液化天然气(LNG)储罐火灾和爆炸事故树分析法的应用

牛先生

液化天然气(LNG)储罐火灾和爆炸事故树分析法的应用

于庭安，戴兴国

（中南大学 资源与安全工程学院 资源信息研究所，湖南 长沙，410083）

摘要：在整个LNG产业链中，LNG储罐是处于重要的地位，它是连接上游LNG产业和下游LNG产业的重要中转站。因此，LNG储罐的安全性和可靠性对于LNG的产业链来说是十分重要的。而储罐的事故模型多而繁杂，其中火灾和爆炸是最重要、最一般、最常见、后果影响最严重的事故模型。通过对引起LNG储罐发生火灾、爆炸的因素进行系统分析，建立了以LNG储罐火灾、爆炸为顶事件的事故树，并进行事故树分析，得到了影响顶事件的各阶最小割集。并通过计算底事件的结构重要度，确定了影响储罐事故的主要因素，并提出了相应的改进措施，以提高LNG储罐的安全性和运行可靠性。

关键词：LNG；储罐；事故树；定性分析；结构重要度

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

液化天然气(LNG：Liquefied natural gas)是将天然气净化深冷液化而成的，以甲烷为主要成分的低温液态混合物，其体积约为气态时的1/600，它是一种清洁、优质燃料[1]。液化了的天然气更有利于远距离运输、储存，使天然气的应用方式更灵活、范围更广。

随着天然气液化技术不断进步，液化成本比20年前降低了50%，大大增加了LNG与其他能源的竞争力，LNG成为了当今世界能源供应增长速度最快的领域[2]。随着2005年我国西气东输战略工程的完工与投入运行，可以预见，“十一五”期间，LNG将广泛应用于工业和民用的各个领域，一批生产能力和储量规模更大的LNG工厂和储罐正在紧锣密鼓地筹建中。

因此，预防LNG储罐的事故发生，特别是LNG储罐的火灾、爆炸等恶性事故的发生，提高其储罐系统本质安全并延长使用寿命，对于安全生产和国民经济的稳定发展具有十分重要的意义。事故树分析法作为工程系统可靠性分析与评价的有效方法，为分析LNG储罐火灾、爆炸事故提供了有效手段。通过对LNG储罐火灾、爆炸的分析，可以逐步分析LNG储罐火灾、爆炸事故的发生机理和原因，进而采取相应的安全措施，提高LNG储罐的可靠性和安全使用寿命。

1．事故树分析基本理论

1.1 事故树分析法简介

事故树分析(FaultTree Analysis，缩写为FTA)是一种表示与导致灾害事故有关的各种因素之间因果关系和逻辑关系的分析法。FTA就是对某一种失效状态在一定条件下进行逻辑推理和图形演绎，通过层层深入对可能造成系统事故或导致灾害后果的各种因素（包括硬件、软件、环境、人等）的分析，根据工艺流程、先后次序和因果关系，把所有的失效原因、失效模式用逻辑和或逻辑积的关系绘制成的一个树形结构[3]。再通过事故树的定性和定量分析，判明灾害或功能故障的发生途经和导致灾害、功能故障的各种因素之间的关系，以及系统故障发生概率及其他定量指标(如结构重要度、概率重要度、临界重要度)，并据此采取相应的措施，以提高系统的安全性和可靠性。因此，对事故树的分析可以找出系统的薄弱环节，从而可采取相应措施加以改善，提高系统本质安全。

1.2事故树分析法的特点

(1) 事故树是一种图形演绎方法，可以就某些特定的故障状态作逐层深入分析，分析各层次之间各因素的相互关系，简单明了；

(2) 事故树分析能对导致灾害或功能事故的各种因素及逻辑关系作出全面、形象的描述；

(3) 事故树可以分析某些元部件、单元对系统的影响以及导致这些元部件、单元故障的特殊原因；

(4) 可对系统和元部件进行定性分析，也可对参数数据定量分析。

1.3事故树的分析程序

事故树的分析程序，常因分析对象、分析目的、粗细程度的不同而不同，但主要的内容包括：熟悉系统、事故调查、确定顶上事故、原因时间调查、建造事故树、修改和简化事故树、定性\定量分析、制定安全措施[3-4]。如图1所示

