劉金良

(廣東省特種設備檢測院，廣東廣州 510655)

液化天然氣儲運的安全技術及管理

劉金良

(廣東省特種設備檢測院，廣東廣州 510655)

針對LNG的特性及LNG的儲運方式，分析了LNG儲運中的危險因素，并從儲運設備、技術及管理等方面提出了相應的安全措施。

LNG特性;LNG儲運;安全技術措施;安全管理

液化天然氣是將天然氣凈化、深冷液化而成的液體，體積約為其氣態(tài)體積的1/625，有利于遠距離的運輸和儲存，液體溫度一般為-162～-150℃，屬于低溫液體。隨著世界和我國LNG工業(yè)的發(fā)展，LNG工業(yè)產(chǎn)業(yè)的完整鏈系包括上游天然氣的開采、液化儲運和液化天然氣在氣化、銷售等環(huán)節(jié)，其中主要環(huán)節(jié)為液化站、LNG運輸和LNG供氣站三個接點。而LNG儲運在整個LNG產(chǎn)業(yè)鏈從生產(chǎn)到銷售，都是十分重要的環(huán)節(jié)。為此，液化天然氣的儲運安全問題將是擺在我們面前的一個重要課題。

1 LNG特性

LNG主要成分為甲烷，另外還含有少量的乙烷、丙烷、N2及其他天然氣中通常含有的物質。不同工廠生產(chǎn)的LNG具有不同的組分，主要取決于生產(chǎn)工藝和氣源組分，按照歐洲標準EN1160的規(guī)定，LNG的甲烷含量應高于75%，氮含量應低于5%。

1.1 燃燒特性

LNG具有天然氣的易燃特性，在-162℃的低溫條件下，其燃燒范圍為6%～13%(體積百分比)，天然氣的燃燒速度相對比較慢(大約是0.3 m/s)，在敞開的環(huán)境條件下，LNG和蒸氣一般不會因燃燒而引起爆炸。LNG蒸氣遇到火源著火后，火焰會擴散到氧氣所及的地方。游離云團中的天然氣處于低速燃燒狀態(tài)，云團內形成的壓力低于5 kPa，一般不會造成很大的爆炸危害;但若周圍空間有限，云團內部有可能形成較高的壓力波，當LNG蒸氣和空氣混合達到爆炸的極限時，就會發(fā)生爆炸或爆轟，造成更大的事故。LNG自動著火溫度隨組分的變化而變化，重烴含量的增加使著火溫度點降低。除受熱點火外，天然氣也能被火花點燃。

1.2 低溫特性

LNG的低溫常壓儲存是在液化天然氣的飽和蒸氣壓接近常壓時的溫度進行儲存，常壓下LNG的沸點在-162℃左右，LNG的儲存、運輸、利用都是在低溫狀態(tài)下進行的。低溫特性除了表現(xiàn)在對LNG系統(tǒng)的設備、管道的材料要注意防止低溫條件下的脆性斷裂和冷收縮對設備和管路引起的危害外，也要解決系統(tǒng)保冷、蒸發(fā)氣處理、泄漏擴散以及低溫灼傷等方面的問題。

滾騰：當不同成分的超低溫液體共同儲存在同一個儲罐中，由于吸熱與蒸發(fā)作用，可能會形成不同密度的兩層液體，此現(xiàn)象稱為層化現(xiàn)象，這些液體再繼續(xù)受到吸熱與蒸發(fā)的運作，兩個液層之間就自發(fā)地進行傳質傳熱，同時在液層表面進行蒸發(fā)。當兩層液體的密度接近平衡點即相等時，就會發(fā)生上下劇烈對流與混合，并在短時間內產(chǎn)生大量氣體，這就是滾騰［1-2］。其危害是儲罐內壓力急劇變化，導致設備超壓，罐體受到損害等。

泄漏特性：由于低溫操作，金屬部件會出現(xiàn)明顯的收縮，在儲槽系統(tǒng)的任何部位尤其是焊縫、閥門、法蘭、管件、密封及裂縫處，都可能出現(xiàn)泄漏和沸騰蒸發(fā)。特別是在儲運過程中，由于對儲存容器的振動時間長，更容易出現(xiàn)泄漏的情況。如果不及時對部件加固和封閉這些蒸氣，它就會逐漸上浮，且擴散較遠，容易遇到潛在的火源，引起火災或爆炸等事故。

