港口专用LNG 罐箱堆场堆存区平面设计

黄高新，汪文诚，郇维芳

（1.中交第二航务工程勘察设计院有限公司，湖北 武汉 430060；2.必维国际集团（中国），上海 200011）

0 引言

近年，LNG 罐箱多式联运受到业界广泛关注，众多天然气运营商开展了诸多试验运输工作。作为多式联运的重要环节，港口专用LNG 罐箱堆场直接关系到LNG 罐箱的高效中转、安全存储。

LNG 罐箱属于充装2.1 类冷冻液化气体的危险货物集装箱。港口专用LNG 罐箱堆场堆存货物种类单一且总量较大。在堆场堆存期间，LNG 罐箱可能会因内罐压力超压而导致安全阀应急泄放或因阀门关闭不严、管路裂纹等产生跑冒滴漏。常规同货种危险货物集装箱箱距0.4 m×0.4 m，箱门均朝向同一方向，堆存区间尽量紧密相邻。LNG 罐箱是移动式压力容器。若LNG 罐箱堆场堆存区仍采用常规的危险货物集装箱布置形式，由于箱距较小、尾门同向且LNG 罐箱泄放口、阀门管路均位于箱尾，LNG 罐箱泄漏点火燃烧产生的强烈热辐射易导致相邻LNG 罐箱结构破坏乃至发生连锁事故。

对于港口危险货物集装箱堆场设计，JTS 176—2020《港口危险货物集装箱堆场设计规范》[1]统一了港口危险货物集装箱堆场设计要求；陈武争等[2]以工程实例研究论述了港外综合性危险品集装箱堆场的规划选址及设计要点；唐勤华等[3]对自动化集装箱码头危险品集装箱堆场布置方式、关注重点及设计原则进行了探讨，提出了分散布置方案。现有研究主要针对通用集装箱港区配套综合性危险货物集装箱堆场，研究内容集中在外部安全防护距离确定、不同种类危险货物集装箱隔离布置、防雷接地、泄漏收集等。现有研究未涉及堆存期LNG 罐箱泄漏火灾对平面设计的影响及相关防控措施。针对堆存期LNG 罐箱泄漏火灾风险开展研究并提出定制化堆存区平面设计方案，对提高运营安全、促进LNG 罐箱多式联运发展具有重要意义。

1 研究路线

采用国际通用事故后果分析软件PHAST 对堆存期LNG 罐箱典型泄漏场景火灾事故后果模拟，针对性提出定制化堆存区平面设计方案。具体的研究技术路线见图1。

图1 研究技术路线Fig.1 Research technical roadmap

2 火灾事故后果模拟

PHAST 软件是石油石化及流程工业事故后果分析软件，可对易燃或有毒化学品意外释放到大气中的后果建模，包括泄漏、扩散、有毒和易燃计算。PHAST 软件在国内外定量风险事故后果评估领域广泛使用，经实测验证效果良好。

2.1 基础条件

1）典型LNG 罐箱参数

典型LNG 罐箱（以12 192 mm（40 ft）罐式集装箱为例）主要技术参数：外形尺寸12 192 mm×2 438 mm×2 591 mm（长×宽×高），罐体尺寸φ2 468 mm×12 173 mm（外直径×长度），罐箱几何容积45.5 m3；外罐材料Q345R 钢，内罐材料S30408 不锈钢，采用高真空多层绝热；工作温度-162～50 ℃，蒸发率不大于0.15%/d，最高允许工作压力0.79 MPa，安全阀整定压力0.83 MPa；重箱充装率81%时无损储存时间不少于120 d，充装率90%时无损储存时间不少于70 d，空箱通常基本泄空液体，保冷需要罐内残液不大于500 kg。

2）天气气象资料

以南方某天气气象条件为例，当地年平均气温25.1 ℃，极端最高气温36.8 ℃，极端最低气温10.0 ℃；常风向为ENE，次常风向为NE；年平均相对湿度为80.4%，最大相对湿度为103%，最小相对湿度为26%。

根据当地天气条件，确定软件模拟基本天气气象输入参数：大气温度25.1 ℃、地面温度25.1℃、大气压力101.06 kPa、相对湿度80%、太阳辐射0.5 kW/m2，模拟6 种典型天气条件：白天风速2.0 m/s 大气稳定度D、晚上风速2.0 m/s 大气稳定度F、白天风速6.0 m/s 大气稳定度C、晚上风速6.0 m/s 大气稳定度D、白天风速10.8 m/s 大气稳定度D、晚上风速10.8 m/s 大气稳定度D。

3）阈限值

模拟分析中热辐射值标准按照EN 1473—2016《Installation and equipment for liquefied natural gas-design of onshore installations》[4]给出的最大热辐射推荐值，界区内最大允许的可接受热辐射值见表1。

