LNG加注站危險因素解析

元少平（中海石油氣電集團有限責任公司 北京 100027）

LNG（液化天然氣）是一種以液態形式儲存的無色烴類混合物流體，其主要成分除甲烷外，還含有少量的乙烷、丙烷、氮及普遍存在于天然氣中的其他組分。由于其清潔、高效的特點，在世界范圍內獲得了廣泛的應用[1]，作為車用燃料，相對汽柴油具有明顯的價格優勢，更因其顯著的節能減排效果而被冠以綠色環保燃料的稱號。發展低碳經濟需要低碳能源的支撐，在我國能源結構調整的過程中，加快LNG的開發和利用是重要舉措之一[2]。而作為LNG的主要利用形式，汽車LNG加注站發揮著重要作用。但與國外相比，我國目前LNG加注站的建設還處在初始階段，在安全管理方面常常是只重補救而輕預防。由于LNG具有易燃易爆和低溫深冷的特性，同時加注作業環境相對復雜，致使LNG加注站的安全問題不容忽視[3-4]。要做好LNG加注站的安全管理工作，首先要對危害因素進行充分辨識，以根據識別出的危害制定相關的制度、程序加以有效控制，從而保證加注站的運營安全。

一、LNG加注站工藝流程簡述

LNG加注站一般由LNG儲罐、LNG加氣機、卸車（儲罐）高壓氣化器、EAG復熱器、LNG潛液泵以及工藝管道系統、站控系統、安監系統等組成[5-6]，具備LNG卸車、計量、加注、安全故障監控及報警等功能。通常情況下，LNG由專用運輸槽車運送至加注站場地，在卸車臺通過槽車自帶的增壓氣化器和潛液泵在壓差作用下卸入到站內低溫儲罐儲存。當需要對外加注時，再由潛液泵將LNG送入加注機，通過LNG加注槍（一種LNG加注時的快速接頭）將LNG注入至車載儲瓶中。產生的BOG（Boil Off Gas）加熱氣化到常溫后，經加臭、調壓后進行儲存以供服務區使用。EAG復熱器對EAG（Escape Air Gas）進行加熱后通過放散管直接排到大氣中。其工藝流程可以分為待機流程和加注流程兩種。

1.加注站待機流程

在待機流程下，各系統閥門按設計要求處于關閉或者開啟狀態，以保證儲罐內的低溫液體不流入泵池。此時，若系統漏熱帶進外界熱量會導致LNG的氣化，進而致使整個系統壓力升高，當系統壓力高至超過預先設定值時，系統卸壓氣動閥會自動打開（或采取手動開啟旁通閥的方式），釋放系統中的氣體以降低壓力，從而保證系統安全。

2.LNG加注流程

在加注流程下，LNG儲罐中的飽和液體經過泵加壓后通過計量系統由加注機加入LNG汽車。車載儲氣瓶一般為上進液噴淋式，車載氣瓶內氣體的熱量被加注進入的液化天然氣直接吸收，使瓶內壓力降低，減少放空氣體，以提高加氣速度。

二、危險因素及措施分析

1.介質的危險性分析

（1）火災、爆炸特性

LNG是一種液態烴類混合物，其主要成分為CH4，在一個標準大氣壓下沸點-161.5℃左右，密度通常介于420～470 kg/m3之間[7]。其主要危險性在于氣化的LNG比空氣密度低，一旦發生泄漏，由于與空氣大量的熱量傳遞，會生成比空氣較輕的白色蒸氣云，并在空氣中快速擴散，遇明火會引著點燃，甚至引發爆炸，其爆炸極限濃度為5%～15%（體積百分比）。在物料的輸送保存過程中，如果不小心產生大量靜電或者受到猛烈撞擊都可能引發火災和爆炸。對于泄漏量大且來不及氣化LNG，可通過集液池進行收集，并用干粉滅火器充分噴灑液體表面，將其與空氣隔絕以降低氣化速度。

此外，LNG還能與氟、氯等發生劇烈的化學反應，水與LNG之間也有非常之高的熱傳遞速率，泄露的LNG遇水后會發生快速的相態轉變，表現為激烈地沸騰并伴隨巨大的聲響噴出水霧，發生LNG蒸氣爆炸即所謂的冷爆炸。

