LNG船舶货物小范围泄漏控制研究

潘超 闵振

摘 要：随着能源结构的优化，液化天然气（LNG）作为一种方便储存与运输的清洁能源，在全球范围内被广泛使用。海上使用船舶运输LNG是当下经济性最好的LNG转运方式。目前看来，尽管在LNG的海上运输史中发生的事故很少，但倘若发生泄漏等事故，可能造成无法估量的人命和财产损失。本文从LNG泄漏原理和检测出发，对泄漏后的控制和封堵措施进行了研究和总结，对LNG船舶安全运输和泄漏后的处理具有参考意义。

关键词：LNG;泄漏;封堵;强制水幕

中图分类号：U698        文献标识码：A            文章编号：1006—7973（2021）05-0031-03

LNG船在海上运输过程中，可能因为碰撞或者管路破损、阀门密闭性差等原因，发生泄漏。低温的LNG接触空气后会迅速发生闪蒸，汽团夹带液滴，变为混合蒸汽云团。混合蒸汽云团浓度达到一定比例范围后，如果环境中存在静电、火点等着火源，便引起火灾及爆炸，损失巨大。因此采取LNG泄漏预防措施，在泄漏初期准确快速识别危险源，泄漏后迅速控制和封堵泄漏点，对保证LNG船舶安全至关重要。

1 LNG危险源快速识别

1.1 LNG扩散特征

LNG由于各类事故或意外发生泄漏后，低温LNG聚集气化，在空气中形成气云飘移扩散。泄漏位置、泄漏孔缝大小、LNG储存量等都可能影响泄漏的模式，泄漏模式又会直接影响LNG泄漏后的物理状态[1]。LNG泄漏主要有以下两种模式：

（1）当泄漏孔缝位于管路气相位置或储罐顶部时，LNG气相位置的蒸汽将发生连续泄漏，与天然气泄漏类似。

（2）当泄漏孔缝位于靠近储罐下部液相位置时，泄漏的LNG与外界接触。液体状LNG吸收外界热量，可能完全闪蒸变成LNG蒸汽，继续向大气中扩散，也可能部分闪蒸，未闪蒸的LNG在地面聚集形成液池[2]。

1.2 LNG泄漏检测

目前国内外使用的检测通常有可燃性气体检测、低温检测、火焰检测以及热检测、烟雾检测等，检测仪器的信号传输至控制室内，在监视屏幕显示，可实时观测。对于大部分LNG动力船，往往采用多种检测仪器相结合的方式。例如，将温度传感器、压力传感器、可燃气体探测仪等配合使用，可监测LNG储存及运输过程中的泄漏情况。目前对可燃性气体检测器、低温检测器、火焰检测器等已研究较多，下文介绍一种最新的红外热成像技术。

在LNG系统中，管线、法兰、LNG储罐、高低压泵等位置，泄漏风险较大。红外线热成像仪可快速检查LNG储运系统各部位，成像效果显著且实时，可准确定位位置，具有抗干扰性强、全时间范围内监控、识别目标能力强等特点，是一种有效的辐射信息探测技术。红外热成像仪器可根据目标物的能量辐射变化生成有效红外图像，从而定位泄漏位置，实时监测泄漏情况和着火源。实际情况中，泄漏的LNG汽化气体的红外能量辐射通过红外热像仪生成黑色烟雾图像，从视觉上对LNG泄漏保持检测。目前通过将红外热成像技术与计算机视觉分析技术、人工智能技术相结合，采用自动分析手段输出实时图像，一旦LNG发生泄漏即可自动预警，高效便捷。是对现有的LNG检测手段的有效补充[3]。

1.3 LNG泄漏预防措施

1.3.1 布置消防系统

LNG站和LNG船的消防系统一般包括消防水系统、干粉消防系统、高倍数泡沫消防系统以及各类移动式灭火器材等。发生LNG火灾事故时，首先关闭所有装卸设备和相关阀门，然后进行灭火工作。

