事故树分析法在LNG储存系统风险评估中的应用*

周德红　李文　冯豪　刘越　张明

(1.武汉工程大学资源与土木工程学院　武汉 430073；　2.湖北省安全生产宣传教育中心　武汉 430071)



事故树分析法在LNG储存系统风险评估中的应用*

周德红1李文1冯豪1刘越2张明2

(1.武汉工程大学资源与土木工程学院武汉 430073；2.湖北省安全生产宣传教育中心武汉 430071)

摘要风险评估是液化天然气(LNG)储存系统风险管理的重要环节。本文运用事故树分析法对LNG储存系统进行风险评估，系统全面地找出引起LNG储存系统发生火灾爆炸事故的所有原因事件，并分析基本事件的结构重要度。避免LNG储罐发生火灾爆炸事故应该主要从控制火源和超压两个方面入手，从而达到预防LNG储存系统火灾、爆炸事故发生的目的。

关键词事故树液化天然气储存系统风险评估

0引言

LNG(Liquefied Natural Gas)即液化天然气，天然气液化后可以大大节约储运空间和成本，而且具有热值大、性能高等特点，同时在液化过程中，能除去杂质，是优质、清洁、高效、方便的绿色燃料，被认为是地球上最干净的化石能源。LNG属于易燃、易爆危险化学品，所以生产、加工、处理、储存、运输、经营过程中时刻存在着安全威胁，特别是人类在利用LNG能源过程中，LNG储存系统存在的危险性日渐突出，一旦发生事故，极易造成人员伤亡、财产损失和环境破坏。因此，对LNG储存系统进行系统全面的风险分析是十分必要的。

1LNG储存系统的危险性

LNG储罐是LNG储存工艺系统中的核心设备，LNG储罐的形式可分为地上式储罐、地下式储罐、半地下式储罐和坑内式储罐。LNG的主要成份：甲烷，化学名称为CH4，还有少量的乙烷C2H6、丙烷C3H8以及N2等其他成份组成；临界温度：-82.3 ℃；临界压力：45.8 kg/cm3；沸点：-162.5 ℃；熔点：-182 ℃；着火点：650 ℃；液态密度：0.455 t/m3；气态密度：0.688 kg/Nm3；气态热值：9 100 kcal/m3；液态热值：12 000 kcal/kg；爆炸范围：上限为15%，下限为5%；主要危险性：冻伤、火灾、爆炸、静电荷积蓄、膨胀、窒息。

LNG储罐的危险性分析见表1。

翻滚事故主要是由于储罐中的LNG存在密度差，导致分层；火灾爆炸危险主要是由于存在泄漏和点火源；高压危险主要是由于产生大量的蒸发气且不能正常卸压；低温危险主要是由于没有采取有效的隔热措施，没有配戴必要的防护用品；中毒窒息主要是由于泄漏且未戴防毒面具或防毒面具失效。在整个储存系统中，泄漏主要发生在储罐、阀门、管线处。在所有的危险中，发生火灾、爆炸事故的可能性最大，事故的后果最严重，因此，有必要针对火灾爆炸危险作进一步深入研究，以便采取更加有效的预防与控制措施进行管理，避免事故的发生。

2LNG储罐火灾爆炸事故树分析

在对LNG储罐风险评估过程中，针对LNG储罐火灾爆炸的危险性，选用事故树分析法对其进行定性与定量分析，以“LNG储罐火灾爆炸”为顶上事件，逐层向下分析，进而找出所有导致顶上事件发生的基本原因事件，绘制的事故树见图1。

