范仲輝 臧鵬蕓

（張家港中集圣達(dá)因低溫裝備有限公司）

0 引言

Bow-tie 分析法（蝴蝶結(jié)分析法，BTA）最早由英國帝國化學(xué)公司在 20 世紀(jì)70 年代末提出，之后由殼牌集團(tuán)發(fā)展為一種廣泛應(yīng)用于安全分析的方法[1]?，F(xiàn)在，該方法已用于眾多行業(yè)的安全管理工作[2]。

燃?xì)馐侵袊鴮?shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的主力軍，我國已建成規(guī)模龐大的天然氣基礎(chǔ)設(shè)施體系[3]。LNG 儲(chǔ)罐是液化天然氣應(yīng)用鏈環(huán)中的重要設(shè)備，由于LNG 本身特性，需對(duì)LNG 儲(chǔ)罐做充分的安全分析。

專家學(xué)者們[4-6]運(yùn)用HAZID、HAZOP、全生命周期管理等方法，分析了LNG 大型儲(chǔ)罐、LNG 加氣站等設(shè)備投入運(yùn)行后可能出現(xiàn)的危險(xiǎn)因素,并提出了相應(yīng)的預(yù)防和管控措施，目前還未有基于Bow-tie 模型對(duì)出廠前LNG 儲(chǔ)罐進(jìn)行安全分析的專著。目前已有專著論述主要集中在泄漏風(fēng)險(xiǎn)，未詳細(xì)考慮更嚴(yán)重的風(fēng)險(xiǎn)，如坍塌、火災(zāi)、爆炸等。

本文以LNG 儲(chǔ)罐投入使用后可能出現(xiàn)的事故（即泄漏、罐體破損、真空失效、環(huán)境腐蝕、倒塌、安全附件失效、火災(zāi)等）為例，基于Bow-tie 模型對(duì)以上事故中的LNG 儲(chǔ)罐進(jìn)行安全分析。分析事故發(fā)生的原因，對(duì)出廠前LNG 儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)過程提出建議，從而預(yù)防事故發(fā)生；分析事故導(dǎo)致的后果，并對(duì)事故發(fā)生后的相應(yīng)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(jié)構(gòu)可見圖1，為與門，為或門，BR 為防止原因發(fā)生的攔截措施，BE 為防止后果發(fā)生的攔截措施。

圖1 Bow－Tie 模型一般結(jié)構(gòu)

2 安全分析

2.1 E0為泄漏

R1：內(nèi)容器泄漏；R2：外殼泄漏；R3：外部管道及其附件泄漏。

BR11：內(nèi)容器進(jìn)行耐壓試驗(yàn)。BR21：外殼套裝后進(jìn)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(yōu)質(zhì)材料，防止密封圈老化。BR31：管路的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)應(yīng)考慮熱脹冷縮，機(jī)械顫動(dòng)，振動(dòng)所引起的損壞，必要時(shí)考慮設(shè)置補(bǔ)償結(jié)構(gòu)。BR32：管路的公稱壓力不小于內(nèi)容器工作壓力的2 倍。且保證在4 倍的內(nèi)容器工作壓力下不破裂。BR33：管路上法蘭組件的壓力等級(jí)應(yīng)與管路的壓力等級(jí)相匹配。BR34：管子與管件的連接應(yīng)采用焊接形式，并優(yōu)先采用全焊透的對(duì)接接頭形式。BR35：管路進(jìn)行耐壓試驗(yàn)和氣密試驗(yàn)。BR36：管路上設(shè)置可遠(yuǎn)程操作的緊急切斷閥。BR37：定期檢修。

