基于Bow-tie模型的LNG儲罐安全分析

范仲輝 臧鵬蕓

（張家港中集圣達因低溫裝備有限公司）

0 引言

Bow-tie 分析法（蝴蝶結分析法，BTA）最早由英國帝國化學公司在 20 世紀70 年代末提出，之后由殼牌集團發展為一種廣泛應用于安全分析的方法[1]。現在，該方法已用于眾多行業的安全管理工作[2]。

燃氣是中國實現“雙碳”目標的主力軍，我國已建成規模龐大的天然氣基礎設施體系[3]。LNG 儲罐是液化天然氣應用鏈環中的重要設備，由于LNG 本身特性，需對LNG 儲罐做充分的安全分析。

專家學者們[4-6]運用HAZID、HAZOP、全生命周期管理等方法，分析了LNG 大型儲罐、LNG 加氣站等設備投入運行后可能出現的危險因素,并提出了相應的預防和管控措施，目前還未有基于Bow-tie 模型對出廠前LNG 儲罐進行安全分析的專著。目前已有專著論述主要集中在泄漏風險，未詳細考慮更嚴重的風險，如坍塌、火災、爆炸等。

本文以LNG 儲罐投入使用后可能出現的事故（即泄漏、罐體破損、真空失效、環境腐蝕、倒塌、安全附件失效、火災等）為例，基于Bow-tie 模型對以上事故中的LNG 儲罐進行安全分析。分析事故發生的原因，對出廠前LNG 儲罐的設計、制造、檢驗過程提出建議，從而預防事故發生；分析事故導致的后果，并對事故發生后的相應措施提出建議。

1 Bow-tie模型

Bow-tie 模型由事件原因、中心事件和事件后果組成[7]，其一般結構可見圖1，為與門，為或門，BR 為防止原因發生的攔截措施，BE 為防止后果發生的攔截措施。

圖1 Bow－Tie 模型一般結構

2 安全分析

2.1 E0為泄漏

R1：內容器泄漏；R2：外殼泄漏；R3：外部管道及其附件泄漏。

BR11：內容器進行耐壓試驗。BR21：外殼套裝后進行氦檢漏。BR22：外殼防爆裝置蓋板采用不銹鋼材料，防止蓋板銹蝕。密封圈采用優質材料，防止密封圈老化。BR31：管路的設計結構應考慮熱脹冷縮，機械顫動，振動所引起的損壞，必要時考慮設置補償結構。BR32：管路的公稱壓力不小于內容器工作壓力的2 倍。且保證在4 倍的內容器工作壓力下不破裂。BR33：管路上法蘭組件的壓力等級應與管路的壓力等級相匹配。BR34：管子與管件的連接應采用焊接形式，并優先采用全焊透的對接接頭形式。BR35：管路進行耐壓試驗和氣密試驗。BR36：管路上設置可遠程操作的緊急切斷閥。BR37：定期檢修。

E1：內容器少量泄漏時，LNG 會從漏點不停外泄進入夾層空間，導致夾層空間的真空逐漸減弱。E2：外殼少量泄漏時，外部大氣會從漏點不停內泄進入夾層空間，同樣導致夾層空間的真空逐漸減弱。LNG 儲罐夾層空間真空喪失，保冷性能大打折扣，罐內LNG 汽化引起儲罐升壓，導致LNG 頻繁排放，造成能源浪費、經濟損失，及可能更嚴重的事故。

