液化天然氣(LNG)儲罐火災和爆炸事故樹分析法的應用

牛先生

液化天然氣(LNG)儲罐火災和爆炸事故樹分析法的應用

于庭安，戴興國

（中南大學 資源與安全工程學院 資源信息研究所，湖南 長沙，410083）

摘要：在整個LNG產業鏈中，LNG儲罐是處于重要的地位，它是連接上游LNG產業和下游LNG產業的重要中轉站。因此，LNG儲罐的安全性和可靠性對于LNG的產業鏈來說是十分重要的。而儲罐的事故模型多而繁雜，其中火災和爆炸是最重要、最一般、最常見、后果影響最嚴重的事故模型。通過對引起LNG儲罐發生火災、爆炸的因素進行系統分析，建立了以LNG儲罐火災、爆炸為頂事件的事故樹，并進行事故樹分析，得到了影響頂事件的各階最小割集。并通過計算底事件的結構重要度，確定了影響儲罐事故的主要因素，并提出了相應的改進措施，以提高LNG儲罐的安全性和運行可靠性。

關鍵詞：LNG；儲罐；事故樹；定性分析；結構重要度

Applicationof FTA of the LNG Tank Fireand Blast Accidents

YU Ting-An, DAI Xing-guo

(Resources InformationResearch Institute, School of Resources & Safety Engineering, Central South University, Changsha Hunan410083)

Abstract: In the wholeLNG industry chain, the LNG tank is at the important position. It is theimportant transfer station which links the up-stream of LNG industry and thedown-stream of LNG industry. So, for the industry chain of LNG，the safety andthe reliability of the LNG tank are very important. But, there are many andcomplicated accident models of the LNG tank, among them, the fire and blastaccident are the most important, most general, the most common and the resultof influence is the most serious. This paper analyzes the factors of fire and blastaccident of the LNG tank, and sets up the minimum cut-set of the fault tree whichaffects the top accident. By calculating structure importance degree of thebasic matter, and primary factors which affect the accident of the LNG storagetank are confirmed. The improvement measures of the safety and the operationreliability of the LNG tank are also presented in the paper.

Key words: LNG; reserving tank; fault tree analysis; qualitative analysis; importantdegree of structure

引  言

液化天然氣(LNG：Liquefied natural gas)是將天然氣凈化深冷液化而成的，以甲烷為主要成分的低溫液態混合物，其體積約為氣態時的1/600，它是一種清潔、優質燃料[1]。液化了的天然氣更有利于遠距離運輸、儲存，使天然氣的應用方式更靈活、范圍更廣。

隨著天然氣液化技術不斷進步，液化成本比20年前降低了50%，大大增加了LNG與其他能源的競爭力，LNG成為了當今世界能源供應增長速度最快的領域[2]。隨著2005年我國西氣東輸戰略工程的完工與投入運行，可以預見，“十一五”期間，LNG將廣泛應用于工業和民用的各個領域，一批生產能力和儲量規模更大的LNG工廠和儲罐正在緊鑼密鼓地籌建中。

因此，預防LNG儲罐的事故發生，特別是LNG儲罐的火災、爆炸等惡性事故的發生，提高其儲罐系統本質安全并延長使用壽命，對于安全生產和國民經濟的穩定發展具有十分重要的意義。事故樹分析法作為工程系統可靠性分析與評價的有效方法，為分析LNG儲罐火災、爆炸事故提供了有效手段。通過對LNG儲罐火災、爆炸的分析，可以逐步分析LNG儲罐火災、爆炸事故的發生機理和原因，進而采取相應的安全措施，提高LNG儲罐的可靠性和安全使用壽命。

1．事故樹分析基本理論

1.1 事故樹分析法簡介

事故樹分析(FaultTree Analysis，縮寫為FTA)是一種表示與導致災害事故有關的各種因素之間因果關系和邏輯關系的分析法。FTA就是對某一種失效狀態在一定條件下進行邏輯推理和圖形演繹，通過層層深入對可能造成系統事故或導致災害后果的各種因素（包括硬件、軟件、環境、人等）的分析，根據工藝流程、先后次序和因果關系，把所有的失效原因、失效模式用邏輯和或邏輯積的關系繪制成的一個樹形結構[3]。再通過事故樹的定性和定量分析，判明災害或功能故障的發生途經和導致災害、功能故障的各種因素之間的關系，以及系統故障發生概率及其他定量指標(如結構重要度、概率重要度、臨界重要度)，并據此采取相應的措施，以提高系統的安全性和可靠性。因此，對事故樹的分析可以找出系統的薄弱環節，從而可采取相應措施加以改善，提高系統本質安全。

1.2事故樹分析法的特點

(1) 事故樹是一種圖形演繹方法，可以就某些特定的故障狀態作逐層深入分析，分析各層次之間各因素的相互關系，簡單明了；

(2) 事故樹分析能對導致災害或功能事故的各種因素及邏輯關系作出全面、形象的描述；

(3) 事故樹可以分析某些元部件、單元對系統的影響以及導致這些元部件、單元故障的特殊原因；

(4) 可對系統和元部件進行定性分析，也可對參數數據定量分析。

1.3事故樹的分析程序

事故樹的分析程序，常因分析對象、分析目的、粗細程度的不同而不同，但主要的內容包括：熟悉系統、事故調查、確定頂上事故、原因時間調查、建造事故樹、修改和簡化事故樹、定性\定量分析、制定安全措施[3-4]。如圖1所示