E1：內(nèi)容器少量泄漏時(shí)，LNG 會(huì)從漏點(diǎn)不停外泄進(jìn)入夾層空間，導(dǎo)致夾層空間的真空逐漸減弱。E2：外殼少量泄漏時(shí)，外部大氣會(huì)從漏點(diǎn)不停內(nèi)泄進(jìn)入夾層空間，同樣導(dǎo)致夾層空間的真空逐漸減弱。LNG 儲(chǔ)罐夾層空間真空喪失，保冷性能大打折扣，罐內(nèi)LNG 汽化引起儲(chǔ)罐升壓，導(dǎo)致LNG 頻繁排放，造成能源浪費(fèi)、經(jīng)濟(jì)損失，及可能更嚴(yán)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(guān)閉與泄漏點(diǎn)相鄰部位的閥門，切斷泄漏源。對(duì)于外部管道或外殼孔洞性泄漏，應(yīng)使用專用外封式、捆綁式充氣堵漏工具進(jìn)行堵漏，或用木鍥、硬質(zhì)橡膠塞封堵。法蘭泄漏時(shí)，應(yīng)使用無火花工具緊固螺栓。若因法蘭墊圈老化導(dǎo)致帶壓泄漏，應(yīng)用專用法蘭夾具堵漏，并在螺栓預(yù)留孔高壓注射高封膠堵漏。外殼撕裂泄漏時(shí)，應(yīng)采用專用捆綁堵漏工具封堵和橡膠塞加充氣器具進(jìn)行封堵。當(dāng)少量天然氣泄漏時(shí)，針對(duì)天然氣蒸發(fā)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(shí)進(jìn)行LNG 導(dǎo)罐減少泄漏量。BE2，LNG 儲(chǔ)罐根部閥出現(xiàn)裂紋發(fā)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?；虿捎么蚩ㄗ拥奶幚磙k法對(duì)泄漏處進(jìn)行封堵，控制泄漏氣量。如上述處理基本能控制泄漏,應(yīng)及時(shí)將該LNG儲(chǔ)罐對(duì)管網(wǎng)進(jìn)行供氣或?qū)NG 導(dǎo)入相鄰空LNG 儲(chǔ)罐或罐車。如不能封堵住泄漏口，進(jìn)行LNG 導(dǎo)罐從而減少泄漏。當(dāng)導(dǎo)罐增壓導(dǎo)致漏量增大的情況，應(yīng)停止給LNG 儲(chǔ)罐增壓導(dǎo)罐。在確保安全前提下，可酌情對(duì)LNG 儲(chǔ)罐進(jìn)行氣相放空降壓，密切注意風(fēng)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(yùn)行。儲(chǔ)罐內(nèi)LNG 基本排空后，對(duì)空罐進(jìn)行置換并檢測，確認(rèn)其符合安全標(biāo)準(zhǔn)后，進(jìn)行搶修，更換相同型號(hào)的閥門或閥墊。BE3，LNG 儲(chǔ)罐非根部閥出現(xiàn)裂紋發(fā)生泄漏：如凍裂閥體在兩閥之間，應(yīng)關(guān)閉兩端閥門，打開兩端閥門間的自動(dòng)或手動(dòng)放空閥，放盡管道內(nèi)的殘液和殘氣。用冷切割方式（如旋轉(zhuǎn)割刀或鋼鋸進(jìn)行）割下故障閥門，更換相同型號(hào)的閥門。BE4，LNG 儲(chǔ)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(chǔ)罐根部閥緊固后仍然泄漏，應(yīng)按LNG 儲(chǔ)罐根部閥裂紋的處理辦法進(jìn)行處理。非LNG 儲(chǔ)罐根部閥閥桿密封泄漏，應(yīng)關(guān)閉該閥的上、下游閥，將管道內(nèi)的殘余氣體通過放空管線放空，并恢復(fù)閥門的溫度至常溫，進(jìn)行閥門的維修工作。如閥門密封處出現(xiàn)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(jìn)行預(yù)冷；R4：誤操作；R5：地震、風(fēng)載或雪載過大。

BR11: 設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)置防過充裝置，設(shè)置液位計(jì)和溢流管對(duì)充裝過程進(jìn)行控制。BR21: 設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)置壓力表和安全閥等安全附件。BR31: 儲(chǔ)罐初次使用或恢復(fù)常溫后再次使用時(shí)，用戶應(yīng)嚴(yán)格按照操作手冊(cè)上的規(guī)定先進(jìn)行預(yù)冷，再使用。BR41: 用戶應(yīng)嚴(yán)格按照操作手冊(cè)上的規(guī)定進(jìn)行操作。BR51: 設(shè)計(jì)階段考慮項(xiàng)目使用地的地震、風(fēng)載、雪載等載荷。BR6:使用單位應(yīng)定期分析LNG 儲(chǔ)罐安全狀況，編制事故應(yīng)急救援預(yù)案。

E1：導(dǎo)致LNG 大量泄漏并立即蒸發(fā)，最初LNG比空氣重，蒸汽與空氣的混合物形成云團(tuán)。這個(gè)混合氣的蒸氣云團(tuán)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(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱輻射，事故罐體及其周圍其他設(shè)施都容易遭到熱輻射的嚴(yán)重破壞。

