液化天然气储运的安全技术及管理

2010-08-15刘金良

河南化工 2010年20期

关键词：槽车储运储罐

刘金良

(广东省特种设备检测院，广东广州 510655)

液化天然气储运的安全技术及管理

刘金良

(广东省特种设备检测院，广东广州 510655)

针对LNG的特性及LNG的储运方式，分析了LNG储运中的危险因素，并从储运设备、技术及管理等方面提出了相应的安全措施。

LNG特性;LNG储运;安全技术措施;安全管理

液化天然气是将天然气净化、深冷液化而成的液体，体积约为其气态体积的1/625，有利于远距离的运输和储存，液体温度一般为-162～-150℃，属于低温液体。随着世界和我国LNG工业的发展，LNG工业产业的完整链系包括上游天然气的开采、液化储运和液化天然气在气化、销售等环节，其中主要环节为液化站、LNG运输和LNG供气站三个接点。而LNG储运在整个LNG产业链从生产到销售，都是十分重要的环节。为此，液化天然气的储运安全问题将是摆在我们面前的一个重要课题。

1 LNG特性

LNG主要成分为甲烷，另外还含有少量的乙烷、丙烷、N2及其他天然气中通常含有的物质。不同工厂生产的LNG具有不同的组分，主要取决于生产工艺和气源组分，按照欧洲标准EN1160的规定，LNG的甲烷含量应高于75%，氮含量应低于5%。

1.1 燃烧特性

LNG具有天然气的易燃特性，在-162℃的低温条件下，其燃烧范围为6%～13%(体积百分比)，天然气的燃烧速度相对比较慢(大约是0.3 m/s)，在敞开的环境条件下，LNG和蒸气一般不会因燃烧而引起爆炸。LNG蒸气遇到火源着火后，火焰会扩散到氧气所及的地方。游离云团中的天然气处于低速燃烧状态，云团内形成的压力低于5 kPa，一般不会造成很大的爆炸危害;但若周围空间有限，云团内部有可能形成较高的压力波，当LNG蒸气和空气混合达到爆炸的极限时，就会发生爆炸或爆轰，造成更大的事故。LNG自动着火温度随组分的变化而变化，重烃含量的增加使着火温度点降低。除受热点火外，天然气也能被火花点燃。

1.2 低温特性

LNG的低温常压储存是在液化天然气的饱和蒸气压接近常压时的温度进行储存，常压下LNG的沸点在-162℃左右，LNG的储存、运输、利用都是在低温状态下进行的。低温特性除了表现在对LNG系统的设备、管道的材料要注意防止低温条件下的脆性断裂和冷收缩对设备和管路引起的危害外，也要解决系统保冷、蒸发气处理、泄漏扩散以及低温灼伤等方面的问题。

滚腾：当不同成分的超低温液体共同储存在同一个储罐中，由于吸热与蒸发作用，可能会形成不同密度的两层液体，此现象称为层化现象，这些液体再继续受到吸热与蒸发的运作，两个液层之间就自发地进行传质传热，同时在液层表面进行蒸发。当两层液体的密度接近平衡点即相等时，就会发生上下剧烈对流与混合，并在短时间内产生大量气体，这就是滚腾［1-2］。其危害是储罐内压力急剧变化，导致设备超压，罐体受到损害等。

泄漏特性：由于低温操作，金属部件会出现明显的收缩，在储槽系统的任何部位尤其是焊缝、阀门、法兰、管件、密封及裂缝处，都可能出现泄漏和沸腾蒸发。特别是在储运过程中，由于对储存容器的振动时间长，更容易出现泄漏的情况。如果不及时对部件加固和封闭这些蒸气，它就会逐渐上浮，且扩散较远，容易遇到潜在的火源，引起火灾或爆炸等事故。

