液化天然氣的泄漏問題

王秋莎，吳 明，官學源，劉 杰，張國軍，杜義朋

（遼寧石油化工大學 石油天然氣工程學院， 遼寧 撫順 113001）

液化天然氣的泄漏問題

王秋莎，吳 明，官學源，劉 杰，張國軍，杜義朋

（遼寧石油化工大學 石油天然氣工程學院， 遼寧 撫順 113001）

隨著液化天然氣（LNG）在全球中的廣泛應用，其存儲和運輸過程中的安全問題成為研究的重點。其中LNG的泄漏就是危及其安全性最重要的因素之一。簡要介紹了國外研究LNG泄漏的實驗研究和理論研究，闡述了LNG的物理性質，以及其燃燒、低溫、快速相態轉變的危險特性，并在其基礎上分別討論了LNG泄漏在一定條件下可造成的危險后果。同時提出了能預防或減小LNG泄漏帶來危害的安全技術措施。

LNG的泄漏；LNG危險特性；危害后果；安全技術措施

近年來，隨著液化天然氣（簡稱LNG）在全球生產和貿易中的日趨活躍，LNG作為一種清潔、經濟的能源在世界能源系統中起到了越來越重要的作用。為確保能源供應的多元化和改善能源消費結構，一些能源消費大國日益重視LNG的引進，許多國際石油大公司也將其新的利潤增長點轉向LNG業務，LNG將成為繼石油之后的另一個全球爭奪的熱門能源商品[1]。為給我國快速的經濟發展提供持續的能源保障，同時優化能源結構和改善生態環境，我國也增加了對LNG行業的重視。隨著LNG在工業和日常生活中的大規模使用，其在儲存、運輸和使用等環節中的潛在危險也越來越明顯的顯露出來。一旦發生事故，會造成難以估計的人員傷亡和財產損失等嚴重后果。因此，LNG在儲運過程中的安全問題是擺在我們面前的一個重要課題，而LNG的泄漏就是危及其安全性的重要方面之一。為此，研究有關LNG的泄漏問題具有重要的意義。

1 LNG泄漏的研究現狀

針對LNG的泄漏問題已在國內開始研究，但早在20世紀70-80年代，國外就開始以實驗研究和理論研究為主要研究方法來研究LNG的泄漏問題。其中實驗研究包括以Burro和Coyote為主的現場實驗和實驗室風洞實驗。1980年，在California的China Lake上進行了由美國能源部贊助的 Lawrence Livermore National Laboratory(LLNL)和 Naval Weapons Center(NWC)一系列的Burro LNG實驗。實驗是通過在水面上釋放LNG的方法，取得了在陸地上各種氣象條件的數據。1981年，研究者們又以相同的方式進行了Coyote試驗。同年，在美國的Marlin Sands上，殼牌石油公司（Shell Oil Company）在海面上也進行了LNG和冷凍丙烷（LPG）的燃燒與擴散實驗[2]。但在低風速和 Reynolds數據條件下進行的實驗比較困難是風洞實驗的主要局限性所在。

20世紀70年代中期到80年代初期，由于增加LNG進口項目，美國海岸運輸局在新的規范要求下，建議使用高斯模型（MTB模型）來計算燃氣的擴散保護區域。在同一期間，阿肯色州大學開始研究燃氣濃度擴散（DEGADIS）模型，這個模型是用來描述密度比空氣大的燃氣泄漏事故發生時，大氣中的濃度擴散情況。DEGADIS是能夠預測可發生氣體溢出事故擴散距離的一個綜合擴散模型[3,4]。20世紀80年代，快速發展的計算流體力學（CFD）模擬方法對物理風洞模擬方法進行了評估，而近幾年里哈澤德化學研究中心針對高密度氣體擴散的研究中，也是主要使用CFD模型進行模擬實驗[5]。2001年，GTI-CHRC研究項目提交了核查FEM3A(CFD)的模型報告。FEM3A的預測表明，由于儲罐和防護堤的存在、燃氣和粗糙表面的分離以及它們的共同作用，燃氣的擴散明顯減少了。許多有關燃氣濃度領域的風洞實驗也證明了FEM3A預測的準確性。

2 LNG的物理性質及其危險特性

2.1 LNG的物理性質

LNG的定義: 液化天然氣是從氣田開采出來的天然氣或油田伴生氣，它經過脫水、脫酸性氣體和重烴類，然后是經過壓縮，膨脹，液化過程而成的低溫液體[6]。

LNG的物理性質：LNG是在常壓下冷卻到-162℃后形成的外觀如普通自來水的無色透明低溫液體，其體積約為同量氣態體積的 1/625。LNG具有熱值大和性能高等特點，這些性質使LNG不僅有利于遠距離的儲存和運輸，而且在儲存和運輸的過程中也大大降低了儲運的成本和空間。