BE1，當(dāng)LNG 儲(chǔ)罐內(nèi)膽破裂，低溫液體流出導(dǎo)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(jìn)行：立即關(guān)閉LNG 儲(chǔ)罐的所有進(jìn)出口閥門（利用手動(dòng)閥門或氣動(dòng)緊急切斷閥），全站停止運(yùn)行，迅速切斷總電源。按應(yīng)急預(yù)案要求快速上報(bào)，且應(yīng)立即報(bào)警。應(yīng)當(dāng)通過攔蓄設(shè)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(xiàn)場維護(hù)，組織好與搶險(xiǎn)無關(guān)人員向安全地點(diǎn)（上風(fēng)方向）撤離，禁止人員在下風(fēng)區(qū)停留，組織附近居民向安全地點(diǎn)疏散，做好消防滅火準(zhǔn)備。當(dāng)LNG 揮發(fā)速度過快時(shí)，應(yīng)當(dāng)使用泡沫滅火器覆蓋LNG 表面，減緩LNG 揮發(fā)速度，降低空氣中天然氣的濃度。根據(jù)泄漏情況，可考慮采用鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)趕，加快其蒸發(fā)的速度，避免低溫氣體富集。配合公安，消防人員設(shè)置警戒區(qū)域，控制一切火源，進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)控，保證天然氣安全放散。如果罐體有異常響聲，LNG 儲(chǔ)罐可能發(fā)生物理爆炸，應(yīng)迅速組織搶險(xiǎn)人員撤離現(xiàn)場。當(dāng)發(fā)生大量泄漏，或事態(tài)無法控制，或有跡象表明事態(tài)失控時(shí)應(yīng)立即報(bào)警，當(dāng)?shù)卣畱?yīng)急指揮人員決定是否啟動(dòng)本地區(qū)的應(yīng)急預(yù)案。

2.3 E0為真空失效

R1：內(nèi)容器泄漏；R2：外殼泄漏；R3：夾層存在漏氣和放氣；R4：運(yùn)輸中磕碰。

BR11/21：從設(shè)計(jì)上保證容器本體及夾層管路的密封性能和可靠性；夾層內(nèi)設(shè)置吸附裝置，以保證罐體的真空壽命；控制焊接缺陷，并對(duì)焊縫進(jìn)行無損檢測。BR31：夾層內(nèi)設(shè)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(jìn)行真空度檢查。BR41：容器運(yùn)輸過程中應(yīng)注意控制車速，防止容器損壞。

E1：LNG 儲(chǔ)罐夾層空間真空喪失，保冷性能大打折扣，罐內(nèi)LNG 汽化引起儲(chǔ)罐升壓，導(dǎo)致LNG 頻繁排放，造成能源浪費(fèi)、經(jīng)濟(jì)損失，可能導(dǎo)致更嚴(yán)重的事故。

BE11：操作人員應(yīng)按安全操作規(guī)程及時(shí)對(duì)罐內(nèi)進(jìn)行卸壓，并通知單位管理、應(yīng)急搶險(xiǎn)人員，將罐內(nèi)介質(zhì)排出或轉(zhuǎn)運(yùn)；指揮人員根據(jù)情況是否啟動(dòng)本單位應(yīng)急預(yù)案。BE2：定期對(duì)罐內(nèi)真空度進(jìn)行檢測，有異常時(shí)應(yīng)及時(shí)反饋。

2.4 E0為環(huán)境腐蝕

R1：碳鋼外殼長期暴露在大氣環(huán)境中會(huì)發(fā)生銹蝕，長期銹蝕會(huì)導(dǎo)致外殼減薄甚至出現(xiàn)漏點(diǎn)。

BR11：外殼外表面進(jìn)行噴砂除銹，外部刷防腐油漆。運(yùn)輸過程中磕碰損傷的部位應(yīng)及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)漆。

E1：外殼減薄可能導(dǎo)致外殼受外部載荷而破損坍塌，進(jìn)而導(dǎo)致嚴(yán)重事故。外殼出現(xiàn)漏點(diǎn)，LNG 儲(chǔ)罐夾層空間真空喪失，保冷性能大打折扣，罐內(nèi)LNG 汽化引起儲(chǔ)罐升壓，導(dǎo)致LNG 頻繁排放，造成能源浪費(fèi)、經(jīng)濟(jì)損失，可能導(dǎo)致更嚴(yán)重的事故。