低温伤害：由于LNG是-162℃的深冷液体，皮肤直接与低温物体表面接触会产生严重的低温冻伤伤害。没有充分保护措施，人在低于10℃下一段时间后，就会有低温麻醉的危险产生，随着体温下降生理功能和智力活动都下降，心脏功能衰竭，进一步下降会导致死亡［3］。虽然LNG低温蒸气没有毒，但其含氧量低，易使人窒息。人如果吸入纯净LNG蒸气而不迅速脱离，很快就会失去知觉，几分钟后便会死亡。

1.3 快速相态转变特性

当温度相差悬殊的两种液体接触时，若热液体温度比冷液体沸点温度高111倍，则冷液体温度上升极快，表面层温度超过自发成核温度(当液体中出现气泡时)。此过程热液体能在极短时间内通过复杂的链式反应机理以爆炸速度产生大量蒸气，这个现象类似水落在一块烧红的钢板上发生的状况，可使水立即蒸发，这就是LNG与水接触时出现RPT现象的原因。当LNG泄漏流进水中时，产生强烈的对流传热，以致在一定的面积内蒸发速度保持不变;随着LNG流动，泄漏面积逐渐扩大，直到气体蒸发量等于漏出液体所能产生的气体量。如LNG槽船发生意外事故时，可导致LNG泄漏流进水中。在某一条件下，这种接触可使LNG蒸发速度剧增，此时就会发生被称为快速相态转变(RPT)的现象［4-5］，RPT现象具备爆炸的特征，由此产生的爆炸威力可导致严重事故的发生。

2 LNG储运方式

天然气的液化为运输提供了大液气密度比的物料，大大提高了天然气的运输效率，液化天然气运输是实现液化天然气贸易的必要手段，采用LNG运输可使远洋天然气贸易成为可能，是解决海洋、荒漠地区天然气开发利用的有效方法。液化天然气的运输主要有三种方式［6］：船运、车运和管道输送。

2.1 LNG船舶运输［7-8］

多年以来，在LNG国际贸易中，主要采用专用油轮进行LNG跨洋运输。LNG的远洋运输始于1959年，当时，“甲烷先锋号”油轮装载5 000 m3LNG成功地从美国路易斯安娜州的查理斯湖，横渡大西洋运抵英国凯凡岛。近半个世纪来，随着造船技术的进步，LNG油轮在数量和规模上都得到了很大发展;而增大油轮容量可降低LNG运输费用，因此LNG油轮的容量不断向大型化发展。根据LNG Shipping Solutions的统计(2004年)，世界上正在运营的液化天然气船已达151艘以上。当时2007年第十五届国际LNG大会发布的数字，至2005年5月，全球已有181艘LNG船，最大运输能力已超过25×104m3。

2.2 槽车运输

液化天然气的槽车运输承担了将天然气液化工厂生产的LNG运送到各个使用点的任务。运输距离短、数量不大的LNG输送，可采用公路槽车运输。用公路槽车运输深冷液体已有多年历史，国内外技术都十分成熟。超过一定距离，采用铁路槽车运输LNG比采用公路槽车较为经济。国内正在研究火车低温集装箱运输方式及运输标准，以便更长距离、更大量地运送LNG。

2.3 管道输送

目前，在陆地上，由于受到管道低温输送技术、经济、气源等各方面的影响，世界上约75%的天然气仍采用常态管道输送的方式，只在LNG调峰装置和油轮装卸设施上设有LNG低温管线，还没有长距离LNG管线的实例;但已有专家从理论上对长距离LNG管线可行性［9］进行了研究，理论研究表明，随着低温材料和设备技术的发展，建设长距离LNG管线在技术上是可行的，在经济上是合理的。

3 LNG储运的安全技术管理

LNG储运中，其安全性非常重要，应从储罐的布局、蒸气压的控制、储罐及管路的惰化与钝化、分层的消除及储罐与槽车的预冷等环节上给予控制，并在流程与结构的设计中考虑并完善［10］。

