液化天然氣罐式集裝箱安全閥起跳預防和應急措施

液化天然氣（liquefied natural gas，LNG）罐式集裝箱（以下簡稱“罐箱”）作為天然氣液態(tài)儲運的新載體，具有無損儲存時間長和宜儲宜運的優(yōu)點。LNG罐箱運輸成功解決了以往LNG槽罐車運輸存在的耗時較長、安全隱患較大等問題，在促進天然氣液態(tài)儲運新模式和新業(yè)態(tài)發(fā)展的同時，為我國冬季能源保供提供有力支撐。為了保障能源供應安全，緩解我國LNG供需區(qū)域不平衡問題，國家發(fā)展和改革委員會、財政部、自然資源部、住房和城鄉(xiāng)建設部、國家能源局等聯(lián)合發(fā)布《關于加快推進天然氣儲備能力建設的實施意見》，要求發(fā)揮LNG儲罐宜儲宜運、調運靈活的特點，推進LNG罐箱多式聯(lián)運試點示范，多措并舉提高儲氣能力。在推進LNG罐箱多式聯(lián)運新模式和新業(yè)態(tài)發(fā)展的過程中，由于對LNG罐箱安全閥的認識不夠全面，主管部門和相關單位對LNG罐箱安全閥的管理過于嚴苛。[1]本文介紹LNG罐箱安全閥的工作原理，分析LNG罐箱安全閥非正常起跳的主要原因及起跳后的排放影響，并提出LNG罐箱安全閥起跳預防和應急措施，以期消除業(yè)界對LNG罐箱安全閥起跳后果的擔憂，促進LNG罐箱多式聯(lián)運健康發(fā)展。

1 LNG罐箱安全閥的工作原理

安全閥是一種能控制管道或設備內介質壓力的特殊閥門。安全閥的啟閉件在外力作用下處于常閉狀態(tài);當管道或設備內的介質壓力超過允許值時，啟閉件打開并向外排放介質，從而將管道或設備內的介質壓力控制在允許值以下，以確保人員和設備安全。按照NB/T 47059―2017《冷凍液化氣體罐式集裝箱》的要求：充裝易燃介質的罐箱應以并聯(lián)方式設置4個互相獨立的安全閥（見圖1）;主安全閥的整定壓力應為內容器設計壓力的1.05～1.10倍，回座壓力應不小于整定壓力的0.90倍;任何情況下應保證至少有2個安全閥與內容器保持連通，并且每個安全閥的排放能力均滿足非火災條件下內容器的安全泄放要求，2個安全閥的排放能力滿足火災條件下內容器的安全泄放要求。

以某廠家生產(chǎn)的LNG罐箱為例：當罐箱內的壓力高于安全閥整定壓力（0.83 MPa）時，安全閥自動打開，釋放閃蒸氣;當罐箱內的壓力降至時，安全閥自動回座。LNG罐箱設置4個并聯(lián)安全閥（兩用兩備），其中2個安全閥的排放能力即可滿足罐箱在火災和真空喪失條件下的安全泄放要求;因此，安全閥失效導致罐箱內的壓力無法釋放的風險很小。此外，安全閥利用彈簧壓回，關閉時無需動力，具有較高的安全性和可靠性。

2 LNG罐箱安全閥非正常起跳的主要原因

LNG罐箱設計、材料、安全附件、儀表、裝卸附件、制造、檢驗等均有標準可循，嚴格遵守和執(zhí)行相關標準可確保LNG罐箱設備本身符合安全要求。我國裝備制造企業(yè)通過優(yōu)化LNG罐箱結構和材料，攻克長時間真空維持、低漏熱支撐等真空絕熱關鍵技術，使LNG罐箱無損儲存時間超出全球最長航次時間，實現(xiàn)在無損儲存時間內的LNG零排放。張青松[2]運用健康、安全和環(huán)境風險矩陣以及危險源辨識分析法評估LNG罐箱海運風險，得出以下結論：高空墜物導致LNG罐箱絕熱失效以及船舶碰撞導致LNG罐箱機械失效，進而造成安全閥起跳的概率均為10 6～10 5次/年，相當于全球范圍內從未發(fā)生過此類事件。由此可見：只要在運輸過程中嚴格遵守《國際海運危險貨物規(guī)則》，將航期控制在LNG罐箱無損儲存時間內，安全閥起跳事件的發(fā)生概率極低，并且安全閥出廠前必須經(jīng)過壓力試驗，出廠后每年還要經(jīng)檢驗合格后才能使用;因此，正常情況下，LNG罐箱在無損儲存時間內的儲運環(huán)節(jié)不會發(fā)生安全閥起跳事件。

