【論文精選】LNG事故案例及安全防范措施
作者：梅永春，吳洪松
第一作者單位：佛山市天然氣高壓管網(wǎng)有限公司
摘自《煤氣與熱力》2016年10月刊
近年來(lái)天然氣市場(chǎng)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，作為清潔能源的LNG也被廣泛應用，我國已建成投產(chǎn)大型LNG碼頭接收站逾10座，許多城市也陸續建設了LNG應急調峰站。LNG很好地解決了城市天然氣氣源問(wèn)題，但其在儲存、運輸中存在一定的危險性，本文結合LNG低溫、火災爆炸等危險特性及分層翻滾、快速相變現象，并結合LNG工程中的典型事故案例，對安全防范措施進(jìn)行探討。
1 LNG危險特性
LNG的固有性質(zhì)決定了其具有低溫、分層翻滾、快速相變、火災爆炸等危害特性，其中低溫、火災爆炸的特性認知比較普遍，分層翻滾、快速相變的破壞性更強，危害性更大，需要特別關(guān)注。
①分層翻滾
分層翻滾是指兩層不同密度的LNG在儲罐內分層后，隨著(zhù)外部熱量的導入，底層LNG溫度升高，密度變小，頂層LNG由于BOG的揮發(fā)而密度變大。經(jīng)過(guò)傳質(zhì)，下部LNG上升到上部，壓力減小，積蓄的能量迅速釋放，產(chǎn)生大量的BOG，即產(chǎn)生翻滾現象。罐內LNG的氣化量可達到平時(shí)自然蒸發(fā)量的100多倍，這將導致儲罐內的氣壓迅速上升并超過(guò)設定的安全壓力，使儲罐超壓產(chǎn)生危險。當LNG蒸發(fā)時(shí)，氮氣和甲烷首先氣化，剩余的液體中相對分子質(zhì)量較大的烴類(lèi)組分比例增加。一般情況下，蒸發(fā)氣包括體積分數約20%的氮氣、體積分數約80%的甲烷和微量的乙烷，其含氮量是LNG中含氮量的20倍。
②快速相變
快速相變即當溫度不同的兩種液體在一定條件下接觸時(shí)，可產(chǎn)生爆炸力，也稱(chēng)冷爆炸。當LNG與水接觸時(shí)，LNG會(huì )迅速氣化，體積瞬時(shí)擴大600倍，即產(chǎn)生快速相變。盡管不發(fā)生燃燒，但是這種現象具有爆炸的特征，危害可能很?chē)乐亍?/span>
2 LNG事故典型案例和安全防范措施
伴隨著(zhù)LNG市場(chǎng)的應用和發(fā)展，國內外曾經(jīng)發(fā)生過(guò)多起重大事故。針對LNG泄漏火災爆炸、分層翻滾和快速相變等事故類(lèi)型，筆者列舉LNG事故典型案例，分析事故原因，并提出安全防范措施。
2.1 LNG儲罐泄漏發(fā)生火災爆炸事故
2.1.1 事故一
①事故情況
1944年10月20日14:30，美國克利夫蘭LNG調峰站4號1×104 m3 LNG低溫常壓儲罐僅僅運行幾個(gè)月就突然破裂，溢出4 542 m3 LNG。20 min后3號球罐發(fā)生坍塌，LNG流進(jìn)街道和下水道，在下水道氣化引起爆炸，部分天然氣滲透到附近住宅地下室，被熱水器點(diǎn)火器引爆，炸毀房屋并起火，火海覆蓋了近14個(gè)街區。約2×104 m2范圍內的建筑被摧毀，死亡131人，225人受傷，毀壞轎車(chē)200多輛，損失巨大。
②發(fā)生原因
儲罐內罐用不銹鋼Ni質(zhì)量分數為3.5%，耐低溫性能差，遇低溫易脆裂；儲罐在交接檢驗時(shí)已發(fā)現罐底產(chǎn)生了一道裂縫，但沒(méi)有去調查裂縫的成因，只是對該罐進(jìn)行了簡(jiǎn)單修補后即投入運行。儲罐區外無(wú)攔蓄區，出現LNG任意流淌并最終引起爆炸。
2.1.2 事故二
①事故情況
2011年2月8日19:07，江蘇徐州二環(huán)西路北道、沈場(chǎng)立交橋西南側LNG加氣站儲罐底部出現泄漏，遇居民燃放煙花引發(fā)大火，火焰高逾20 m，徐州消防支隊先后出動(dòng)15輛消防車(chē)、80余名官兵趕往現場(chǎng)處置火情。直到2月9日16:30左右，儲罐內LNG全部燒盡，火勢最終被消防隊員成功撲滅，排除了隱患。
②發(fā)生原因
LNG儲罐區域可燃氣體報警裝置安裝位置不當，或者是可燃氣體報警裝置靈敏度不夠，在發(fā)生LNG泄漏的情況下，沒(méi)有及時(shí)報警；進(jìn)出LNG儲罐的液相管上無(wú)緊急切斷閥，因此不具備自動(dòng)切斷功能；LNG儲罐進(jìn)出管路中有多個(gè)法蘭連接件，是LNG最易泄漏的部位。
