关于LNG储罐连续型泄漏的动态风险分析

杨凌鹏 杜胜男 王卫强 王博 耿孝恒

1.辽宁石油化工大学石油天然气工程学院 2.滨州学院化工与安全学院

据统计，2018年中国LNG净进口增量为1 600×104t，占到全球增量的59.26%，位居世界第一。中国目前已建成投产20座LNG接收站， LNG储罐最大容积可达20×104m3。但由于LNG具有易燃、易爆及低温的高危特性，一旦发生储罐泄漏事故，将导致极其严重的后果，且其泄漏概率会随着环境和时间等因素不断发生变化。因此，分析LNG储罐失效原因和动态评价其风险水平，保障储罐的安全运行就显得极为重要。

为提高LNG储罐安全水平，国内外学者不断探索，王大庆等[1]和Kim等[2]针对LNG储罐泄漏问题建立事故树模型，分析了基本事件的结构重要度，探索了导致储罐泄漏的基本影响因素。刘芳等[3]结合事故树与事件树建立了LNG的蝴蝶结模型，定性分析了LNG储罐泄漏从基本影响因素到事故后果的因果关系，为新方法的运用奠定了基础。近两年，贝叶斯模型因其灵活的结构，得到了越来越多学者的关注，Mohammad Yazdi等[4]和Xinhong Li等[5]利用此方法对乙烯运输线单元和海底管道的风险问题进行了分析；戴梦等[6]和马欣等[7]也使用该方法初步对LNG接收站和储罐进行了安全评价。

目前，国内外针对LNG储罐安全评价工作整体上仍处于初步研究阶段，不可避免地具有一定的局限性，即：①结构较为简单，影响因素分析未趋于完善；②分析缺少针对性，与其余介质储罐安全分析的区别不明显。基于此，为了实现风险评价工作的3个目标：①识别项目或工作面临的主要风险及其可能性与范围；②识别风险的影响因素并确定优先等级；③推荐风险消减对策,利用贝叶斯模型和事故情景模拟来进行LNG储罐连续型泄漏的动态风险评价工作，并在分析结果的基础上提出相应的风险消减对策。

1 蝴蝶结模型应用

辽宁省某LNG接收站中1号储罐建成投产于2012年，其容积为16×104m3，操作温度和压力为-161.9～-158.7 ℃和18 kPa。

LNG储罐连续型泄漏主要由5个原因造成，即罐体自身破裂、附属管线及配件失效、第三方破坏，维护管理不当和设计缺陷造成。在此基础上，推理得出导致LNG储罐连续型泄漏的73个基本事件(Xi)和46个中间事件(IEi)。且该储罐共配有5套安全防护系统，分别为报警及自动停车系统(SB1)、立即点燃防护系统(SB2)、应急处理系统(SB3)，延迟点燃防护系统(SB4)和消防灭火系统(SB5)[8-11]，对应的失效概率分别为2.18×10-2、1.50×10-1、1.00×10-2、3.07×10-2和3.20×10-2。

