LNG罐車泄漏火災罐體超壓失效預警及防控

朱　淵　張肖錦　師吉浩　陳國明　付建民

LNG罐車泄漏火災罐體超壓失效預警及防控

朱淵張肖錦師吉浩陳國明付建民

中國石油大學(華東)海洋油氣裝備與安全技術研究中心

朱淵等.LNG罐車泄漏火災罐體超壓失效預警及防控.天然氣工業,2016, 36(8): 138-144.

LNG作為清潔能源利用的重要組成部分,帶來了大量道路罐車運輸需求,并引發對其安全的關注.為此,以實際事故為背景,面向LNG罐車泄漏火災罐體超壓失效過程,特別針對事故凸顯的泄漏-火災-罐體超壓循環激勵特點,通過耦合罐車泄漏工藝流程和LNG火災燃燒熱模型,并基于壓力容器破裂預測公式,建立了LNG罐車泄漏火災超壓失效預測模型及其求解方案,可快速計算罐體超壓失效時間、罐內壓力、泄漏強度等參數,模型計算結果與事故調查結果具有良好的一致性.研究結果表明:①氣相泄漏火災不應導致罐體超壓失效;②液相泄漏火災罐體充裝率高,罐內壓力攀升速度、峰值壓力、泄漏速率都將增加,到達峰值壓力的時間將降低,意味著更大事故風險.從泄漏火災超壓預警的角度,確定了不同充裝率下液相泄漏罐體最危險泄漏孔徑、最短預警時間和最大安全泄漏孔徑,以及不會發生罐體超壓失效的最大安全充裝率.結合事故暴露和道路運輸存在的問題,提出了罐體設計、道路駕駛和事故應急的注意事項,并推薦罐體不同充裝率應對液相泄漏火災所需的最小消防噴淋降溫水量,以期為預防和控制事故LNG罐體超壓失效提供支持.

液化天然氣 罐車 泄漏-火災-罐體超壓 超壓預警 防控

作為清潔能源的LNG得到越來越廣泛的利用,產生了大量的運輸需求.罐車運輸是LNG陸上運輸的重要方式,但鑒于公路自身的安全問題,LNG罐車運輸具有容易引發LNG泄漏、火災和爆炸等重大事故的風險.國內外的LNG罐車運輸均出現過類似的危險情形,其中2002、2011年在西班牙Tivissa和Murica分別有1輛LNG罐車發生交通事故造成LNG泄漏,并引發火災,最終導致罐體超壓失效解體,帶來顯著的沖擊波、熱輻射和碎片.事故調查結果表明,罐車火災產生的熱量,顯著提升了罐內壓力,促進了LNG泄漏強度,進而加劇火災規模,進一步提升罐內壓力,形成惡性循環,最終導致災難性后果[1-3].為此,有必要針對LNG罐車運輸潛在的重大事故隱患開展進一步研究.

目前,國內外學者已開展了大量液化烴儲罐泄漏超壓過程和事故后果的研究工作[4-11].但這些偏重于分析儲罐在完好狀態下的熱響應規律和事故特點,難以分析實際事故體現出的LNG罐車泄漏-火災-罐體超壓循環激勵過程(此過程也是眾多儲罐泄漏火災事故所具有的特點),且多采用復雜的數值計算模型,無法滿足事故條件下的快速計算要求.有鑒于此,筆者將罐車泄漏的工藝流程分析、LNG火災模型以及罐體超壓失效準則進行結合,建立LNG罐車泄漏火災超壓失效預測模型,以快速分析、預測罐體超壓失效過程和預警關鍵參數,并提供防控措施建議,進而為應對LNG罐車泄漏火災超壓失效提供基于事故機理分析上的安全支持.