基于LNG罐箱的真空絕熱結構和安全閥工作原理可知，導致LNG罐箱安全閥起跳的直接原因是罐箱內的氣體壓力上升，而罐箱內氣體壓力上升的主要原因包括：（1）罐箱真空度下降;（2）罐箱真空度正常，外界熱量持續(xù)導入罐箱內，導致LNG發(fā)生汽化。中國海洋石油集團有限公司“南氣北運”試驗和中國船級社武漢規(guī)范所實船運輸試驗結果顯示：在周圍環(huán)境和真空度均正常的條件下，無論在運輸過程中還是在靜置狀態(tài)下，LNG罐箱內的壓力上升速度都非常緩慢。[3]在運輸過程中，LNG罐箱內的液體晃動導致氣體更易于液化，從而使罐箱內的液體和氣體形成動態(tài)平衡的飽和狀態(tài)。靜置狀態(tài)下的試驗數(shù)據(jù)顯示：滿罐（充裝率為90%）靜置110 d后，LNG罐箱內的壓力為0.70 MPa，未達到安全閥起跳壓力;空罐（帶殘液）靜置230 d后，LNG罐箱內的壓力為0.73 MPa，仍未達到安全閥起跳壓力。

3 LNG罐箱安全閥起跳后的排放影響

3.1 排放量

在實際充裝率不超過額定充裝率（90%）的條件下，LNG罐箱在無損儲存時間內一般不會發(fā)生安全閥起跳事件。如果實際儲存時間超過無損儲存時間，可通過提前手動排氣的方式來泄壓，而不建議待安全閥起跳后再采取處理措施。不同壓力下維持飽和狀態(tài)的手動泄壓產(chǎn)生的閃蒸氣排放量極少（見表1），可不對其實施回收處理。需要注意的是：在實際充裝率超過額定充裝率的情況下，隨著時間推移，LNG罐箱內的壓力可能會因液體膨脹而快速升高，從而導致安全閥超壓排放，引發(fā)噴液現(xiàn)象。由表1可見：當壓力為0.7 MPa時，發(fā)生噴液現(xiàn)象。在理想狀態(tài)下，只要LNG罐箱卸液后的殘液量不超過，安全閥都不會自動起跳。此殘液量可為空罐返程提供參考。

3.2 排放溫度

LNG罐箱安全閥的起跳壓力為0.83 MPa，一旦發(fā)生安全閥起跳事件，泄漏的LNG會迅速汽化并放散于大氣中。在從安全閥到排放口的過程中，LNG閃蒸氣需要經(jīng)過長度約為5 m的排放管路（見圖2），并與大氣產(chǎn)生熱交換，導致其溫度迅速升高。LNG罐箱閃蒸氣排放試驗結果顯示：在環(huán)境溫度為25℃、排氣壓力為0.8 MPa的條件下，距離排放閃蒸氣的LNG罐箱0.8 m和1.0 m處的溫度分別為 4℃和10℃。由此可見，LNG罐箱安全閥起跳對鄰近罐箱產(chǎn)生的低溫影響極小。