表1 节点概率代号名称先验概率后验概率(修正前)后验概率(修正后)代号名称先验概率后验概率(修正前)后验概率(修正后)X1轴向导流器失效2.44×10-32.44×10-32.44×10-3X38台风5.35×10-36.35×10-15.77×10-1X2轴向扩压器阻塞6.52×10-36.52×10-36.52×10-3X39海啸7.24×10-68.59×10-47.80×10-5X3平衡装置失效4.65×10-44.65×10-44.65×10-4X40地震8.52×10-71.01×10-49.18×10-6X4进液阀失效6.36×10-26.36×10-26.36×10-2X41雷击9.36×10-61.11×10-31.01×10-4X5电气连接处密封差8.78×10-38.78×10-38.78×10-3X42山体滑坡1.59×10-51.89×10-31.71×10-4X6电机停运3.94×10-33.94×10-33.94×10-3X43液位控制器失灵3.04×10-25.57×10-23.11×10-2X7振动监测系统失效2.72×10-42.72×10-42.72×10-4X44液位计失灵1.87×10-21.87×10-21.87×10-2X8法兰腐蚀1.01×10-21.01×10-21.01×10-2X45误读液位计指数1.00×10-31.00×10-31.00×10-3X9法兰质量不合格6.16×10-36.16×10-36.16×10-3X46高位报警器失效4.00×10-34.00×10-34.00×10-3X10法兰未及时更换1.20×10-41.20×10-41.20×10-4X47培训规章不完善4.47×10-42.04×10-34.47×10-4X11排气安全阀失灵1.67×10-41.67×10-41.67×10-4X48未按规章培训6.29×10-32.87×10-26.85×10-3X12补焊造成的裂纹3.06×10-43.06×10-43.06×10-4X49非专业人员操作5.52×10-42.51×10-37.16×10-4X13管道材料抗腐蚀性差1.44×10-31.44×10-31.45×10-3X50罐体材料抗腐蚀性差1.56×10-31.56×10-31.56×10-3X14应力腐蚀6.72×10-36.72×10-31.05×10-2X51内涂层变薄1.80×10-31.80×10-31.80×10-3X15不当的作业方式1.98×10-21.98×10-21.98×10-2X52缓蚀剂失效8.92×10-48.92×10-48.92×10-4X16检修违章操作5.23×10-35.23×10-35.23×10-3X53阴极保护失效1.26×10-21.32×10-21.29×10-2X17仪器保养不到位3.47×10-23.47×10-23.47×10-2X54防腐绝缘层失效7.74×10-38.35×10-37.95×10-3X18安全管理条例不完善1.84×10-31.84×10-31.84×10-3X55土壤大气腐蚀性强5.35×10-25.41×10-25.38×10-2X19管理不规范4.61×10-24.61×10-24.61×10-2X56罐体吸热2.75×10-32.75×10-32.75×10-3X20安全措施未落实5.82×10-25.82×10-25.82×10-2X57火炬系统失效2.69×10-22.69×10-22.69×10-2X21选材不合理2.40×10-42.40×10-42.40×10-4X58控制仪表失灵7.42×10-57.42×10-57.42×10-5X22施工人员水平不达标4.72×10-34.72×10-34.72×10-3X59未严格履行操作规范要求3.23×10-33.23×10-33.23×10-3X23焊接缺陷5.16×10-65.16×10-65.16×10-6X60高压报警器失效2.18×10-32.18×10-32.18×10-3X24未严格验收6.30×10-46.30×10-46.30×10-4X61压力计失效2.39×10-32.39×10-32.39×10-3X25工艺布局不合理3.30×10-23.30×10-23.30×10-2X62大气压骤降1.00×10-21.00×10-21.00×10-2X26地基设计不合理4.53×10-34.53×10-34.53×10-3X63泄压阀失效关闭4.86×10-34.86×10-34.86×10-3X27选型不合理3.23×10-33.23×10-33.23×10-3X64回收压缩机失效6.92×10-66.92×10-66.92×10-6X28阀体阀盖接触不良8.50×10-38.50×10-39.16×10-2X65安全呼吸阀失效2.49×10-42.49×10-42.49×10-4X29阀杆加工粗糙5.68×10-55.68×10-55.68×10-5X66气源不同3.24×10-23.24×10-23.24×10-2X30阀杆磨损1.76×10-41.76×10-41.76×10-4X67循环泵失效3.55×10-33.55×10-33.55×10-3X31阀杆弯曲2.35×10-32.35×10-32.35×10-3X68管路堵塞7.61×10-37.61×10-37.61×10-3X32填料老化4.17×10-34.17×10-34.17×10-3X69真空调节阀失效2.12×10-52.12×10-52.12×10-5X33填料填充不合理6.24×10-56.24×10-56.24×10-5X70大气压骤升1.00×10-21.00×10-21.00×10-2X34阀体严重腐蚀3.83×10-32.04×10-25.20×10-3X71低压报警器失效2.50×10-42.50×10-42.50×10-4X35阀体应力腐蚀开裂3.68×10-25.28×10-23.81×10-2X72未及时开启电动球阀1.24×10-21.24×10-21.24×10-2X36外部超压冲击2.69×10-33.19×10-12.90×10-2X73电动球阀失效2.22×10-32.22×10-32.22×10-3X37外部热辐射冲击7.20×10-78.55×10-57.76×10-6

根据失效原因和不同安全屏障失效的组合类型得到如图1所示的LNG储罐连续型泄漏蝴蝶结模型(图中VCE代表蒸气云爆炸，此图仅展示基本结构，详细内容见贝叶斯模型)。基本事件和上述安全屏障的失效先验概率数据主要来自相关文献资料[1,3,6,12]，以及OREDA、CCPS等失效数据库[13-16]，少数无法获得精确数据来源的基本事件的先验概率根据专业知识由专家评分确定，数据见表1。

