LNG加注躉船消防安全技術研究

饒 慧， 張 暉

(中國船級社武漢規范研究所， 湖北 武漢 430022)

LNG加注躉船消防安全技術研究

饒 慧， 張 暉

(中國船級社武漢規范研究所， 湖北 武漢 430022)

液化天然氣(LNG)加注躉船是一種新型的LNG動力船燃料水上補給方案。加注躉船的火災以自救為主。為了對LNG加注躉船的火災風險進行控制，總結了LNG火災的特點及其對人員及船上結構和設備的危害，提出了圍堰、耐火結構、功能分區及水霧、水幕、高倍泡沫覆蓋保護等火災控制措施和熱輻射隔擋措施，給出了固定式化學干粉滅火系統、固定式甲板泡沫滅火系統、固定式二氧化碳滅火系統等的配備建議。

液化天然氣 加注躉船 火災 水幕 水霧

1 前言

LNG加注躉船，又稱為水上LNG加注站，是固定在水域中為LNG燃料動力船提供燃料加注服務的船舶。目前，全國首艘LNG加注躉船“海港星01號”已在南京八卦洲投入試運行，其標志著我國水上運輸開始進入了全新的“天然氣時代”。隨著內河大批船只“油改氣”改造工作的推動，水上LNG加注站作為配套基礎設施，其安全作業是保障實現LNG燃料水上加注的關鍵。

由于加注躉船在有限的空間內集聚了供人員生活、營業以及燃料儲存和作業的場所，其LNG儲存量大，系統復雜，作業操作比較頻繁，存在較大的火災危險性。一旦發生LNG火災和爆炸，可能造成嚴重的財產損失和人員傷亡，因此，在其營運過程中必須重點防范LNG的火災和爆炸。本文基于LNG火災的特點，分析了LNG火災的危害，提出了適用于LNG加注躉船的火災熱輻射隔絕措施，以及消防配備要求。

2 LNG加注躉船基本布置

LNG加注躉船上的設備主要包括儲罐、LNG泵、熱交換器、BOG罐和緩沖罐、加注臂或軟管、液相管、氣相管、低溫閥件及儀表等。基于作業便利等因素這些設備通常布置在干舷甲板以上，這就需要考慮氣體安全區域和氣體危險區域的相互關系。因此，船舶布置形式是否合理，對于消除或降低火災危險來說，顯得尤為重要。根據功能分區的思想，目前較為合理的船舶布置如圖1所示。

圖1 LNG加注躉船基本布置示意

儲罐、BOG罐和緩沖罐、LNG管路及LNG泵、熱交換器等配備設備布置在氣罐區，加注臂或軟管布置在作業加注區，船員生活起居的艙室，如臥室、廚房、會議室、衛生間、儲藏間等布置在生活區，此外甲板以下還布置有機艙、油艙(對油氣合建的加注躉船)等處所。

3 LNG火災的特點

LNG泄漏后，由液態轉為氣態，在空氣中形成蒸氣云。當蒸氣云團的體積分數在燃燒范圍之內(5%～15%)時，若遭遇點火源，將會發生蒸氣云火災(Vapor Fire)。如果在蒸氣云擴散直至遇到點火源的這段時間里，泄漏或溢出一直持續，那么蒸氣云火可能燒回液池，形成池火(Pool Fire)。如果蒸氣云的擴散受到限制，或者蒸氣云含有重烴化合物，那么火焰就會加速燃燒并引起爆炸。如果在發生泄漏或溢出時立即遇到點火源，則形成噴射火(Jet Fire)[1]。

4 LNG火災的危害

根據文獻[2]對LNG站場內LNG火災危險性的劃分，LNG火災危險性劃為甲A類，NG火災危險性為甲B類，火災危險等級較高。

由于LNG的泄露不易察覺，且是純氣體燃燒，幾乎不產生黑煙，因此火焰溫度高、熱輻射強度高，極易造成對人員的傷害和設備的損壞。表1和表2列出了LNG加注躉船周邊設施及內部相鄰設施可接受的熱輻射強度值[3-6]。LNG火災的波及范圍較廣，本文參照NFPA 59A標準并結合長江氣候條件選取相關參數，通過池火熱輻射計算模型對儲罐圍堰池火的波及范圍做了計算，得出了不同儲罐容積的加注躉船池火波及范圍，如表3所示。