消防水系统由消防泵房、消防管道、消防水池、消火栓、消防水泡等组成。水的温度比LNG高，泄漏的LNG接触水后，蒸发速率提高，燃烧速度加快，危险性更大。因此，水主要作用是对设备降温，减轻火灾产生的热辐射对设备的影响，降低设备的闪燃危险。

1.3.2 安装监测装置

监测报警装置应安装在管线、阀门、储罐等可能产生泄漏的关键区域，以便及早发现泄漏或火灾，及时采取措施。

以被监测的部位和对象为划分标准，监测装置一般分为可燃性气体检测器、低温检测器、红外热像仪、火焰检测器和激光检测器等。

监测报警装置内所有的探测信号均接入自动监视控制系统，一旦发生异常便发出警报并紧急停车，第一时间切断危险源，保护设备处于安全状态。

2 LNG泄漏控制及防扩散技术

对于LNG扩散抑制，目前业界主要通过降低地表LNG的蒸发速率，或者加速LNG温度上升进而降低地表LNG蒸汽的浓度来实现。在防护堤设置、高倍数泡沫、强制水幕系统等方面国内外的研究较多。其中，防护堤主要用于陆地上LNG接收站等，适用于水面上LNG扩散抑制的技術主要为高倍数泡沫和强制水幕系统[4]。

2.1 防护堤设置

LNG发生泄漏后，在储罐周围设置围堰或临时构建拦蓄区可有效降低危害，它可限制泄漏形成的液池流淌，减轻扩散。围堰可借助储罐周围的防火堤、防护墙等构筑物搭建，最好采用夯土、混凝土、金属等耐低温材料。为保证围堰效果，其容积应不低于储罐的总容积。对于阀门、管线接口处等可能产生泄漏的部位，应设置挡板防止泄漏喷射，下方设置集液盘收集泄漏物，通过排液管引入集液池。LNG在液池暂时收集后，覆盖高倍数泡沫，减小汽化危险。

2.2 高倍数泡沫

高倍数泡沫的发泡倍数一般在200至1000倍之间，可减少火灾造成的热辐射、减少LNG气化，适用于扑救A类火灾和B类火灾中的非水溶性液体火灾。

LNG发生泄漏后形成LNG液池，在液池上方覆盖足够厚度的高倍数泡沫，可抑制蒸发，降温并阻隔空气灭火。高倍数泡沫覆盖到低温LNG上后，会形成漂浮冰层、泡沫冻结层和泡沫层三层结构，均可起到灭火作用[5]。

高倍数泡沫覆盖方法作为防止爆炸采取的一种基本处理方法，在LNG储运设备或管道、阀门发生泄漏或起火情况下可使用。使用高倍数泡沫覆盖泄漏的LNG时，为减少LNG液体表面与大气直接接触面积，可在液体表面抛洒、漂浮一些密度低、比热容量小的材料。网络形状的该类材料可进一步降低液体表面空气的流速。泡沫玻璃是不燃烧、热导率低的防火物质，可在这种场合添加使用。

2.3 强制水幕系统

由于LNG的超低温性质，泄漏后会快速吸热汽化，但如果救援不当或泄漏时间太久，泄漏的LNG可能燃烧或爆炸。水幕技术是处理 LNG 泄漏的一种经济且有效的方式。水幕系统一般选用圆锥形喷嘴和扁平扇形喷嘴形式安装于水管出水口，水管中的高压水散射出来后形成细小雾状液体，以阻挡气体扩散。

发生LNG泄漏后，选用喷雾水枪安装喷头，喷射形成水幕或蒸汽幕，雾状射流汇成水幕墙，阻隔气体向周边危险源扩散。同对LNG泄漏形成的重气云团喷射水幕，可降低LNG蒸汽的浓度，驱散积聚气体，稀释气体浓度，减少爆炸性混合物的形成，减小危害[6]。

