基于Bow-tie模型的LNG储罐安全分析

范仲辉 臧鹏芸

（张家港中集圣达因低温装备有限公司）

0 引言

Bow-tie 分析法（蝴蝶结分析法，BTA）最早由英国帝国化学公司在 20 世纪70 年代末提出，之后由壳牌集团发展为一种广泛应用于安全分析的方法[1]。现在，该方法已用于众多行业的安全管理工作[2]。

燃气是中国实现“双碳”目标的主力军，我国已建成规模庞大的天然气基础设施体系[3]。LNG 储罐是液化天然气应用链环中的重要设备，由于LNG 本身特性，需对LNG 储罐做充分的安全分析。

专家学者们[4-6]运用HAZID、HAZOP、全生命周期管理等方法，分析了LNG 大型储罐、LNG 加气站等设备投入运行后可能出现的危险因素,并提出了相应的预防和管控措施，目前还未有基于Bow-tie 模型对出厂前LNG 储罐进行安全分析的专著。目前已有专著论述主要集中在泄漏风险，未详细考虑更严重的风险，如坍塌、火灾、爆炸等。

本文以LNG 储罐投入使用后可能出现的事故（即泄漏、罐体破损、真空失效、环境腐蚀、倒塌、安全附件失效、火灾等）为例，基于Bow-tie 模型对以上事故中的LNG 储罐进行安全分析。分析事故发生的原因，对出厂前LNG 储罐的设计、制造、检验过程提出建议，从而预防事故发生；分析事故导致的后果，并对事故发生后的相应措施提出建议。

1 Bow-tie模型

Bow-tie 模型由事件原因、中心事件和事件后果组成[7]，其一般结构可见图1，为与门，为或门，BR 为防止原因发生的拦截措施，BE 为防止后果发生的拦截措施。

图1 Bow－Tie 模型一般结构

2 安全分析

2.1 E0为泄漏

R1：内容器泄漏；R2：外壳泄漏；R3：外部管道及其附件泄漏。

BR11：内容器进行耐压试验。BR21：外壳套装后进行氦检漏。BR22：外壳防爆装置盖板采用不锈钢材料，防止盖板锈蚀。密封圈采用优质材料，防止密封圈老化。BR31：管路的设计结构应考虑热胀冷缩，机械颤动，振动所引起的损坏，必要时考虑设置补偿结构。BR32：管路的公称压力不小于内容器工作压力的2 倍。且保证在4 倍的内容器工作压力下不破裂。BR33：管路上法兰组件的压力等级应与管路的压力等级相匹配。BR34：管子与管件的连接应采用焊接形式，并优先采用全焊透的对接接头形式。BR35：管路进行耐压试验和气密试验。BR36：管路上设置可远程操作的紧急切断阀。BR37：定期检修。

E1：内容器少量泄漏时，LNG 会从漏点不停外泄进入夹层空间，导致夹层空间的真空逐渐减弱。E2：外壳少量泄漏时，外部大气会从漏点不停内泄进入夹层空间，同样导致夹层空间的真空逐渐减弱。LNG 储罐夹层空间真空丧失，保冷性能大打折扣，罐内LNG 汽化引起储罐升压，导致LNG 频繁排放，造成能源浪费、经济损失，及可能更严重的事故。