表1 LNG加注躉船周邊設施允許的熱輻射值

表2 LNG加注躉船內部相鄰設施允許的熱輻射值

表3 實體火焰模型計算結果

躉船火災的撲救比陸上火災難度更大。因為躉船受空間布置的約束，自身消防力量比較單薄，遇險時難于疏散，也難以及時得到有力的外援。一旦發生LNG火災或爆炸，如果沒有得到有效的控制，后果將不堪設想。尤其是對于加油加氣合建的加注躉船，由于燃油(閃點大于60°)著火溫度較低，當發生LNG火災時，高溫極易通過甲板傳遞到油艙區帶來引燃油類的風險，強烈的火焰熱輻射也可能點燃油艙區上方的油蒸氣，造成次生災害。此外，船舶火災對周邊建筑也有一定影響，如碼頭、橋梁、大壩、船閘、航道等。

5 LNG火災的控制和熱輻射隔擋措施

為了在一定時間內遏止火災的蔓延，防止次生災害的產生，使人員能安全撤離，LNG加注躉船需采取相應的熱輻射隔絕或減弱措施。具體包括以下幾個方面。

(1) 圍堰攔蓄。對于僅內罐為不銹鋼材料且液面以下有出液口的儲罐，發生低溫液體泄漏事故的概率要高于雙層不銹鋼罐，而LNG泄漏是引發火災和爆炸的根源。此外，泄漏的低溫液體還可能造成船體鋼結構的脆性斷裂，為了證明普通碳鋼在深冷環境下無沖擊韌性，本文依托國家海事局和國家能源局聯合專項課題“LNG燃料動力船舶應用安全性研究”進行了試驗驗證，試驗表明在-196℃下的普通碳鋼其沖擊韌性僅有2J。因此，加注躉船應有針對LNG泄漏的防護措施。鑒于圍堰對池火的限制作用，對于上述安全性較低的儲罐，應在儲罐下方設置圍堰，并在其它可能產生泄漏風險的位置下方設置集液盤，將泄漏的可燃液體圍堵，以免四處流淌，擴大火災面積，增加熱輻射的波及距離。

(2) 耐火結構。[7]鋼本身不燃燒，也具有較好的耐熱性，但不耐高溫，隨著溫度的升高，其強度下降，同時變形增大。當發生火災且溫度達到450℃～650℃時，鋼結構就會失去承載能力，發生很大的形變，甚至垮塌。實驗室數據表明，一般不加保護的鋼結構其耐火極限為15～20 min左右。因此，應盡可能提高LNG加注躉船上關鍵處所鋼質材料的耐火性能，如采用隔熱材料等措施，在更長時間內將火災限制在局部范圍內，減小對相鄰處所和區域的熱輻射影響。

(3) 功能分區。如若發生火災，應考慮將火災可能波及的范圍控制在最小范圍內。在船舶布置上首先對干舷甲板上的區域進行合理劃分(見圖1)，將不同功能的區域分開設置，如儲罐區、油艙區、卸車區、生活區和人員安全通道等，盡量保持各區的獨立性，減少任何一處發生火災危險可能對其他區域造成的影響；設計中盡可能減小危險區域的面積，將涉及可燃氣體所在的危險區域盡量集中，例如在滿足安全的前提下將圍堰面積做小。

(4) 水霧保護及水幕隔斷。水霧系統不具備直接撲滅LNG火災的能力，但可用于防火、冷卻和船員防護。圖2所示為水霧保護系統對裸露的儲罐表面進行冷卻和防護。水霧汽化后，在可燃物周圍迅速將氧氣稀釋減少，起到窒息滅火作用，還可以有效減少輻射熱，防止火災蔓延擴大。

圖2 水霧系統保護

水幕系統用于防火隔斷、防火分區以及局部降溫保護等。在LNG加注設備前沿設置水幕系統，當發生火災時，啟動水幕系統隔斷加注作業區和其他區域，降低熱輻射影響。圖3為國外做的LNG火災試驗[8]，試驗結果表明：水幕未開啟時，火焰熱輻射通量值逐漸升高；當水幕開啟進行隔斷后，熱輻射值迅速降低約三分之一；關閉水幕后，熱輻射值又迅速回升。