2 贝叶斯模型应用

基于前人提到的映射方法[17-18]，建立如图2所示的LNG储罐失效泄漏贝叶斯网络模型。

2.1 联合概率的修改

由工程实际和参阅文献资料可知[6-7,18]，有部分事件如腐蚀等具有多重状态，因此传统蝴蝶结模型中将事件均定义为二态性，即成功或者失效是不合理的。通过修改部分原因和子节点的CPT(联合概率表)，用多态性取代二态性，以更贴切地代表实际情况。例如，在原因事件员工培训不合格问题上，大多数情况下还是由于未完全严格遵守培训规章。因此，未按规章培训(X48)可分为3个状态，即在按照和完全未按照规章培训之间增加中间状态-未严格按规章培训。

节点多态性的修正会形成更多类型的组合，其关联的子节点CPT不再适用，须进一步修正。例如，在相同的阴极保护系统(X53)和绝缘防腐层质量(X54)的组合下，当土壤与大气腐蚀性愈变愈强时，储罐外腐蚀(IE27)的情况也会逐渐变差，直到前两者的组合发展为最差情况时，外腐蚀也会变得很严重，这是一个缓变的过程。修正后的各CPT见表2。表2中S、M和F分别代表合格、轻微或中等失效、严重或完全失效，其中修正值是根据LNG储罐特点和专家赋值确定的。

2.2 预测与诊断分析

2.2.1预测分析

利用贝叶斯软件得到的LNG储罐失效各主要事件概率见表3。

由表3可知，储罐泄漏的初始概率远大于各类事故发生概率，其中在各类事故中，接近安全C1发生概率远大于其余类型事故，为8.24×10-3(C1是由于泄漏造成的轻微事故，将其视作危害性事件)。在高危事故中，闪火和喷射火发生概率最高，是需重点防范的类型。

调整CPT会导致失效路径增加，故而各主要事件的发生概率相比修正前均有所增加，且增长倍数均为10.01。

表2 CPT修正表IE9IE23SFIE24SFSFS0.97000F0.03111IE26X50SFIE34SFSFS100.2770M010.7230.143F0000.857IE24X13SFX14SMFSMFS10.8830.34410.2650F00.1170.65600.7351IE40X47SFX48SMFSMFS10.6680.79110.6680F00.3320.20900.3321IE11IE26SMFIE27SMFSMFSMFS110.5110.1760.50.1760F000.5000.8240.50.8241IE17X22SFX23SFSFX24SFSFSFSFS0.9160.25710.13110.13110F0.0840.74300.86900.86901IE12X56SFIE28SFSFIE29SFSFSFSFX68SFSFSFSFSFSFSFSFS1111110.5190.2641111110.3470F0000000.4810.7360000000.6531IE27X53SFX54SFSFX55SMFSMFSMFSMFS110.8870.96100.0970.9860.2050.1210.35600M000.1130.03910.6380.0140.7950.5720.4810.3670F000000.265000.3070.1630.6331

表3 主要事件发生概率事件初始概率修正概率事件初始概率修正概率T8.42×10-39.28×10-2C51.51×10-61.67×10-5C18.24×10-39.07×10-2C64.64×10-85.11×10-7C21.50×10-41.65×10-3C71.53×10-91.69×10-8C34.59×10-65.06×10-5C82.75×10-53.03×10-4C41.52×10-71.67×10-6安全9.92×10-19.07×10-1

2.2.2关键因素识别

识别关键因素就是确定出和顶事件有关的基本事件的优先级，这个分析过程称为敏感性分析。

CPT修正后将顶事件设为失效，经诊断分析发现修正后各基本事件的后验概率(对于多态节点将M和F的后验概率合并记录)比修改前的稍小，详见表1修正前和修正后的后验概率数据。这里使用修正后的后验概率进行敏感性分析，选择比例变化法(RoV，即后验概率相对先验概率的变化比例)来进行敏感性分析。概率变化率越大，表明其对失效泄漏的贡献值越大。