表1 界区内最大允许热辐射值Table 1 Maximum allowable thermal radiation value within the boundary

2.2 场景分析

LNG 具有低温、汽化后易燃易爆等潜在危险性。LNG 罐箱在进入堆场前应对箱体结构、阀门、管系等进行详细检查，杜绝一切异常现象。进入堆场后，除非因运输倾翻或吊装坠落，不会产生LNG 罐箱整体破裂情况。堆存期间，LNG 罐箱泄漏包括两种情况：1）安全阀超压泄放。正常堆存或某些事故状态时，LNG 罐箱内罐压力随着热量渗入而逐渐上升，若达到安全阀泄放压力且未能及时处置，罐内上层低温高压LNG 气相将通过安全阀泄放口（通常位于罐箱尾部高处）排入空气中泄压；2）LNG 罐箱管路泄漏。通常为阀门关闭不严、垫片老化、阀门失效、管路裂纹等导致跑冒滴漏。

根据典型LNG 罐箱设备特性，选取安全阀超压泄放（泄放管管径DN50）、LNG 罐箱小孔泄漏（5 mm 等效孔径，等效典型的密封、垫片、管线或者仪表接口小泄漏（1～10 mm 泄漏范围））进行泄漏场景分析，确定安全阀超压泄放（泄放压力0.83 MPa、管径DN50）、重箱气相泄漏（最高工作压力0.79 MPa、小孔泄漏5 mm 等效孔径）、重箱液相泄漏（最高工作压力0.79 MPa、小孔泄漏5 mm 等效孔径）作为堆存期LNG 罐箱典型泄漏场景，具体参数见表2。

表2 典型泄漏场景Table 2 Typical leakage scenarios

2.3 模拟结果

采用PHAST 软件对典型泄漏场景喷射火热辐射影响范围模拟见图2—图4，统计模拟结果见表3。由于LNG 罐箱堆场为露天堆放，没有明显的受限空间，不考虑蒸汽云爆炸工况。

表3 喷射火热辐射距离Table 3 Jet fire thermal radiation distance

图2 喷射火热辐射影响范围（安全阀超压泄放）Fig.2 Jet fire thermal radiation impact range of safety valve overpressure vent

图3 喷射火热辐射影响范围（重箱气相）Fig.3 Jet fire thermal radiation impact range of gas leakage of full container

图4 喷射火热辐射影响范围（重箱液相）Fig.4 Jet fire thermal radiation impact range of liquid leakage of full container

2.4 结果分析

根据计算结果[6]，对典型泄漏场景火灾热辐射影响分析如下：

1）对于喷射火热辐射影响范围，重箱液相泄漏工况＞安全阀超压泄放工况＞重箱气相泄漏工况，前两种工况热辐射影响距离基本接近，各典型泄漏场景热辐射15 kW/m2、5 kW/m2的最大影响距离分别为12.6 m、15.0 m。

2）对于热辐射强度15kW/m2即邻近储罐的金属外表面允许的最大热辐射，按常规危险货物集装箱布置形式（箱间距0.4 m×0.4 m、箱门均朝向同一方向），典型泄漏场景会导致临近大部分罐箱位于热辐射15 kW/m2影响范围以内，即若无有效冷却消防措施，邻近大部分罐箱结构将会破坏。以图4 为例，当位于中间的LNG 罐箱尾部发生重箱液相泄漏工况，其前后两排LNG 罐箱均位于热辐射15 kW/m2影响范围内。常规危险货物集装箱堆场仅设置室外消火栓等消防设施，消防救援速度较慢，热辐射势必会对相邻罐箱结构造成破坏，相邻LNG 罐箱若破坏导致泄漏燃烧又会将事故持续扩大化。

3）对于热辐射强度5 kW/m2即行政楼等人员密集场所允许最大热辐射，专用LNG 罐箱堆场日常巡检频繁，应注意对巡检人员的危害。

3 平面设计

3.1 设计理念

基于常规危险货物集装箱布置形式的不足，针对港口专用LNG 罐箱堆场，本研究创新提出LNG 罐箱罐组概念[6]，其具体形式每排由2 个LNG 罐箱尾部相对、纵向间距3 m 组成，排与排间距1 m，根据装卸工艺不同多排成组。采用这样的设置，因罐组内LNG 罐箱尾部相对，即LNG罐箱尾部安全泄放口、罐箱阀门管系均位于罐组中间，典型泄漏场景热辐射15 kW/m2影响距离12.6 m 将完全位于罐组范围内，不会影响其他相邻罐组，避免事故扩大化；另外，由于LNG 罐箱日常巡检频繁，罐箱尾部阀门箱需经常打开察看，若存在跑冒滴漏，需及时进行现场处置，适当扩大罐箱间距至纵向3 m、横向1 m，可为人员巡检、现场处置提供极大便利，同时也可减少相邻罐箱遮挡有利于消防覆盖。