低溫傷害：由于LNG是-162℃的深冷液體，皮膚直接與低溫物體表面接觸會產(chǎn)生嚴重的低溫凍傷傷害。沒有充分保護措施，人在低于10℃下一段時間后，就會有低溫麻醉的危險產(chǎn)生，隨著體溫下降生理功能和智力活動都下降，心臟功能衰竭，進一步下降會導致死亡［3］。雖然LNG低溫蒸氣沒有毒，但其含氧量低，易使人窒息。人如果吸入純凈LNG蒸氣而不迅速脫離，很快就會失去知覺，幾分鐘后便會死亡。

1.3 快速相態(tài)轉變特性

當溫度相差懸殊的兩種液體接觸時，若熱液體溫度比冷液體沸點溫度高111倍，則冷液體溫度上升極快，表面層溫度超過自發(fā)成核溫度(當液體中出現(xiàn)氣泡時)。此過程熱液體能在極短時間內通過復雜的鏈式反應機理以爆炸速度產(chǎn)生大量蒸氣，這個現(xiàn)象類似水落在一塊燒紅的鋼板上發(fā)生的狀況，可使水立即蒸發(fā)，這就是LNG與水接觸時出現(xiàn)RPT現(xiàn)象的原因。當LNG泄漏流進水中時，產(chǎn)生強烈的對流傳熱，以致在一定的面積內蒸發(fā)速度保持不變;隨著LNG流動，泄漏面積逐漸擴大，直到氣體蒸發(fā)量等于漏出液體所能產(chǎn)生的氣體量。如LNG槽船發(fā)生意外事故時，可導致LNG泄漏流進水中。在某一條件下，這種接觸可使LNG蒸發(fā)速度劇增，此時就會發(fā)生被稱為快速相態(tài)轉變(RPT)的現(xiàn)象［4-5］，RPT現(xiàn)象具備爆炸的特征，由此產(chǎn)生的爆炸威力可導致嚴重事故的發(fā)生。

2 LNG儲運方式

天然氣的液化為運輸提供了大液氣密度比的物料，大大提高了天然氣的運輸效率，液化天然氣運輸是實現(xiàn)液化天然氣貿易的必要手段，采用LNG運輸可使遠洋天然氣貿易成為可能，是解決海洋、荒漠地區(qū)天然氣開發(fā)利用的有效方法。液化天然氣的運輸主要有三種方式［6］：船運、車運和管道輸送。

2.1 LNG船舶運輸［7-8］

多年以來，在LNG國際貿易中，主要采用專用油輪進行LNG跨洋運輸。LNG的遠洋運輸始于1959年，當時，“甲烷先鋒號”油輪裝載5 000 m3LNG成功地從美國路易斯安娜州的查理斯湖，橫渡大西洋運抵英國凱凡島。近半個世紀來，隨著造船技術的進步，LNG油輪在數(shù)量和規(guī)模上都得到了很大發(fā)展;而增大油輪容量可降低LNG運輸費用，因此LNG油輪的容量不斷向大型化發(fā)展。根據(jù)LNG Shipping Solutions的統(tǒng)計(2004年)，世界上正在運營的液化天然氣船已達151艘以上。當時2007年第十五屆國際LNG大會發(fā)布的數(shù)字，至2005年5月，全球已有181艘LNG船，最大運輸能力已超過25×104m3。

2.2 槽車運輸

液化天然氣的槽車運輸承擔了將天然氣液化工廠生產(chǎn)的LNG運送到各個使用點的任務。運輸距離短、數(shù)量不大的LNG輸送，可采用公路槽車運輸。用公路槽車運輸深冷液體已有多年歷史，國內外技術都十分成熟。超過一定距離，采用鐵路槽車運輸LNG比采用公路槽車較為經(jīng)濟。國內正在研究火車低溫集裝箱運輸方式及運輸標準，以便更長距離、更大量地運送LNG。

