液化天然氣(LNG)儲(chǔ)罐火災(zāi)和爆炸事故樹(shù)分析法的應(yīng)用

牛先生

液化天然氣(LNG)儲(chǔ)罐火災(zāi)和爆炸事故樹(shù)分析法的應(yīng)用

于庭安，戴興國(guó)

（中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院 資源信息研究所，湖南 長(zhǎng)沙，410083）

摘要：在整個(gè)LNG產(chǎn)業(yè)鏈中，LNG儲(chǔ)罐是處于重要的地位，它是連接上游LNG產(chǎn)業(yè)和下游LNG產(chǎn)業(yè)的重要中轉(zhuǎn)站。因此，LNG儲(chǔ)罐的安全性和可靠性對(duì)于LNG的產(chǎn)業(yè)鏈來(lái)說(shuō)是十分重要的。而儲(chǔ)罐的事故模型多而繁雜，其中火災(zāi)和爆炸是最重要、最一般、最常見(jiàn)、后果影響最嚴(yán)重的事故模型。通過(guò)對(duì)引起LNG儲(chǔ)罐發(fā)生火災(zāi)、爆炸的因素進(jìn)行系統(tǒng)分析，建立了以LNG儲(chǔ)罐火災(zāi)、爆炸為頂事件的事故樹(shù)，并進(jìn)行事故樹(shù)分析，得到了影響頂事件的各階最小割集。并通過(guò)計(jì)算底事件的結(jié)構(gòu)重要度，確定了影響儲(chǔ)罐事故的主要因素，并提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施，以提高LNG儲(chǔ)罐的安全性和運(yùn)行可靠性。

關(guān)鍵詞：LNG；儲(chǔ)罐；事故樹(shù)；定性分析；結(jié)構(gòu)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(tài)混合物，其體積約為氣態(tài)時(shí)的1/600，它是一種清潔、優(yōu)質(zhì)燃料[1]。液化了的天然氣更有利于遠(yuǎn)距離運(yùn)輸、儲(chǔ)存，使天然氣的應(yīng)用方式更靈活、范圍更廣。

隨著天然氣液化技術(shù)不斷進(jìn)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(jìng)爭(zhēng)力，LNG成為了當(dāng)今世界能源供應(yīng)增長(zhǎng)速度最快的領(lǐng)域[2]。隨著2005年我國(guó)西氣東輸戰(zhàn)略工程的完工與投入運(yùn)行，可以預(yù)見(jiàn)，“十一五”期間，LNG將廣泛應(yīng)用于工業(yè)和民用的各個(gè)領(lǐng)域，一批生產(chǎn)能力和儲(chǔ)量規(guī)模更大的LNG工廠和儲(chǔ)罐正在緊鑼密鼓地籌建中。

因此，預(yù)防LNG儲(chǔ)罐的事故發(fā)生，特別是LNG儲(chǔ)罐的火災(zāi)、爆炸等惡性事故的發(fā)生，提高其儲(chǔ)罐系統(tǒng)本質(zhì)安全并延長(zhǎng)使用壽命，對(duì)于安全生產(chǎn)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定發(fā)展具有十分重要的意義。事故樹(shù)分析法作為工程系統(tǒng)可靠性分析與評(píng)價(jià)的有效方法，為分析LNG儲(chǔ)罐火災(zāi)、爆炸事故提供了有效手段。通過(guò)對(duì)LNG儲(chǔ)罐火災(zāi)、爆炸的分析，可以逐步分析LNG儲(chǔ)罐火災(zāi)、爆炸事故的發(fā)生機(jī)理和原因，進(jìn)而采取相應(yīng)的安全措施，提高LNG儲(chǔ)罐的可靠性和安全使用壽命。

1．事故樹(shù)分析基本理論

1.1 事故樹(shù)分析法簡(jiǎn)介

事故樹(shù)分析(FaultTree Analysis，縮寫(xiě)為FTA)是一種表示與導(dǎo)致災(zāi)害事故有關(guān)的各種因素之間因果關(guān)系和邏輯關(guān)系的分析法。FTA就是對(duì)某一種失效狀態(tài)在一定條件下進(jìn)行邏輯推理和圖形演繹，通過(guò)層層深入對(duì)可能造成系統(tǒng)事故或?qū)е聻?zāi)害后果的各種因素（包括硬件、軟件、環(huán)境、人等）的分析，根據(jù)工藝流程、先后次序和因果關(guān)系，把所有的失效原因、失效模式用邏輯和或邏輯積的關(guān)系繪制成的一個(gè)樹(shù)形結(jié)構(gòu)[3]。再通過(guò)事故樹(shù)的定性和定量分析，判明災(zāi)害或功能故障的發(fā)生途經(jīng)和導(dǎo)致災(zāi)害、功能故障的各種因素之間的關(guān)系，以及系統(tǒng)故障發(fā)生概率及其他定量指標(biāo)(如結(jié)構(gòu)重要度、概率重要度、臨界重要度)，并據(jù)此采取相應(yīng)的措施，以提高系統(tǒng)的安全性和可靠性。因此，對(duì)事故樹(shù)的分析可以找出系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，從而可采取相應(yīng)措施加以改善，提高系統(tǒng)本質(zhì)安全。