针对罐组内热辐射影响，加强消防设备配置，于堆存区内设置消防炮塔，每座炮塔设置1 台水炮和1 台干粉炮。当发现火灾时，第一时间开展灭火同时有效冷却罐组内其他罐箱，避免热辐射对罐组内其他罐箱造成损坏。

对于堆存区平面设计，单一堆存区由多个罐组组合而成，各堆存区之间、堆存区与场外道路间距不小于15 m，即大于典型泄漏场景热辐射15 kW/m2、5 kW/m2影响距离12.6 m、15 m，保证将热辐射伤害限定在堆存区范围，不会对堆存区外设施、人员造成影响。

3.2 典型示例

以120 个12 192 mm（40 ft）罐箱位集装箱正面吊工艺专用LNG 罐箱堆场为例，堆存区平面设计示例见图5。

图5 专用LNG 罐箱堆场堆存区平面设计示例Fig.5 Example of layout design for storage area of dedicated LNG tank yard

根据《港口作业安全要求第3 部分：危险货物集装箱》[7]，堆场中LNG 罐箱单层堆放。考虑LNG罐箱堆场堆存同一类货物，堆场不严格区分重箱堆场与空箱堆场，实际运营时可同类成片堆放亦可间隔分散混堆，装卸时结合堆场管理系统进行定位。

堆场尺度210 m×86 m，共布置120 个12 192 mm（40 ft）罐箱位，采用2 台集装箱正面吊作业。堆场分2 个堆存区，每个堆存区60 个12 192 mm（40 ft）罐箱位由6 个2 列×5 排罐组组成。堆存区之间间距18 m，堆存区与外部道路间距15 m、20.62 m，均大于典型泄漏场景热辐射15 kW/m2、5 kW/m2的影响距离12.6 m、15 m，满足集装箱正面吊装卸作业空间的同时将火灾热辐射影响限制在堆场范围内。

LNG 罐箱装卸作业时按“由外而内、先进先出”原则，尽量减少跨箱作业。堆场内不允许大量车辆停留，依次顺序进出开展作业。

针对LNG 罐箱泄漏收集，于LNG 罐箱尾部区域设置导液沟。为避免泄漏液体大面积散流，两组罐箱之间设置1 组收集系统，通过地面坡度坡向导液沟，最终将泄漏液体收集到集液池。集液池尺度4 m×4 m×4 m。集液池距离最近LNG 罐箱距离大于15 m，大于集液池池火15 kW/m2热辐射影响范围。

堆场四周设置消防炮塔（每个消防炮塔含1 台水炮、1 台干粉炮）、消火栓，堆场设置可燃气体检测及火灾报警系统，减少相邻罐箱泄漏火灾影响。集液池处设置可燃气体/低温探测设施，可联锁启动高倍泡沫和声光报警。

4 结语

1）根据堆存期LNG 罐箱典型泄漏场景火灾事故后果模拟，重箱液相泄漏工况火灾热辐射影响距离最大，统计热辐射15 kW/m2、5 kW/m2的最大影响距离分别为12.6 m、15.0 m。对于常规危险货物集装箱布置形式，堆存期LNG 罐箱典型泄漏场景热辐射会导致相邻LNG 罐箱结构破坏乃至发生连锁事故。

2）基于常规危险货物集装箱布置形式的不足，针对港口专用LNG 罐箱堆场，本研究创新提出LNG 罐箱罐组概念，罐组内LNG 罐箱尾部相对即LNG 罐箱尾部安全泄放口、罐箱阀门管系均位于罐组中间，将典型泄漏场景热辐射影响范围限定于罐组内，不会影响其他相邻罐组，避免事故扩大化；适当扩大罐箱间距，方便人员巡检、现场处置，有利于消防覆盖；针对罐组内热辐射影响，加强消防设备配置，于堆存区内设置消防炮塔。当发现火灾时，第一时间开展灭火同时有效冷却罐组内其他罐箱，避免热辐射对罐组内其他罐箱造成损坏。

3）对于堆存区平面设计，建议各堆存区之间、堆存区与场外道路间距不小于15 m，将典型泄漏场景热辐射伤害限定在堆场范围。

4）通过对堆存期LNG 罐箱典型泄漏场景进行火灾事故后果模拟，本研究针对性提出了定制化LNG 罐箱堆场堆存区平面设计方案，提高了堆场整体安全水平。本研究已应用于具体工程，具有较高的参考价值。