BE1，液化天然氣泄漏堵漏一般措施：停止輸送液化天然氣或關閉與泄漏點相鄰部位的閥門，切斷泄漏源。對于外部管道或外殼孔洞性泄漏，應使用專用外封式、捆綁式充氣堵漏工具進行堵漏，或用木鍥、硬質橡膠塞封堵。法蘭泄漏時，應使用無火花工具緊固螺栓。若因法蘭墊圈老化導致帶壓泄漏，應用專用法蘭夾具堵漏，并在螺栓預留孔高壓注射高封膠堵漏。外殼撕裂泄漏時，應采用專用捆綁堵漏工具封堵和橡膠塞加充氣器具進行封堵。當少量天然氣泄漏時，針對天然氣蒸發吸熱特性，可用水槍向泄漏處噴水，降低泄漏處壓力，減少泄漏量。少量泄漏可用膠泥、石棉等物料封堵或用濕棉被纏裹泄漏閥門、管道，也可用抱箍夾緊。必要時進行LNG 導罐減少泄漏量。BE2，LNG 儲罐根部閥出現裂紋發生泄漏：先將濕的棉被包住泄漏的閥門，使之冰凍以阻止泄漏。或采用打卡子的處理辦法對泄漏處進行封堵，控制泄漏氣量。如上述處理基本能控制泄漏,應及時將該LNG儲罐對管網進行供氣或將LNG 導入相鄰空LNG 儲罐或罐車。如不能封堵住泄漏口，進行LNG 導罐從而減少泄漏。當導罐增壓導致漏量增大的情況，應停止給LNG 儲罐增壓導罐。在確保安全前提下，可酌情對LNG 儲罐進行氣相放空降壓，密切注意風向變化，控制放散量。操作人員迅速撤退到警戒線以外，切斷電源，停止運行。儲罐內LNG 基本排空后，對空罐進行置換并檢測，確認其符合安全標準后，進行搶修，更換相同型號的閥門或閥墊。BE3，LNG 儲罐非根部閥出現裂紋發生泄漏：如凍裂閥體在兩閥之間，應關閉兩端閥門，打開兩端閥門間的自動或手動放空閥，放盡管道內的殘液和殘氣。用冷切割方式（如旋轉割刀或鋼鋸進行）割下故障閥門，更換相同型號的閥門。BE4，LNG 儲罐閥門閥桿密封泄漏：用無火花工具扳手緊固閥桿上密封的緊固螺栓。如LNG 儲罐根部閥緊固后仍然泄漏，應按LNG 儲罐根部閥裂紋的處理辦法進行處理。非LNG 儲罐根部閥閥桿密封泄漏，應關閉該閥的上、下游閥，將管道內的殘余氣體通過放空管線放空，并恢復閥門的溫度至常溫，進行閥門的維修工作。如閥門密封處出現泄漏，先擰緊密封螺母，查看泄漏是否停止，然后拆下閥門，如閥門部件有庫存，可直接用新的閥門取代有故障的閥門。

2.2 E0為罐體破損

R1：充裝過量；R2：超壓；R3：暖罐充裝前未進行預冷；R4：誤操作；R5：地震、風載或雪載過大。

BR11: 設計時設置防過充裝置，設置液位計和溢流管對充裝過程進行控制。BR21: 設計時設置壓力表和安全閥等安全附件。BR31: 儲罐初次使用或恢復常溫后再次使用時，用戶應嚴格按照操作手冊上的規定先進行預冷，再使用。BR41: 用戶應嚴格按照操作手冊上的規定進行操作。BR51: 設計階段考慮項目使用地的地震、風載、雪載等載荷。BR6:使用單位應定期分析LNG 儲罐安全狀況，編制事故應急救援預案。

E1：導致LNG 大量泄漏并立即蒸發，最初LNG比空氣重，蒸汽與空氣的混合物形成云團。這個混合氣的蒸氣云團一旦遇到火源就很容易起火爆炸，并且迅速向泄漏處回火燃燒。LNG 燃燒時會產生大量的熱輻射，事故罐體及其周圍其他設施都容易遭到熱輻射的嚴重破壞。

BE1，當LNG 儲罐內膽破裂，低溫液體流出導致碳鋼外罐壁凍裂，造成無法控制的大量LNG 溢出，按以下要求進行：立即關閉LNG 儲罐的所有進出口閥門（利用手動閥門或氣動緊急切斷閥），全站停止運行，迅速切斷總電源。按應急預案要求快速上報，且應立即報警。應當通過攔蓄設施（堤）、地形或其他方式把溢出的LNG 引到安全的地方，防止LNG 流入下水道、排水溝、水渠或任何有蓋板的溝渠中。立即派警戒人員禁止LNG 氣化站周圍一切車輛和行人通行，禁止一切明火，做好現場維護，組織好與搶險無關人員向安全地點（上風方向）撤離，禁止人員在下風區停留，組織附近居民向安全地點疏散，做好消防滅火準備。當LNG 揮發速度過快時，應當使用泡沫滅火器覆蓋LNG 表面，減緩LNG 揮發速度，降低空氣中天然氣的濃度。根據泄漏情況，可考慮采用鼓風機進行驅趕，加快其蒸發的速度，避免低溫氣體富集。配合公安，消防人員設置警戒區域，控制一切火源，進行現場監控，保證天然氣安全放散。如果罐體有異常響聲，LNG 儲罐可能發生物理爆炸，應迅速組織搶險人員撤離現場。當發生大量泄漏，或事態無法控制，或有跡象表明事態失控時應立即報警，當地政府應急指揮人員決定是否啟動本地區的應急預案。