圖3 熱輻射隔絕效果試驗

(5) 高倍數泡沫覆蓋保護。LNG泄漏到圍堰或集液池后(未點燃)，可采用高倍數泡沫滅火劑來覆蓋溢出的LNG液體，減少空氣與LNG的接觸面積。由于熱量增加，LNG氣化后穿過泡沫，溫度升高，向上飄浮，而不會沿著地面擴散，從而大大減少擴散區。如果是將泡沫覆蓋在燃燒的LNG池上，就會降低氣化率，從而減小火勢，熱輻射量也就會隨火勢的減小而減少[9]。

6 LNG標準消防要求分析

LNG加注躉船是一種全新設施，在標準制定方面尚無先例可循。在使用經驗尚缺乏的情況下，對其消防要求的制定，除了綜合參考LNG燃料動力船和LNG運輸船的相關船級社規范外，其安全理念還需借鑒陸上LNG站場及加氣站的相關消防要求。

根據LNG燃料動力船和LNG運輸船消防的配備要求[10-17]，得到以下結論：

(1) 水滅火系統是LNG船舶的基本消防配備，消防水及水霧對LNG火災的撲救起著至關重要的輔助作用；

(2) 發生LNG火災時，采用固定式干粉滅火系統進行滅火，同時啟動水霧系統進行保護。

LNG陸用標準[3,5,18-20]主要針對陸上LNG站場或LNG加氣站，分析其消防要求得出以下幾點結論：

(1) LNG站場需有足夠的水源來降溫和冷卻，降低熱輻射從而減少火災風險和設備損失。

(2) LNG泄漏到圍堰或集液池后，可采用高倍數泡沫滅火劑來覆蓋溢出的LNG液體，減少空氣與LNG的接觸面積，防止逃逸的LNG遭遇明火而引發火災。

(3) 發生LNG火災時，宜采用干粉滅火劑對其進行撲滅，并根據可能的火災規模，選用干粉滅火器或固定式干粉滅火系統，前者用于及時撲滅小火災和初期火災，后者用于撲滅大范圍的LNG火災。

7 LNG加注躉船消防布置及配備

LNG加注躉船的消防布置及配備要求，除了沿襲傳統的船舶消防體系外，還應吸收上述LNG陸上站的消防理念，結合船舶布置特點、燃料存儲類型、火災危險性及經濟成本等因素綜合考慮。

7.1 結構防火

LNG加注躉船內部需采用耐火結構加以分隔，尤其是經常有人員工作和出入的生活區，其面向氣罐區的艙壁應具有一定的耐火強度。在船舶上，這種情況下一般采用“A-60”級防火分隔。而且艙壁內部還要限制可燃材料的使用，如天花板、襯板、襯檔、風擋、油漆、表面涂料、甲板基層敷料、隔熱材料等所使用的材料，應能起到預防失火或阻火的作用。

此外，考慮到LNG火災熱輻射波及范圍較大，建議生活區與氣罐區、卸車區之間要有一定的安全距離。對于加油加氣合建的加注躉船，油艙不能布置在氣罐區下方，與氣罐區相鄰時，應采用隔離空艙進行隔離。

7.2 滅火劑的選用

LNG加注躉船上可能存在的火災類型包括固體火災、電氣火災、油類火災及氣體火災。實踐證明，各類火災最為有效的滅火方式如下表4所示。

表4 滅火方式的選用

但值得注意的是，水不能用于油類及電氣設備的滅火，也不能直接噴到LNG火焰上，但可以以水霧形式噴到天然氣蒸氣中，縮小蒸氣云團，控制沒有氣體的火焰，冷卻附近設備。

7.3 滅火系統及消防用品的配備

除了根據不同類型的火災選用正確的滅火劑，還應結合區域面積、系統規模，來配備相應的滅火系統和消防用品。針對目前LNG加注躉船的布置型式，除了設置船舶基本的水消防系統外，建議還配備如下消防設備。

(1) 固定式化學干粉滅火系統。目前化學干粉一般用于液化氣體船舶貨物區域的滅火。儲罐是LNG加注躉船上儲存LNG量最大的設備，是加注躉船的特級危險源，因此需設置固定式化學干粉滅火系統。化學干粉滅火劑應用在火的根源，絕不能直接噴到火焰上。

(2) 固定式甲板泡沫滅火系統。目前2 000 t及以上的內河油船(閃點大于60℃)的貨油艙區域配備了固定式甲板泡沫滅火系統。考慮到加油加氣合建的加注設施上載油量最大可達700 m3，且儲存了大量的LNG，一旦燃油發生火災事故時，為了及時有效的控制災害，避免危及氣罐區而釀成更大的事故，載油量較大的加注躉船應配置固定式甲板泡沫滅火系統。

