LNG事故影響因素及預防

文／上海市安全生產(chǎn)科學研究所 卞海鷹

液化天然氣（Liquefied Natural Gas，簡稱LNG）是天然氣經(jīng)過預處理，脫除重烴、硫化物、二氧化碳和水等雜質(zhì)后，深冷到-162 ℃后形成的液體。液化天然氣被認為是地球上最干凈的能源，其主要成份如圖1所示。

圖1 液化天然氣主要組成成份

LNG的優(yōu)點主要有：一是清潔環(huán)保。用LNG替代汽油、柴油，可以使得CO、HC(碳氫化合物)、NOx、CO2、微粒等的排放量有不同程度的減少。同時，LNG不會排放鉛、苯等物質(zhì)，具有非常好的環(huán)保性能。二是運輸靈活方便?？梢允褂貌圮嚒⑤喆汝懮匣蛘吆Ｉ系慕煌üぞ哌M行運輸。三是經(jīng)濟高效。由于氣態(tài)的天然氣液化后體積大大減小，儲存空間相應減小，儲存成本也隨之減少。同時，由于LNG攜帶有冷量，可以通過一些裝置對其進行回收利用。

LNG危險性分析

通過對國內(nèi)外1944年以來20余起LNG罐區(qū)燃爆事故的統(tǒng)計分析，得出LNG罐區(qū)主要燃爆事故模式有閃火、噴射火、池火災、蒸氣云爆炸、沸騰液體擴展蒸氣爆炸。導致事故發(fā)生的原因中，人的原因占33%，物的原因占53%，環(huán)境原因占14%。

人的原因主要是工作人員各種操作的失誤，如試壓的時候，方法選擇錯誤，或者試壓時未完全隔離而造成天然氣泄漏；充裝時，由于操作失誤導致儲罐出現(xiàn)翻滾；忘記關閉排水閥，導致LNG泄漏爆炸；忘關閉氮氣管線導致天然氣回流；操作失誤關閉安全監(jiān)測儀表等。環(huán)境原因主要是環(huán)境中其他裝置事故的影響，如廠區(qū)鍋爐爆炸導致LNG儲罐爆炸，在線路修改時使得LNG管線遭到機械破壞。

物的原因主要是各種材料的老化失效或者各種設備的失效，如LNG儲罐罐壁材料出現(xiàn)問題、儲罐焊口斷裂、閥體焊接失效破裂、法蘭墊片老化泄漏、罐底接管接頭低溫失效、氣壓計破損等原因。

LNG事故危險性分析

隨著液化天然氣在能源結構中所占比例的增加，其生產(chǎn)、儲存、運輸?shù)雀鱾€環(huán)節(jié)的安全問題所受的關注也越來越高。LNG一旦發(fā)生泄漏、燃燒爆炸等事故，將會對周邊造成很大危害。其危險性主要體現(xiàn)為：

一是火災爆炸危險性。LNG泄漏后，吸熱會迅速地氣化，氣化后的天然氣具有易燃易爆的特性。當空氣中的天然氣的體積濃度在5%～15%時，遇明火會發(fā)生火災或者爆炸。當有多個罐儲存LNG時，一個儲罐發(fā)生火災爆炸可能會引發(fā)重復爆炸，嚴重威脅現(xiàn)場人員的生命安全。LNG的質(zhì)量燃燒速率很大，火焰?zhèn)鞑ニ俣群芸?，除此之外，燃燒時火焰溫度高，會產(chǎn)生很強的輻射熱。此外，LNG火災易復燃、復爆，撲滅的難度很大。

二是翻滾的危險性。LNG翻滾實際上是激烈蒸發(fā)的過程。LNG液體在容器中分層后，由于熱量傳入，位于下層的LNG溫度會逐漸升高，而密度會變小，上層的LNG密度會逐漸變大（蒸發(fā)氣的揮發(fā)所致）。由于傳質(zhì)，下面的LNG會進入上層，當兩層的LNG密度差不多時，在儲罐中迅速混合，釋放其積蓄的能量，這時會產(chǎn)生大量的氣化氣，LNG的氣化量急劇增大，儲罐中的壓力會迅速上升。

三是低溫危險性。LNG為低溫液體且黏度低，一旦泄漏，在個人防護未做好的情況下，會很快滲進多孔的衣料里，進而接觸皮膚，導致皮膚發(fā)生凍傷。當與周圍設備接觸時，會導致設備遇冷收縮及脆性斷裂，造成設備損壞或者壽命縮短。

四是窒息的危險性。如果人吸入LNG蒸氣，很快會失去意識，嚴重者幾分鐘就會死亡。在空氣中氧氣含量慢慢降低的情況下，工作人員是不會察覺到這種變化的，而當他感覺缺氧時，為時已晚。