2.1.3 LNG儲罐泄漏的安全防范措施
①在LNG儲罐區設有不燃燒實(shí)體防液堤，防液堤內設置集液池，防止儲罐泄漏時(shí)LNG任意外流。
②LNG儲罐進(jìn)出液管必須設有緊急切斷閥，與儲罐液位控制聯(lián)鎖，并應有遠程控制操作和緊急停機功能。
③LNG管道法蘭密封面，應采用耐低溫的金屬纏繞墊片，不宜選用聚四氟乙烯墊片，以免長(cháng)期冷熱交替墊片收縮變形造成泄漏事故。
④建立并實(shí)施班組日常安全巡查制度，配置低濃度泄漏檢測儀定期進(jìn)行查漏，及時(shí)發(fā)現和處理天然氣泄漏。
⑤定期檢測和維護可燃氣體報警裝置、低溫報警裝置、超限報警聯(lián)鎖系統、超壓自動(dòng)排放系統以及消防冷卻和泡沫滅火系統等安全設施，使其處于完好狀態(tài)下運行。
⑥加強員工的LNG基本知識和安全技能培訓，并嚴格考核，使其熟悉LNG的危險特性以及崗位安全管理規章制度和操作規程，掌握本崗位所需的安全操作技能和應急處置措施。
⑦制定切實(shí)可行的事故應急預案，定期開(kāi)展事故應急預案演練。與周邊相關(guān)方建立應急聯(lián)動(dòng)機制。發(fā)生事故時(shí)，及時(shí)通報發(fā)布事故警報，迅速組織人員疏散和開(kāi)展應急處置，降低事故影響。
⑧當LNG泄漏后，應利用導液槽將LNG收集到集液池中，用高倍數泡沫將其覆蓋，控制LNG的氣化速率。
⑨當LNG泄漏起火后，應首先疏散周?chē)用窈蛙?chē)輛，然后開(kāi)始滅火和采取防爆處置。要用干粉或隋性氣體隔離滅火，并用固定式噴淋裝置或水槍、水炮對儲罐及其他需要保護的設施進(jìn)行噴淋降溫。
2.2 LNG儲罐分層翻滾事故
2.2.1 事故一［1］
①事故情況
英國BG公司Pantington LNG調峰站設有2套天然氣液化裝置，4座5×104 m3的LNG儲罐，1993年10月儲罐充裝前有存液17 266 t。在第1階段充裝新液的過(guò)程中，液化裝置的原料氣和生產(chǎn)工藝基本上沒(méi)有變化，因此生產(chǎn)出的LNG與儲罐內的LNG比較一致，密度差為3 kg/m3，新液加入量為1 533 t。由于北海新的氣田投產(chǎn)，原來(lái)向調峰站供氣的氣田關(guān)閉。北海新氣田的天然氣含氮量少，致使生產(chǎn)的LNG密度減小，又由于新原料氣中的二氧化碳和重烴含量較高，液化生產(chǎn)工藝中新增的脫碳裝置和重烴提取塔同時(shí)投產(chǎn)，使生產(chǎn)出的LNG中的乙烷體積分數只有2%，生產(chǎn)出的LNG密度僅為433 kg/m3，與存液的密度差高達13 kg/m3，LNG加液量為1 900 t。充裝完畢后的最初58 d內，只蒸發(fā)掉160 t LNG，而不是預計的350 t。充裝完畢后的第68天，突然發(fā)生翻滾，儲罐壓力迅速上升，安全放散閥和緊急放散閥全部打開(kāi)，整個(gè)過(guò)程持續2 h。由于翻滾排入大氣的天然氣約為150 t，排放的平均質(zhì)量流量為75 t/h。因儲罐排放天然氣的總能力為123.4 t/h，可以滿(mǎn)足75 t/h的排放，儲罐本身沒(méi)有受到損壞。儲罐正常BOG的排放量為0.25 t/h，因此翻滾的排放量為正常排放量的300倍。
②事故原因
新充裝的LNG密度比存液小13 kg/m3，形成了分層；上進(jìn)液使重量輕的LNG積聚在上層而蓋滿(mǎn)了表層，阻礙了下層LNG的蒸發(fā)。Pantington站是LNG調峰站，充裝后在長(cháng)達68 d的儲存時(shí)間內，使兩層的密度趨于一致有了足夠的時(shí)間，為翻滾創(chuàng )造了條件。
2.2.2 事故二［1］
①事故情況
1971年8月，意大利拉斯佩齊亞市的某LNG接收終端站，S-1儲罐充裝完畢18 h后發(fā)生翻滾事故。突然產(chǎn)生的大量LNG蒸發(fā)氣使儲罐內壓力迅速上升。在壓力達到57.3 kPa時(shí)，8個(gè)安全放散閥打開(kāi)。此時(shí)壓力仍然繼續上升，最高壓力達94.7 kPa，然后壓力開(kāi)始下降，壓力降至42.1 kPa時(shí)安全放散閥關(guān)閉。蒸發(fā)氣通過(guò)通常的放散途徑繼續高速排放，直至儲罐內壓力下降至24.5 kPa時(shí)恢復正常。整個(gè)過(guò)程歷時(shí)2 h。事故導致排放損失LNG 181.44 t。