圖1　LNG罐車泄漏超壓失效事故發展機理圖

1　LNG罐車泄漏火災超壓失效模型

LNG罐車泄漏-火災-罐體超壓循環激勵導致罐體失效的過程如圖1所示,從事故機理上可分解為:①LNG罐車在壓力作用下泄漏,以及罐體安全閥起跳、泄壓保護過程;②泄漏LNG引發的火災為罐體提供大量燃燒熱,推動LNG相變,提升罐內壓力;③罐壁材料在火災高溫條件下受罐內壓力超壓失效.其中,①和②在事故過程中循環激勵,可導致罐內壓力災難性升高.

1.1LNG罐車泄漏模型

LNG罐體在泄漏過程中,罐內整個氣液兩相系統滿足能量守恒方程:

式中ρg表示氣相密度,kg/m3;Vg表示氣相體積, m3;h表示氣相高度,m;ρl表示液相密度,kg/m3; Vl表示液相體積,m3;H表示液相高度,m;ΔH表示液相高度變化,m;F表示總體積泄漏速率,m3/s; Fl表示液相體積泄漏速率,m3/s;Fg表示氣相體積泄漏速率,m3/s;p表示儲罐內壓力,Pa;Wv表示儲罐安全閥體積排放速率(根據本文參考文獻[12]計算), m3/s;Δpv表示安全閥泄放前后壓差,Pa;Q表示儲罐與外界環境交換熱流量,J/s;g表示重力加速度, m/s2;t為時間,s.

以及質量守恒方程:

式中Wm表示安全閥質量排放速率,kg/s;m表示泄漏質量速率,kg/s.在泄漏出口處,根據流出介質的不同,將其簡化為單一液相或氣相,可表達為[13]:

式中Cl表示液相流出系數;A表示泄漏孔面積,m2; H0表示初始液位高度,m;At表示液面橫截面積, m2;Cg表示氣相流出系數;M表示摩爾分子量,kg/ mol;R表示理想氣體常數kg/(mol.K-1);T表示溫度, K;k表示熱容比;pa表示大氣壓力,Pa.

在罐體內,根據Hertz-Knudsen方程構建LNG氣液界面質量J的轉化關系[14]:

式中αc表示蒸發冷凝調節系數;Tsat表示飽和溫度,K; ΔHm表示摩爾蒸發熱,J/mol.

1.2 泄漏LNG火災熱計算模型

LNG火災可以產生大量的熱,除火災產生的熱量,忽略儲罐與外界環境之間的其他熱交換.

針對不同泄漏孔徑,基于挪威船級社建立的油氣泄漏事故分析系統PHAST的判斷,LNG罐車泄漏后的火災形式主要為噴射火,池火的出現頻率很小.以噴射火作為主要的事故模式,分析泄漏LNG火災產生的熱量.借鑒噴射火點源模型,熱量Q計算公式如下[15]:

式中η表示熱反饋系數;mw表示泄漏LNG的質量燃燒速率,本文即為單位時間內罐車泄漏的介質及安全閥泄放的介質之和,kg/s;ΔHc表示燃燒熱值, J/kg.

1.3實際狀態方程

采用實際氣體狀態方程,其基本形式為[16]:

式中ν表示摩爾體積,m3/mol;a、b分別表示與天然氣所含組分相關的常量.

綜合以上方程,可構建用于描述LNG罐車泄漏-火災-罐體超壓的理論體系,其核心是通過罐內能量守恒方程構建輸入熱量Q和罐內壓力p的聯系,再由壓力p確定安全閥泄放量Wm和泄漏孔質量速率m以得到總LNG泄漏量mw,最后依據火災燃燒熱模型將泄漏量mw轉化為輸入熱量Q,從而實現導致罐體超壓失效的災難性循環激勵過程的模型化,而其基本構成為一組常微分方程,可采用4階Runge-Kutta方法聯立方程實現快速求解,以獲取罐內壓力等關鍵參數的變化情況.