3.1 LNG储运设备的材料

LNG装置本身的可靠性是保证LNG设施安全运行的重要前提。由于LNG为-162℃的超低温液体，因此，与该液体接触的材料必须能耐低温，而且在极低温时仍具有韧性，并能克服由常温降至低温时的胀缩问题，防止因材质选择不当而引起LNG泄漏。因此，无论是运输LNG的槽车、槽船，还是储存LNG的储罐，都必须能满足超低温的基本条件。国外使用的LNG内槽(壁)的材料主要由镍钢、铝合金和珠光体不锈钢等，国内外均有采用36%镍钢作储罐材料［11］的LNG船只的案例。

3.2 LNG储运设备的设计

3.2.1 隔热技术

低温绝热一般有普通堆积绝热、高真空绝热、真空多孔绝热、有间隔物的高真空多层绝热、无间隔物的高真空多层绝热五种类型。低温储槽目前储槽多以真空粉末绝热为主，但在LNG槽车中已开始使用高真空多层绝热，其绝热空间仅30～35 mm，这比真空粉末绝热小10倍左右，而且绝热效果好。绝热材料采用一种新型复合多层材料，其价格低廉，工艺性好;并采用一种加热充气置换新工艺，一般只需要10 d即可完成抽空。如上海交通大学提供技术，张家港市圣达因化工机械有限公司生产的ZQZ9400GD低温液体半挂车，是国产容积最大的LNG半挂车，容积为40 m3，其日蒸发率＜0.3%，已达国外同类产品水平，也是多层绝热技术在国内大型LNG槽车上的首次应用。罐体为高真空多层绝热储罐，其绝热性能直接决定罐内的压力，若绝热性能不好，则罐内压力不稳定，会严重影响运输的安全性。

3.2.2 支承

储罐的支承主要有两种类型：支脚(有不锈钢支腿和玻璃钢支腿两种)支承和链条支承两种。这种绝热结构已在大型低温储槽中广泛应用;但对于槽车，必须考虑到运输过程中的冲击、振动及冷补偿，要设计更为先进的组合支承结构。

3.2.3 安全附件及装置

由于LNG储槽/罐的隔热结构并不能完全防止LNG的蒸发，每天会有0.15%～0.3%的蒸发量，使得储槽内的温度和压力升高，为保证储存的安全可采用再液化装置将多余的BOG再液化为LNG。为实时检测储槽/罐内的LNG的各项参数，需设置各种温度、压力、液位计量测量设施及报警装置。

3.3 LNG储槽/罐的充注工艺流程

液化天然气是一种多组分混合物，温度和组成变化会引起密度变化，会引起分层和涡流，同时伴随表面蒸发的骤增，引起槽内压力骤升和蒸发率大幅度增加而造成事故。为消除液化天然气贮存时的分层与漩涡的产生，需采用合适的充注方法与设备［12］：①分别贮存法，将不同密度的天然气分别贮存。②正确选择充注过程：轻LNG从槽底进料，重LNG从槽顶进料，或两者结合使用;在槽内安装自动密度仪，以检测不同密度的层;用槽内泵使液体从底至顶循环;保持LNG的含氮量低于1%，并且密切监测气化速率。③采用混合喷嘴或多孔管等充注设备。④采用内部搅拌或输出部分液体方法。

3.4 安全技术措施

3.4.1 防泄漏可燃气体探测系统

一般可以通过目测和大型的可燃气体探测器的方法(如红外、紫外探测仪、烟雾燃烧监测仪、低温探测装置和LNG压力测试装置等)来探测LNG的泄漏。用目测的方法所见到的特征为储运装置外表为云雾状;而用探测器时，闭路电视系统可以监测所有LNG设备的工作状况，一旦发生泄漏、外溢、气化等，应急操作就会被激活，操作工就能及时采取相应的控制措施进行处理。因此，连续的自动探测系统比人工探测具有更大的优势。