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圖1 事故樹分析程序

2．建立LNG儲罐火災與爆炸事故樹

    根據頂事件確定原則，取“LNG儲罐火災、爆炸”作為頂事件。頂事件確定后，分析引起頂事件件發生的最直接的、充分和必要的原因。引起LNG儲罐火災、爆炸有兩種原因[5]：一是化學爆炸模式，即罐內LNG泄漏，遇空氣、火源發生火災、爆炸；二是物理模式，即罐內壓力急劇升高，罐體泄壓系統失靈，壓力超過罐體所能承受的壓力，發生爆炸事故。然后把引起頂事件發生的各種可能原因又分別看作頂事件，采用類似的方法繼續往下深入分析，建立以邏輯門符號表示的LNG儲罐火災、爆炸事故樹，如圖2所示，本事故樹共考慮了24不同的底事件，圖中各符號所代表的事件如表1所示。

表1   事件類型表
符號	事件類型	符號	事件類型
T	LNG儲罐火災	X4	罐體損壞
P	爆炸極限	X5	誤操作LNG泄漏
F1	由火源引起爆炸	X6	罐區內吸煙
F2	儲罐超壓爆炸	X7	罐區內違章動火
F3	天然氣氣源	X8	使用電子通信工具
F4	火源	X9	未使用防暴電器
F5	安全閥失效	X10	防爆電器損壞
F6	LNG泄漏	X11	雷擊
F7	明火	X12	未安裝避雷設施
F8	電火花	X13	接地電阻超標
F9	雷擊火花	X14	引下線損壞
F10	撞擊火花	X15	接地端損壞
F11	靜電火花	X16	使用鐵質工具
F12	避雷器失效	X17	穿帶鐵釘的鞋
F13	儲罐靜電	X18	罐體靜電聚集
F14	人體靜電	X19	未設靜電接地裝置
F15	避雷器故障	X20	作業中與導體接觸
F16	接地失效	X21	未穿防靜電服工作
X1	罐區通風不良	X22	儲罐壓力超過安全限
X2	閥門密封失效	X23	安全閥彈簧損壞
X3	法蘭密封失效	X24	安全閥選型不當

3 LNG儲罐火災事、爆炸事故樹分析

3.1 定性分析------最小割集

定性分析就是從事故樹結構出發，分析各底事件的發生對頂事件發生所產生的影響程度，即分析底事件的發生或不發生對頂事件所將要執行的動作狀態的影響。

事故樹定性分析目的，即通過找出事故樹的所有最小割集，發現系統故障或導致指定頂事件發生的全部可能原因，并定性地識別系統的薄弱環節[6]。

凡是能導致事故樹頂事件必然發生的底事件的集合稱為割集，而最小割集是導致頂事件發生的必要且充分的底事件的集合，即當最小割集所含的

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圖2  LNG儲罐火災、爆炸事故樹分析圖

底事件都同時發生時，頂事件才發生；若其中有任何一個底事件不發生，則頂事件就不會發生。割集或最小割集都是引起頂事件的各基本原因事件的組合。采用行列法或布爾代數化簡法求出事故樹的所有最小割集，再轉化為等效布爾代數方程：

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由布爾代數方程知，LNG儲罐火災、爆炸事故樹由2個二階最小割集、36個三階最小割集，32個四階最小割集組成。

由割集理論我們可知，一般情況下，割集的階數越小，它發生的可能性就越大。因此，故障樹中的2個二階最小割集和36個三階最小割集直接影響著系統的安全性、可靠性，為系統的薄弱環節。

3.2  底事件結構重要度分析

各底事件或最小割集在頂事件發生的事故樹結構上重要度稱為結構重要程度，即各底事件或最小割集的發生對頂事件發生的貢獻程度。

由于不需考慮系統頂事件和底事件發生概率，通過事故樹定性分析后，確定了系統的薄弱環節，計算事故樹的結構重要度系數并對系數進行排序，就可知道底事件對頂事件的影響大小，其順序就是對系統可靠性影響大小的順序。底事件的結構重要度系數計算可用二次計算公式[7]，如下式：

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(2)

式中：

Iφ(i)——第i個底事件的結構重要度系數；

kj———最小割集總數；

nj———第i個底事件所在的最小割集kj的底事件總數；

xifile:///C:/DOCUME~1/HELLOS~1/LOCALS~1/Temp/msohtml1/01/clip_image012.gifkj——第i個底事件屬于第j個最小割集。

利用上式求得各底事件的結構重要度系數分別為：

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各底事件的結構重要度系數排序為：

file:///C:/DOCUME~1/HELLOS~1/LOCALS~1/Temp/msohtml1/01/clip_image016.gif file:///C:/DOCUME~1/HELLOS~1/LOCALS~1/Temp/msohtml1/01/clip_image018.gif