1.4儲罐超壓失效準則

LNG罐車在火焰作用下,容器內部壓力不斷升高,當其超過罐體失效壓力時,罐體破裂,會發生更為嚴重的事故傷害.根據壓力容器破裂預測公式[17]計算LNG罐體在火災環境下的超壓失效壓力pb:

式中σy表示屈服強度極限,MPa;σu表示抗拉強度極限,MPa;b表示儲罐壁厚,m;r表示儲罐半徑,m.

根據計算得到的罐內壓力,如其超過pb,則認為罐體發生超壓失效.

2　事故案例分析

根據本文參考文獻[1-3]中的數據,結合建立的LNG罐車泄漏火災超壓失效模型進行分析.西班牙發生事故的2輛罐車具有相同的基本參數:內徑為2.34 m,容量為56.5 m3,充裝率為85%,罐內溫度為113.15 K,壓力約為0.1 MPa;罐體內壁材質為304LN不銹鋼(罐殼厚度為4 mm),中間為聚氨酯保溫層,外壁為鋁合金;罐體上有3個安全閥,起跳壓力為0.7～0.9 MPa.

事故調查結果顯示,Tivissa罐車在下山段超速側翻后罐頂朝下傾倒,Murica罐車撞上了因故障停在馬路上的大型卡車,事故都導致罐體連接管路破裂(泄漏孔徑包括25.4 mm、19.05 mm、12.7 mm),隨后罐車發生LNG泄漏及噴射火,火焰迅速破壞了罐體外壁和保溫層,并直接對內壁加熱,分別在約20 min和71 min后Tivissa和Murica罐車罐體超壓失效,事故時輪胎和油箱都發生燃燒.

304LN不銹鋼屈服強度為205 MPa,抗拉強度為515 MPa,由公式(7)可知,罐體的超壓失效壓力為1.29 MPa.分別計算25.4 mm、19.05 mm、12.7 mm泄漏孔徑下的罐內壓力,上限為超壓失效壓力(圖2).

圖2　西班牙事故罐體超壓失效預測圖

根據計算結果,在25.4 mm、19.05 mm、12.7 mm泄漏孔徑下,罐體到達超壓失效的時間分別為21 min、35.7 min和74 min,其中25.4 mm和12.7 mm泄漏孔徑的計算結果分別略高于Tivissa罐車和Murica罐車大約20 min和71 min的超壓失效時間.考慮到模型中難以精細計算輪胎和油箱燃燒造成的熱反饋,此預測結果與實際事故情況非常接近.

由于罐車解體,沒有確鑿的證據表明泄漏管路的尺寸.但根據罐車的設計,2條25.4 mm、1條19.05 mm管路位于罐頂,2條12.7 mm管路位于罐底.結合事故現場調查報告,Tivissa罐車側翻后罐頂沖撞道路邊坡,易造成罐頂管路破裂,且火焰位于罐體上部,其泄漏源應位于罐頂;Murica罐車罐體躺倒在道路隔離帶外側,易造成罐底管路破裂,且火焰從兩側包圍罐體,其泄漏源應位于罐底.

綜合對罐體超壓失效時間的預計,結合罐體管路設計、事故時罐車的姿態以及火焰位置,可認為Tivissa罐車和Murica罐車的泄漏管路孔徑分別為25.4 mm和12.7 mm,而建立的超壓失效模型預測的結果具有良好的實際符合度.

3　泄漏火災LNG罐內壓力分析

目前,國內使用的LNG罐車類型包括與西班牙事故相似的單壁罐車和雙壁罐車,其典型參數為:罐體容積為51.4 m3,直徑為2.45 m,最大充裝率為90%;最高工作壓力為0.7 MPa,設計壓力為0.77 MPa,溫度為131.15 K;采用雙安全閥組合系統,開啟壓力為0.75 MPa;罐體為真空外筒和304不銹鋼內筒(罐殼厚度為6.5 mm).如罐車在運輸過程中發生事故,真空外筒遭到破壞且發生泄漏火災,火焰將直接加熱內筒,其事故情景與本文參考文獻[1-3]中的事故的情形具有很大的相似性.針對此類型罐車進行分析,為研究方便,暫不考慮罐體超壓失效情形,分析不同情況下的罐內壓力情況.鑒于罐車可能從罐體的液相/氣相區域泄漏.因此分別進行分析.

