LNG加注趸船消防安全技术研究

饶 慧， 张 晖

(中国船级社武汉规范研究所， 湖北 武汉 430022)

LNG加注趸船消防安全技术研究

饶 慧， 张 晖

(中国船级社武汉规范研究所， 湖北 武汉 430022)

液化天然气(LNG)加注趸船是一种新型的LNG动力船燃料水上补给方案。加注趸船的火灾以自救为主。为了对LNG加注趸船的火灾风险进行控制，总结了LNG火灾的特点及其对人员及船上结构和设备的危害，提出了围堰、耐火结构、功能分区及水雾、水幕、高倍泡沫覆盖保护等火灾控制措施和热辐射隔挡措施，给出了固定式化学干粉灭火系统、固定式甲板泡沫灭火系统、固定式二氧化碳灭火系统等的配备建议。

液化天然气 加注趸船 火灾 水幕 水雾

1 前言

LNG加注趸船，又称为水上LNG加注站，是固定在水域中为LNG燃料动力船提供燃料加注服务的船舶。目前，全国首艘LNG加注趸船“海港星01号”已在南京八卦洲投入试运行，其标志着我国水上运输开始进入了全新的“天然气时代”。随着内河大批船只“油改气”改造工作的推动，水上LNG加注站作为配套基础设施，其安全作业是保障实现LNG燃料水上加注的关键。

由于加注趸船在有限的空间内集聚了供人员生活、营业以及燃料储存和作业的场所，其LNG储存量大，系统复杂，作业操作比较频繁，存在较大的火灾危险性。一旦发生LNG火灾和爆炸，可能造成严重的财产损失和人员伤亡，因此，在其营运过程中必须重点防范LNG的火灾和爆炸。本文基于LNG火灾的特点，分析了LNG火灾的危害，提出了适用于LNG加注趸船的火灾热辐射隔绝措施，以及消防配备要求。

2 LNG加注趸船基本布置

LNG加注趸船上的设备主要包括储罐、LNG泵、热交换器、BOG罐和缓冲罐、加注臂或软管、液相管、气相管、低温阀件及仪表等。基于作业便利等因素这些设备通常布置在干舷甲板以上，这就需要考虑气体安全区域和气体危险区域的相互关系。因此，船舶布置形式是否合理，对于消除或降低火灾危险来说，显得尤为重要。根据功能分区的思想，目前较为合理的船舶布置如图1所示。

图1 LNG加注趸船基本布置示意

储罐、BOG罐和缓冲罐、LNG管路及LNG泵、热交换器等配备设备布置在气罐区，加注臂或软管布置在作业加注区，船员生活起居的舱室，如卧室、厨房、会议室、卫生间、储藏间等布置在生活区，此外甲板以下还布置有机舱、油舱(对油气合建的加注趸船)等处所。

3 LNG火灾的特点

LNG泄漏后，由液态转为气态，在空气中形成蒸气云。当蒸气云团的体积分数在燃烧范围之内(5%～15%)时，若遭遇点火源，将会发生蒸气云火灾(Vapor Fire)。如果在蒸气云扩散直至遇到点火源的这段时间里，泄漏或溢出一直持续，那么蒸气云火可能烧回液池，形成池火(Pool Fire)。如果蒸气云的扩散受到限制，或者蒸气云含有重烃化合物，那么火焰就会加速燃烧并引起爆炸。如果在发生泄漏或溢出时立即遇到点火源，则形成喷射火(Jet Fire)[1]。

4 LNG火灾的危害

根据文献[2]对LNG站场内LNG火灾危险性的划分，LNG火灾危险性划为甲A类，NG火灾危险性为甲B类，火灾危险等级较高。

由于LNG的泄露不易察觉，且是纯气体燃烧，几乎不产生黑烟，因此火焰温度高、热辐射强度高，极易造成对人员的伤害和设备的损坏。表1和表2列出了LNG加注趸船周边设施及内部相邻设施可接受的热辐射强度值[3-6]。LNG火灾的波及范围较广，本文参照NFPA 59A标准并结合长江气候条件选取相关参数，通过池火热辐射计算模型对储罐围堰池火的波及范围做了计算，得出了不同储罐容积的加注趸船池火波及范围，如表3所示。

表1 LNG加注趸船周边设施允许的热辐射值

表2 LNG加注趸船内部相邻设施允许的热辐射值

表3 实体火焰模型计算结果

趸船火灾的扑救比陆上火灾难度更大。因为趸船受空间布置的约束，自身消防力量比较单薄，遇险时难于疏散，也难以及时得到有力的外援。一旦发生LNG火灾或爆炸，如果没有得到有效的控制，后果将不堪设想。尤其是对于加油加气合建的加注趸船，由于燃油(闪点大于60°)着火温度较低，当发生LNG火灾时，高温极易通过甲板传递到油舱区带来引燃油类的风险，强烈的火焰热辐射也可能点燃油舱区上方的油蒸气，造成次生灾害。此外，船舶火灾对周边建筑也有一定影响，如码头、桥梁、大坝、船闸、航道等。