2.3 管道輸送

目前，在陸地上，由于受到管道低溫輸送技術、經(jīng)濟、氣源等各方面的影響，世界上約75%的天然氣仍采用常態(tài)管道輸送的方式，只在LNG調峰裝置和油輪裝卸設施上設有LNG低溫管線，還沒有長距離LNG管線的實例;但已有專家從理論上對長距離LNG管線可行性［9］進行了研究，理論研究表明，隨著低溫材料和設備技術的發(fā)展，建設長距離LNG管線在技術上是可行的，在經(jīng)濟上是合理的。

3 LNG儲運的安全技術管理

LNG儲運中，其安全性非常重要，應從儲罐的布局、蒸氣壓的控制、儲罐及管路的惰化與鈍化、分層的消除及儲罐與槽車的預冷等環(huán)節(jié)上給予控制，并在流程與結構的設計中考慮并完善［10］。

3.1 LNG儲運設備的材料

LNG裝置本身的可靠性是保證LNG設施安全運行的重要前提。由于LNG為-162℃的超低溫液體，因此，與該液體接觸的材料必須能耐低溫，而且在極低溫時仍具有韌性，并能克服由常溫降至低溫時的脹縮問題，防止因材質選擇不當而引起LNG泄漏。因此，無論是運輸LNG的槽車、槽船，還是儲存LNG的儲罐，都必須能滿足超低溫的基本條件。國外使用的LNG內槽(壁)的材料主要由鎳鋼、鋁合金和珠光體不銹鋼等，國內外均有采用36%鎳鋼作儲罐材料［11］的LNG船只的案例。

3.2 LNG儲運設備的設計

3.2.1 隔熱技術

低溫絕熱一般有普通堆積絕熱、高真空絕熱、真空多孔絕熱、有間隔物的高真空多層絕熱、無間隔物的高真空多層絕熱五種類型。低溫儲槽目前儲槽多以真空粉末絕熱為主，但在LNG槽車中已開始使用高真空多層絕熱，其絕熱空間僅30～35 mm，這比真空粉末絕熱小10倍左右，而且絕熱效果好。絕熱材料采用一種新型復合多層材料，其價格低廉，工藝性好;并采用一種加熱充氣置換新工藝，一般只需要10 d即可完成抽空。如上海交通大學提供技術，張家港市圣達因化工機械有限公司生產(chǎn)的ZQZ9400GD低溫液體半掛車，是國產(chǎn)容積最大的LNG半掛車，容積為40 m3，其日蒸發(fā)率＜0.3%，已達國外同類產(chǎn)品水平，也是多層絕熱技術在國內大型LNG槽車上的首次應用。罐體為高真空多層絕熱儲罐，其絕熱性能直接決定罐內的壓力，若絕熱性能不好，則罐內壓力不穩(wěn)定，會嚴重影響運輸?shù)陌踩浴?/p>

3.2.2 支承

儲罐的支承主要有兩種類型：支腳(有不銹鋼支腿和玻璃鋼支腿兩種)支承和鏈條支承兩種。這種絕熱結構已在大型低溫儲槽中廣泛應用;但對于槽車，必須考慮到運輸過程中的沖擊、振動及冷補償，要設計更為先進的組合支承結構。

3.2.3 安全附件及裝置

由于LNG儲槽/罐的隔熱結構并不能完全防止LNG的蒸發(fā)，每天會有0.15%～0.3%的蒸發(fā)量，使得儲槽內的溫度和壓力升高，為保證儲存的安全可采用再液化裝置將多余的BOG再液化為LNG。為實時檢測儲槽/罐內的LNG的各項參數(shù)，需設置各種溫度、壓力、液位計量測量設施及報警裝置。

3.3 LNG儲槽/罐的充注工藝流程

液化天然氣是一種多組分混合物，溫度和組成變化會引起密度變化，會引起分層和渦流，同時伴隨表面蒸發(fā)的驟增，引起槽內壓力驟升和蒸發(fā)率大幅度增加而造成事故。為消除液化天然氣貯存時的分層與漩渦的產(chǎn)生，需采用合適的充注方法與設備［12］：①分別貯存法，將不同密度的天然氣分別貯存。②正確選擇充注過程：輕LNG從槽底進料，重LNG從槽頂進料，或兩者結合使用;在槽內安裝自動密度儀，以檢測不同密度的層;用槽內泵使液體從底至頂循環(huán);保持LNG的含氮量低于1%，并且密切監(jiān)測氣化速率。③采用混合噴嘴或多孔管等充注設備。④采用內部攪拌或輸出部分液體方法。