4 LNG罐箱安全閥起跳預防和應急措施

4.1 預防措施

（1）確保罐箱安全閥在檢驗周期內且使用狀況良好。

（2）根據(jù)罐箱的保溫性能確定合理的充裝率（不超過90%），并使罐箱壓力小于0.3 MPa。

（3）裝船前檢查罐箱壓力、溫度和液位等是否正常;若發(fā)現(xiàn)異常情況，立即停止裝船作業(yè)并采取相應的處理措施。

（4）裝船前預估罐箱運輸時間（包括在港時間）并預留一定的安全余量，根據(jù)罐箱壓力判斷其無損儲存時間，確認罐箱無損儲存時間滿足運輸時間要求。

（5）在裝卸和綁扎作業(yè)過程中，注意避免碰撞罐箱本體及管閥。

（6）在航行過程中，通過物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控平臺監(jiān)測并記錄罐箱壓力、溫度和液位等。[4]

（7）利用大數(shù)據(jù)技術分析多批次運輸中罐箱壓力、溫度和液位等數(shù)據(jù)變化情況，據(jù)此推算罐箱剩余無損儲存時間，從而為后續(xù)運輸提供參考。

4.2 應急措施

4.2.1 船舶航行中的應急措施

在船舶航行過程中，一旦LNG罐箱發(fā)生安全閥起跳事件導致罐箱泄壓和氣體排放，應當立即采取以下應急措施：（1）報告值班駕駛員和船長，并發(fā)出警報;（2）將船上生活區(qū)空調或通風裝置調至內循環(huán);（3）關閉船上生活區(qū)所有外部門窗和風口，并關閉甲板所有艙室門窗和風口;（4）全船禁止任何可能產(chǎn)生火花的作業(yè);（5）船員視情況按應變部署表到集合地點集合，做好滅火及其他應急措施的準備工作;（6）船舶視情況顯示操縱受限信號，協(xié)調他船避碰，并使氣體排放部位處于下風側。

4.2.2 港口作業(yè)中的應急措施

在港口作業(yè)過程中，如果LNG罐箱發(fā)生安全閥起跳事件，應當立即控制點火源，盡快確定泄漏源，并逐級上報啟動應急預案?？刂泣c火源時，要保持通風良好，不得動用明火[5];確定泄漏源時，可通過物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)查找并定位罐箱。若安全閥無法自動回座，應當盡快將罐箱移至空曠場地以放散閃蒸氣，緊急情況下可以連接排放口引走閃蒸氣。

5 結束語

按照相關標準要求設置4個并聯(lián)的安全閥可以確保LNG罐箱滿足在事故條件下的安全泄放要求。LNG罐箱在無損儲存時間內的儲運環(huán)節(jié)發(fā)生安全閥起跳事件的概率極低。罐箱壓力升高是導致LNG罐箱安全閥起跳的直接原因，而無論滿罐還是空罐（帶殘液），罐箱壓力上升的速度都非常緩慢。理論計算和試驗結果表明：LNG罐箱安全閥起跳導致的排放量很小，并且排放溫度已恢復至常溫。根據(jù)LNG罐箱安全閥起跳特點和后果采取相應的預防和應急措施，可有效避免安全事故發(fā)生。

參考文獻：

[1] 汪思，常心潔，李秋英，等. LNG罐式集裝箱規(guī)?；ｊ懧?lián)運需突破環(huán)節(jié)分析[J]. 冶金管理，2019（23）：119.

[2] 張青松. 港口水域LNG罐箱運輸定量風險評價[J]. 天然氣工業(yè)，2009，29（1）：114-116.

[3] 羅若尹，王博，甘智華，等. 真空完全喪失下LNG罐式集裝箱的儲存規(guī)律研究[J].工程熱物理學報，2021，42（8）：1930- 1935.

[4] 羅婷婷，李欣欣，魯亮，等. LNG罐式集裝箱水運風險識別及防控措施分析[J]. 中國水運，2020（3）：42-45.

[5] 海航，周小翔，董玉軍. 基于風險識別的液化天然氣罐式集裝箱多式聯(lián)運應急處理[J]. 集裝箱化，2021，32（3）：12-16.

（編輯：張敏 收稿日期：2021-10-12）