3.4.2 泡沫控制蒸气扩散及辐射系统

泡沫迅速膨胀，可阻止LNG可燃蒸气的迅速扩散，并且在蒸气遇到火源着火后，可减少辐射量，泡沫的膨胀率约为500∶1。将泡沫覆盖在LNG表面，由于热量增加，会使LNG的气化率增大，气化后的LNG蒸气穿过泡沫，温度升高，向上飘浮。这样，LNG蒸气就像烟雾一样向上浮而不会沿着地面扩散，从而大大减少扩散区。

3.4.3 防过度振动装置

在储运的过程中，难免出现LNG容器的振动现象，比如槽车运输时的路况、管道输送时的地震、LNG舶船运输时的风浪等影响因素，都会对装置产生影响。因此，在LNG的储运过程中，对装置采用一些防振动措施。

3.4.4 静电导出与消防水系统

在装卸与储运过程中，LNG与储槽、管道产生摩擦，使储槽或管道带上静电;因此，在LNG相应的设备上设静电导出。消防水系统是用于当LNG泄漏时，用水来控制LNG蒸汽云团的扩散。

3.4.5 事故应急系统

LNG设施应包括事故切断系统(ESD)、应急报警系统等事故应急系统，就是当储运或卸货装置不在设计参数范围内工作的时候，中断操作，切断或关闭LNG、易燃液体、易燃致冷剂或可燃气体来源，并关闭继续运行将加剧或延长事故的设备。ESD等应急系统应具有失效保护设计，当正常控制系统故障或事故时，使失效的可能性、事故影响和损失最小。

3.5 LNG储运的安全运行管理

为保证LNG装置安全运行，应建立完善的设备管理制和维修保养制度，装置中设备应选用防爆型，具体的生产设备应有专人负责，维护保养，并做好设备运转记录，发现问题及时解决，不断提高设备的完好率，确保所有设备装置正常安全运行。同时还以应从以下方面着手确保LNG储运的安全：

3.5.1 完善法律法规

尽快完善液化天然气储运、消防法规建设，为LNG设施建设和日常监督提供较为翔实的依据。充分利用国外研究成果，尽快出台适应我国现实需要的LNG消防专项规范，建立相应的规范体系，确保LNG设施选址、建设、施工、验收和日常检查有章可循;参照国外先进经验，适应城市建设需要，进一步完善现有规范的内容，增加具有原则性的规定，借以应对消防安全面临日益复杂的环境;充分认识LNG事故的危害性，规范在强化一般性规定的同时，重点研讨诱发LNG危险性的因素，增加相关规定，对可能出现的危险情况的防护措施进行严格限定，确保LNG设施的安全。

3.5.2 岗位操作规程

包括LNG装卸车操作规程、LNG储罐增压操作规程、LNG储罐倒罐操作规程、BOG储罐操作规程等。

3.5.3 人员配置

应有专门的机构负责LNG储运的安全技术管理，同时应配备专业技术管理人员，不论是管理人员，还是岗位操作人员及车辆司机均应经专业技术培训，经考核合格后方可上岗。

3.5.4 定期检查

LNG储罐的整体外观情况(周期：一年);真空粉末绝热储罐夹层真空度的测定(周期：一年);储罐的日蒸发率的测定(可通过BOG的排出量来测定，周期可长可短，但发现日蒸发率突然增大或减小时应找出原因，立即解决);储罐基础牢固，变损情况(周期：3个月)必要时可对储罐焊缝进行复检，同时应检查储罐的原始运行记录。

4 结论

尽管LNG被认为是一种非常危险的燃料，但是，从LNG产业几十年的发展历史来看，其具有良好的安全记录。然而，这并非说LNG就不危险，关键是能否掌握来自LNG的特性和危险来源，是否按标准和规范去设计、施工、运行及管理。本文仅从LNG的危险特性等方面针对LNG储运过程中可能存在的危险因素进行了分析，并浅析了储运设备设计、安全技术及管理方面的措施，对LNG的安全储运还需从本质安全等方面进行更深层次的研究。

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