周德紅　李文　馮豪　劉越　張明

(1.武漢工程大學(xué)資源與土木工程學(xué)院　武漢 430073；　2.湖北省安全生產(chǎn)宣傳教育中心　武漢 430071)

?

事故樹分析法在LNG儲存系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估中的應(yīng)用*

周德紅1李文1馮豪1劉越2張明2

(1.武漢工程大學(xué)資源與土木工程學(xué)院武漢 430073；2.湖北省安全生產(chǎn)宣傳教育中心武漢 430071)

摘要風(fēng)險(xiǎn)評估是液化天然氣(LNG)儲存系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)管理的重要環(huán)節(jié)。本文運(yùn)用事故樹分析法對LNG儲存系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估，系統(tǒng)全面地找出引起LNG儲存系統(tǒng)發(fā)生火災(zāi)爆炸事故的所有原因事件，并分析基本事件的結(jié)構(gòu)重要度。避免LNG儲罐發(fā)生火災(zāi)爆炸事故應(yīng)該主要從控制火源和超壓兩個(gè)方面入手，從而達(dá)到預(yù)防LNG儲存系統(tǒng)火災(zāi)、爆炸事故發(fā)生的目的。

關(guān)鍵詞事故樹液化天然氣儲存系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估

0引言

LNG(Liquefied Natural Gas)即液化天然氣，天然氣液化后可以大大節(jié)約儲運(yùn)空間和成本，而且具有熱值大、性能高等特點(diǎn)，同時(shí)在液化過程中，能除去雜質(zhì)，是優(yōu)質(zhì)、清潔、高效、方便的綠色燃料，被認(rèn)為是地球上最干凈的化石能源。LNG屬于易燃、易爆危險(xiǎn)化學(xué)品，所以生產(chǎn)、加工、處理、儲存、運(yùn)輸、經(jīng)營過程中時(shí)刻存在著安全威脅，特別是人類在利用LNG能源過程中，LNG儲存系統(tǒng)存在的危險(xiǎn)性日漸突出，一旦發(fā)生事故，極易造成人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失和環(huán)境破壞。因此，對LNG儲存系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)全面的風(fēng)險(xiǎn)分析是十分必要的。

1LNG儲存系統(tǒng)的危險(xiǎn)性

LNG儲罐是LNG儲存工藝系統(tǒng)中的核心設(shè)備，LNG儲罐的形式可分為地上式儲罐、地下式儲罐、半地下式儲罐和坑內(nèi)式儲罐。LNG的主要成份：甲烷，化學(xué)名稱為CH4，還有少量的乙烷C2H6、丙烷C3H8以及N2等其他成份組成；臨界溫度：-82.3 ℃；臨界壓力：45.8 kg/cm3；沸點(diǎn)：-162.5 ℃；熔點(diǎn)：-182 ℃；著火點(diǎn)：650 ℃；液態(tài)密度：0.455 t/m3；氣態(tài)密度：0.688 kg/Nm3；氣態(tài)熱值：9 100 kcal/m3；液態(tài)熱值：12 000 kcal/kg；爆炸范圍：上限為15%，下限為5%；主要危險(xiǎn)性：凍傷、火災(zāi)、爆炸、靜電荷積蓄、膨脹、窒息。

LNG儲罐的危險(xiǎn)性分析見表1。

翻滾事故主要是由于儲罐中的LNG存在密度差，導(dǎo)致分層；火災(zāi)爆炸危險(xiǎn)主要是由于存在泄漏和點(diǎn)火源；高壓危險(xiǎn)主要是由于產(chǎn)生大量的蒸發(fā)氣且不能正常卸壓；低溫危險(xiǎn)主要是由于沒有采取有效的隔熱措施，沒有配戴必要的防護(hù)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。在整個(gè)儲存系統(tǒng)中，泄漏主要發(fā)生在儲罐、閥門、管線處。在所有的危險(xiǎn)中，發(fā)生火災(zāi)、爆炸事故的可能性最大，事故的后果最嚴(yán)重，因此，有必要針對火災(zāi)爆炸危險(xiǎn)作進(jìn)一步深入研究，以便采取更加有效的預(yù)防與控制措施進(jìn)行管理，避免事故的發(fā)生。

2LNG儲罐火災(zāi)爆炸事故樹分析

在對LNG儲罐風(fēng)險(xiǎn)評估過程中，針對LNG儲罐火災(zāi)爆炸的危險(xiǎn)性，選用事故樹分析法對其進(jìn)行定性與定量分析，以“LNG儲罐火災(zāi)爆炸”為頂上事件，逐層向下分析，進(jìn)而找出所有導(dǎo)致頂上事件發(fā)生的基本原因事件，繪制的事故樹見圖1。