3.4 安全技術措施

3.4.1 防泄漏可燃氣體探測系統(tǒng)

一般可以通過目測和大型的可燃氣體探測器的方法(如紅外、紫外探測儀、煙霧燃燒監(jiān)測儀、低溫探測裝置和LNG壓力測試裝置等)來探測LNG的泄漏。用目測的方法所見到的特征為儲運裝置外表為云霧狀;而用探測器時，閉路電視系統(tǒng)可以監(jiān)測所有LNG設備的工作狀況，一旦發(fā)生泄漏、外溢、氣化等，應急操作就會被激活，操作工就能及時采取相應的控制措施進行處理。因此，連續(xù)的自動探測系統(tǒng)比人工探測具有更大的優(yōu)勢。

3.4.2 泡沫控制蒸氣擴散及輻射系統(tǒng)

泡沫迅速膨脹，可阻止LNG可燃蒸氣的迅速擴散，并且在蒸氣遇到火源著火后，可減少輻射量，泡沫的膨脹率約為500∶1。將泡沫覆蓋在LNG表面，由于熱量增加，會使LNG的氣化率增大，氣化后的LNG蒸氣穿過泡沫，溫度升高，向上飄浮。這樣，LNG蒸氣就像煙霧一樣向上浮而不會沿著地面擴散，從而大大減少擴散區(qū)。

3.4.3 防過度振動裝置

在儲運的過程中，難免出現(xiàn)LNG容器的振動現(xiàn)象，比如槽車運輸時的路況、管道輸送時的地震、LNG舶船運輸時的風浪等影響因素，都會對裝置產(chǎn)生影響。因此，在LNG的儲運過程中，對裝置采用一些防振動措施。

3.4.4 靜電導出與消防水系統(tǒng)

在裝卸與儲運過程中，LNG與儲槽、管道產(chǎn)生摩擦，使儲槽或管道帶上靜電;因此，在LNG相應的設備上設靜電導出。消防水系統(tǒng)是用于當LNG泄漏時，用水來控制LNG蒸汽云團的擴散。

3.4.5 事故應急系統(tǒng)

LNG設施應包括事故切斷系統(tǒng)(ESD)、應急報警系統(tǒng)等事故應急系統(tǒng)，就是當儲運或卸貨裝置不在設計參數(shù)范圍內工作的時候，中斷操作，切斷或關閉LNG、易燃液體、易燃致冷劑或可燃氣體來源，并關閉繼續(xù)運行將加劇或延長事故的設備。ESD等應急系統(tǒng)應具有失效保護設計，當正?？刂葡到y(tǒng)故障或事故時，使失效的可能性、事故影響和損失最小。

3.5 LNG儲運的安全運行管理

為保證LNG裝置安全運行，應建立完善的設備管理制和維修保養(yǎng)制度，裝置中設備應選用防爆型，具體的生產(chǎn)設備應有專人負責，維護保養(yǎng)，并做好設備運轉記錄，發(fā)現(xiàn)問題及時解決，不斷提高設備的完好率，確保所有設備裝置正常安全運行。同時還以應從以下方面著手確保LNG儲運的安全：

3.5.1 完善法律法規(guī)

盡快完善液化天然氣儲運、消防法規(guī)建設，為LNG設施建設和日常監(jiān)督提供較為翔實的依據(jù)。充分利用國外研究成果，盡快出臺適應我國現(xiàn)實需要的LNG消防專項規(guī)范，建立相應的規(guī)范體系，確保LNG設施選址、建設、施工、驗收和日常檢查有章可循;參照國外先進經(jīng)驗，適應城市建設需要，進一步完善現(xiàn)有規(guī)范的內容，增加具有原則性的規(guī)定，借以應對消防安全面臨日益復雜的環(huán)境;充分認識LNG事故的危害性，規(guī)范在強化一般性規(guī)定的同時，重點研討誘發(fā)LNG危險性的因素，增加相關規(guī)定，對可能出現(xiàn)的危險情況的防護措施進行嚴格限定，確保LNG設施的安全。