3.1液相泄漏LNG罐內壓力分析

3.1.1不同充裝率下LNG罐內壓力分析

根據標準規定,充裝易爆介質的液相容積應不大于幾何容積的90%,選取30%、50%、80%、90%這4種充裝率下25.4 mm的泄漏孔徑,計算事故條件下LNG罐內壓力變化如圖3-a所示.以30%充裝率為例,初始階段泄漏孔的出現導致容器壓力急速下降,隨即在噴射火的作用下,罐內壓力開始攀升,體現了火災對罐內壓力的激勵作用;在罐內壓力的增長段可以發現,壓力的增長速度越來越快,反映出罐內得到了更多熱量,結合LNG泄漏速率曲線,如圖3-b所示,顯示有更多的LNG泄漏并燃燒,體現出罐內壓力增長對泄漏火災的激勵作用.

圖3　不同充裝率下25.4 mm泄漏孔徑液相泄漏圖

對比不同充裝率的情形,壓力曲線的攀升速度、最高峰值壓力、泄漏速率都隨充裝率的增加而快速增加,到達峰值壓力的時間則隨充裝率的增加而降低.顯而易見,充裝率高意味著更大的事故風險.同時,通過對壓力曲線的分析可以發現,罐內壓力增長非常平穩,即便在安全閥的起跳點上也并未出現明顯的壓力波動,這表明針對此類事故,現有的安全閥配置難以發揮有效的壓力泄放效果.

3.1.2不同泄漏孔徑下LNG罐內壓力分析

以標準規定的最大充裝率90%,選取泄漏風險研究推薦的6.35 mm、12.7 mm、25.4 mm、101.6 mm這4種泄漏孔徑[18],計算事故條件下LNG罐內壓力的變化(圖4).

在不同泄漏孔徑下,罐內壓力都遵循先增長后降低,且達到的峰值壓力越高,壓力曲線攀升速度越快的一致規律,而峰值壓力在不同泄漏孔徑下體現了較大差異.鑒于泄漏孔徑在事故過程中的不確定性,統計在同一充裝率下不同泄漏孔徑的最大峰值壓力,以90%充裝率為例,計算結果如圖5所示.

圖4　不同泄漏孔徑90%充裝率罐內壓力曲線圖

圖5　不同充裝率不同泄漏孔徑罐內峰值壓力圖

可見,存在一個特定泄漏孔徑,對應某一充裝率下可達到的最大峰值壓力,結合之前的分析,這也是壓力曲線攀升最快的情況,是最危險的罐車泄漏火災情況,不同充裝率最危險泄漏孔徑如圖6所示.

圖6　不同充裝率最危險泄漏孔徑圖

根據計算,在90%常見充裝率下,罐體的最危險泄漏孔徑為80 mm.

3.2氣相泄漏LNG罐內壓力分析

當充裝率為90%時,不同泄漏孔徑事故條件下LNG罐內壓力變化如圖7-a所示.相對于液相泄漏,氣相泄漏罐內壓力的增長幅度和速度都小得多,尤其在小孔徑泄漏條件下,壓力增長緩慢.由90%充裝率不同泄漏孔徑氣相泄漏速率曲線可知(圖7-b),受氣體本身性質的影響,氣相泄漏速率要遠小于液相,故其燃燒熱激勵對罐內壓力的反饋作用要低得多.

同時,在中大孔徑條件下,當罐內達到峰值壓力時,存在罐車泄漏-火災-罐體壓力的平衡態,此時罐內壓力將保持一定時間的穩定.