圖1　LNG儲罐火災(zāi)爆炸事故樹

2.1最小割集的計(jì)算

依據(jù)布爾代數(shù)化簡，得出LNG儲罐火災(zāi)爆炸的最小割集為：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。

結(jié)果表明，LNG儲罐火災(zāi)、爆炸事故樹有2個(gè)二階最小割集；150個(gè)三階最小割集；120個(gè)四階最小割集。由割集理論可知，一般情況下，割集為系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)[1]，直接影響著系統(tǒng)的安全性、可靠性。割集出現(xiàn)次數(shù)最多的因素，其結(jié)構(gòu)重要度也就越大。

2.2基本事件結(jié)構(gòu)重要度分析

此處采用如下近似公式計(jì)算事故樹中各基本事件的結(jié)構(gòu)重要度：

式中，nj為第j個(gè)基本事件所在最小割集Kj的基本事件總數(shù)；IΦ(i)為第i個(gè)基本事件的結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)[2]。

=0.986 636 539

=0.981 792 865

各基本事件的結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)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)

由分析結(jié)果可知，IΦ(1)、IΦ(2)、IΦ(3)值最大；IΦ(4)～I(xiàn)Φ(8)次之；IΦ(15)、IΦ(22)再次；IΦ(9)～I(xiàn)Φ(14)、IΦ(20)、IΦ(21)、IΦ(24)、IΦ(25)在結(jié)構(gòu)重要度的排序中的數(shù)值也比較大，其他基本事件的結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)相對較小。

2.3結(jié)果分析

從事故樹分析可以看出，要防止LNG儲罐發(fā)生火災(zāi)、爆炸事故，應(yīng)該主要從火源引起爆炸和儲罐超壓爆炸兩個(gè)方面入手，防止各基本事件的發(fā)生，特別是從結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)大的基本事件入手，如“無排風(fēng)設(shè)施”、“排風(fēng)設(shè)施損壞”、“未定時(shí)排風(fēng)”、“管線破裂”、“閥門破裂”、“法蘭密封失效”、“儲罐破裂”、“誤操作泄漏”、“使用未帶阻火器汽車”、“罐區(qū)內(nèi)吸煙”、“違章動火”、“使用電子通信工具”、“未使用防爆電器”、“防爆電器損壞”、“儲罐壓力超過極限”等基本事件，從而達(dá)到預(yù)防LNG儲罐火災(zāi)、爆炸事故發(fā)生的目的。

3結(jié)論

筆者對LNG儲存系統(tǒng)潛在的危險(xiǎn)性進(jìn)行了分析，系統(tǒng)中存在的主要危險(xiǎn)、有害因素有LNG翻滾事故、火災(zāi)爆炸、高壓、低溫、中毒窒息、噪聲，其中危險(xiǎn)等級最高的為火災(zāi)、爆炸；針對潛在的火災(zāi)爆炸危害選用了事故樹分析法，系統(tǒng)全面地找出了引起LNG儲罐發(fā)生火災(zāi)爆炸事故的所有原因事件(如未定時(shí)排風(fēng)、管線破裂、罐體損壞、誤操作LNG泄漏等)，并計(jì)算出了最小割集，分析了結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)。對于提高LNG儲存系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)控制、應(yīng)急管理水平有十分重要的積極意義，也對LNG儲存系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估提供決策和技術(shù)支撐。

參考文獻(xiàn)

[1]徐志勝,姜學(xué)鵬.安全系統(tǒng)工程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[2]伍良.城市燃?xì)馐鹿曙L(fēng)險(xiǎn)評價(jià)研究[D].福州：福州大學(xué)，2002：2-6.

*基金項(xiàng)目：2015年安全生產(chǎn)重大事故防治關(guān)鍵技術(shù)科技項(xiàng)目(hubei-0008-2015AQ)，湖北省教育廳2014年度高校青年教師深入企業(yè)行動計(jì)劃項(xiàng)目(XD2014132)，武漢工程大學(xué)2014年研究生教育改革研究項(xiàng)目(yjg201407)。

作者簡介周德紅，博士，副教授，注冊安全工程師、注冊安全評價(jià)師、注冊環(huán)境影響評價(jià)師，主要研究方向?yàn)榘踩到y(tǒng)理論與應(yīng)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