LNG事故影響因素及預(yù)防

文／上海市安全生產(chǎn)科學(xué)研究所 卞海鷹

液化天然氣（Liquefied Natural Gas，簡(jiǎn)稱LNG）是天然氣經(jīng)過預(yù)處理，脫除重?zé)N、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(rèn)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(diǎn)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?xì)浠衔?、NOx、CO2、微粒等的排放量有不同程度的減少。同時(shí)，LNG不會(huì)排放鉛、苯等物質(zhì)，具有非常好的環(huán)保性能。二是運(yùn)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(jìn)行運(yùn)輸。三是經(jīng)濟(jì)高效。由于氣態(tài)的天然氣液化后體積大大減小，儲(chǔ)存空間相應(yīng)減小，儲(chǔ)存成本也隨之減少。同時(shí)，由于LNG攜帶有冷量，可以通過一些裝置對(duì)其進(jìn)行回收利用。

LNG危險(xiǎn)性分析

通過對(duì)國(guó)內(nèi)外1944年以來20余起LNG罐區(qū)燃爆事故的統(tǒng)計(jì)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(zāi)、蒸氣云爆炸、沸騰液體擴(kuò)展蒸氣爆炸。導(dǎo)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(shí)候，方法選擇錯(cuò)誤，或者試壓時(shí)未完全隔離而造成天然氣泄漏；充裝時(shí)，由于操作失誤導(dǎo)致儲(chǔ)罐出現(xiàn)翻滾；忘記關(guān)閉排水閥，導(dǎo)致LNG泄漏爆炸；忘關(guān)閉氮?dú)夤芫€導(dǎo)致天然氣回流；操作失誤關(guān)閉安全監(jiān)測(cè)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(dǎo)致LNG儲(chǔ)罐爆炸，在線路修改時(shí)使得LNG管線遭到機(jī)械破壞。

物的原因主要是各種材料的老化失效或者各種設(shè)備的失效，如LNG儲(chǔ)罐罐壁材料出現(xiàn)問題、儲(chǔ)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(jì)破損等原因。

LNG事故危險(xiǎn)性分析

隨著液化天然氣在能源結(jié)構(gòu)中所占比例的增加，其生產(chǎn)、儲(chǔ)存、運(yùn)輸?shù)雀鱾€(gè)環(huán)節(jié)的安全問題所受的關(guān)注也越來越高。LNG一旦發(fā)生泄漏、燃燒爆炸等事故，將會(huì)對(duì)周邊造成很大危害。其危險(xiǎn)性主要體現(xiàn)為：

一是火災(zāi)爆炸危險(xiǎn)性。LNG泄漏后，吸熱會(huì)迅速地氣化，氣化后的天然氣具有易燃易爆的特性。當(dāng)空氣中的天然氣的體積濃度在5%～15%時(shí)，遇明火會(huì)發(fā)生火災(zāi)或者爆炸。當(dāng)有多個(gè)罐儲(chǔ)存LNG時(shí)，一個(gè)儲(chǔ)罐發(fā)生火災(zāi)爆炸可能會(huì)引發(fā)重復(fù)爆炸，嚴(yán)重威脅現(xiàn)場(chǎng)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(shí)火焰溫度高，會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的輻射熱。此外，LNG火災(zāi)易復(fù)燃、復(fù)爆，撲滅的難度很大。

二是翻滾的危險(xiǎn)性。LNG翻滾實(shí)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(huì)逐漸升高，而密度會(huì)變小，上層的LNG密度會(huì)逐漸變大（蒸發(fā)氣的揮發(fā)所致）。由于傳質(zhì)，下面的LNG會(huì)進(jìn)入上層，當(dāng)兩層的LNG密度差不多時(shí)，在儲(chǔ)罐中迅速混合，釋放其積蓄的能量，這時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的氣化氣，LNG的氣化量急劇增大，儲(chǔ)罐中的壓力會(huì)迅速上升。

三是低溫危險(xiǎn)性。LNG為低溫液體且黏度低，一旦泄漏，在個(gè)人防護(hù)未做好的情況下，會(huì)很快滲進(jìn)多孔的衣料里，進(jìn)而接觸皮膚，導(dǎo)致皮膚發(fā)生凍傷。當(dāng)與周圍設(shè)備接觸時(shí)，會(huì)導(dǎo)致設(shè)備遇冷收縮及脆性斷裂，造成設(shè)備損壞或者壽命縮短。

四是窒息的危險(xiǎn)性。如果人吸入LNG蒸氣，很快會(huì)失去意識(shí)，嚴(yán)重者幾分鐘就會(huì)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(huì)察覺到這種變化的，而當(dāng)他感覺缺氧時(shí)，為時(shí)已晚。

LNG泄漏擴(kuò)散影響因素分析

風(fēng)對(duì)LNG泄漏擴(kuò)散的影響

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

風(fēng)速對(duì)天然氣泄漏的影響是很復(fù)雜的。首先風(fēng)速的影響會(huì)加劇空氣和天然氣之間的傳熱和傳質(zhì)，使得天然氣的擴(kuò)散加劇。再者，由于不同高度的風(fēng)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(fēng)對(duì)泄漏氣體的擴(kuò)散隨著高度的不同而變化。

