数据驱动的液氢基础设施过程安全分析：失效机制、升级路径与风险工程启示

《Process Safety and Environmental Protection》：A Data-Driven Process Safety Analysis of Liquid Hydrogen Infrastructure: Failure Mechanisms, Escalation Pathways, and Risk Engineering Implications

　　

摘要
氢气日益被视为脱碳难减排行业的关键能源载体，液氢 (LH2) 因大规模储存和长距离运输而备受关注。然而，LH2 基础设施引入了与气态氢系统不同的工艺安全挑战，因为低温、真空绝热、蒸发损耗、相变和压力管理强烈主导着事故的发展。本研究利用 HIAD 2.1 数据库，对 LH2 相关事故进行了面向工艺安全的事故分析。从 954 条与氢相关的记录中，确定了 153 起与 LH2 相关的事故；经过筛选，保留了 141 条记录，包括 116 起直接 LH2 相关事故和 25 起间接 LH2 相关事故。方法论的创新在于在一个可追溯的工作流中整合了特定的 LH2 事故筛选、三阶段事故生命周期编码、组件 - 失效 - 后果路径映射以及基于初步危害分析 (PreHA) 的优先级排序，该工作流将历史事故叙述转化为工程决策输出。结果显示，报告的 LH2 事故强烈集中在运输和分配活动中。在组件相关的 LH2 系统失效中，真空绝热容器和绝热系统以及排气和泄压组件是最常见的类别。压力积聚随后导致的排气和非点燃泄漏主导了报告的后遗症分布，而爆炸相关事件虽然较少，但对严重伤亡和经济损失的贡献不成比例。这些发现将历史事故证据转化为风险工程决策输出，用于检查计划、压力管理、低温材料兼容性、点火预防、应急响应以及更安全的 LH2 基础设施设计。

引言
氢气被广泛认为是向低碳能源系统过渡的关键能源载体，在交通、航空航天和大规模能源存储领域的应用不断扩展 (Mohammadfam and Zarei, 2015, Pirbalouti et al., 2023, Rampai et al., 2024, Zarei et al., 2021)。氢气主要以压缩气态氢 (GH2) 和低温液氢 (LH2) 的形式供应、储存和运输，同时替代材料储存路线，包括金属氢化物和液态有机氢载体，也用于特定的基础设施和应用需求 (Yang et al., 2023)。在氢储存和运输选项中，液氢 (LH2) 由于其高体积能量密度，是大规模、长距离应用的关键载体 (de Vasconcelos Leit?o et al., 2025)。此外，以低温 LH2 形式运输氢气通常比以极高压力压缩 GH2 形式运输更实用，因为压缩氢系统在高压下需要坚固的压力容器，这变得技术上有挑战且成本高昂。尽管 LH2 需要液化能量、低温绝热和蒸发损耗管理，但其显著更高的体积能量密度使其成为中长途、大体积氢运输的有吸引力选择 (Rampai et al., 2024, Zhang et al., 2023)。

随着全球 LH2 基础设施部署加速，确保其安全生产、储存、运输和处理已成为日益重要的挑战 (Schiaroli et al., 2025)。尽管具有战略重要性，与 GH2 相比，LH2 表现出根本不同的物理和安全特性。LH2 储存在接近其正常沸点约 20 K (~ ?253 °C) 的低温下，需要带有真空绝热的专用容器系统 (Aziz, 2021)。LH2 系统固有地易受蒸发现象 (即低温液体气化) 影响，绝热降解和热渗入可能导致压力积聚和排气，或在极端情况下，导致类似于沸腾液体扩展蒸气爆炸 (BLEVE) 事件的升级场景 (Cirrone et al., 2023)。此外，一旦发生泄漏，LH2 会经历快速相变，引起显著的体积膨胀，强烈影响扩散行为、可燃云形成和随后的点火动力学 (Choi et al., 2023)。还进行了 LH2 在水面和水下释放的实验，以调查快速相变 (RPT) 发生的可能性。尽管未观察到 RPT，但快速剧烈的蒸发产生了可燃氢云，在所有水下释放测试和约 90% 的水上释放测试中发生点火，而点火源仍未确定 (van Wingerden et al., 2022)。这些发现表明，即使无法确定特定的点火源，LH2 释放也可能导致点火。

从工艺安全角度看，这些低温特定特性意味着 LH2 的事故机制、升级过程和后果模式是不同的 (Cirrone et al., 2023, Molkov et al., 2024)。与真空绝热、低温材料性能、转运操作和相变驱动的释放相关的失效可能主导 LH2 事故场景 (Hansen, 2020b, Moreno-Blanco et al., 2018)，而 GH2 系统中主要缺少这些机制。

先前的氢安全研究可分为几个主要流派，如表 1 所示。这些研究提供了关于氢事故、加氢站 (HRSs)、LH2 技术、低温释放行为和安全数据库的重要见解。然而，它们要么汇总不同的氢形式，要么关注一般的氢价值链或加氢站，要么主要从设计、建模或技术审查角度处理 LH2。因此，专门隔离 LH2 相关事故并系统检查其失效机制、升级路径和事故后果的事故分析仍然有限。