BE1，液化天然气泄漏堵漏一般措施：停止输送液化天然气或关闭与泄漏点相邻部位的阀门，切断泄漏源。对于外部管道或外壳孔洞性泄漏，应使用专用外封式、捆绑式充气堵漏工具进行堵漏，或用木锲、硬质橡胶塞封堵。法兰泄漏时，应使用无火花工具紧固螺栓。若因法兰垫圈老化导致带压泄漏，应用专用法兰夹具堵漏，并在螺栓预留孔高压注射高封胶堵漏。外壳撕裂泄漏时，应采用专用捆绑堵漏工具封堵和橡胶塞加充气器具进行封堵。当少量天然气泄漏时，针对天然气蒸发吸热特性，可用水枪向泄漏处喷水，降低泄漏处压力，减少泄漏量。少量泄漏可用胶泥、石棉等物料封堵或用湿棉被缠裹泄漏阀门、管道，也可用抱箍夹紧。必要时进行LNG 导罐减少泄漏量。BE2，LNG 储罐根部阀出现裂纹发生泄漏：先将湿的棉被包住泄漏的阀门，使之冰冻以阻止泄漏。或采用打卡子的处理办法对泄漏处进行封堵，控制泄漏气量。如上述处理基本能控制泄漏,应及时将该LNG储罐对管网进行供气或将LNG 导入相邻空LNG 储罐或罐车。如不能封堵住泄漏口，进行LNG 导罐从而减少泄漏。当导罐增压导致漏量增大的情况，应停止给LNG 储罐增压导罐。在确保安全前提下，可酌情对LNG 储罐进行气相放空降压，密切注意风向变化，控制放散量。操作人员迅速撤退到警戒线以外，切断电源，停止运行。储罐内LNG 基本排空后，对空罐进行置换并检测，确认其符合安全标准后，进行抢修，更换相同型号的阀门或阀垫。BE3，LNG 储罐非根部阀出现裂纹发生泄漏：如冻裂阀体在两阀之间，应关闭两端阀门，打开两端阀门间的自动或手动放空阀，放尽管道内的残液和残气。用冷切割方式（如旋转割刀或钢锯进行）割下故障阀门，更换相同型号的阀门。BE4，LNG 储罐阀门阀杆密封泄漏：用无火花工具扳手紧固阀杆上密封的紧固螺栓。如LNG 储罐根部阀紧固后仍然泄漏，应按LNG 储罐根部阀裂纹的处理办法进行处理。非LNG 储罐根部阀阀杆密封泄漏，应关闭该阀的上、下游阀，将管道内的残余气体通过放空管线放空，并恢复阀门的温度至常温，进行阀门的维修工作。如阀门密封处出现泄漏，先拧紧密封螺母，查看泄漏是否停止，然后拆下阀门，如阀门部件有库存，可直接用新的阀门取代有故障的阀门。

2.2 E0为罐体破损

R1：充装过量；R2：超压；R3：暖罐充装前未进行预冷；R4：误操作；R5：地震、风载或雪载过大。

BR11: 设计时设置防过充装置，设置液位计和溢流管对充装过程进行控制。BR21: 设计时设置压力表和安全阀等安全附件。BR31: 储罐初次使用或恢复常温后再次使用时，用户应严格按照操作手册上的规定先进行预冷，再使用。BR41: 用户应严格按照操作手册上的规定进行操作。BR51: 设计阶段考虑项目使用地的地震、风载、雪载等载荷。BR6:使用单位应定期分析LNG 储罐安全状况，编制事故应急救援预案。

E1：导致LNG 大量泄漏并立即蒸发，最初LNG比空气重，蒸汽与空气的混合物形成云团。这个混合气的蒸气云团一旦遇到火源就很容易起火爆炸，并且迅速向泄漏处回火燃烧。LNG 燃烧时会产生大量的热辐射，事故罐体及其周围其他设施都容易遭到热辐射的严重破坏。

BE1，当LNG 储罐内胆破裂，低温液体流出导致碳钢外罐壁冻裂，造成无法控制的大量LNG 溢出，按以下要求进行：立即关闭LNG 储罐的所有进出口阀门（利用手动阀门或气动紧急切断阀），全站停止运行，迅速切断总电源。按应急预案要求快速上报，且应立即报警。应当通过拦蓄设施（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、排水沟、水渠或任何有盖板的沟渠中。立即派警戒人员禁止LNG 气化站周围一切车辆和行人通行，禁止一切明火，做好现场维护，组织好与抢险无关人员向安全地点（上风方向）撤离，禁止人员在下风区停留，组织附近居民向安全地点疏散，做好消防灭火准备。当LNG 挥发速度过快时，应当使用泡沫灭火器覆盖LNG 表面，减缓LNG 挥发速度，降低空气中天然气的浓度。根据泄漏情况，可考虑采用鼓风机进行驱赶，加快其蒸发的速度，避免低温气体富集。配合公安，消防人员设置警戒区域，控制一切火源，进行现场监控，保证天然气安全放散。如果罐体有异常响声，LNG 储罐可能发生物理爆炸，应迅速组织抢险人员撤离现场。当发生大量泄漏，或事态无法控制，或有迹象表明事态失控时应立即报警，当地政府应急指挥人员决定是否启动本地区的应急预案。