LNG主要由高于75%的甲烷和少量的乙烷、丙烷、 氮氣等惰性氣體組成。LNG的燃點為650 ℃，比汽油高出230 ℃；LNG的爆炸極限為3.6%～17%，汽油的爆炸極限為 1%～5%；LNG比空氣輕，所以稍有泄漏就會立即飛散。

2.2 LNG潛在的危險特性

2.2.1 燃燒危險特性

LNG具有跟天然氣相同的易燃特性，并且其燃燒速度與天然氣相比更快（天然氣的燃燒速度大約是0.3 m/s）。LNG一旦發生泄漏，會立刻沸騰而氣化，在氣化的過程中會從地面、水泥構件、管道系統甚至是空氣等周圍環境中吸收大量的熱量，此時由液體揮發為氣體的LNG會迅速擴散。由于LNG的密度比空氣小，LNG從液態到氣態體積膨脹約為600倍[7]，而且它還具有復燃、復爆的特性。所以當泄漏的 LNG蒸氣與空氣的混合物達到爆炸的極限時，就會引起火災或爆炸等事故的發生。

2.2.2 低溫危險特性

LNG在常壓下的沸點大約是－162 ℃左右，其儲存、運輸、使用都是在低溫條件狀態下進行的。由于低溫的操作，有關金屬部件會出現明顯的收縮現象，尤其是閥門、管件、法蘭、焊縫、裂縫及密封等儲槽系統部件。在LNG的儲運過程中，由于長時間的振動，這些部件很容易出現泄漏擴散的狀況。

2.2.3 快速相態轉變危險特性

LNG與水接觸時，會出現快速相態轉變(RPT)現象[8,9]。發生此現象的過程是當兩種溫度相差懸殊的液體接觸時，冷液體的溫度上升的特別快，表面層的溫度超過液體中出現氣泡時的自發成核溫度，熱液體在很短的時間內會通過一個復雜的鏈式反應機制，以爆炸的速度產生大量蒸氣。這種現象就像是水落在一塊燒紅的鋼板上，使水立即蒸發的過程。RPT現象具有爆炸的特點，所以這種現象的產生會導致冷爆炸事故的發生。

3 LNG泄漏可造成的危險后果

在LNG貿易日益增長的趨勢下，其泄漏頻率隨著生產和儲運量的增加而增大。因此，人們應當充分重視LNG泄漏可能造成的危險后果。

3.1 火災及爆炸

當LNG蒸氣遇到明火點燃后，火焰會蔓延到氧氣所到達的地方。這時不但會產生大量的熱輻射，而且還很容易產生大面積火災。LNG的爆炸極限為3.6%～17%，當空氣中的濃度達到此范圍內，不但會引發爆炸，還易形成蒸氣云爆炸。火災及爆炸不但會使儲罐及其周圍的設施受到嚴重破壞，還會使人們的人身安全和財產受到威脅。

3.2 低溫損害

LNG的低溫特性使管道的材料和有關金屬部件產生脆性破裂和遇冷收縮，導致容易發生LNG的泄漏擴散。這不但會對LNG的管路和系統設備造成損壞，還會對人體造成低溫灼傷。如果沒能及時穩固這些收縮部件和封閉這些泄漏擴散的蒸氣，它就會逐漸上升并擴散至遠處，一旦遇到潛在的火源點火，就會造成非常嚴重的后果。

3.3 冷爆炸

泄漏的液化天然氣進入水中時，產生強烈的對流換熱，在一定范圍內，其蒸發速率保持不變。隨著LNG的流動，其泄漏的面積也在逐漸的增大，直到蒸發的氣體量與泄漏液體所能產生的氣體量相等為止。在一定條件下，當LNG泄漏遇到水時，由于與水之間非常高的熱傳遞速率而使 LNG的蒸發速度增大的非常快。此時就會發生快速相態轉變（RPT）的現象。此現象的發生會導致LNG加熱至沸騰，伴隨巨大聲音的同時噴出水霧[10]，繼而發生可帶來嚴重后果的LNG蒸氣爆炸事故。

3.4 使人窒息

雖然液化天然氣本身沒有毒，但它有含氧量低的性質。如果有人吸入了大量泄漏在空氣中的LNG蒸氣而沒有迅速脫離，就會很快失去知覺，幾分鐘就會死亡[11]。所以，LNG的泄漏會導致人們缺氧而窒息。

3.5 其他危害

甲烷是一種對大氣層的臭氧起重要作用的溫室效應氣體，具有破壞性的作用。據考證，甲烷使全球變暖的可能性是CO2氣體的22倍[12]。因此從環保的角度出發，我們也要預防控制LNG的泄漏。另外LNG的泄漏還會導致觸電及機械傷害等危險事故的發生。