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图1 事故树分析程序

2．建立LNG储罐火灾与爆炸事故树

    根据顶事件确定原则，取“LNG储罐火灾、爆炸”作为顶事件。顶事件确定后，分析引起顶事件件发生的最直接的、充分和必要的原因。引起LNG储罐火灾、爆炸有两种原因[5]：一是化学爆炸模式，即罐内LNG泄漏，遇空气、火源发生火灾、爆炸；二是物理模式，即罐内压力急剧升高，罐体泄压系统失灵，压力超过罐体所能承受的压力，发生爆炸事故。然后把引起顶事件发生的各种可能原因又分别看作顶事件，采用类似的方法继续往下深入分析，建立以逻辑门符号表示的LNG储罐火灾、爆炸事故树，如图2所示，本事故树共考虑了24不同的底事件，图中各符号所代表的事件如表1所示。

表1   事件类型表
符号	事件类型	符号	事件类型
T	LNG储罐火灾	X4	罐体损坏
P	爆炸极限	X5	误操作LNG泄漏
F1	由火源引起爆炸	X6	罐区内吸烟
F2	储罐超压爆炸	X7	罐区内违章动火
F3	天然气气源	X8	使用电子通信工具
F4	火源	X9	未使用防暴电器
F5	安全阀失效	X10	防爆电器损坏
F6	LNG泄漏	X11	雷击
F7	明火	X12	未安装避雷设施
F8	电火花	X13	接地电阻超标
F9	雷击火花	X14	引下线损坏
F10	撞击火花	X15	接地端损坏
F11	静电火花	X16	使用铁质工具
F12	避雷器失效	X17	穿带铁钉的鞋
F13	储罐静电	X18	罐体静电聚集
F14	人体静电	X19	未设静电接地装置
F15	避雷器故障	X20	作业中与导体接触
F16	接地失效	X21	未穿防静电服工作
X1	罐区通风不良	X22	储罐压力超过安全限
X2	阀门密封失效	X23	安全阀弹簧损坏
X3	法兰密封失效	X24	安全阀选型不当

3 LNG储罐火灾事、爆炸事故树分析

3.1 定性分析------最小割集

定性分析就是从事故树结构出发，分析各底事件的发生对顶事件发生所产生的影响程度，即分析底事件的发生或不发生对顶事件所将要执行的动作状态的影响。

事故树定性分析目的，即通过找出事故树的所有最小割集，发现系统故障或导致指定顶事件发生的全部可能原因，并定性地识别系统的薄弱环节[6]。

凡是能导致事故树顶事件必然发生的底事件的集合称为割集，而最小割集是导致顶事件发生的必要且充分的底事件的集合，即当最小割集所含的

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图2  LNG储罐火灾、爆炸事故树分析图

底事件都同时发生时，顶事件才发生；若其中有任何一个底事件不发生，则顶事件就不会发生。割集或最小割集都是引起顶事件的各基本原因事件的组合。采用行列法或布尔代数化简法求出事故树的所有最小割集，再转化为等效布尔代数方程：

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由布尔代数方程知，LNG储罐火灾、爆炸事故树由2个二阶最小割集、36个三阶最小割集，32个四阶最小割集组成。

由割集理论我们可知，一般情况下，割集的阶数越小，它发生的可能性就越大。因此，故障树中的2个二阶最小割集和36个三阶最小割集直接影响着系统的安全性、可靠性，为系统的薄弱环节。

3.2  底事件结构重要度分析

各底事件或最小割集在顶事件发生的事故树结构上重要度称为结构重要程度，即各底事件或最小割集的发生对顶事件发生的贡献程度。

由于不需考虑系统顶事件和底事件发生概率，通过事故树定性分析后，确定了系统的薄弱环节，计算事故树的结构重要度系数并对系数进行排序，就可知道底事件对顶事件的影响大小，其顺序就是对系统可靠性影响大小的顺序。底事件的结构重要度系数计算可用二次计算公式[7]，如下式：