2.3 E0为真空失效

R1：内容器泄漏；R2：外壳泄漏；R3：夹层存在漏气和放气；R4：运输中磕碰。

BR11/21：从设计上保证容器本体及夹层管路的密封性能和可靠性；夹层内设置吸附装置，以保证罐体的真空寿命；控制焊接缺陷，并对焊缝进行无损检测。BR31：夹层内设置低温吸附装剂，常温吸附剂，控制夹层漏、放气速率，保证罐体的真空寿命。出厂前进行真空度检查。BR41：容器运输过程中应注意控制车速，防止容器损坏。

E1：LNG 储罐夹层空间真空丧失，保冷性能大打折扣，罐内LNG 汽化引起储罐升压，导致LNG 频繁排放，造成能源浪费、经济损失，可能导致更严重的事故。

BE11：操作人员应按安全操作规程及时对罐内进行卸压，并通知单位管理、应急抢险人员，将罐内介质排出或转运；指挥人员根据情况是否启动本单位应急预案。BE2：定期对罐内真空度进行检测，有异常时应及时反馈。

2.4 E0为环境腐蚀

R1：碳钢外壳长期暴露在大气环境中会发生锈蚀，长期锈蚀会导致外壳减薄甚至出现漏点。

BR11：外壳外表面进行喷砂除锈，外部刷防腐油漆。运输过程中磕碰损伤的部位应及时进行补漆。

E1：外壳减薄可能导致外壳受外部载荷而破损坍塌，进而导致严重事故。外壳出现漏点，LNG 储罐夹层空间真空丧失，保冷性能大打折扣，罐内LNG 汽化引起储罐升压，导致LNG 频繁排放，造成能源浪费、经济损失，可能导致更严重的事故。

BE1：定期对外壳外表面进行检查。

2.5 E0为倒塌

R1：使用过程中可能受到地震、风载或雪载等不可抗力；R2：安装时由于支腿以及基础的不平度、LNG 储罐的垂直度等。

BR11：设计阶段考虑项目使用地的地震、风载、雪载等载荷，通过安全设计，确保储罐的支撑结构及支腿的强度满足要求。选用足够强度的地脚螺栓对LNG 储罐进行固定，并确保LNG 储罐基础的强度。LNG 储罐与其他设备之间留出安全距离。BR21：按照GB 150—2011《压力容器》、GB/T 18442—2019《固定式真空绝热深冷压力容器》、HG/T 20584—2020《钢制化工容器制造技术规范》等标准、规范的规定，在LNG 储罐图纸上明确支腿底板的不平度、倾斜度、容器的直线度、垂直度等公差要求。

E1 可参考4.2 E0 为罐体破损的后果E1。

BE1 可参考4.2 E0 为罐体破损的拦截措施BE1。

2.6 E0为安全附件失效

R1：安全附件失效，如泄漏，或无法回座。

BR11： 按GB150—2011、GB/T 18442—2019、TSG 21—2016《固定式压力容器安全技术监察规程》等标准、规范的规定选用安全附件。安全阀等辅助泄放装置应一台使用一台备用。储罐与安全附件之间一般不得设置截断阀；若设置截断阀，则该阀必须处于全开状态并铅封或锁住。安全附件定期校验，提前对安全附件的失效进行报警。BR2：设计时合理布置安全附件及其管线，安全附件的入口管线应尽量短而直，出口的泄放管线应在适当位置开设排泄孔防止堵塞。

E1：LNG 储罐压力持续降低，损失大量天然气。可能引发人员窒息，或高速天然气排放积聚导致爆炸等次生灾害。导致LNG 储罐失去压力防护屏障，可能引发超压爆炸。BE1：把出问题的安全附件调到备用状态，进行维护或者更换。

2.7 E0为火灾

R1：静电；R2：发生泄漏并遇到明火。

BR11：按GB/T 18442—2019 标准设置接地装置。通过使用工况设计管径，控制液体流速不超过1 m/s。设置消防系统，如按GB 50156—2021《汽车加油加气加氢站技术标准》设置喷淋消防水系统。BR21 可参考4.1 E0 为泄漏的拦截措施。LNG 储罐周围严禁明火。