BE1：定期對(duì)外殼外表面進(jìn)行檢查。

2.5 E0為倒塌

R1：使用過程中可能受到地震、風(fēng)載或雪載等不可抗力；R2：安裝時(shí)由于支腿以及基礎(chǔ)的不平度、LNG 儲(chǔ)罐的垂直度等。

BR11：設(shè)計(jì)階段考慮項(xiàng)目使用地的地震、風(fēng)載、雪載等載荷，通過安全設(shè)計(jì)，確保儲(chǔ)罐的支撐結(jié)構(gòu)及支腿的強(qiáng)度滿足要求。選用足夠強(qiáng)度的地腳螺栓對(duì)LNG 儲(chǔ)罐進(jìn)行固定，并確保LNG 儲(chǔ)罐基礎(chǔ)的強(qiáng)度。LNG 儲(chǔ)罐與其他設(shè)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(shù)規(guī)范》等標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的規(guī)定，在LNG 儲(chǔ)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(shù)監(jiān)察規(guī)程》等標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的規(guī)定選用安全附件。安全閥等輔助泄放裝置應(yīng)一臺(tái)使用一臺(tái)備用。儲(chǔ)罐與安全附件之間一般不得設(shè)置截?cái)嚅y；若設(shè)置截?cái)嚅y，則該閥必須處于全開狀態(tài)并鉛封或鎖住。安全附件定期校驗(yàn)，提前對(duì)安全附件的失效進(jìn)行報(bào)警。BR2：設(shè)計(jì)時(shí)合理布置安全附件及其管線，安全附件的入口管線應(yīng)盡量短而直，出口的泄放管線應(yīng)在適當(dāng)位置開設(shè)排泄孔防止堵塞。

E1：LNG 儲(chǔ)罐壓力持續(xù)降低，損失大量天然氣?？赡芤l(fā)人員窒息，或高速天然氣排放積聚導(dǎo)致爆炸等次生災(zāi)害。導(dǎo)致LNG 儲(chǔ)罐失去壓力防護(hù)屏障，可能引發(fā)超壓爆炸。BE1：把出問題的安全附件調(diào)到備用狀態(tài)，進(jìn)行維護(hù)或者更換。

2.7 E0為火災(zāi)

R1：靜電；R2：發(fā)生泄漏并遇到明火。

BR11：按GB/T 18442—2019 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置接地裝置。通過使用工況設(shè)計(jì)管徑，控制液體流速不超過1 m/s。設(shè)置消防系統(tǒng)，如按GB 50156—2021《汽車加油加氣加氫站技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》設(shè)置噴淋消防水系統(tǒng)。BR21 可參考4.1 E0 為泄漏的攔截措施。LNG 儲(chǔ)罐周圍嚴(yán)禁明火。

E1：LNG 燃燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱輻射，事故罐體及其周圍其他設(shè)施都容易遭到熱輻射的嚴(yán)重破壞。BE11，LNG 儲(chǔ)罐著火：按應(yīng)急預(yù)案要求快速上報(bào)，且及時(shí)報(bào)警。對(duì)著火LNG 儲(chǔ)罐，按《液化天然氣的滅火技術(shù)要求》進(jìn)行。對(duì)著火LNG 儲(chǔ)罐附近的LNG儲(chǔ)罐的進(jìn)行噴淋降溫，噴淋重點(diǎn)為儲(chǔ)量最多的LNG儲(chǔ)罐。隨時(shí)監(jiān)測爆炸濃度及范圍，并根據(jù)擴(kuò)散情況，進(jìn)一步擴(kuò)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(xiàn)場維護(hù)，組織與搶險(xiǎn)無關(guān)人員向安全地點(diǎn)（上風(fēng)方向）撤離，組織附近居民向安全地點(diǎn)疏散。如果罐體有異常響聲，LNG 儲(chǔ)罐可能發(fā)生爆炸，應(yīng)迅速組織搶險(xiǎn)人員撤離現(xiàn)場。應(yīng)當(dāng)通過攔蓄設(shè)施（堤）、地形或其他方式把溢出的LNG 引到安全的地方，應(yīng)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(xiǎn)救災(zāi)組查明泄漏原因后，立即制定切實(shí)可行的搶修方案，準(zhǔn)備好搶修工具，待滅火后及時(shí)有組織地進(jìn)行現(xiàn)場搶修。BE12，罐區(qū)管道著火：迅速關(guān)閉LNG 儲(chǔ)罐進(jìn)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(chǔ)罐發(fā)生著火處置要求。BE2，爆炸：天然氣聚集區(qū)域都有可能引起爆炸，當(dāng)發(fā)現(xiàn)罐內(nèi)壓力異常時(shí)，應(yīng)考慮適時(shí)打開放空閥進(jìn)行泄壓，必須注意冷態(tài)氣體形成的白霧不能影響現(xiàn)場人員的安全，必要時(shí)可考慮直接通過氣相和液相排放管排出罐內(nèi)介質(zhì)。當(dāng)爆炸無法避免時(shí),應(yīng)迅速設(shè)置隔離帶，將無關(guān)人員帶離現(xiàn)場。應(yīng)急小組要迅速穿戴好防護(hù)用具，必要時(shí)可使用正壓式呼吸器，防止在處理時(shí)凍傷,灼傷,窒息。如水不可用于滅此類火。對(duì)于事態(tài)還在擴(kuò)大不能有效控制的，應(yīng)向上級(jí)部門請(qǐng)求救援。當(dāng)?shù)卣畱?yīng)急指揮人員決定是否啟動(dòng)本地區(qū)的應(yīng)急預(yù)案。

