按照直接原因原理，才能保持故障树的严密的逻辑性，对事故的基本原因作详尽的分析。（2）基本规则事件方框图内填入故障内容，说明什么样的故障，在什么条件下发生。（3）基本规则对方框内事件提问：“方框内的故障能否由一个元件失效构成？”如果对该问题的回答是肯定的，把事件列为“元件类”故障。如果回答是否定的，把事件列为“系统类”故障。“元件类”故障下，加上或门，找出主因故障、次因故障、指令故障或其他影响。“系统类”故障下，根据具体情况，加上或门、与门或禁门等，逐项分析下去。主因故障为元件在规定的工作条件范围内发生的故障。如：设计压力P0的压力容器在工作压力PP

8、0时的破坏。次因故障为元件在超过规定的工作条件范围内发生的故障。如：设计压力为 P0的压力容器在压力P批P0时的破坏。指令故障为元件的工作是正常的，但时间发生错误或地点发生错误。 其他影响的故障：主要指环境或安装所致的故障，如湿度太大、接头锈死等。（4）完整门规则在对某个门的全部输入事件中的任一输入事件作进一步分析之前，应先对该门的全部输入事件作出完整的定义。（5）非门门规则门的输入应当是恰当定义的故障事件，门与门之间不得直接相连，门门连接的出现说明粗心。在定量评定及简化故障树时，门门连接可能是对的，但在建树过程中会导致混乱。2.3故障树分析步骤（1）确定所分析的系统确定分析系统即确定系统所包

9、括的内容及其边界范围。（2）熟悉所分析的系统指熟悉系统的整个情况，包括系统性能、运行情况、操作情况及各种重要参数等，必要时要画出工艺流程图及布置图。（3）调查系统发生的事故调查分析过去、现在和未来可能发生的故障，同时调查本单位及外单位同类系统曾发生的所有事故。（4）确定故障树的顶上事件是指确定所要分析的对象事件。将易于发生且后果严重的事故作为顶上事件。（5）调查与顶上事件有关的所有原因事件。（6）故障树作图按建树原则，从顶上事件起，一层一层往下分析各自的直接原因事件，根据彼此间的逻辑关系，用逻辑门连接上下层事件，直到所要求的分析深度，形成一株倒置的逻辑树形图，即故障树图。（7）故障树定性分析

10、定性分析是故障树分析的核心内容之一。其目的是分析该类事故的发生规律及特点，通过求取最小割集（或最小经集），找出控制事故的可行方案，并从故障树结构上、发生概率上分析各基本事件的重要程度，以便按轻重缓急分别采取对策。（8）定量分析定量分析包括确定各基本事件的故障率或失误率；求取顶上事件发生的概率，将计算结果与通过统计分析得出的事故发生概率进行比较。（9）安全性评价根据损失率的大小评价该类事故的危险性。这就要从定性和定量分析的结果中找出能够降低顶上事件发生概率的最佳方案。2.4建树举例如图87所示为一受压容器装置，配有安全阀及压力自控装置。压力容器爆炸故障树分析图示于图88。图87 受压容器装置 图

11、88 压力容器爆炸故障树分析图 3 故障树定性分析故障树分析，包括定性分析和定量分析两种方法。在定性分析中，主要包括最小割集、最小径集和重要度分析。限于篇幅，以下仅介绍定性分析中的最小割集和最小径集。3.1最小割集及其求法割集：它是导致顶上事件发生的基本事件的集合。最小割集就是引起顶上事件发生必须的最低限度的割集。最小割集的求取方法有行列式法、布尔代数法等。现在，已有计算机软件求取最小割集和最小径集。以下简要介绍布尔代数化简法。图89为一故障树图，以下是用布尔代数化简的过程。图89 故障树 T=A1A2 =X1 X2 A3X4 A4=X1 X2 (X1X3) X4 (X5X6)=X1 X2 A

12、1X1 X2 A3 X4 X5X4 X6=X1 X2 X4 X5X4 X6所以最小割集为X1，X2，X4，X5，X4，X6。结果得到三个交集的并集，这三个交集就是三个最小割集E1=X1，X2，E2=X4，X5，E3=X4，X6。用最小割集表示故障树的等效图如图810。 图810 故障树等效树（用最小割表示） 3.2最小径集及其求法径集：如果故障树中某些基本事件不发生，则顶上事件就不发生，这些基本事件的集合称为径集。最小径集：就是顶上事件不发生所需的最低限度的径集。最小径集的求法是利用它与最小割集的对偶性。首先作出与故障树对偶的成功树，即把原来故障树的与门换成或门，而或门换成与门，各类事件发生换