3 LNG小范围泄漏封堵救助

3.1 常规堵漏方法

对于LNG船小范围泄漏，通常使用封堵法和塞堵法两种常规堵漏方法。

3.1.1封堵法

封堵法又称贴堵法，对于小面积泄漏或罐体、管道的裂缝泄漏，效果较好。封堵法操作方法简便，根据泄漏部位的大小及形式，准备相应的棉布和纯棉织物等。对棉布和纯棉织物加水浸湿，平坦展开，直接贴附在泄漏点上。然后使用雾状水连续进行喷淋，每加一层棉织物，可喷洒一定数量的干粉加强冷冻效果，反复多次。利用泄漏LNG的超低温特点，对泄漏点进行自然封冻，堵住泄漏点，从而达到封堵目的。一般在泄漏轻微的情况下，贴附五、六层即可。实际操作中，可根据泄漏量和泄漏压力的大小，适当增加贴层数量。完成贴附工作半小时内，内层贴附材料就可以完全封冻泄漏点，完成堵漏。

3.1.2塞堵法

塞堵法又称填堵法，罐体及附属部件破损、泄漏，管道出现的非连续性破洞等情况下，使用该堵漏方法效果较好。

其主要操作方法如下：根据泄漏点漏洞的大小和形状，将塞堵材料按照漏洞形状，切削或加工成锥形或楔形，并缠裹棉织类物品以适应漏点处的不规则边缘。塞堵材料直接填塞至漏洞里并用力夯实，达到堵漏的效果。

塞堵材料的材质以非金属耐低温无机硬质材料或木质材料为好。塞堵材料、棉织类填充物具有耐低温、遇冷不发生收缩或出现脆性断裂等特点，易于寻找、制作简单，在实际操作中使用方便，为常用的小范围堵漏方法。

3.2 橡胶磁堵漏方法

橡膠磁堵漏法是近年来兴起的一种快速堵漏方式。橡胶磁堵漏法通过在不同形式的橡胶块内添加强磁材料，可实现对磁性材料上的裂缝、破洞的封堵。橡胶磁块可以设置磁性开关，通过开关控制橡胶块的封堵松紧程度。橡胶磁块根据形状不同分为多种类型，如长方形橡胶磁、正方形橡胶磁以及组合式橡胶磁等。

橡胶磁堵漏方法最快可在10秒钟完成堵漏，适用于LNG储罐、管线或阀门等处的泄漏封堵。由于橡胶本身具有一定的弯曲性能，因此通过磁性吸力可贴合不规则表面，实现多种不同曲率半径部位泄漏的封堵。橡胶磁可多块组合使用，较大的裂缝、孔洞也能封堵，实现超大面积堵漏作业。对于事故形成的凹陷处、凸起状、直角折弯处的泄漏，不规则曲面泄漏、任意角度折边处的泄漏，不规则长缝隙等泄漏部位，均可应用，在未来的泄露封堵中有广阔发展前景。

4 总结

随着LNG海上运输业务迅速发展，其在运输中可能发生的危害也会逐渐显露出来。由于LNG泄漏、爆炸产生的事故后果十分严重，因此在泄漏初期的合理处置非常关键。本文分析了泄漏检测和预防措施，对泄漏控制及防扩散技术、LNG小范围泄漏封堵救助进行了较为详细的研究，并提出了可靠、实用的处置措施，对LNG在运输过程中泄漏控制有参考意义。

参考文献：

[1]姚绪飞.海运LNG泄漏事故危害性研究[D].大连海事大学，2015.

[2]杨成坤.LNG船舶瞬时泄漏扩散研究[D].大连海事大学，2006.

[3]张晶，李明，林娜.LNG低温阀门的安全性设计[J].液压气动与密封，2018，38（06）：45-47.

[4]鲍磊，王全国，党文义.LNG泄漏扩散与抑制技术研究[J].安全、健康和环境，2015，15（10）：19-22.

[5]孙明郁.基于高倍数泡沫的LNG泄漏扩散抑制研究[D].青岛科技大学，2017.

[6]翁浩铭.锥形水幕抑制罐区LNG气云扩散研究[D].中国石油大学（华东），2017.