3 人員防護(hù)建議

3.1 人員要求

制定嚴(yán)格的管理制度和事故預(yù)防預(yù)案。安全管理人員和操作人員應(yīng)當(dāng)持有相應(yīng)的特種設(shè)備作業(yè)證。使用單位應(yīng)對(duì)與其相關(guān)的人員，包括應(yīng)急救援人員，應(yīng)定期進(jìn)行安全教育和專業(yè)培訓(xùn)，保證人員了解所充裝介質(zhì)的性質(zhì)、失效性和罐體的使用特性，具備必要的安全作業(yè)知識(shí)、作業(yè)技能，及時(shí)進(jìn)行知識(shí)更新，確保作業(yè)人員掌握操作規(guī)定及事故應(yīng)急措施，按章作業(yè)。

3.2 防護(hù)設(shè)備

應(yīng)配備專用的防護(hù)服裝，防凍傷防護(hù)用品，在有效期內(nèi)的消防器材以及必要的應(yīng)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(qū)和非控制區(qū)并有警示標(biāo)識(shí)或標(biāo)志。其他應(yīng)急救援資源：高倍泡沫系統(tǒng)、干粉、二氧化碳等滅火機(jī)（劑）、水帶、消防泵等消防器材。正壓式呼吸器、可燃?xì)怏w檢測儀、風(fēng)向儀、警戒帶（繩）等警戒保衛(wèi)用器材。導(dǎo)液罐車（箱）等應(yīng)急救援車輛（需要時(shí)）。通訊聯(lián)絡(luò)及保障設(shè)備。應(yīng)急救援資金。

4 結(jié)語

由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，Bow－tie 模型針對(duì)中心事件的分析具有雙向性和全面性的優(yōu)點(diǎn)[8]。在工程實(shí)際應(yīng)用中，不僅可以通過該模型針對(duì)某一中心事件進(jìn)行一輪初步分析，還可以就分析后的結(jié)果（事件原因和事件后果的攔截措施）進(jìn)行二輪深入分析。因?yàn)樵O(shè)備系統(tǒng)有其本身復(fù)雜特性及交互特性，許多中心事件的事件原因關(guān)聯(lián)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(jìn)行合并，簡化模型的分析結(jié)果，提高分析結(jié)果在實(shí)際工程中的應(yīng)用效率。

LNG 有其固有特性和潛在危險(xiǎn)性，通過Bow-tie模型對(duì)LNG 儲(chǔ)罐安全分析，針對(duì)投入使用后可能出現(xiàn)的事故，對(duì)設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)提出建議，有效防止事故發(fā)生；針對(duì)事故結(jié)果，對(duì)攔截措施、處理措施提出建議。可用于事前預(yù)防，又能指導(dǎo)事后響應(yīng)，有效提升LNG 儲(chǔ)罐的本質(zhì)安全。安全評(píng)估，健康體檢，從源頭和使用過程保證LNG 儲(chǔ)罐的安全性、可靠性。