13、成不发生，利用上述方法求出成功树的最小割集，再转化为故障树的最小径集。例： 将上例中故障树变为成功树用T、 A1、 A2、 A3、 A4、 X1、 X2、 X3、 X4、X5、 X6表示事件T、 A1、 A2 、A3、 A4、 X1、 X2、 X3、 X4、X5、 X6的补事件,即成功事件；逻辑门作相应转换，如图811。用布尔代数化简法求成功树的最小割集：T= A1 A2=(X1A3X2)(X4A4)=(X1X2X1 X3)(X4 X5 X6)=(X1X2)(X4 X5 X 6)=X1 X4 X1 X5 X6X2 X4 X2 X5 X6成功树的最小割集：X1，X4X1，X5，X6X2，X4X2

14、，X5，X6。即故障树的最小径集： P1=X1，X4 P2=X1，X5，X6 P3=X2，X4 P4=X2,X5，X6如将成功树布尔化简的最后结果变换为故障树结构，则表达式为T=(X1X4)( X1X5X6)( X2X4)(X2 X5X6)形成了四个并集的交集，如用最小径集表示故障树则如图812所示。图812 故障树的等效树（用最小径集表示） 3.3最小割集和最小径集在故障树分析中的应用（1）最小割集表示系统的危险性求出最小割集可以掌握事故发生的各种可能，了解系统的危险性。每个最小割集都是顶上事件发生的一种可能，有几个最小割集，顶上事件的发生就有几种可能，最小割集越多，系统越危险。从最小割集能

15、直观地、概略地看出，哪些事件发生最危险，哪些稍次，哪些可以忽略，以及如何采取措施，使事故发生概率下降。例：共有三个最小割集X1 、X2，X3 、X4，X5，X6，X7 ，X8，如果各基本事件的发生概率都近似相等的话，一般地说，一个事件的割集比两个事件的割集容易发生，五事件割集发生的概率更小，完全可以忽略。因此，为了提高系统的安全性，可采取技术、管理措施以便使少事件割集增加基本事件。就以上述三个最小割集的故障树为例。可以给一事件割集X1增加一个基本事件X9，例如：安装防护装置或采取隔离措施等，使新的割集为X1、X9。这样就能使整个系统的安全性提高若干倍，甚至几百倍。若不从少事件割集入手，采取的措

16、施收效不大。假设上述例中各事件概率都等于0.01，即q1= q2=q3=q4=q5=q6=q7=q8=q9=0.01。在未增加X9以前顶上事件发生的概率约为0.0101，而增加X9后概率近似为0.0002，使系统安全性提高了50倍，在可靠性设计中常用的冗长技术就是这个道理。注意，以上是各事件概率相等时采取的措施。采取防灾措施必须考虑概率因素，若X1的发生概率极小，就不必考虑X1了。（2）最小径集表示系统的安全性求出最小径集可以了解到，要使顶上事件不发生有几种可能的方案，从而为控制事故提供依据。一个最小径集中的基本事件都不发生，就可使顶上事件不发生。故障树中最小径集越多，系统就越安全。从用最小径

17、集表示的故障树等效图可以看出，只要控制一个最小径集不发生，顶上事件就不发生，所以可以选择控制事故的最佳方案，一般地说，对少事件最小径集加以控制较为有利。（3）利用最小割集、最小径集进行结构重要度分析。（4）利用最小割集、最小径集进行定量分析和计算顶上事件的概率等。分享安全评价讲座 第七讲 事件树分析（Event Tree Analysis,ETA）事件树是判断树在灾害分析上的应用。判断树（Decision Tree）是以元素的可靠性系数表示系统可靠程度的系统分析方法之一。是一种既能定性，又能定量分析的方法。 1 分析步骤及应用范围 判断树用于灾害分析时，常称为事件树。这时，树形图从作为危险源的

18、初始事件出发，根据后续事件或安全措施是否成功作分支，最后到灾害事件的发生为止。 事件树图的具体作法是将系统内各个事件按完全对立的两种状态（如成功、失败）进行分支，然后把事件依次连接成树形，最后再和表示系统状态的输出连接起来。事件树图的绘制是根据系统简图由左至右进行的。在表示各个事件的节点上，一般表示成功事件的分支向上，表示失败事件的分支向下。每个分支上注明其发生概率，最后分别求出它们的积与和，作为系统的可靠系数。事件树分析中，形成分支的每个事件的概率之和，一般都等于1。 事件树分析主要应用于： （1）搞清楚初期事件到事故的过程，系统地图示出种种故障与系统成功、失败的关系。 （2）提供定义故障树