E1：LNG 燃烧时会产生大量的热辐射，事故罐体及其周围其他设施都容易遭到热辐射的严重破坏。BE11，LNG 储罐着火：按应急预案要求快速上报，且及时报警。对着火LNG 储罐，按《液化天然气的灭火技术要求》进行。对着火LNG 储罐附近的LNG储罐的进行喷淋降温，喷淋重点为储量最多的LNG储罐。随时监测爆炸浓度及范围，并根据扩散情况，进一步扩大警戒范围。立即派警戒人员禁止LNG 气化站周围一切车辆和行人通行，禁止一切明火，做好现场维护，组织与抢险无关人员向安全地点（上风方向）撤离，组织附近居民向安全地点疏散。如果罐体有异常响声，LNG 储罐可能发生爆炸，应迅速组织抢险人员撤离现场。应当通过拦蓄设施（堤）、地形或其他方式把溢出的LNG 引到安全的地方，应防止LNG 流入下水道、排水沟、水渠或任何有盖板的沟渠中。抢险救灾组查明泄漏原因后，立即制定切实可行的抢修方案，准备好抢修工具，待灭火后及时有组织地进行现场抢修。BE12，罐区管道着火：迅速关闭LNG 储罐进出口阀门，通过用泄漏管道两端的阀门控制火势。其他参要求照上述LNG 储罐发生着火处置要求。BE2，爆炸：天然气聚集区域都有可能引起爆炸，当发现罐内压力异常时，应考虑适时打开放空阀进行泄压，必须注意冷态气体形成的白雾不能影响现场人员的安全，必要时可考虑直接通过气相和液相排放管排出罐内介质。当爆炸无法避免时,应迅速设置隔离带，将无关人员带离现场。应急小组要迅速穿戴好防护用具，必要时可使用正压式呼吸器，防止在处理时冻伤,灼伤,窒息。如水不可用于灭此类火。对于事态还在扩大不能有效控制的，应向上级部门请求救援。当地政府应急指挥人员决定是否启动本地区的应急预案。

3 人员防护建议

3.1 人员要求

制定严格的管理制度和事故预防预案。安全管理人员和操作人员应当持有相应的特种设备作业证。使用单位应对与其相关的人员，包括应急救援人员，应定期进行安全教育和专业培训，保证人员了解所充装介质的性质、失效性和罐体的使用特性，具备必要的安全作业知识、作业技能，及时进行知识更新，确保作业人员掌握操作规定及事故应急措施，按章作业。

3.2 防护设备

应配备专用的防护服装，防冻伤防护用品，在有效期内的消防器材以及必要的应急处理器材（如法兰夹具、堵漏垫等带压堵漏器材）。划分控制区和非控制区并有警示标识或标志。其他应急救援资源：高倍泡沫系统、干粉、二氧化碳等灭火机（剂）、水带、消防泵等消防器材。正压式呼吸器、可燃气体检测仪、风向仪、警戒带（绳）等警戒保卫用器材。导液罐车（箱）等应急救援车辆（需要时）。通讯联络及保障设备。应急救援资金。

4 结语

由于其结构特点，Bow－tie 模型针对中心事件的分析具有双向性和全面性的优点[8]。在工程实际应用中，不仅可以通过该模型针对某一中心事件进行一轮初步分析，还可以就分析后的结果（事件原因和事件后果的拦截措施）进行二轮深入分析。因为设备系统有其本身复杂特性及交互特性，许多中心事件的事件原因关联紧密，事件后果类似，它们的拦截措施大多具有共通性，因此可以把这些类似的拦截措施进行合并，简化模型的分析结果，提高分析结果在实际工程中的应用效率。

LNG 有其固有特性和潜在危险性，通过Bow-tie模型对LNG 储罐安全分析，针对投入使用后可能出现的事故，对设计、制造、检验提出建议，有效防止事故发生；针对事故结果，对拦截措施、处理措施提出建议。可用于事前预防，又能指导事后响应，有效提升LNG 储罐的本质安全。安全评估，健康体检，从源头和使用过程保证LNG 储罐的安全性、可靠性。