由上面的計算結果可知，file:///C:/DOCUME~1/HELLOS~1/LOCALS~1/Temp/msohtml1/01/clip_image020.gif最大值，其次，之后file:///C:/DOCUME~1/HELLOS~1/LOCALS~1/Temp/msohtml1/01/clip_image022.gif，file:///C:/DOCUME~1/HELLOS~1/LOCALS~1/Temp/msohtml1/01/clip_image024.gif，file:///C:/DOCUME~1/HELLOS~1/LOCALS~1/Temp/msohtml1/01/clip_image026.gif，file:///C:/DOCUME~1/HELLOS~1/LOCALS~1/Temp/msohtml1/01/clip_image028.gif，(file:///C:/DOCUME~1/HELLOS~1/LOCALS~1/Temp/msohtml1/01/clip_image030.giffile:///C:/DOCUME~1/HELLOS~1/LOCALS~1/Temp/msohtml1/01/clip_image032.gif file:///C:/DOCUME~1/HELLOS~1/LOCALS~1/Temp/msohtml1/01/clip_image034.gif，file:///C:/DOCUME~1/HELLOS~1/LOCALS~1/Temp/msohtml1/01/clip_image036.gif，file:///C:/DOCUME~1/HELLOS~1/LOCALS~1/Temp/msohtml1/01/clip_image038.gif，file:///C:/DOCUME~1/HELLOS~1/LOCALS~1/Temp/msohtml1/01/clip_image040.gif)，他們在結構重要度的排序中的數值也大。

3.3 主要影響因素及改進措施

從事故樹的結構重要度分析結果可以看出，防止LNG儲罐發生火災、爆炸事故，要從防止LNG泄漏和罐區火源兩個方面入手，控制各底事件的發生，特別是結構重要度系數大的底事件，如“罐區通風不良”、“閥門密封失效”、“法蘭密封失效”、“罐體損壞”、“誤操作LNG泄漏”、“罐區內吸煙”、“罐區違章動火”、“儲罐壓力超過安全極限”等底事件，從而達到預防儲罐發生事故。相關措施建議如下：

(1) 加強對庫區可然性氣體的含量監測，以及加強監測設備和報警設備的維護；

(2) 正確選擇閥門、法蘭以及罐體的安全附件的型號，保證設備的源安全性；

(3) 加強閥門、法蘭、儲罐安全附件和罐體完整性、安全性的檢查，防止因腐蝕等原因造成罐體開裂，預防泄漏；

(4) 加強安全檢查，禁止在罐區內吸煙，嚴格執行LNG罐區的動火規章制度；

(5) 禁止在庫內使用手機等電子通信設備，嚴禁使用非防爆電器，并加強對防爆電器的安全性檢查；

(6) 定期檢查和檢測防雷防靜電設施及附件設備，保證其符合安全規定；

(7) 嚴禁使用鐵器和用鐵器敲打地面和管線、設備；

(8) 嚴格控制LNG輸入與輸出的工藝參數，預防儲罐超壓；

(9) 上崗必須穿戴符合安全規定的防靜電工作服和個體勞動保護品。

4 結論

通過以上分析，可以清晰地體現了事故樹分析法簡明、直觀、易懂、靈活、全面的特點，是對系統可靠性與安全性進行分析和評價的便捷、靈活、有效的方法。

建立了以“LNG儲罐火災、爆炸”為頂事件的事故樹分析模型。本事故樹共考慮了24個不同的底事件。通過事故樹分析，得出了二階最小割集2個，三階最小割集36個，四階最小割集32個。通過最小割集定性分析，確定了LNG儲罐的薄弱環節，并通過計算底事件的結構重要度系數，確定了系統的薄弱點。

通過進一步分析，確定了引起LNG儲罐火災、爆炸的主要關鍵因素，即是LNG泄漏、罐區內有火源和罐體安全附件的失效，并在此基礎上分析了引起這些原因的底事件，提出了相應的安全措施，為預防或減少LNG儲罐火災、爆炸提供了一定的幫助。

參考文獻：

[1] 廖志敏，杜曉春，陳剛等. LNG的研究和應用[J].天然氣與石油，2005，23(3)；28～31

[2] 杜琳琳，李志紅，郭慧.LNG的利用技術及發展前景[J].廣東化工，2005，7：31～33

[3] 汪元輝.安全系統工程[M].天津：天津大學出版社，1999

[4] 顧祥柏.石油化工安全分析方法[M].北京：化工工業出版社，2001

[5] 李蔭中編.石油化工防火防爆手冊[M].北京：中國石化出版社，2003

[6] 中石化集團公司安全環保局編.石油化工安全技術—高級本[M].北京：中國石化出版社，2005

[7] 國家安全生產監督管理總局編.安全評價(第3版).北京：煤炭工業出版社，2005

作者介紹：

于庭安（1981- ），男，廣西桂林人，中南大學資源與安全工程學院碩士研究生，主要從事安全技術工程方面的研究工作。

聯系方式：

湖南長沙，中南大學資源與安全工程學院，研究生信箱，于庭安收，410083

電話：13548617798     E-mail：lijiangzhishui@tom.com

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