得到各基本事件RoV值(部分无变化节点和变化过高节点X38(10 685.05)未展示)，如图3所示。

由图3可知，事件X14、X28、X34、X36～X42、X49具有较大的变化率，事件X35、X43、X48和X53～X55也存在变化。再结合各基本影响因素的先验和后验概率得知：在储罐系统自身中，附属管道应力腐蚀(X14)、阀体与阀盖接触不良(X28)、阀体腐蚀(X34)、阴极保护失效(X53)和防腐绝缘层质量差(X54)；在人为管理因素里，未按规章培训(X48)和非专业人员操作(X49)；第三方破坏中的外部超压冲击(X36)和台风(X38)等是需重点关注的对象。对于储罐系统类原因应当加强维护与检修，对于人为管理类原因应当加强培训和管理，提高工作人员的业务能力和素养，对于第三方破坏类原因应当加强预防。

2.2.3失效动态分析

1号罐投产运营6年来(2013-2018年)部分关键因素的失效数据见表4。

最终，基于基本概率改变法[18]，得到的各主要事件发生概率的动态变化情况如图4和图5所示。其中，顶事件T及事故C1、C2和C8见图4，事故C3～C7见图5。

从图4和图5可以看出，随着不断有失效事件的出现，整个LNG储罐安全状况愈加严峻，由于其泄漏概率的增加，各类事故的发生概率也逐年提高，最终增加幅度均为111.06%，增幅一致。可知整个LNG储罐工艺体系较为统一和均衡，任何异常事件的发生都将起到警醒作用，应当积极检查和预防其他类型事故。相应地，储罐单元的整体安全水平也从9.92×10-1降至9.82×10-1，降低了10.08%。

表4 失效数据历史记录事件第1年第2年第3年第4年第5年第6年X8102103X23000110X31210012X32000012X35011221X36200010X37000010X38112101X43100020X49002131

3 事故情景分析

由事故类型特点结合第2.2.1节可知，高频率事故为接近安全、泄漏扩散，闪火和喷射火，但前二者涉及范围仅在内外罐体及附近，影响极小，故主要计算闪火，喷射火和VCE的影响范围。

3.1 风速修正

由于大型储罐的存在会在局部对流动的空气形成一定的阻滞作用，故罐体周围的风速和应急救援人员利用风速仪实时监测的风速会有所不同。因此，将来流视作均匀流，利用无环量圆柱体绕流模型来矫正风速会使火灾爆炸处的风速更加贴合实际。该模型是由均匀直线流和偶极子流模型组合而成的平面流动，其势函数如式(1)：

(1)

式中:φ为流体势函数；ν∞为流体来速，m/s；r0为圆柱体半径，m；r为所求点到原点的距离，m；cosθ为选取点与圆柱体中点连线和x轴所围成的角度的余弦值。

在流场中任一点P(r，θ)的速度分量计算如式(2)和式(3)：

(2)

(3)

式中:vr为流体径向速度，m/s；vθ为流体切向速度，m/s；sinθ为选取点与圆柱体中点连线与x轴所围成的角度的正弦值。

根据气象资料，此LNG储罐所处地区秋季风速为4～5级，即6～9 m/s；储罐外径r0为41 m，模型示意见图6。设燃烧源在罐体表面，位置坐标为(36.13,19.38)，此时vr=0;vθ=-2ν∞sinθ;θ=arctan(y/x)=28.21°。来速为6 m/s时，vθ=-5.67 m/s；

来速为9 m/s时,vθ=-8.51 m/s。再由坐标系速度转化公式得出：来速为6 m/s时,vx=2.68 m/s，vy=-5.00 m/s，v= 5.67 m/s ;来速为9 m/s时,vx=4.02 m/s，vy=-7.50 m/s，v=8.51 m/s。

由此也可印证上述观点，风作为流体经过储罐时，罐体会在局部对风速有一定的阻滞作用，使得罐体周围，尤其是罐前和罐后风速不同，后者稍低。

3.2 事故后果计算

基于计算模型[19-23]，运用应急救援软件ALOHA模拟储罐的连续泄漏情景；取小孔和中孔泄漏进行研究，小孔泄漏孔径分别为0.010 m和0.016 m，中孔分别为0.050 m和0.085 m。已知储罐充注水平为100%，大气平均温度约为21 ℃，大气稳定度为D(中性)；操作温度为-161 ℃，操作压力为18 kPa。