5 LNG火灾的控制和热辐射隔挡措施

为了在一定时间内遏止火灾的蔓延，防止次生灾害的产生，使人员能安全撤离，LNG加注趸船需采取相应的热辐射隔绝或减弱措施。具体包括以下几个方面。

(1) 围堰拦蓄。对于仅内罐为不锈钢材料且液面以下有出液口的储罐，发生低温液体泄漏事故的概率要高于双层不锈钢罐，而LNG泄漏是引发火灾和爆炸的根源。此外，泄漏的低温液体还可能造成船体钢结构的脆性断裂，为了证明普通碳钢在深冷环境下无冲击韧性，本文依托国家海事局和国家能源局联合专项课题“LNG燃料动力船舶应用安全性研究”进行了试验验证，试验表明在-196℃下的普通碳钢其冲击韧性仅有2J。因此，加注趸船应有针对LNG泄漏的防护措施。鉴于围堰对池火的限制作用，对于上述安全性较低的储罐，应在储罐下方设置围堰，并在其它可能产生泄漏风险的位置下方设置集液盘，将泄漏的可燃液体围堵，以免四处流淌，扩大火灾面积，增加热辐射的波及距离。

(2) 耐火结构。[7]钢本身不燃烧，也具有较好的耐热性，但不耐高温，随着温度的升高，其强度下降，同时变形增大。当发生火灾且温度达到450℃～650℃时，钢结构就会失去承载能力，发生很大的形变，甚至垮塌。实验室数据表明，一般不加保护的钢结构其耐火极限为15～20 min左右。因此，应尽可能提高LNG加注趸船上关键处所钢质材料的耐火性能，如采用隔热材料等措施，在更长时间内将火灾限制在局部范围内，减小对相邻处所和区域的热辐射影响。

(3) 功能分区。如若发生火灾，应考虑将火灾可能波及的范围控制在最小范围内。在船舶布置上首先对干舷甲板上的区域进行合理划分(见图1)，将不同功能的区域分开设置，如储罐区、油舱区、卸车区、生活区和人员安全通道等，尽量保持各区的独立性，减少任何一处发生火灾危险可能对其他区域造成的影响；设计中尽可能减小危险区域的面积，将涉及可燃气体所在的危险区域尽量集中，例如在满足安全的前提下将围堰面积做小。

(4) 水雾保护及水幕隔断。水雾系统不具备直接扑灭LNG火灾的能力，但可用于防火、冷却和船员防护。图2所示为水雾保护系统对裸露的储罐表面进行冷却和防护。水雾汽化后，在可燃物周围迅速将氧气稀释减少，起到窒息灭火作用，还可以有效减少辐射热，防止火灾蔓延扩大。

图2 水雾系统保护

水幕系统用于防火隔断、防火分区以及局部降温保护等。在LNG加注设备前沿设置水幕系统，当发生火灾时，启动水幕系统隔断加注作业区和其他区域，降低热辐射影响。图3为国外做的LNG火灾试验[8]，试验结果表明：水幕未开启时，火焰热辐射通量值逐渐升高；当水幕开启进行隔断后，热辐射值迅速降低约三分之一；关闭水幕后，热辐射值又迅速回升。

图3 热辐射隔绝效果试验

(5) 高倍数泡沫覆盖保护。LNG泄漏到围堰或集液池后(未点燃)，可采用高倍数泡沫灭火剂来覆盖溢出的LNG液体，减少空气与LNG的接触面积。由于热量增加，LNG气化后穿过泡沫，温度升高，向上飘浮，而不会沿着地面扩散，从而大大减少扩散区。如果是将泡沫覆盖在燃烧的LNG池上，就会降低气化率，从而减小火势，热辐射量也就会随火势的减小而减少[9]。

6 LNG标准消防要求分析

LNG加注趸船是一种全新设施，在标准制定方面尚无先例可循。在使用经验尚缺乏的情况下，对其消防要求的制定，除了综合参考LNG燃料动力船和LNG运输船的相关船级社规范外，其安全理念还需借鉴陆上LNG站场及加气站的相关消防要求。