圖7　不同泄漏孔徑充裝率90%氣相泄漏圖

4　LNG罐體超壓預警分析

計入罐體超壓失效,304不銹鋼屈服強度為205 MPa,抗拉強度為520 MPa,由公式(7)計算得到超壓失效壓力為2.01 MPa.由于氣相泄漏在不同充裝率和泄漏孔徑條件下都未達到超壓失效壓力,故只分析液相泄漏火災的情景.

4.1最短預警時間分析

選取不同充裝率下對應的最危險泄漏孔徑,預測罐體失效時間.由于事故過程潛在伴隨輪胎等其他物品的燃燒,基于對西班牙事故的分析,模型預測時間為實際失效時間的1.05和1.04倍,保守起見在計算結果的基礎上除以1.06的安全系數以獲得最短預警時間,不同充裝率下其結果如圖8所示.

圖8　不同充裝率最短預警時間圖

根據計算,在90%常見充裝率下,罐體的最短預警時間為4.57 min;當充裝率低于20%時,泄漏火災不會導致罐體發生超壓失效.

4.2罐體最大安全泄漏孔徑

通過計算可以發現,對應不同充裝率,存在一個最大安全泄漏孔徑,即當泄漏孔徑尺寸小于此孔徑時,罐體不會發生超壓失效,不同充裝率下其結果如圖9所示.

圖9　不同充裝率下最大安全泄漏孔徑圖

在90%常見充裝率下,罐體的最大安全泄漏孔徑為8.6 mm.

5　LNG罐車泄漏火災防控建議

從罐體設計上,結合西班牙事故,可以發現其罐殼壁厚僅為4 mm,由公式(7)可知,每減少1 mm的壁厚,罐體的超壓失效壓力將降低約20%,顯然西班牙罐車在設計上偏于危險,而國內目前罐車在設計上罐壁厚度也呈下降趨勢,需要引起注意.

對道路駕駛問題,西班牙事故暴露出的超速、注意力不集中在國內更是屢見不鮮,甚至有過之而無不及,需要強化相關安全工作.

在事故應急上,由于存在罐體超壓失效的巨大風險,需要審慎的救援策略.推薦首先判斷罐體類型、泄漏類型及損傷情況:外壁完整的雙壁罐,由于保溫性能未受傷害,通常不會發生超壓失效[2];根據分析,氣相泄漏火災不應導致罐體超壓失效;單壁罐或破裂的雙壁罐液相泄漏,不應盲目靠近施救(尤其是罐體充裝率高的情況下),可結合最短預警時間和罐體最大安全泄漏孔徑在安全距離外初步判斷潛在風險,再通過觀測泄漏孔徑,基于LNG罐車泄漏火災超壓失效模型預測的罐體超壓失效時間,以決定進一步的行動,而當罐內LNG存量低于20%時,可解除超壓失效報警.

救援時需要對罐體降溫以降低罐內壓力,常用的手段為水噴淋.保守起見,以保證罐體在事故過程中罐內壓力不超過罐體設計壓力為原則,預測液相泄漏火災需要的消防水量.由水冷卻原理可得消防水量(V)計算公式為:

式中V表示消防用水量,m3/h;Q 表示LNG泄漏火災產生的熱量,kJ/h;Qsafe表示罐體所能接受的最大安全熱量,kJ/h;λ表示水的汽化潛熱,kJ/kg;ρw表示水的密度,kg/m3.

通過迭代分析,不超過設計壓力時,罐體所能接受的最大安全熱量為3.51X106kJ/h,結合不同充裝率下最危險的罐車泄漏火災情況,計算得到最小消防水量如圖10所示.

在常見的90%充裝率下,罐體所需的最小消防水量為50.68 m3/h.

圖10　不同充裝率下最小消防水量圖

6　結論

1)針對LNG罐車泄漏火災事故,建立LNG罐車泄漏火災超壓失效預測模型,及其快速模型求解方案,通過耦合罐車泄漏工藝流程和LNG火災燃燒熱模型,充分反映LNG罐車泄漏-火災-罐體超壓循環激勵過程,且預測結果與實際事故情況相比取得了良好的一致性.