图1　LNG储罐火灾爆炸事故树

2.1最小割集的计算

依据布尔代数化简，得出LNG储罐火灾爆炸的最小割集为：X1X4X9，X1X4X10，X1X4X11，X1X4X12，X1X4X13，X1X4X14，X1X4X15X16，X1X4X15X17，X1X4X15X18，X1X4X15X19，X1X4X20，X1X4X21，X1X4X22X17，X1X4X22X18，X1X4X22X19，X1X4X22X23，X1X4X24，X1X4X25；X1X5X9，X1X5X10，X1X5X11，X1X5X12，X1X5X13，X1X5X14，X1X5X15X16，X1X5X15X17，X1X5X15X18，X1X5X15X19，X1X5X20，X1X5X21，X1X5X22X17，X1X5X22X18，X1X5X22X19，X1X5X22X23，X1X5X24，X1X5X25；X1X6X9，X1X6X10，X1X6X11，X1X6X12，X1X6X13，X1X6X14，X1X6X15X16，X1X6X15X17，X1X6X15X18，X1X6X15X19，X1X6X20，X1X6X21，X1X6X22X17，X1X6X22X18，X1X6X22X19，X1X6X22X23，X1X6X24，X1X6X25；X1X7X9，X1X7X10，X1X7X11，X1X7X12，X1X7X13，X1X7X14，X1X7X15X16，X1X7X15X17，X1X7X15X18，X1X7X15X19，X1X7X20，X1X7X21，X1X7X22X17，X1X7X22X18，X1X7X22X19，X1X7X22X23，X1X7X24，X1X7X25；X1X8X9，X1X8X10，X1X8X11，X1X8X12，X1X8X13，X1X8X14，X1X8X15X16，X1X8X15X17，X1X8X15X18，X1X8X15X19，X1X8X20，X1X8X21，X1X8X22X17，X1X8X22X18，X1X8X22X19，X1X8X22X23，X1X8X24，X1X8X25；X2X4X9，X2X4X10，X2X4X11，X2X4X12，X2X4X13，X2X4X14，X2X4X15X16，X2X4X15X17，X2X4X15X18，X2X4X15X19，X2X4X20，X2X4X21，X2X4X22X17，X2X4X22X18，X2X4X22X19，X2X4X22X23，X2X4X24，X2X4X25；X2X5X9，X2X5X10，X2X5X11，X2X5X12，X2X5X13，X2X5X14，X2X5X15X16，X2X5X15X17，X2X5X15X18，X2X5X15X19，X2X5X20，X2X5X21，X2X5X22X17，X2X5X22X18，X2X5X22X19，X2X5X22X23，X2X5X24，X2X5X25；X2X6X9，X2X6X10，X2X6X11，X2X6X12，X2X6X13，X2X6X14，X2X6X15X16，X2X6X15X17，X2X6X15X18，X2X6X15X19，X2X6X20，X2X6X21，X2X6X22X17，X2X6X22X18，X2X6X22X19，X2X6X22X23，X2X6X24，X2X6X25；X2X7X9，X2X7X10，X2X7X11，X2X7X12，X2X7X13，X2X7X14，X2X7X15X16，X2X7X15X17，X2X7X15X18，X2X7X15X19，X2X7X20，X2X7X21，X2X7X22X17，X2X7X22X18，X2X7X22X19，X2X7X22X23，X2X7X24，X2X7X25；X2X8X9，X2X8X10，X2X8X11，X2X8X12，X2X8X13，X2X8X14，X2X8X15X16，X2X8X15X17，X2X8X15X18，X2X8X15X19，X2X8X20，X2X8X21，X2X8X22X17，X2X8X22X18，X2X8X22X19，X2X8X22X23，X2X8X24，X2X8X25；X3X4X9，X3X4X10，X3X4X11，X3X4X12，X3X4X13，X3X4X14，X3X4X15X16，X3X4X15X17，X3X4X15X18，X3X4X15X19，X3X4X20，X3X4X21，X3X4X22X17，X3X4X22X18，X3X4X22X19，X3X4X22X23，X3X4X24，X3X4X25；X3X5X9，X3X5X10，X3X5X11，X3X5X12，X3X5X13，X3X5X14，X3X5X15X16，X3X5X15X17，X3X5X15X18，X3X5X15X19，X3X5X20，X3X5X21，X3X5X22X17，X3X5X22X18，X3X5X22X19，X3X5X22X23，X3X5X24，X3X5X25；X3X6X9，X3X6X10，X3X6X11，X3X6X12，X3X6X13，X3X6X14，X3X6X15X16，X3X6X15X17，X3X6X15X18，X3X6X15X19，X3X6X20，X3X6X21，X3X6X22X17，X3X6X22X18，X3X6X22X19，X3X6X22X23，X3X6X24，X3X6X25；X3X7X9，X3X7X10，X3X7X11，X3X7X12，X3X7X13，X3X7X14，X3X7X15X16，X3X7X15X17，X3X7X15X18，X3X7X15X19，X3X7X20，X3X7X21，X3X7X22X17，X3X7X22X18，X3X7X22X19，X3X7X22X23，X3X7X24，X3X7X25；X3X8X9，X3X8X10，X3X8X11，X3X8X12，X3X8X13，X3X8X14，X3X8X15X16，X3X8X15X17，X3X8X15X18，X3X8X15X19，X3X8X20，X3X8X21，X3X8X22X17，X3X8X22X18，X3X8X22X19，X3X8X22X23，X3X8X24，X3X8X25；X26X27；X26X28。