3.2.1喷射火

喷射火主要伤害形式为热辐射，当暴露时间为 60 s，对比阈值为2 kW/m2、5 kW/m2、10 kW/m2时，会造成皮肤疼痛(轻伤)、二度烧伤(重伤)和死亡。设泄漏点位于罐体表面距内底1.75 m处(下同)，喷射火事故后果见图7。

由图7可看出，当储罐泄漏孔径既定时，随着风力级别的增加，喷射火事故伤害半径略有增加；当储罐周围风力级别既定时，随着泄漏孔径的增加，喷射火事故伤害半径明显增加；当储罐泄漏孔径为中孔，风力级别为5级时，喷射火最大影响半径达93.7 m。

3.2.2闪火

闪火即气云燃烧，且以爆炸下限(LEL)、60% LEL、10% LEL作为划分危险区域的3个界限。闪火事故后果见图8。

由图8可看出，闪火事故影响半径远大于喷射火事故影响半径，但其与喷射火不同的是风速的增加导致空气流动加剧，从而使得空气中危险气体的浓度被加速稀释。因此，当泄漏孔径既定时，随着风速的增加，闪火的影响范围反而越小。

3.2.3VCE

VCE主要危害是其超压破坏，以建筑物毁坏、人员重伤和玻璃破碎，即0.055 MPa、0.024 MPa和0.007 MPa为划分影响区域的标准，分别在泄漏后1 min、3 min和5 min时被点燃。点燃时其在空气中混合物浓度虽达到其LEL,即5%，但由于泄漏量过小，在设定场景下其超压强度很低，均未达到最低影响标准强度，且在风的影响下加速稀释，整个爆炸过程的持续时间也会变短，从而进一步降低其危险性。这也说明VCE相比上述两种类型事故需要更大的泄漏量、足够长的点燃时间等待期和较低的风速，触发条件更加严格，发生概率更低。

综上分析可知，LNG储罐泄漏所导致的事故会在一定范围内造成影响，有可能会影响到旁罐和其他设备，形成多米诺事故，进一步扩大事故的影响范围，造成更大的损失。因此，应合理设置各设备与LNG储罐间的安全距离；增设或补设微型消防站；定期对人员进行培训和演练，及时检查并更新消防装备，并基于多目标综合评价进行微型消防站选址作业，从而完善园区内的消防安全体系。

4 结论

(1) 通过分析LNG储罐连续型泄漏的因果链，构建蝴蝶结模型发现，有73个基本元素会以不同组合方式，不同程度地造成储罐泄漏。其中，在储罐系统自身中，附属管道应力腐蚀、阀体与阀盖接触不良、阀体腐蚀、阴极保护失效和防腐绝缘层质量差；在人为管理因素里，未按规章培训和非专业人员操作；第三方破坏中的外部超压冲击和台风等是造成储罐泄漏的关键因素，须重点关注。

(2) 储罐泄漏在不同安全屏障失效组合状态下形成喷射火、闪火、VCE，冻伤及窒息等危险事故。针对LNG储罐失效特点进行CPT修正后发现：储罐失效连续泄漏概率相较于CPT修正前有明显增加，从8.42×10-3增至9.28×10-2；在各类型事故中，接近安全、小范围泄漏扩散发生的概率最高，可达8.24×10-3和1.50×10-4；喷射火和闪火次之，概率最高可至2.75×10-5和4.74×10-6；冻伤及窒息危险和VCE最低，可能性最高仅为1.51×10-6和4.79×10-8。

(3) 通过将历史失效数据代入计算得出，各主要事件的发生概率呈逐年增加的趋势，截至2018年，均增加了111.06%左右，随之整个储罐系统的安全水平由9.92×10-1降至9.82×10-1，降幅达10.08%。若忽视失效所带来的影响，储罐有可能会从偶然失效期提前进入耗损失效期，从而导致设备失效率大幅度增加。

(4) 基于风速矫正模型对高频、影响范围较大事故喷射火、闪火和VCE进行危害范围分析可知，VCE的触发条件相对较高，发生概率较低；闪火事故影响区域远大于喷射火事故，且由于风速的增加会加快混合气体的浓度稀释速率，因此风速越大，闪火影响范围反而越小；当监测风速为6 m/s时，喷射火和闪火最大危害范围分别为90.6 m和436.0 m，当监测风速为9 m/s时，两者最大危害范围分别为93.7 m和412.0 m。