加注LNG燃料的船舶安全管理措施研究

馬義平 許樂平 趙 睿 楊開亮 李國祥

（1.上海海事大學(xué) 商船學(xué)院 上海201306；2. 上海海事大學(xué) 海洋科學(xué)與工程學(xué)院 上海201306）

引 言

與柴油機尾氣排放相比，LNG（liquefied natural gas）動力發(fā)動機的尾氣在SOx、CO2以及NOx排放上具有較大程度的降低［1］，且LNG動力發(fā)動機還能較好地燃燒LNG運輸船舶的BOG（boiling of gas），因此，LNG動力發(fā)動機在國際船舶開始應(yīng)用。在國內(nèi)，隨著國家“氣化長江”戰(zhàn)略的提出，部分內(nèi)河船舶試點進行柴油機的LNG動力改造，同時一些柴油機廠家也成功開發(fā)了部分LNG動力發(fā)動機［2］。然而，自LNG應(yīng)用至今，發(fā)生了多起LNG嚴(yán)重事故［3］。為保證船舶和環(huán)境安全，《國際船舶安全營運和防止污染管理規(guī)則》和《中華人民共和國船舶安全營運和防止污染管理規(guī)則》都要求船舶關(guān)鍵性操作須有相應(yīng)的操作須知，但由于LNG動力船舶剛剛開始，所以此類研究較少。目前主要研究有LNG動力船加注模式研究［4-7］、加注躉船池火危險距離分析［8］、LNG泄漏爆炸危險后果分析［3］、槽車加注的定量分析評估［9］以及加注躉船的消防安全技術(shù)［10］等，但對LNG動力船舶在LNG燃料加注過程中的危險控制研究目前基本沒有。因此，本文擬基于LNG動力船舶燃料加注技術(shù)，對與加注過程密切相關(guān)的LNG翻滾、泄漏和火災(zāi)等部分關(guān)鍵危險源進行研究，為LNG動力船舶的安全管理體系建立提供參考。

1 LNG加注

LNG 燃料水上加注方式主要可分為五類，分別是槽車-船、岸站-船、船-船、躉船-船、海上浮式設(shè)施-船［4］。各加注方式比較和加注注意事項請見表1。

表1 LNG各種加注模式比較及加注注意事項

2 風(fēng)險及預(yù)防措施

2.1 LNG翻滾和間歇泉

LNG翻滾現(xiàn)象是指兩層不同密度的LNG 在儲罐內(nèi)迅速上下翻動混合， 瞬間產(chǎn)生大量氣化氣的現(xiàn)象，此時罐內(nèi)LNG 氣化量為平時自然蒸發(fā)量的10～50 倍［13］，最大可達正常 BOG（boiling of gas）氣量的100 倍［14］，翻滾導(dǎo)致儲罐內(nèi)氣壓迅速上升并超過設(shè)定值， 儲罐超壓［13］。

當(dāng)儲罐底部存在儲滿LNG的較長豎管，管內(nèi)流體受熱而產(chǎn)生蒸發(fā)氣，當(dāng)氣體產(chǎn)生的浮力足以克服LNG液柱高度產(chǎn)生的壓力時，氣體就會突然噴發(fā)，形成間歇泉。間歇泉也可導(dǎo)致安全閥開啟，故避免設(shè)置過長管路，或關(guān)閉豎管底部的截斷閥，可避免間歇泉［12］。

表2 LNG翻滾原因及預(yù)防措施

2.2 LNG泄漏

LNG 泄漏至地面，從環(huán)境吸熱并上升擴散，冷卻周圍空氣至0℃以下，形成一個可見云團（即重氣云團）。重氣云團比空氣重［16］，不易稀釋和擴散，增加了燃燒和爆炸的風(fēng)險［17］。-107℃以下，云團低處存積；-107℃以上，云團上升漂浮［12］。當(dāng)環(huán)境提供的熱量不足以氣化泄漏LNG時，便形成液池［18］。

若LNG泄漏至水面，由于熱傳遞非常高，因此LNG將會快速相變、發(fā)出巨響并發(fā)生爆炸。當(dāng)溫差懸殊的兩種液體接觸，若熱液體溫度比冷液體沸點溫度高1.1倍，熱液體極短時間內(nèi)發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)以爆炸速度產(chǎn)生大量蒸汽，類似于水落在燒紅的鋼板上立即蒸發(fā)［16］。快速相變所釋放能量相當(dāng)于幾千克高濃度炸藥，會產(chǎn)生局部過壓，但不會造成大范圍結(jié)構(gòu)損壞［19］。