2.3 E0為真空失效

R1：內容器泄漏；R2：外殼泄漏；R3：夾層存在漏氣和放氣；R4：運輸中磕碰。

BR11/21：從設計上保證容器本體及夾層管路的密封性能和可靠性；夾層內設置吸附裝置，以保證罐體的真空壽命；控制焊接缺陷，并對焊縫進行無損檢測。BR31：夾層內設置低溫吸附裝劑，常溫吸附劑，控制夾層漏、放氣速率，保證罐體的真空壽命。出廠前進行真空度檢查。BR41：容器運輸過程中應注意控制車速，防止容器損壞。

E1：LNG 儲罐夾層空間真空喪失，保冷性能大打折扣，罐內LNG 汽化引起儲罐升壓，導致LNG 頻繁排放，造成能源浪費、經濟損失，可能導致更嚴重的事故。

BE11：操作人員應按安全操作規程及時對罐內進行卸壓，并通知單位管理、應急搶險人員，將罐內介質排出或轉運；指揮人員根據情況是否啟動本單位應急預案。BE2：定期對罐內真空度進行檢測，有異常時應及時反饋。

2.4 E0為環境腐蝕

R1：碳鋼外殼長期暴露在大氣環境中會發生銹蝕，長期銹蝕會導致外殼減薄甚至出現漏點。

BR11：外殼外表面進行噴砂除銹，外部刷防腐油漆。運輸過程中磕碰損傷的部位應及時進行補漆。

E1：外殼減薄可能導致外殼受外部載荷而破損坍塌，進而導致嚴重事故。外殼出現漏點，LNG 儲罐夾層空間真空喪失，保冷性能大打折扣，罐內LNG 汽化引起儲罐升壓，導致LNG 頻繁排放，造成能源浪費、經濟損失，可能導致更嚴重的事故。

BE1：定期對外殼外表面進行檢查。

2.5 E0為倒塌

R1：使用過程中可能受到地震、風載或雪載等不可抗力；R2：安裝時由于支腿以及基礎的不平度、LNG 儲罐的垂直度等。

BR11：設計階段考慮項目使用地的地震、風載、雪載等載荷，通過安全設計，確保儲罐的支撐結構及支腿的強度滿足要求。選用足夠強度的地腳螺栓對LNG 儲罐進行固定，并確保LNG 儲罐基礎的強度。LNG 儲罐與其他設備之間留出安全距離。BR21：按照GB 150—2011《壓力容器》、GB/T 18442—2019《固定式真空絕熱深冷壓力容器》、HG/T 20584—2020《鋼制化工容器制造技術規范》等標準、規范的規定，在LNG 儲罐圖紙上明確支腿底板的不平度、傾斜度、容器的直線度、垂直度等公差要求。

E1 可參考4.2 E0 為罐體破損的后果E1。

BE1 可參考4.2 E0 為罐體破損的攔截措施BE1。

2.6 E0為安全附件失效

R1：安全附件失效，如泄漏，或無法回座。

BR11： 按GB150—2011、GB/T 18442—2019、TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術監察規程》等標準、規范的規定選用安全附件。安全閥等輔助泄放裝置應一臺使用一臺備用。儲罐與安全附件之間一般不得設置截斷閥；若設置截斷閥，則該閥必須處于全開狀態并鉛封或鎖住。安全附件定期校驗，提前對安全附件的失效進行報警。BR2：設計時合理布置安全附件及其管線，安全附件的入口管線應盡量短而直，出口的泄放管線應在適當位置開設排泄孔防止堵塞。

E1：LNG 儲罐壓力持續降低，損失大量天然氣。可能引發人員窒息，或高速天然氣排放積聚導致爆炸等次生災害。導致LNG 儲罐失去壓力防護屏障，可能引發超壓爆炸。BE1：把出問題的安全附件調到備用狀態，進行維護或者更換。

2.7 E0為火災

R1：靜電；R2：發生泄漏并遇到明火。

BR11：按GB/T 18442—2019 標準設置接地裝置。通過使用工況設計管徑，控制液體流速不超過1 m/s。設置消防系統，如按GB 50156—2021《汽車加油加氣加氫站技術標準》設置噴淋消防水系統。BR21 可參考4.1 E0 為泄漏的攔截措施。LNG 儲罐周圍嚴禁明火。