LNG泄漏擴散影響因素分析

風對LNG泄漏擴散的影響

風對天然氣擴散的影響主要體現(xiàn)在風向和風速兩個方面所產(chǎn)生影響。風向決定泄漏氣云的擴散方向，大部分泄漏氣體總是分布在下風向。風速的大小決定擴散稀釋作用的強弱，影響泄漏氣云的擴散速度。風速越大，大氣的湍流越強，空氣的稀釋作用就越強，泄漏氣體與空氣的混合也就越快越充分，同時風的輸送作用也越強。一般情況下，當風速為每秒1～5 m時，對泄漏氣體的擴散是有利的，危險區(qū)域的范圍較大；若風速再大，則泄漏氣體在地面的濃度將降低。若環(huán)境風速為零，則泄漏氣體將以泄漏源為中心向四周擴散。

風速對天然氣泄漏的影響是很復雜的。首先風速的影響會加劇空氣和天然氣之間的傳熱和傳質(zhì)，使得天然氣的擴散加劇。再者，由于不同高度的風速并不是一成不變的，而是隨著高度變化呈現(xiàn)規(guī)律性的分布，所以風對泄漏氣體的擴散隨著高度的不同而變化。

重力對LNG泄漏擴散的影響

泄漏氣體相對于空氣密度的大或小，決定了在擴散中是以重力作用為主，還是以浮力作用為主。泄漏氣體在重力作用下不斷下沉，地面濃度不斷增加。然而，因為空氣的不斷稀釋作用，這種下沉趨勢會被減弱。在泄漏氣體擴散初期，浮力作用使泄漏氣體趨于上升，地面濃度將降低，但隨著其被空氣不斷稀釋后，上升的趨勢也會減弱。由于天然氣的密度小于空氣密度，泄漏后，天然氣受到的浮力作用將大于重力作用，天然氣云團呈現(xiàn)上升的趨勢；隨著天然氣云團與周圍空氣的不斷混合稀釋，天然氣密度逐漸下降，上升趨勢也逐漸減弱。

地理條件對LNG泄漏擴散的影響

地面粗糙度是地理條件對氣體泄漏擴散影響的主要指標。在平坦開闊的地形，泄漏氣云不受阻擋，易于擴散，而在地勢低洼處則正好相反，泄漏氣云易于滯留不易擴散。泄漏孔周圍高大的樹木等會增加地表大氣的湍流程度，使空氣的稀釋作用加強。同樣，泄漏孔周圍低矮的建筑物群，對于氣體的泄漏擴散是不利的，而對于高大的建筑物，由于其阻擋作用，氣體的擴散流場會發(fā)生變化。當擴散云團遇到建筑物時，形成由位移區(qū)、空腔區(qū)、尾流區(qū)三部分組成的繞流流場。泄漏氣體在空腔區(qū)會出現(xiàn)回流現(xiàn)象，從而使其聚集起來，難以擴散。

越復雜的地理條件對泄漏氣體的擴散越不利。由于地形越復雜，泄漏后的天然氣與空氣的混合物在周圍停留的時間也就越長，天然氣泄漏的量就越多，擴散的區(qū)域范圍也越廣，危險性也就越大。當泄漏口所在的地理位置較高時，泄漏氣體擴散至地面的豎直高度就越大，氣體受當?shù)仫L速影響的機會就越大，泄漏氣體擴散就較易，反之亦然。

LNG事故的預防措施

當LNG發(fā)生翻滾或快速相態(tài)轉(zhuǎn)變時，都可能存在爆炸、燃燒等潛在的危險，這就需要采取措施防止LNG翻滾與快速相態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)暮Φ陌l(fā)生。

翻滾的防止

翻滾現(xiàn)象可通過加強管理來防止。不同來源、不同組成的LNG應盡可能儲存在不同的儲罐中，但這種方法可能帶來操作上的不便和設備能量的浪費。因而，在設備運轉(zhuǎn)過程中，可采取利用儀器監(jiān)測的方法，嚴密監(jiān)測蒸發(fā)氣量、密度等參數(shù)，防止液層大量儲熱，做到隨時監(jiān)測每一液層的實際狀況，從而達到防止翻滾出現(xiàn)的目的。

儲運設備的選料

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(zhì)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(nèi)槽（壁）的材料主要由鎳鋼、鋁合金和珠光體不銹鋼等，如法國輸氣公司設計的LNG船就采用36%鎳鋼作儲罐材料。國內(nèi)某造船集團計劃建造的LNG船舶，其內(nèi)壁材料也采用36%鎳合金。

完善并加強設備管理

為保證LNG裝置安全運行，應建立完善的設備管理制度、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，定期檢查、維護保養(yǎng)，并做好設備運轉(zhuǎn)記錄。壓力容器應定期進行壁厚檢查，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。

加強運行管理

在LNG產(chǎn)、運、銷的工業(yè)體系中，為了防止快速相態(tài)轉(zhuǎn)變（rapid phase transition，縮寫為RPT），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1.1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(nèi)通過復雜的鏈式反應機理以爆炸速度產(chǎn)生大量蒸氣，為防止事故的發(fā)生，在操作中應嚴格遵守安全操作規(guī)程，如有發(fā)生重大事故的隱患時，應立即采取有效安全措施，消滅事故于萌芽，如定期排放集液池中的雨水，及時處理運行中出現(xiàn)的故障，才能保證正常生產(chǎn)，并應逐步應用現(xiàn)代化的管理手段和方法，加強LNG企業(yè)的安全技術管理。