LNG泄漏的影響有兩方面，一是對船體材料低溫破壞，該破壞是已有事故的主要類型［6］；二是LNG的蒸汽擴散，可能造成燃燒或爆炸。

LNG儲罐下方一般設(shè)置防護堤或圍堰。GB50156 要求防護堤頂面比堤面至少高0.8 m［17］，當(dāng)防護堤高度3 m 時，其50% LFL（燃燒下限濃度）距離可以減小50%左右［23］。而圍堰最小體積需為儲罐容積的 100%［17］， 當(dāng) LNG 泄漏 10 s時，無圍堰和有圍堰2 m高平面上天然氣水平擴散距離分別為60 m和19 m［24］，圍堰可明顯阻擋LNG水平擴散。關(guān)于LNG泄漏，約70%發(fā)生在管路系統(tǒng)［6］和閥門處［18］，可設(shè)置接液盤、護板、水幕來降低其對甲板和舷側(cè)的低溫影響［6］。

為降低LNG擴散影響，可鋪設(shè)低熱源介質(zhì)（如干砂）［25］，但更需合理設(shè)置水幕。合理的水幕可將擴散安全距離減小50 %以上，危害面積減小60% 以上［26］。云團高度為儲罐的 1.5～2 倍時，云團才可越過儲罐頂部擴散，儲罐的阻礙作用使儲罐附近云團濃度較高，為降低此影響，水幕需安置在泄漏點與儲罐的中間，且水幕高度需在云團2倍以上［27］。此外，從控制LNG擴散效果來看，向上實心錐形水幕＞扇形水幕＞向下實心錐形，但水幕易受外界風(fēng)速干擾，風(fēng)速大于4 m/s時控制效果不好［28］。

因此， 為降低LNG泄漏影響，可預(yù)置接液盤、護板和水幕等；若泄漏發(fā)生，可視情采用貼堵法或塞堵法，同時配合使用水幕系統(tǒng)。

表3 LNG泄漏及措施

表4 LNG火災(zāi)的應(yīng)對措施

2.3 LNG火災(zāi)

蒸汽云在可燃范圍（3.8 %～17 %［19］）內(nèi)最小點火能為0.28 MJ［3］，在點火源（如靜電火花、 煙頭等）存在條件下就會發(fā)生火災(zāi)，繼而可能會形成池火、噴射火［10］、火球［19］或爆炸?！盎鹎颉?燃燒幾秒至幾十秒，最大熱流量約150～330 kW·m-2，遠大于5 kW·m-2的人員接受標(biāo)準(zhǔn)；而爆炸還可引起沖擊波破壞［29］，若5 m3氣罐完全泄漏爆炸，爆炸點16.64 m范圍內(nèi)的人員如缺少防護將重傷或死亡。

水幕可阻隔火焰?zhèn)鞑ィ够鹧鏈囟认陆导s79%［31］，熱輻射值降低約1/3，水霧汽化還可窒息滅火［10］。使用帶水位控制器的水幕或手握軟管噴水，可確保LNG 蒸汽團加速吸熱，快速上升擴散，但禁止水幕對準(zhǔn)著火點［16］，這是因為：

（1）防止LNG相變爆炸；

（2）水會增大汽化速率，可使火焰高度增大6倍，輻射熱增大3倍，造成燃爆［20］。

另外，除上述原因外，禁止消防水直接沖擊罐體和泄漏部位，也可避免靜電積聚［20］。

LNG泄漏到集液池后，可采用高倍數(shù)泡沫滅火劑覆蓋，除可減少空氣與LNG接觸外，還可降低LNG的蒸發(fā)。高倍泡沫覆蓋1 800 s內(nèi)，液池蒸發(fā)量減少了 6.4%［32］；而 500 ： 1 的高倍數(shù)泡沫更可有效降低LNG 蒸發(fā)速率90% 以上，但最小有效淹沒深度需 0.64 m［30］。

LNG火災(zāi)可用干粉系統(tǒng)滅火［10，29］。LNG池火最高溫度為945.95℃， 使用超細(xì)干粉抑制后，最高溫度降為249.57℃，降溫 696.4℃［33］。但若火災(zāi)中罐體發(fā)出嘶鳴聲，即預(yù)示將爆炸；此時應(yīng)迅速組織撤退，撤退距離至少200 m［29］。

因此，L NG火災(zāi)時，可綜合運用水幕隔離、消防冷卻、泡沫覆蓋以及干粉滅火。

3 結(jié) 語

首先LNG加注前，合理控制管路和罐體的冷卻速度，加注過程需重點關(guān)注軟管、閥件和接頭等部件的泄漏；其次為預(yù)防LNG罐內(nèi)翻滾，不同產(chǎn)地、不同氣源的LNG需分開儲存，同時采取合適的進料方式； 另外需預(yù)制接液盤、水幕和護板等預(yù)防LNG泄漏，若泄漏發(fā)生時，用封堵法或塞堵法止漏，同時水幕系統(tǒng)隔離；最后LNG火災(zāi)時，水幕系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、泡沫系統(tǒng)和干粉系統(tǒng)應(yīng)綜合運用。