1.2事故樹(shù)分析法的特點(diǎn)

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

(2) 事故樹(shù)分析能對(duì)導(dǎo)致災(zāi)害或功能事故的各種因素及邏輯關(guān)系作出全面、形象的描述；

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

(4) 可對(duì)系統(tǒng)和元部件進(jìn)行定性分析，也可對(duì)參數(shù)數(shù)據(jù)定量分析。

1.3事故樹(shù)的分析程序

事故樹(shù)的分析程序，常因分析對(duì)象、分析目的、粗細(xì)程度的不同而不同，但主要的內(nèi)容包括：熟悉系統(tǒng)、事故調(diào)查、確定頂上事故、原因時(shí)間調(diào)查、建造事故樹(shù)、修改和簡(jiǎn)化事故樹(shù)、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(shù)分析程序

2．建立LNG儲(chǔ)罐火災(zāi)與爆炸事故樹(shù)

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

表1   事件類(lèi)型表
符號(hào)	事件類(lèi)型	符號(hào)	事件類(lèi)型
T	LNG儲(chǔ)罐火災(zāi)	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(qū)內(nèi)吸煙
F2	儲(chǔ)罐超壓爆炸	X7	罐區(qū)內(nèi)違章動(dòng)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(shè)施
F8	電火花	X13	接地電阻超標(biāo)
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(zhì)工具
F12	避雷器失效	X17	穿帶鐵釘?shù)男?/font>
F13	儲(chǔ)罐靜電	X18	罐體靜電聚集
F14	人體靜電	X19	未設(shè)靜電接地裝置
F15	避雷器故障	X20	作業(yè)中與導(dǎo)體接觸
F16	接地失效	X21	未穿防靜電服工作
X1	罐區(qū)通風(fēng)不良	X22	儲(chǔ)罐壓力超過(guò)安全限
X2	閥門(mén)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(dāng)

3 LNG儲(chǔ)罐火災(zāi)事、爆炸事故樹(shù)分析

3.1 定性分析------最小割集

定性分析就是從事故樹(shù)結(jié)構(gòu)出發(fā)，分析各底事件的發(fā)生對(duì)頂事件發(fā)生所產(chǎn)生的影響程度，即分析底事件的發(fā)生或不發(fā)生對(duì)頂事件所將要執(zhí)行的動(dòng)作狀態(tài)的影響。

事故樹(shù)定性分析目的，即通過(guò)找出事故樹(shù)的所有最小割集，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)故障或?qū)е轮付�頂事件發(fā)生的全部可能原因，并定性地識(shí)別系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)[6]。

凡是能導(dǎo)致事故樹(shù)頂事件必然發(fā)生的底事件的集合稱(chēng)為割集，而最小割集是導(dǎo)致頂事件發(fā)生的必要且充分的底事件的集合，即當(dāng)最小割集所含的

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圖2  LNG儲(chǔ)罐火災(zāi)、爆炸事故樹(shù)分析圖

底事件都同時(shí)發(fā)生時(shí)，頂事件才發(fā)生；若其中有任何一個(gè)底事件不發(fā)生，則頂事件就不會(huì)發(fā)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(shù)化簡(jiǎn)法求出事故樹(shù)的所有最小割集，再轉(zhuǎn)化為等效布爾代數(shù)方程：

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由布爾代數(shù)方程知，LNG儲(chǔ)罐火災(zāi)、爆炸事故樹(shù)由2個(gè)二階最小割集、36個(gè)三階最小割集，32個(gè)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(shù)越小，它發(fā)生的可能性就越大。因此，故障樹(shù)中的2個(gè)二階最小割集和36個(gè)三階最小割集直接影響著系統(tǒng)的安全性、可靠性，為系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)。

3.2  底事件結(jié)構(gòu)重要度分析

各底事件或最小割集在頂事件發(fā)生的事故樹(shù)結(jié)構(gòu)上重要度稱(chēng)為結(jié)構(gòu)重要程度，即各底事件或最小割集的發(fā)生對(duì)頂事件發(fā)生的貢獻(xiàn)程度。