根据LNG燃料动力船和LNG运输船消防的配备要求[10-17]，得到以下结论：

(1) 水灭火系统是LNG船舶的基本消防配备，消防水及水雾对LNG火灾的扑救起着至关重要的辅助作用；

(2) 发生LNG火灾时，采用固定式干粉灭火系统进行灭火，同时启动水雾系统进行保护。

LNG陆用标准[3,5,18-20]主要针对陆上LNG站场或LNG加气站，分析其消防要求得出以下几点结论：

(1) LNG站场需有足够的水源来降温和冷却，降低热辐射从而减少火灾风险和设备损失。

(2) LNG泄漏到围堰或集液池后，可采用高倍数泡沫灭火剂来覆盖溢出的LNG液体，减少空气与LNG的接触面积，防止逃逸的LNG遭遇明火而引发火灾。

(3) 发生LNG火灾时，宜采用干粉灭火剂对其进行扑灭，并根据可能的火灾规模，选用干粉灭火器或固定式干粉灭火系统，前者用于及时扑灭小火灾和初期火灾，后者用于扑灭大范围的LNG火灾。

7 LNG加注趸船消防布置及配备

LNG加注趸船的消防布置及配备要求，除了沿袭传统的船舶消防体系外，还应吸收上述LNG陆上站的消防理念，结合船舶布置特点、燃料存储类型、火灾危险性及经济成本等因素综合考虑。

7.1 结构防火

LNG加注趸船内部需采用耐火结构加以分隔，尤其是经常有人员工作和出入的生活区，其面向气罐区的舱壁应具有一定的耐火强度。在船舶上，这种情况下一般采用“A-60”级防火分隔。而且舱壁内部还要限制可燃材料的使用，如天花板、衬板、衬档、风挡、油漆、表面涂料、甲板基层敷料、隔热材料等所使用的材料，应能起到预防失火或阻火的作用。

此外，考虑到LNG火灾热辐射波及范围较大，建议生活区与气罐区、卸车区之间要有一定的安全距离。对于加油加气合建的加注趸船，油舱不能布置在气罐区下方，与气罐区相邻时，应采用隔离空舱进行隔离。

7.2 灭火剂的选用

LNG加注趸船上可能存在的火灾类型包括固体火灾、电气火灾、油类火灾及气体火灾。实践证明，各类火灾最为有效的灭火方式如下表4所示。

表4 灭火方式的选用

但值得注意的是，水不能用于油类及电气设备的灭火，也不能直接喷到LNG火焰上，但可以以水雾形式喷到天然气蒸气中，缩小蒸气云团，控制没有气体的火焰，冷却附近设备。

7.3 灭火系统及消防用品的配备

除了根据不同类型的火灾选用正确的灭火剂，还应结合区域面积、系统规模，来配备相应的灭火系统和消防用品。针对目前LNG加注趸船的布置型式，除了设置船舶基本的水消防系统外，建议还配备如下消防设备。

(1) 固定式化学干粉灭火系统。目前化学干粉一般用于液化气体船舶货物区域的灭火。储罐是LNG加注趸船上储存LNG量最大的设备，是加注趸船的特级危险源，因此需设置固定式化学干粉灭火系统。化学干粉灭火剂应用在火的根源，绝不能直接喷到火焰上。

(2) 固定式甲板泡沫灭火系统。目前2 000 t及以上的内河油船(闪点大于60℃)的货油舱区域配备了固定式甲板泡沫灭火系统。考虑到加油加气合建的加注设施上载油量最大可达700 m3，且储存了大量的LNG，一旦燃油发生火灾事故时，为了及时有效的控制灾害，避免危及气罐区而酿成更大的事故，载油量较大的加注趸船应配置固定式甲板泡沫灭火系统。

(3) 固定式二氧化碳灭火系统。考虑到加注趸船上可能存在具有火灾危险的其他处所，如设有发动机的机器处所、气体压缩机室等，那么应设置固定式二氧化碳灭火系统予以保护。当被保护处所失火时，启动施放装置将二氧化碳施放到被保护的处所。二氧化碳对人员有窒息作用，施放二氧化碳时，必须确认该处所没有人员存在，对任何经常有人员在内工作或出入的处所，应设有施放二氧化碳灭火剂的自动声响报警装置，以便工作人员迅速撤离。

(4) 其他消防用品。此外，气罐区还需设置一定数量的干粉灭火器，油舱区则设置一定数量的泡沫灭火器，作为固定灭火系统的补充。对于机舱、厨房等具有较高失火危险的处所，需设置手提式灭火器或手提式泡沫枪等灭火器材，其他位置则根据需要设置气体灭火器、消防水桶、砂箱等，以便工作人员及时扑灭身边的初起火灾。

7.4 灭火设备的使用

LNG火灾不同于一般火灾，需遵循一定的原则并正确地使用灭火设备，否则再完备再先进的消防设备都形同虚设，不仅不能有效灭火，甚至还会酿成更大的灾害。

LNG火灾的扑救原则是：首先切断泄漏源，然后控制可燃物，再扑灭火源。不能像扑灭其他火灾那样直接扑灭火源，而是先要切断泄漏源，否则燃烧会一直进行，直至所有的液体消耗殆尽。当发生LNG火灾时，灭火设备的使用如下：