重力對(duì)LNG泄漏擴(kuò)散的影響

泄漏氣體相對(duì)于空氣密度的大或小，決定了在擴(kuò)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?yàn)榭諝獾牟粩嘞♂屪饔?，這種下沉趨勢(shì)會(huì)被減弱。在泄漏氣體擴(kuò)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(shì)也會(huì)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(tuán)呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)；隨著天然氣云團(tuán)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(shì)也逐漸減弱。

地理?xiàng)l件對(duì)LNG泄漏擴(kuò)散的影響

地面粗糙度是地理?xiàng)l件對(duì)氣體泄漏擴(kuò)散影響的主要指標(biāo)。在平坦開闊的地形，泄漏氣云不受阻擋，易于擴(kuò)散，而在地勢(shì)低洼處則正好相反，泄漏氣云易于滯留不易擴(kuò)散。泄漏孔周圍高大的樹木等會(huì)增加地表大氣的湍流程度，使空氣的稀釋作用加強(qiáng)。同樣，泄漏孔周圍低矮的建筑物群，對(duì)于氣體的泄漏擴(kuò)散是不利的，而對(duì)于高大的建筑物，由于其阻擋作用，氣體的擴(kuò)散流場(chǎng)會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)擴(kuò)散云團(tuán)遇到建筑物時(shí)，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(chǎng)。泄漏氣體在空腔區(qū)會(huì)出現(xiàn)回流現(xiàn)象，從而使其聚集起來，難以擴(kuò)散。

越復(fù)雜的地理?xiàng)l件對(duì)泄漏氣體的擴(kuò)散越不利。由于地形越復(fù)雜，泄漏后的天然氣與空氣的混合物在周圍停留的時(shí)間也就越長(zhǎng)，天然氣泄漏的量就越多，擴(kuò)散的區(qū)域范圍也越廣，危險(xiǎn)性也就越大。當(dāng)泄漏口所在的地理位置較高時(shí)，泄漏氣體擴(kuò)散至地面的豎直高度就越大，氣體受當(dāng)?shù)仫L(fēng)速影響的機(jī)會(huì)就越大，泄漏氣體擴(kuò)散就較易，反之亦然。

LNG事故的預(yù)防措施

當(dāng)LNG發(fā)生翻滾或快速相態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)，都可能存在爆炸、燃燒等潛在的危險(xiǎn)，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(qiáng)管理來防止。不同來源、不同組成的LNG應(yīng)盡可能儲(chǔ)存在不同的儲(chǔ)罐中，但這種方法可能帶來操作上的不便和設(shè)備能量的浪費(fèi)。因而，在設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，可采取利用儀器監(jiān)測(cè)的方法，嚴(yán)密監(jiān)測(cè)蒸發(fā)氣量、密度等參數(shù)，防止液層大量?jī)?chǔ)熱，做到隨時(shí)監(jiān)測(cè)每一液層的實(shí)際狀況，從而達(dá)到防止翻滾出現(xiàn)的目的。

儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備的選料

LNG裝置本身的可靠性是保證LNG設(shè)施安全運(yùn)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(shí)仍具有韌性，并能克服由常溫降至低溫時(shí)的脹縮問題，防止因材質(zhì)選擇不當(dāng)而引起LNG泄漏。因此，無論是運(yùn)輸LNG的槽車、槽船，還是儲(chǔ)存LNG的儲(chǔ)罐，都必須能滿足超低溫的基本條件。國(guó)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(guó)輸氣公司設(shè)計(jì)的LNG船就采用36%鎳鋼作儲(chǔ)罐材料。國(guó)內(nèi)某造船集團(tuán)計(jì)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(qiáng)設(shè)備管理

為保證LNG裝置安全運(yùn)行，應(yīng)建立完善的設(shè)備管理制度、維修保養(yǎng)制度，裝置中設(shè)備應(yīng)選用防爆型，具體的生產(chǎn)設(shè)備應(yīng)有專人負(fù)責(zé)，定期檢查、維護(hù)保養(yǎng)，并做好設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)記錄。壓力容器應(yīng)定期進(jìn)行壁厚檢查，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)解決，不斷提高設(shè)備的完好率，確保所有設(shè)備裝置正常安全運(yùn)行。

加強(qiáng)運(yùn)行管理

在LNG產(chǎn)、運(yùn)、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(dāng)溫度相差懸殊的兩種液體接觸時(shí)，若熱液體溫度比冷液體沸點(diǎn)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(dāng)液體中出現(xiàn)氣泡時(shí))。此過程熱液體能在極短時(shí)間內(nèi)通過復(fù)雜的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)機(jī)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(yīng)嚴(yán)格遵守安全操作規(guī)程，如有發(fā)生重大事故的隱患時(shí)，應(yīng)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(shí)處理運(yùn)行中出現(xiàn)的故障，才能保證正常生產(chǎn)，并應(yīng)逐步應(yīng)用現(xiàn)代化的管理手段和方法，加強(qiáng)LNG企業(yè)的安全技術(shù)管理。