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(2)

式中：

Iφ(i)——第i个底事件的结构重要度系数；

kj———最小割集总数；

nj———第i个底事件所在的最小割集kj的底事件总数；

xifile:///C:/DOCUME~1/HELLOS~1/LOCALS~1/Temp/msohtml1/01/clip_image012.gifkj——第i个底事件属于第j个最小割集。

利用上式求得各底事件的结构重要度系数分别为：

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各底事件的结构重要度系数排序为：

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

由上面的计算结果可知，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)，他们在结构重要度的排序中的数值也大。

3.3 主要影响因素及改进措施

从事故树的结构重要度分析结果可以看出，防止LNG储罐发生火灾、爆炸事故，要从防止LNG泄漏和罐区火源两个方面入手，控制各底事件的发生，特别是结构重要度系数大的底事件，如“罐区通风不良”、“阀门密封失效”、“法兰密封失效”、“罐体损坏”、“误操作LNG泄漏”、“罐区内吸烟”、“罐区违章动火”、“储罐压力超过安全极限”等底事件，从而达到预防储罐发生事故。相关措施建议如下：

(1) 加强对库区可然性气体的含量监测，以及加强监测设备和报警设备的维护；

(2) 正确选择阀门、法兰以及罐体的安全附件的型号，保证设备的源安全性；

(3) 加强阀门、法兰、储罐安全附件和罐体完整性、安全性的检查，防止因腐蚀等原因造成罐体开裂，预防泄漏；

(4) 加强安全检查，禁止在罐区内吸烟，严格执行LNG罐区的动火规章制度；

(5) 禁止在库内使用手机等电子通信设备，严禁使用非防爆电器，并加强对防爆电器的安全性检查；

(6) 定期检查和检测防雷防静电设施及附件设备，保证其符合安全规定；

(7) 严禁使用铁器和用铁器敲打地面和管线、设备；

(8) 严格控制LNG输入与输出的工艺参数，预防储罐超压；

(9) 上岗必须穿戴符合安全规定的防静电工作服和个体劳动保护品。

4 结论

通过以上分析，可以清晰地体现了事故树分析法简明、直观、易懂、灵活、全面的特点，是对系统可靠性与安全性进行分析和评价的便捷、灵活、有效的方法。

建立了以“LNG储罐火灾、爆炸”为顶事件的事故树分析模型。本事故树共考虑了24个不同的底事件。通过事故树分析，得出了二阶最小割集2个，三阶最小割集36个，四阶最小割集32个。通过最小割集定性分析，确定了LNG储罐的薄弱环节，并通过计算底事件的结构重要度系数，确定了系统的薄弱点。

通过进一步分析，确定了引起LNG储罐火灾、爆炸的主要关键因素，即是LNG泄漏、罐区内有火源和罐体安全附件的失效，并在此基础上分析了引起这些原因的底事件，提出了相应的安全措施，为预防或减少LNG储罐火灾、爆炸提供了一定的帮助。

参考文献：

[1] 廖志敏，杜晓春，陈刚等. LNG的研究和应用[J].天然气与石油，2005，23(3)；28～31

[2] 杜琳琳，李志红，郭慧.LNG的利用技术及发展前景[J].广东化工，2005，7：31～33

[3] 汪元辉.安全系统工程[M].天津：天津大学出版社，1999

[4] 顾祥柏.石油化工安全分析方法[M].北京：化工工业出版社，2001

[5] 李荫中编.石油化工防火防爆手册[M].北京：中国石化出版社，2003

[6] 中石化集团公司安全环保局编.石油化工安全技术—高级本[M].北京：中国石化出版社，2005

[7] 国家安全生产监督管理总局编.安全评价(第3版).北京：煤炭工业出版社，2005

作者介绍：

于庭安（1981- ），男，广西桂林人，中南大学资源与安全工程学院硕士研究生，主要从事安全技术工程方面的研究工作。

联系方式：

湖南长沙，中南大学资源与安全工程学院，研究生信箱，于庭安收，410083

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

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