E1：LNG 燃燒時會產生大量的熱輻射，事故罐體及其周圍其他設施都容易遭到熱輻射的嚴重破壞。BE11，LNG 儲罐著火：按應急預案要求快速上報，且及時報警。對著火LNG 儲罐，按《液化天然氣的滅火技術要求》進行。對著火LNG 儲罐附近的LNG儲罐的進行噴淋降溫，噴淋重點為儲量最多的LNG儲罐。隨時監測爆炸濃度及范圍，并根據擴散情況，進一步擴大警戒范圍。立即派警戒人員禁止LNG 氣化站周圍一切車輛和行人通行，禁止一切明火，做好現場維護，組織與搶險無關人員向安全地點（上風方向）撤離，組織附近居民向安全地點疏散。如果罐體有異常響聲，LNG 儲罐可能發生爆炸，應迅速組織搶險人員撤離現場。應當通過攔蓄設施（堤）、地形或其他方式把溢出的LNG 引到安全的地方，應防止LNG 流入下水道、排水溝、水渠或任何有蓋板的溝渠中。搶險救災組查明泄漏原因后，立即制定切實可行的搶修方案，準備好搶修工具，待滅火后及時有組織地進行現場搶修。BE12，罐區管道著火：迅速關閉LNG 儲罐進出口閥門，通過用泄漏管道兩端的閥門控制火勢。其他參要求照上述LNG 儲罐發生著火處置要求。BE2，爆炸：天然氣聚集區域都有可能引起爆炸，當發現罐內壓力異常時，應考慮適時打開放空閥進行泄壓，必須注意冷態氣體形成的白霧不能影響現場人員的安全，必要時可考慮直接通過氣相和液相排放管排出罐內介質。當爆炸無法避免時,應迅速設置隔離帶，將無關人員帶離現場。應急小組要迅速穿戴好防護用具，必要時可使用正壓式呼吸器，防止在處理時凍傷,灼傷,窒息。如水不可用于滅此類火。對于事態還在擴大不能有效控制的，應向上級部門請求救援。當地政府應急指揮人員決定是否啟動本地區的應急預案。

3 人員防護建議

3.1 人員要求

制定嚴格的管理制度和事故預防預案。安全管理人員和操作人員應當持有相應的特種設備作業證。使用單位應對與其相關的人員，包括應急救援人員，應定期進行安全教育和專業培訓，保證人員了解所充裝介質的性質、失效性和罐體的使用特性，具備必要的安全作業知識、作業技能，及時進行知識更新，確保作業人員掌握操作規定及事故應急措施，按章作業。

3.2 防護設備

應配備專用的防護服裝，防凍傷防護用品，在有效期內的消防器材以及必要的應急處理器材（如法蘭夾具、堵漏墊等帶壓堵漏器材）。劃分控制區和非控制區并有警示標識或標志。其他應急救援資源：高倍泡沫系統、干粉、二氧化碳等滅火機（劑）、水帶、消防泵等消防器材。正壓式呼吸器、可燃氣體檢測儀、風向儀、警戒帶（繩）等警戒保衛用器材。導液罐車（箱）等應急救援車輛（需要時）。通訊聯絡及保障設備。應急救援資金。

4 結語

由于其結構特點，Bow－tie 模型針對中心事件的分析具有雙向性和全面性的優點[8]。在工程實際應用中，不僅可以通過該模型針對某一中心事件進行一輪初步分析，還可以就分析后的結果（事件原因和事件后果的攔截措施）進行二輪深入分析。因為設備系統有其本身復雜特性及交互特性，許多中心事件的事件原因關聯緊密，事件后果類似，它們的攔截措施大多具有共通性，因此可以把這些類似的攔截措施進行合并，簡化模型的分析結果，提高分析結果在實際工程中的應用效率。

LNG 有其固有特性和潛在危險性，通過Bow-tie模型對LNG 儲罐安全分析，針對投入使用后可能出現的事故，對設計、制造、檢驗提出建議，有效防止事故發生；針對事故結果，對攔截措施、處理措施提出建議。可用于事前預防，又能指導事后響應，有效提升LNG 儲罐的本質安全。安全評估，健康體檢，從源頭和使用過程保證LNG 儲罐的安全性、可靠性。