从工艺安全和风险工程的角度看，LH2 基础设施不应仅被视为储存或运输技术，而应被视为涉及泄漏危害、泄压性能、相变驱动扩散、点火不确定性、机械完整性、人机交互和应急响应要求的低温工艺系统 (Campari et al., 2024, Camplese et al., 2024, Hansen, 2020a, Schiaroli et al., 2026, Tamburini et al., 2024)。在基础设施和供应链层面，先前的研究检查了氢燃料供应链的半定量风险评估以及 GH2 和 LH2 基础设施的风险评估/设计优化方法 (Hansen, 2020a, Moonis et al., 2010)。其他研究解决了 HRS 和移动氢系统的安全问题，包括喷射释放、喷射火焰、泄漏扩散、爆炸超压、全流程事故建模和安全距离估算 (Li et al., 2023, Liu et al., 2021)。最近的研究整合了贝叶斯推断和 Stackelberg 博弈论，以支持 HRS 不确定情况下的应急响应决策 (Lakzian et al., 2026b)。进一步的氢安全贡献涵盖了有限和半有限氢扩散/火灾场景、LH2 泄漏安全距离预测、实验性 LH2 释放行为、基于风险的检查以及低温 LH2 储罐在火灾或填充条件下的行为 (Eberwein et al., 2024a, Park et al., 2021, Patel et al., 2023, Shibani et al., 2022, Xing et al., 2022)。总之，这些研究建立了 LH2 安全的物理、操作和建模基础，但它们没有提供统一的历史事故工作流，将事件从起始组件和贡献因素追踪到升级和后果，再到风险优先的工程决策。

本研究具体的方法学创新在于在一个单一的可追溯的特定 LH2 事故学习工作流中整合了四个分析要素，这些要素在先前的研究中通常被分开应用：(1) 区分低温 LH2 相关事故与更广泛的 GH2 记录的明确筛选标准；(2) 事故前、事故中和事故后阶段的案例级编码；(3) 组件 - 触发因素 - 升级 - 后果路径映射；以及 (4) 基于 PreHA 将报告的 occurrence 模式和观察到的最严重后果转化为相对安全优先级和工程决策输出。因此，创新不在于提出新的事故理论或预测模型，而在于开发和应用一种整合的、生命周期结构化的方法，将异构的事故叙述转化为可比较的 LH2 失效路径和可操作的风险工程优先级。应用于 HIAD 2.1，该框架识别了与基础设施设计、检查、压力管理、转运操作和应急计划相关的重复发生的技术、操作和系统模式。

章节片段
方法论
本研究采用四步方法论，将异构的历史事故记录转化为结构化的 LH2 工艺安全知识。如图 1 所示，步骤 1 确定相关数据来源并应用特定的 LH2 筛选和分类标准。步骤 2 根据事故前、事故中和事故后变量提取并编码保留的事故。步骤 3 连接编码变量以重构组件 - 失效 - 后果路径并确定...

LH2 事故概述
本节提供了 HIAD 2.1 数据集中包含的 LH2 事故的描述性概述，涉及发生了什么、事故发生在何处以及报告的频率如何。分析重点关注时间趋势、地理分布、介质、地点以及事故发生时的操作背景。本节不进行因果解释；观察到的模式仅报告以确立数据集的经验范围，符合公认的...

LH2 事故中的主要触发因素
在分析的 LH2 事故中，几种退化机制和触发因素反复出现。这些机制受 LH2 的低温性质强烈影响，通常在 GH2 应用中缺失或不显著。在下一节中，讨论了关键因素，并提供了代表性案例以阐明每个因素的重要性。

LH2 系统中操作脆弱性的基于 PreHA 的优先级排序
前面的章节确定了反复出现的 LH2 相关事故模式，包括主要组件、影响因素、升级机制和后果类别。然而，仅频率不足以确定安全意义，因为低频事件可能产生严重后果，而高频事件可能保持未点燃或低后果。因此，本节将事故分析结果转化为相对的基于 PreHA 的优先级排序。

LH2 工艺安全和风险管理的工程决策输出
本研究中确定的事故模式、机制级解释和基于 PreHA 的优先级排序对 LH2 系统的设计、操作、检查、维护和应急计划有直接影响。为了使这些影响更具可操作性，历史事故发现被转化为工程决策输出，如表 6 所示。由于 HIAD 2.1 记录没有提供完整的暴露数据、运行时间、库存历史或详细的...

局限性和研究空白
虽然本研究提供了全面的基于事故的 LH2 安全经验综合，但应承认几个局限性和知识空白。这些局限性并不削弱发现的价值；相反，它们反映了 LH2 事故报告和分析中的系统性挑战，并突出了未来研究和数据改进的优先领域。本研究中确定的主要局限性和研究空白总结于表 7。一个重要的局限性涉及
结论
本研究基于 HIAD 2.1 数据库提供了系统性的、基于事故的 LH2 安全经验综合，明确目标是识别失效模式、升级机制和后果。本研究通过专门关注 LH2 相关事故记录并区分直接影响 LH2 基础设施的事件，解决了 LH2 安全文献中的关键空白。历史事故记录分析表明，LH2 未引用参考文献 (De Vasconcelos Leit?o et al., (2025))

CRediT 作者贡献声明
Zarei Esameil: 写作 – 审阅与编辑，写作 – 原稿，可视化，验证，监督，软件，资源，项目管理，方法论，调查，正式分析，概念化。Horng-Jang Liaw: 写作 – 审阅与编辑，写作 – 原稿，监督，资源，正式分析。Kazem Lakzian: 写作 – 审阅与编辑，写作 – 原稿，可视化，验证，软件，方法论，调查，正式分析，数据管理，

利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，这些关系可能看起来影响了本论文中报告的工作。

致谢
使用了人工智能辅助语言编辑工具来提高稿件的语法、可读性和清晰度。作者审查并批准了最终版本，并对其内容承担全部责任。

Kazem Lakzian|Sam Zarei|Horng-Jang Liaw|Chuang Wen