2)結合典型LNG罐車設計,分析不同泄漏形式、罐體充裝率和泄漏孔徑下罐內壓力變化及其規律,由計算分析,氣相泄漏火災不應導致罐體超壓失效;針對液相泄漏火災,預測罐體超壓失效時間,獲得不同充裝率下的罐體最危險泄漏孔徑、最短預警時間和罐體最大安全泄漏孔徑,對于常見的90%充裝率,其值分別為80 mm、4.57 min和8.6 mm,而罐體不會超壓失效的最大充裝率為20%.

3)從罐體設計、道路駕駛、事故應急方面提出LNG罐車泄漏火災事故的防控建議,并結合消防水噴淋降溫手段,給定在不同充裝率下液相泄漏火災罐體所需最小消防水量,常見90%充裝率所需水量為50.68 m3/h.

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(修改回稿日期 2016-07-05 編 輯 陳 嵩)

Failure warning, prevention and control of LNG road tanker trucks: A cycle motivation of "leakage-fire-overload on the tank" in accidents

Zhu Yuan, Zhang Xiaojin, Shi Jihao, Chen Guoming, Fu Jianmin
(Offshore Oil and Gas Equipment and Safety Technology Research Center, China Uniνersity of Petroleum, Qingdao, Shandong 266580, China)

NATUR. GAS IND. VOLUME 36, ISSUE 8, pp.138-144, 8/25/2016. (ISSN 1000-0976; In Chinese)

Liquefied natural gas (LNG), playing an important part in clean energy utilization at present, prompts the requirements of road tanker trucks but raises great concerns for its transportation safety. In view of this,an analysis was first made on the whole failure process from LNG leakage to fire to the overload on the tank in some real accidents of LNG road tanker trucks with focus on the cycle motivation of "leakage-fire-overload on the tank". On this basis, a failure prediction model of "leakage-fire-overload on the tank" in accidents of LNG road trucks was proposed and its rapid calculation programmer was constructed, with the concentration on the tank disintegration caused by overpressure. This model, by coupling the process simulation of tank leakage and LNG fire combustion model, focuses on the dangerous cycle motivation of the "leakage-fire-overload on the tank" process exposed in the accidents, is capable of predicting the overpressure of tank failure time, tank inside pressure, leaking intensity, etc., and gets good compliance with the accident investigations. Research results shows that the fire induced by gaseous phase leakage will not lead to overload failure of the tank; and under the condition of the fire of liquefied phase leakage, with the increase of the filling volume, the pressure growth speed, peak pressure and leaking rate increase, and the time required to reach the peak pressure reduces, which is much more dangerous. From the point of early warning of "leakage-fire-overload on the tank" in accidents, the most dangerous leak orifice, minimum warning time and maximum safe leak orifice versus various filling volumes are all determined, and the maximum safe filling volume in which the tank will not collapse is also provided. Combined with the problems emerging in the accidents and traffic safety, some advices on the tank design, road driving and accident emergency are proposed here. And the minimum supplies of fire sprinkler water used to cool the tank are also suggested based on the filling volume, in order to provide a support for prevention and control of the tank overpressure during the fire of liquefied phase leakage.

Liquefied natural gas; LNG tanker road truck; Leakage-fire-overload on the tank; Overpressure warning; Prevention and control

10.3787/j.issn.1000-0976.2016.08.019

中央高校基本科研業務費專項資金資助項目"燃爆條件下深水油氣開發工藝災變機制與控制基礎研究"(編號: 15CX05018A)、國家自然科學基金項目"極端海洋環境下海洋固定平臺生存能力及動力災變應急對策研究"(編號:51579246).

朱淵,1982年生,副教授;研究方向為油氣安全工程.地址:(266580)山東省青島市黃島區長江西路66號.ORCID: 0000-0003-2942-781X.E-mail: zhy3323@163.com