由于不需考慮系統(tǒng)頂事件和底事件發(fā)生概率，通過(guò)事故樹(shù)定性分析后，確定了系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，計(jì)算事故樹(shù)的結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)并對(duì)系數(shù)進(jìn)行排序，就可知道底事件對(duì)頂事件的影響大小，其順序就是對(duì)系統(tǒng)可靠性影響大小的順序。底事件的結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)計(jì)算可用二次計(jì)算公式[7]，如下式：

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(2)

式中：

Iφ(i)——第i個(gè)底事件的結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)；

kj———最小割集總數(shù)；

nj———第i個(gè)底事件所在的最小割集kj的底事件總數(shù)；

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

利用上式求得各底事件的結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)分別為：

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各底事件的結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)排序?yàn)椋?/font>

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(jì)算結(jié)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?cè)诮Y(jié)構(gòu)重要度的排序中的數(shù)值也大。

3.3 主要影響因素及改進(jìn)措施

從事故樹(shù)的結(jié)構(gòu)重要度分析結(jié)果可以看出，防止LNG儲(chǔ)罐發(fā)生火災(zāi)、爆炸事故，要從防止LNG泄漏和罐區(qū)火源兩個(gè)方面入手，控制各底事件的發(fā)生，特別是結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)大的底事件，如“罐區(qū)通風(fēng)不良”、“閥門(mén)密封失效”、“法蘭密封失效”、“罐體損壞”、“誤操作LNG泄漏”、“罐區(qū)內(nèi)吸煙”、“罐區(qū)違章動(dòng)火”、“儲(chǔ)罐壓力超過(guò)安全極限”等底事件，從而達(dá)到預(yù)防儲(chǔ)罐發(fā)生事故。相關(guān)措施建議如下：

(1) 加強(qiáng)對(duì)庫(kù)區(qū)可然性氣體的含量監(jiān)測(cè)，以及加強(qiáng)監(jiān)測(cè)設(shè)備和報(bào)警設(shè)備的維護(hù)；

(2) 正確選擇閥門(mén)、法蘭以及罐體的安全附件的型號(hào)，保證設(shè)備的源安全性；

(3) 加強(qiáng)閥門(mén)、法蘭、儲(chǔ)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(kāi)裂，預(yù)防泄漏；

(4) 加強(qiáng)安全檢查，禁止在罐區(qū)內(nèi)吸煙，嚴(yán)格執(zhí)行LNG罐區(qū)的動(dòng)火規(guī)章制度；

(5) 禁止在庫(kù)內(nèi)使用手機(jī)等電子通信設(shè)備，嚴(yán)禁使用非防爆電器，并加強(qiáng)對(duì)防爆電器的安全性檢查；

(6) 定期檢查和檢測(cè)防雷防靜電設(shè)施及附件設(shè)備，保證其符合安全規(guī)定；

(7) 嚴(yán)禁使用鐵器和用鐵器敲打地面和管線、設(shè)備；

(8) 嚴(yán)格控制LNG輸入與輸出的工藝參數(shù)，預(yù)防儲(chǔ)罐超壓；

(9) 上崗必須穿戴符合安全規(guī)定的防靜電工作服和個(gè)體勞動(dòng)保護(hù)品。

4 結(jié)論

通過(guò)以上分析，可以清晰地體現(xiàn)了事故樹(shù)分析法簡(jiǎn)明、直觀、易懂、靈活、全面的特點(diǎn)，是對(duì)系統(tǒng)可靠性與安全性進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)的便捷、靈活、有效的方法。

建立了以“LNG儲(chǔ)罐火災(zāi)、爆炸”為頂事件的事故樹(shù)分析模型。本事故樹(shù)共考慮了24個(gè)不同的底事件。通過(guò)事故樹(shù)分析，得出了二階最小割集2個(gè)，三階最小割集36個(gè)，四階最小割集32個(gè)。通過(guò)最小割集定性分析，確定了LNG儲(chǔ)罐的薄弱環(huán)節(jié)，并通過(guò)計(jì)算底事件的結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)，確定了系統(tǒng)的薄弱點(diǎn)。

通過(guò)進(jìn)一步分析，確定了引起LNG儲(chǔ)罐火災(zāi)、爆炸的主要關(guān)鍵因素，即是LNG泄漏、罐區(qū)內(nèi)有火源和罐體安全附件的失效，并在此基礎(chǔ)上分析了引起這些原因的底事件，提出了相應(yīng)的安全措施，為預(yù)防或減少LNG儲(chǔ)罐火災(zāi)、爆炸提供了一定的幫助。

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作者介紹：

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

聯(lián)系方式：

湖南長(zhǎng)沙，中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，研究生信箱，于庭安收，410083

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

蠟筆小辛

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