3.5.2 崗位操作規(guī)程

包括LNG裝卸車操作規(guī)程、LNG儲罐增壓操作規(guī)程、LNG儲罐倒罐操作規(guī)程、BOG儲罐操作規(guī)程等。

3.5.3 人員配置

應有專門的機構負責LNG儲運的安全技術管理，同時應配備專業(yè)技術管理人員，不論是管理人員，還是崗位操作人員及車輛司機均應經(jīng)專業(yè)技術培訓，經(jīng)考核合格后方可上崗。

3.5.4 定期檢查

LNG儲罐的整體外觀情況(周期：一年);真空粉末絕熱儲罐夾層真空度的測定(周期：一年);儲罐的日蒸發(fā)率的測定(可通過BOG的排出量來測定，周期可長可短，但發(fā)現(xiàn)日蒸發(fā)率突然增大或減小時應找出原因，立即解決);儲罐基礎牢固，變損情況(周期：3個月)必要時可對儲罐焊縫進行復檢，同時應檢查儲罐的原始運行記錄。

4 結論

盡管LNG被認為是一種非常危險的燃料，但是，從LNG產(chǎn)業(yè)幾十年的發(fā)展歷史來看，其具有良好的安全記錄。然而，這并非說LNG就不危險，關鍵是能否掌握來自LNG的特性和危險來源，是否按標準和規(guī)范去設計、施工、運行及管理。本文僅從LNG的危險特性等方面針對LNG儲運過程中可能存在的危險因素進行了分析，并淺析了儲運設備設計、安全技術及管理方面的措施，對LNG的安全儲運還需從本質安全等方面進行更深層次的研究。

［1］ 袁宗明，謝 英，梁光川，等.城市配氣［M］.北京：石油工業(yè)出版社.2004：259-261.

［2］ 馬曉茜，廖艷芬.液化天然氣儲運與利用中的幾個關鍵問題［J］.石油與天然氣化工，2005，34(5)：363-367，336-337.

［3］ 黃維新，于庭安，楊立兵，等.液態(tài)天然氣(LNG)儲運安全因素分析［J］.中國公共安全(學術版)，2008，12 (1)：71-74.

［4］ 王 泓.LNG潛在的危害及其預防措施［J］.天然氣與石油，2007，25(1)：1-2，10，59.

［5］ Karen B，Latest.Developments in Rapid-Phase-Transition Modeling［J］.JPT，2004，4：58-59.

［6］ 熊光德，毛云龍.LNG的儲存和運輸［J］.天然氣與石油，2005，23(2)：17-20.

［7］ 郭揆常.液化天然氣(LNG)應用與安全［M］.北京：中國石化出版社，2008：117-123.

［8］ 張 勇.液化天然氣(LNG)的海上運輸［J］.水運工程，2004，362(3)：65-67.

［9］ 徐孝軒，陳維平，余金懷.液化天然氣的運輸方式及其特點［J］.油氣儲運，2006，5(3)：6-8，11，61.

［10］ 徐 烈，李兆慈，張 潔，等.我國液化天然氣(LNG)的陸地儲存與運輸［J］.天然氣工業(yè)，2002，22(3)：89-91.

［11］ 程勁松，賀志明，劉勇明，等.法國燃氣公司發(fā)展現(xiàn)狀綜述［J］.天然氣工業(yè)，2002，22(2)：102-103.

［12］ 徐 列，朱衛(wèi)東，湯曉英.低溫絕熱與貯運技術［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1999：154-158.

［13］ 劉 玥，楊 芳，王 欣.淺析液化天然氣的消防安全［J］.消防技術與產(chǎn)品信息，2008，(1)：27-32.

［14］ 田 建.液化天然氣道路運輸安全現(xiàn)狀分析與對策研究［J］.交通標準化，2008，(8)：39-41.

［15］ 弓燕舞，匯金華.液化天然氣罐式集裝箱公路運輸經(jīng)濟性分析［J］.油氣儲運，2005，(5)：51-53.

TE88

A

1003-3467(2010)20-0006-04

2010-08-21

劉金良(1982-)，男，助理工程師，從事低溫容器檢驗檢測及研究工作，電話：13427514002。