19、顶上事件的手段。 （3）可用于事故分析。 2 应用举例 例1 有一泵和两个串联阀门组成的物料输送系统（如图71所示）。物料沿箭头方向顺序经过泵A、阀门B和阀门C，泵启动后的物料输送系统的事件树如图72所示。设泵A、阀门B和阀门C的可靠度分别为0.95、0.9、0.9，则系统成功的概率为0.7695，系统失败的概率为0.2305。 图71 阀门串联的物料输送系统 图72 阀门串联输送系统事件树图 例2 有一泵和两个并联阀门组成的物料输送系统，如图73所示。 图73 阀门并联的物料输送系统 图中A代表泵，阀门C是 阀门B的备用阀，只有当阀门B失败时，C才开始工作。同例1一样，假设泵A、阀门B和阀门

20、C的可靠度分别为0.95、0.9、0.9，则按照它的事件树（图74），可得知这个系统成功的概率为0.9405，系统失败的概率为0.0595。 从以上两例可以看出，阀门并联物料系统的可靠度比阀门串联时要大得多。 图74 阀门并联输送系统事件树图 例3 某工厂的氯磺酸罐发生爆炸，致使3人死亡，用事件树分析的结果如图75所示。 该厂有4台氯磺酸贮罐。因其中两台的紧急切断阀失灵而准备检修，一般按如下程序准备： 反罐内的氯磺酸移至其他罐； 将水徐徐注入，使残留的浆状氯磺酸分解； 氯磺酸全部分解且烟雾消失以后，往罐内注水至满罐为止； 静置一段时间后，将水排出； 打开人孔盖，进入罐内检修。 可是在这次检修时

21、，负责人为了争取时间，在上述第3项任务未完成的情况下，连水也没排净就命令维修工人去开人孔盖。由于人孔盖螺栓锈死，两检修工用气割切断螺栓时，突然发生爆炸，负责人和两名检修工当场死亡。 图75 氯磺酸贮罐爆炸事故事件树图 分析这次事故的事件树图可以看出，紧急阀失灵会引起事故，对其修理时，会发生如图所示的16种不同的情况，这次爆炸事故属于图中的第12种情况。分享安全评价讲座 第六讲 可操作性研究（Operability-Study，OS）1 特点 可操作性研究也是一种定性危险分析方法，它是一种以系统工程为基础，针对化工装置而开发的一种危险性评价方法。它的基本过程是以关键词为引导，找出过程中工艺状态的

22、变化（即偏差），然后再继续分析造成偏差的原因、后果及可以采取的对策。可操作性研究近年来常称作危险及可操作性研究（HAZOP）。 通过可操作性研究的分析，能够探明装置及过程存在的危险，根据危险带来的后果明确系统中的主要危害；如果需要，可利用故障树对主要危害继续分析，因此这又是确定故障树“顶上事件”的一种方法，可以与故障树配合使用。在进行可操作性研究过程中，分析人员对于单元中的工艺过程及设备将会有深入了解，对于单元中的危险及应采取的措施会有透彻的认识，因此，可操作性研究还被认为是对员工进行培训的有效方法。 2 适用范围 可操作性研究既适用于设计阶段，又适用于现有的生产装置。对现有生产装置进行分析时

23、，如能吸收有操作经验和管理经验的人员共同参加，会收到很好的效果。 1974年，英国帝国化学工业公司依据故障类型及影响分析的思路而开发的可操作性研究主要应用于连续的化工过程。在连续过程中，管道内物料工艺参数的变化反映了各单元设备的状况，因此在连续过程中分析的对象确定为管道，通过对管道内物料状态及工艺参数产生偏差的分析，查找系统存在的危险，对所有管道分析之后，整个系统存在的危险也就一目了然。化工生产既有连续过程，又有间歇过程，我国原化工部劳动保护研究所在进行“光气及光气化产品企业安全评价”课题研究中对间歇过程中应用可操作性研究方法进行了研究，结果表明，在进行若干改进以后，可操作性研究也能很好地应用

24、于间歇过程的危险性分析。 在间歇过程中，分析的对象将不再是管道，而应该是主体设备，如反应器等。根据间歇生产的特点，分成3个阶段（即进料、反应、出料），对反应器加以分析。同时，在这3个阶段内不仅要按照关键词来确定工艺状态及参数可能产生的偏差，还要考虑操作顺序等项因素可能出现的偏差。这样就可对间歇过程作全面、系统的考察。 3 分析步骤及关键词表 可操作性研究的分析程序如图61所示。可操作性研究的主要分析步骤是： （1）充分了解分析对象，准备有关资料。 （2）将分析对象划分为若干单元，在连续过程中单元以管道为主，在间歇过程中单元以设备为主。 （3）按关键词（见表61），逐一分析每个单元内工艺条件等可