4 安全技術措施

4.1 防泄漏可燃氣體探測系統

LNG的泄漏可以通過目測和大型可燃氣體探測器的方法來探測，比如紫外線、紅外線探測器、低溫檢測裝置、煙霧燃燒顯示器和LNG的壓力測試設備。使用探測器時，閉路電視系統可以監測到所有LNG設備的工作情況。一旦發生LNG氣化、外溢或泄漏等狀況，用目測的方法可以看到儲運裝置外表面產生云霧的形狀；用探測器的方法是使操作工人通過被激活的應急操作的提醒而及時采取適當控制措施的方法。

4.2 高倍泡沫控制蒸氣擴散系統

泡沫的膨脹率約為500∶1，在泄漏的LNG表面上覆蓋高倍泡沫，熱量的增加會導致LNG的氣化率增大，使氣化后的LNG蒸氣穿過泡沫后溫度升高而向上漂浮[13]。所以當LNG蒸氣遇到明火點燃后，迅速膨脹的泡沫可以減小擴散區域并有效阻止LNG的擴散速度，從而減少輻射能量、降低火災強度。

4.3 防過度振動裝置的系統

在儲運的過程中，儲存容器裝置會由于LNG槽車運輸時的路況、LNG船舶運輸時的天氣等影響因素出現一些難以避免的振動現象，這些振動很容易使LNG裝置中的部件產生泄漏擴散的現象。因此，在LNG的儲存和運輸過程中，應對設備裝置采取必要的防振動措施。

4.4 事故應急系統

LNG的設施應包括事故切斷系統(ESD)、緊急報警系統等事故應急系統，就是當存儲、裝卸或運輸的裝置發生泄漏或故障時，能夠切斷或關閉LNG、易燃氣液體的來源，迅速中斷或關閉導致事故發生的系統。此外，這些事故應急保護系統應具有一個故障安全設計，當正常的控制系統發生故障或事故時，安全設計會使事故產生的危害減小至最低。

5 結束語

從LNG的潛在危險特性及其發生泄漏所能帶來的危險后果來看，人們應該更加重視LNG的泄漏問題。LNG的泄漏研究，與LNG儲運的安全運行息息相關。我們必須要加強前沿的儲備技術研究，優化引進的技術與裝備，完善設備的管理運行機制。在存儲和運輸過程中，人們應該嚴格按照相關的規定執行操作，并由專人負責生產設備的維修保養工作和設備運行記錄工作。一旦發生LNG泄漏狀況，我們應該正確估判泄漏產生的原因，做出合適的安全技術措施，及時對其進行控制和處理。除此之外，我們還應該強化工作者的培訓教育、提高他們的安全意識，同時加強對設備的日常考核和安全性檢查。僅僅這些對確保LNG的安全性是遠遠不夠的，今后還應該對 LNG的儲運安全問題進行更深層次的研究，以促進我國液化天然氣行業的高速發展。

［1］顧安忠,等.液化天然氣技術[M].北京:機械工業出版社,2003.

［2］莊學強,廖海峰.液化天然氣泄漏擴散數值模型分析[J].集美大學學報(自然科學版),2011,16(4).292-296.

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［6］何茂全.液化天然氣儲運系統風險評價[D].上海:同濟大學,2007.

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［13］劉金良.液化天然氣儲運的安全技術與管理[J].河南化工,2010,27(10):6-9.

Discussion on the Leakage Problem of Liquefied Natural Gas

WANG Qiu-sha, WU Ming, GUAN Xue-yuan, LIU Jie, ZHANG Guo-jun, DU Yi-peng
(College of Petroleum Engineering, Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001, China)

With wide application of liquefied natural gas (LNG) in the world, the security issue has become the emphasis of research in its storage and transportation process. LNG leakage is one of important factors that can endanger its security. In this paper, experimental and theoretical studies of LNG leakage at abroad were described, physical properties of LNG were discussed as well as hazardous characteristics of its combustion, low-temperature and rapid-phase-transition; On the basis of these characteristics, harmful consequences caused by LNG leakage under certain conditions were discussed. Meanwhile, the safety technique measures which can prevent or reduce the harmful consequences caused by LNG leakage were put forward.

LNG leakage; LNG hazardous characteristics; Harmful consequences; Safety technique measures

TE 624

A

1671-0460（2012）09-0892-03

2012-06-18

王秋莎（1987-），女，遼寧盤錦人，碩士生，2010年畢業于遼寧石油化工大學儲運工程專業，研究方向：現從事油氣管道優化運行研究。E-mail：wangqiusha01@126.com。

指導教師：吳明（1961-），男，教授，博士，研究方向：主要從事原油管道優化運行和儲運過程系統節能技術研究。