(1) 当火灾是由气体发生泄漏而引发时，火灾形态为喷射火。应迅速关闭漏气管段两端阀门，切断气源；同时启动水雾系统和水幕系统，对气罐和周围设备进行冷却和隔离，并使用化学干粉灭火系统进行扑救。

(2) 当火灾是由LNG泄漏引发时，火灾形态为LNG池火。应迅速切断气罐主阀，阻止可燃液体的持续泄漏；同时启动水雾系统和水幕系统，对气罐和周围设备进行冷却和隔离，并采用干粉为主、泡沫为辅的方法进行扑救。在不适宜扑灭火灾的情况下，使LNG安全气化燃烧。同时保证火场内水源充足，不间断供水进行冷却防护。

8 结束语

本文得出的主要结论有：

(1) LNG加注趸船空间有限，船舶火灾的扑救比陆上火灾难度大，且火灾时，人员难于疏散，所以要对其火灾的控制给予更高的关注；

(2) 提出了使用围堰、耐火结构、功能分区及水雾、水幕、高倍泡沫覆盖保护等火灾控制措施和热辐射隔挡措施来控制LNG火灾的危害；

(3) 建议根据不同分区的可燃物类型及可能存在的火灾类型，配备固定式化学干粉、固定式甲板泡沫、固定式二氧化碳等灭火系统来达到灭火的目的。

[ 1 ] RAJ P K. LNG Fires: A Review of Experimental Results, Models and Hazard Prediction Challenges [J]. Journal of Hazardous Materials, 2007，140:444-464.

[ 2 ] GB 50183-2004.石油天然气工程设计防火规范[S].2005.

[ 3 ] GB/T20368-2006.液化天然气(LNG)生产、储存和装运[S].2006.

[ 4 ] NFPA 59A-2009.Standard for the Production,Storage,and Handling of Liquefied Natural Gas[S].2009.

[ 5 ] GB/T22724-2008. 液化天然气设备与安装 陆上装置设计[S].2008.

[ 6 ] DIN EN 1473-2007.Installation and equipment for liquefied natural gas - Design of onshore installations[S].2007.

[ 7 ] 周劲，周亮.浅析钢结构建筑物的几种防火方法[J].四川建材，2007(6)：313-315.

[ 8 ] Dominik T，Uznanski,Dominique Nédelka.Water Spray Curtains: A Promising Technique to Fight Against Major Industrial Hazards[OL].http://www.ivt.ntnu.no/ept/fag/tep4215/innhold/LNG%20 Conferences/ 2001/ Data/POSTERSV/ 4CONSTRU/Po-21-uz.pdf.

[ 9 ] 王鹏.LNG储运安全措施探讨[J].长江大学学报(自然科学版)，2010，9(7)：264-266.

[10] CCS.天然气燃料动力船法定检验暂行规定[S].2011.

[11] DNV.Gas fuelled engine installation[S].2011.

[12] GL.Guidelines for the Use of Gas as Fuel for Ships[S].2010.

[13] BV.Safety rules for Gas-Fuelled engine installations in ships[S].2010.

[14] LR.Classification of Natural Gas Fuelled Ships[S].

[15] ABS.Propulsion and Auxiliary Systems for Gas Fueled Ships [S].2011.

[16] MSC.285(86).Interim Guidelines on Safety for Natural Gas-Fulled Engine Installations in Ships[S].2009.

[17] IGC CODE.国际散装运输液化气体船舶构造和设备规则[S].2002.

[18] GB/T 24963-2010.液化天然气设备与安装 船岸界面[S].2010.

[19] NB/T1001-2011.液化天然气(LNG)汽车加气站技术规范[S].2011.

[20] GB 50183-2004.石油天然气工程设计防火规范[S].2004.

Technology Research on Fire Safety of LNG Bunkering Pontoon

RAO Hui, ZHANG Hui

(Wuhan Rules and Research Institute of China Classification Society,Wuhan Hubei 430022, China)

Liquefied Natural Gas (LNG) Bunkering Pontoon is a new-type afloat refuel scheme for ships using LNG as fuel. The fire hazard of the bunkering pontoon is controlled mainly by itself. In order to control the fire risk of LNG Bunkering Pontoon, the features of LNG fire and its harm to personnel as well as the hull structure and equipment were summaried, and some measures of fire control and thermal radiation screening were proposed, such as coffer, fire-resisting construction, function partition and the protection of the water mist, water curtain, high foam. Finally the suggestion of equipping with fixed chemical powder extinguishing system, fixed deck foam extinguishing system, and fixed carbon dioxide extinguishing system was given.

LNG Bunkering Pontoon Fire Water curtain Water mist

饶 慧(1984-)，女，工程师。

U674

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