(3) 固定式二氧化碳滅火系統。考慮到加注躉船上可能存在具有火災危險的其他處所，如設有發動機的機器處所、氣體壓縮機室等，那么應設置固定式二氧化碳滅火系統予以保護。當被保護處所失火時，啟動施放裝置將二氧化碳施放到被保護的處所。二氧化碳對人員有窒息作用，施放二氧化碳時，必須確認該處所沒有人員存在，對任何經常有人員在內工作或出入的處所，應設有施放二氧化碳滅火劑的自動聲響報警裝置，以便工作人員迅速撤離。

(4) 其他消防用品。此外，氣罐區還需設置一定數量的干粉滅火器，油艙區則設置一定數量的泡沫滅火器，作為固定滅火系統的補充。對于機艙、廚房等具有較高失火危險的處所，需設置手提式滅火器或手提式泡沫槍等滅火器材，其他位置則根據需要設置氣體滅火器、消防水桶、砂箱等，以便工作人員及時撲滅身邊的初起火災。

7.4 滅火設備的使用

LNG火災不同于一般火災，需遵循一定的原則并正確地使用滅火設備，否則再完備再先進的消防設備都形同虛設，不僅不能有效滅火，甚至還會釀成更大的災害。

LNG火災的撲救原則是：首先切斷泄漏源，然后控制可燃物，再撲滅火源。不能像撲滅其他火災那樣直接撲滅火源，而是先要切斷泄漏源，否則燃燒會一直進行，直至所有的液體消耗殆盡。當發生LNG火災時，滅火設備的使用如下：

(1) 當火災是由氣體發生泄漏而引發時，火災形態為噴射火。應迅速關閉漏氣管段兩端閥門，切斷氣源；同時啟動水霧系統和水幕系統，對氣罐和周圍設備進行冷卻和隔離，并使用化學干粉滅火系統進行撲救。

(2) 當火災是由LNG泄漏引發時，火災形態為LNG池火。應迅速切斷氣罐主閥，阻止可燃液體的持續泄漏；同時啟動水霧系統和水幕系統，對氣罐和周圍設備進行冷卻和隔離，并采用干粉為主、泡沫為輔的方法進行撲救。在不適宜撲滅火災的情況下，使LNG安全氣化燃燒。同時保證火場內水源充足，不間斷供水進行冷卻防護。

8 結束語

本文得出的主要結論有：

(1) LNG加注躉船空間有限，船舶火災的撲救比陸上火災難度大，且火災時，人員難于疏散，所以要對其火災的控制給予更高的關注；

(2) 提出了使用圍堰、耐火結構、功能分區及水霧、水幕、高倍泡沫覆蓋保護等火災控制措施和熱輻射隔擋措施來控制LNG火災的危害；

(3) 建議根據不同分區的可燃物類型及可能存在的火災類型，配備固定式化學干粉、固定式甲板泡沫、固定式二氧化碳等滅火系統來達到滅火的目的。

[ 1 ] RAJ P K. LNG Fires: A Review of Experimental Results, Models and Hazard Prediction Challenges [J]. Journal of Hazardous Materials, 2007，140:444-464.

[ 2 ] GB 50183-2004.石油天然氣工程設計防火規范[S].2005.

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[20] GB 50183-2004.石油天然氣工程設計防火規范[S].2004.

Technology Research on Fire Safety of LNG Bunkering Pontoon

RAO Hui, ZHANG Hui

(Wuhan Rules and Research Institute of China Classification Society,Wuhan Hubei 430022, China)

Liquefied Natural Gas (LNG) Bunkering Pontoon is a new-type afloat refuel scheme for ships using LNG as fuel. The fire hazard of the bunkering pontoon is controlled mainly by itself. In order to control the fire risk of LNG Bunkering Pontoon, the features of LNG fire and its harm to personnel as well as the hull structure and equipment were summaried, and some measures of fire control and thermal radiation screening were proposed, such as coffer, fire-resisting construction, function partition and the protection of the water mist, water curtain, high foam. Finally the suggestion of equipping with fixed chemical powder extinguishing system, fixed deck foam extinguishing system, and fixed carbon dioxide extinguishing system was given.

LNG Bunkering Pontoon Fire Water curtain Water mist

饒 慧(1984-)，女，工程師。

U674

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