结果表明，LNG储罐火灾、爆炸事故树有2个二阶最小割集；150个三阶最小割集；120个四阶最小割集。由割集理论可知，一般情况下，割集为系统的薄弱环节[1]，直接影响着系统的安全性、可靠性。割集出现次数最多的因素，其结构重要度也就越大。

2.2基本事件结构重要度分析

此处采用如下近似公式计算事故树中各基本事件的结构重要度：

式中，nj为第j个基本事件所在最小割集Kj的基本事件总数；IΦ(i)为第i个基本事件的结构重要度系数[2]。

=0.986 636 539

=0.981 792 865

各基本事件的结构重要度系数大小排序如下：

IΦ(1)=IΦ(2)=IΦ(3)>IΦ(4)=IΦ(5)=IΦ(6)=IΦ(7)=IΦ(8)>IΦ(15)=IΦ(22)>IΦ(9)=IΦ(10)=IΦ(11)=IΦ(12)=IΦ(13)=IΦ(14)=IΦ(20)=IΦ(21)=IΦ(24)=IΦ(25)>IΦ(17)=IΦ(18)=IΦ(19)>IΦ(16)=IΦ(23)>IΦ(26)>IΦ(27)=IΦ(28)

由分析结果可知，IΦ(1)、IΦ(2)、IΦ(3)值最大；IΦ(4)～IΦ(8)次之；IΦ(15)、IΦ(22)再次；IΦ(9)～IΦ(14)、IΦ(20)、IΦ(21)、IΦ(24)、IΦ(25)在结构重要度的排序中的数值也比较大，其他基本事件的结构重要度系数相对较小。

2.3结果分析

从事故树分析可以看出，要防止LNG储罐发生火灾、爆炸事故，应该主要从火源引起爆炸和储罐超压爆炸两个方面入手，防止各基本事件的发生，特别是从结构重要度系数大的基本事件入手，如“无排风设施”、“排风设施损坏”、“未定时排风”、“管线破裂”、“阀门破裂”、“法兰密封失效”、“储罐破裂”、“误操作泄漏”、“使用未带阻火器汽车”、“罐区内吸烟”、“违章动火”、“使用电子通信工具”、“未使用防爆电器”、“防爆电器损坏”、“储罐压力超过极限”等基本事件，从而达到预防LNG储罐火灾、爆炸事故发生的目的。

3结论

笔者对LNG储存系统潜在的危险性进行了分析，系统中存在的主要危险、有害因素有LNG翻滚事故、火灾爆炸、高压、低温、中毒窒息、噪声，其中危险等级最高的为火灾、爆炸；针对潜在的火灾爆炸危害选用了事故树分析法，系统全面地找出了引起LNG储罐发生火灾爆炸事故的所有原因事件(如未定时排风、管线破裂、罐体损坏、误操作LNG泄漏等)，并计算出了最小割集，分析了结构重要度系数。对于提高LNG储存系统的风险控制、应急管理水平有十分重要的积极意义，也对LNG储存系统进行风险评估提供决策和技术支撑。

参考文献

[1]徐志胜,姜学鹏.安全系统工程[M].北京：机械工业出版社，2012.

[2]伍良.城市燃气事故风险评价研究[D].福州：福州大学，2002：2-6.

*基金项目：2015年安全生产重大事故防治关键技术科技项目(hubei-0008-2015AQ)，湖北省教育厅2014年度高校青年教师深入企业行动计划项目(XD2014132)，武汉工程大学2014年研究生教育改革研究项目(yjg201407)。

作者简介周德红，博士，副教授，注册安全工程师、注册安全评价师、注册环境影响评价师，主要研究方向为安全系统理论与应用。

(收稿日期：2015-01-30)

Application of Fault Tree Analysis Method in Risk Assessment for LNG Storage System

ZHOU Dehong1LI Wen1FENG Hao1LIU Yue2ZHANG Ming2

(1.SchoolofResourceandCivilEngineering,WuhanInstituteofTechnologyWuhan430073)

AbstractRisk assessment is an important part of risk management for liquefied natural gas (LNG) storage system. The paper assesses LNG storage system with fault tree analysis method, systematically and comprehensively identifies all-cause events for fire and explosion accidents of LNG storage system, and analyzes the structure importance for basic events. We should avoid fire and explosion accidents of LNG storage tanks from two aspects, control fire and overpressure, so as to achieve the purpose of fire and explosion accidents prevention.

Key Wordsfault treeliquefied natural gasstorage systemrisk assessment