②事故原因
充裝的新LNG密度比存液密度大，密度差為3.8 kg/m3，形成分層。充裝的新LNG的溫度比存液溫度高，溫差約為4 ℃，帶入了較多熱量，促進(jìn)層間混合。充裝量比存液量大得多，且充裝時(shí)間短，僅為18 h，在翻滾發(fā)生前4 h，由于控制閥的故障使儲罐內壓力下降，上層的蒸發(fā)量增大，使上層LNG的密度增大，加快了上下兩層的混合。
2.2.3 儲罐分層翻滾的安全防范措施
儲罐分層翻滾的破壞性非常強，一旦發(fā)生，其事故后果將難以控制，在運行安全管理中必須嚴格防范并從源頭上消除其發(fā)生的條件。
a.選擇的LNG供應商應相對穩定，防止由于組成差異而產(chǎn)生分層。
b.檢測控制進(jìn)站的LNG中氮的體積分數在1%以下，并保證安全放散閥在翻滾時(shí)能全部打開(kāi)，防止儲罐超壓破壞。
c.不允許密度差和溫度差過(guò)大的LNG存入同一個(gè)儲罐中，充裝液和罐內液密度差不宜超過(guò)10 kg/m3。
d.若確實(shí)不具備條件進(jìn)行分罐儲存，應正確選擇上、下進(jìn)液方式，以應對不同密度的LNG進(jìn)入同一儲罐。密度小的LNG充裝到存液密度大的LNG儲罐中時(shí)，應該采用底部進(jìn)液；密度大的LNG充裝到存液密度小的LNG儲罐中時(shí)，應該采用頂部進(jìn)液。
e.對LNG儲罐的壓力、液位和日蒸發(fā)率進(jìn)行密切監控。對于安裝有密度、溫度監測設備的LNG儲罐，應嚴密監測儲罐內垂直方向的密度和溫度。當分層液體之間的溫差大于0.2 ℃、密度差大于0.5 kg/m3時(shí)，可采用內部攪拌、倒罐或輸出部分液體的方法來(lái)消除分層。未安裝密度監測設備的儲罐不宜長(cháng)時(shí)間儲存LNG，儲存期超過(guò)一個(gè)月時(shí)應進(jìn)行倒罐處理。
2.3 LNG快速相變事故
2.3.1 事故情況［2］
①1973年5月，英國坎維依一艘LNG運輸船進(jìn)行卸液作業(yè)時(shí)，卸液管道爆破片破裂，LNG泄漏，流經(jīng)有雨水的碼頭，發(fā)生爆炸，損壞了鄰近建筑物的窗戶(hù)。
②1977年3月，阿爾及利亞阿爾澤天然氣液化廠(chǎng)，由于閥門(mén)破裂，在10 h內泄漏了大量LNG，LNG流入海中，產(chǎn)生若干次快速相變，沖擊波損壞了海邊建筑物的門(mén)窗。
③1995年10月，法國Montoir LNG接收站，開(kāi)架式海水氣化器頂部高壓閥的盤(pán)根盒處出現了泄漏，海水在氣化器管束的外側由上而下流動(dòng)，泄漏的高壓LNG流進(jìn)海水收集池中與海水接觸，產(chǎn)生快速相變，造成環(huán)繞著(zhù)氣化器的波紋狀塑膠結構破壞。
2.3.2 快速相變事故的安全防范措施
在一定條件下，當LNG與水接觸時(shí)會(huì )迅速氣化，產(chǎn)生快速相變現象。防范快速相變事故的發(fā)生，首先考慮的是采取有效的技術(shù)手段和運行安全管理措施預防LNG泄漏。預防泄漏的安全防范措施前文已闡述，在此僅補充兩條快速相變事故的防范措施。
①在LNG儲罐區防護堤內應設置集液池，并配備潛水泵以抽排集液池內積水。在實(shí)際應用中潛水泵宜實(shí)現與水位聯(lián)動(dòng)功能，以及時(shí)實(shí)現集液池內無(wú)積水。
②當LNG泄漏后，應利用導液槽將LNG收集到集液池中，用高倍數泡沫將其覆蓋，控制LNG的氣化速率，不可用水進(jìn)行稀釋?zhuān)苊猱a(chǎn)生快速相變現象。
3 結語(yǔ)
隨著(zhù)LNG的不斷推廣應用，LNG廠(chǎng)站的安全管理成為一個(gè)重要課題。從規劃設計、廠(chǎng)區布置、設備設施和運行管理方面，都必須重點(diǎn)關(guān)注、嚴格把關(guān)，以確保LNG廠(chǎng)站的安全運行，進(jìn)而實(shí)現LNG產(chǎn)業(yè)的安全發(fā)展。
參考文獻：
［1］陳福明. 意大利和英國LNG貯槽滾翻事故的啟示［J］. 上海煤氣，2003（6）：14-17.
［2］王泓. 快速相變——在LNG儲運中應注意的問(wèn)題［J］. 上海煤氣，2006（4）：20-22.