25、能产生的偏差。 表61 关键词表 （4）分析发生偏差的原因及后果。 （5）制定对策。 （6）将上述分析结果填入表格中。表62为一种常用的记录表格。 表62 可操作性研究分析记录表 为了保证分析详尽而不发生遗漏，分析时应按照关键词逐一进行，利用关键词是可操作研究方法的一个特点。 表61给出了关键词及其含义。 图6-1 可操作性研究分析程序 4 应用举例 藉助“第三讲 如果.怎么样”中制备磷酸氢二铵的例子进行“可操作性研究”分析。由磷酸和氨水制备磷酸二氢铵的流程简图见图62。假定磷酸和氨水自高位槽中靠重力流入反应器，反应器为常压操作。 图6-2 连续生产磷酸二氢铵流程示意图 因为是一个连续过程，可

26、取磷酸槽出口管路作为对象，分析结果列于表63。 表63 可操作性研究分析表 分享安全评价讲座 第四讲 预先危险分析（PHA Preliminary Hazard Analysis）预先危险分析是一项实现系统安全危害分析的初步或初始的工作，是在方案开发初期阶段或设计阶段之初完成的，可以帮助选择技术路线。它在工程项目预评价中有较多的应用，应用于现有工艺过程及装置，也会收到很好的效果。 1 特点预先危险分析是一种定性的系统安全分析方法。它的主要优点是：（1）最初产品设计或系统开发时，可以利用危险分析的结果，提出应遵循的注意事项和规程。（2）由于在最初构思产品设计时，即可指出存在的主要危险，从一开始便

27、可采用措施排除、降低和控制它们。（3）可用来制定设计管理方法和制定技术责任，并可编制成安全检查表以保证实施。通过预先危险分析，力求达到四项基本目标：大体识别与系统有关的一切主要危害。在初始识别中暂不考虑事故发生的概率。鉴别产生危害的原因假设危害确实出现，估计和鉴别对系统的影响。将已经识别的危害分级。分级标准如下：级可忽略的，不至于造成人员伤害和系统损害。级临界的，不会造成人员伤害和主要系统的损坏，并且可能排除和控制。级危险的（致命的），会造成人员伤害和主要系统的损坏，为了人员和系统安全，需立即采取措施。级破坏性的（灾难性），会造成人员死亡或众多伤残、重伤及系统报废。2 分析步骤（）参照过去同类

28、及相关产品或系统发生事故的经验教训，查明所开发的系统（工艺、设备）是否会出现同样的问题。（）了解所开发系统的任务、目的、基本活动的要求（包括对环境的了解）。（）确定能够造成受伤、损失、功能失效或物质损失的初始危险。（）确定初始危险的起因事件。（）找出消除或控制危险的可能方法。（）在危险不能控制的情况下，分析最好的预防损失方法，如隔离、个体防护、救护等。（）提出采取并完成纠正措施的责任者。分析结果通常采用不同型式的表格，表4-1、表42为两种表格的表头型式。表4-1 预先危险分析表（一）表4-2 预先危险分析表（二）3 基本危害的确定基本危害的确定是首要的一环，要尽可能周密、详尽，不发生遗漏，否

29、则分析会发生失误。各种系统中可能遇到的一些基本危害有：（）火灾。（）爆炸。（）有毒气体或蒸汽不可控溢出。（）腐蚀性液体的不可控溢出。（）电击伤。（）动能意外释放。（）位能意外释放。（）人员暴露于过热环境中。（）人员暴露于超过允许剂量的放射性环境中。（）人员暴露于噪声强度过高的环境中。（）眼睛暴露于电焊弧光的照射下。（）操作才暴露于无防护设施的切削或剪锯的操作过程中。（）冷冻液的不可控溢出。（）人员从工作台、扶梯、塔架等高处附落。（）金属加工（如铍等）过程中，释放出不可控有毒气体。（）有毒物质不加控制地放置。（）人员意外地暴露在恶劣气候条件下。（）高速旋转的飞轮、转盘等的碎裂。以上是基本的危害，可参照上述基本危害并结合实际制本系统危害一览表。4 应用举例例：热水器的预先危险分析热水器用煤气加热，装有温度、煤气开关联动装置，水温超过规定温度时，联动装置将调节煤气阀的开度。如发生故障，致压力过高时，则由泄压安全阀放出热水，防止发生事故。热水器结构示意图见图41，危险分析结果列于表43。图4-1 热水器结构示意图表4-3 热水器预先危险分析表（二）分享安全评价讲座 第三讲 如果怎么样？（what if）如果怎么样？是一种较为简单的定性危险分析方法。这种方法主要依靠直观判断，依靠过去经验的积累，所以应对分析对象有充