（2）低溫特性

由于LNG是-162℃的深冷液體，在標準大氣壓下具有極低的溫度，人體皮膚與低溫物體表面直接接觸時，皮膚表面的潮氣會凝結并粘在低溫物體的表面。LNG在發生泄漏后的初始階段會吸收周圍空氣及地面熱量并迅速氣化[8]。經過一定的時間后，不僅地面被凍結，周圍的空氣在無對流的情況下其溫度也會迅速下降，此時氣化速度會大幅減慢，可能導致部分液體來不及氣化而被防護堤攔蓄。LNG泄漏后氣化的冷蒸氣云以及未能氣化的液體，都會對人體產生凍傷、低溫灼燒等嚴重傷害。同時，人體在沒有采取任何防護措施情況下，長時間暴露于10℃以下的環境溫度中時，還會發生低溫麻醉的危險，隨著體溫下降，人體生理功能和智力活動均會下降，嚴重時心臟功能出現衰竭，甚至死亡。

除了對人體的危害性以外，LNG泄漏產生的冷蒸氣云和液體，還會使與其接觸的部分材料變脆、易碎，產生脆性斷裂或者遇冷收縮，從而對加注機、加注車、儲罐、LNG高壓柱塞泵、潛液泵等加注設備造成損壞。特別針對LNG儲罐和LNG槽車儲罐，可能引起外筒脆裂或變形，導致真空失效和保冷性能降低，進而引起內筒液體膨脹造成更大事故。

（3）窒息性

天然氣按照職業危害程度劃分，屬于五級低毒職業危害，一般條件下對人體毒性極低，但長期暴露于LNG環境，人體會產生頭暈、頭痛、失眠、記憶減退和食欲不振等神經衰弱性癥狀。LNG對人體健康的主要危害性在于其極低的含氧量易引發人體窒息。一旦人體吸入純凈LNG蒸氣而不迅速脫離或者采取其他相應措施，很快會失去知覺，若非及時脫離，甚至幾分鐘內就可能使人死亡。表1為按照含氧量劃分的人體產生窒息的四種不同程度類型。

表1 LNG引發的人體窒息類型

2.裝置的危險性分析

（1）LNG 儲罐

由于LNG具有易燃易爆的特性，LNG儲罐具有較大的危險性，儲罐基礎沉降的不均勻下沉會對罐體穩定性產生嚴重影響，罐體的變形、腐蝕穿孔及焊縫開裂均會使真空性受到破壞，絕熱性能降低，導致儲存的低溫深冷液化氣體因受熱而氣化，進而引發儲罐內壓力劇增而破裂，產生大量LNG泄漏。其最易發生泄漏的部位在于儲罐進出液管道或內罐。對于前者，一般的預防措施是在儲罐頂部安裝安全放散閥，當儲罐壓力升高至一定值時，安全放散閥便自動開啟，通過集中放散管釋放壓力。對于內罐泄漏，可通過爆破片進行安全防護，一旦發生泄漏，爆破片開啟，從而降低內外壓力，避免引發儲罐爆裂等更為嚴重的事故發生。此外還需要定期的檢查罐體的防雷、防靜電設備以及給類閥門開關的有效性以防止引發火災爆炸危險。對于生產過程中可能發生的儲罐液位超限而引發液體溢出，可設置儲罐液位檢測傳送及報警系統，通過與儲罐進出液氣動閥聯鎖，避免此類事故的發生。

（2）LNG 槽車

LNG槽車容積一般在42m3以上，由內、外殼組成，通過抽真空進行絕熱保冷。槽車上裝有低溫儲罐，其危險性與LNG儲罐相同，主要依靠規范的人為操作和嚴格的管理制度進行控制。槽車一般采用了密閉卸液工藝，但在操作中還應盡量做到卸車時間短（卸車時間控制在2小時左右），次數少（每天最多卸車一次），并選擇人流量較少的時段卸車，卸車時操作人員應在現場進行管理，若發生意外泄漏，應立即停泵以減少事故的進一步擴大。

（3）低溫泵

各類低溫泵是LNG加注系統不可或缺的組成部分，輸送的介質均是易燃易爆的物料，其最大的危險性在于密封失效而引發危險物質的大量泄露，并與空氣混合形成于爆炸極限范圍內，遇火源發生爆炸事故。對于泄漏量很小的情況，一般可以通過關閉LNG槽車液相閥門或者儲罐閥門來進行控制。除了因密封問題引發的泄露外，機泵在工作中會不可避免的產生振動，使與其相連的管道出現一定的應力拉伸和疲勞損壞，或因振動引起相應零部件的疲勞老損，最終均會導致管線或零部件失效而至物料泄露產生火災爆炸。

（4）卸車軟管

卸液操作中與槽車相連的接口軟管，也是安全管理中應予以關注的對象。由于軟管易老化，在接口處因長期磨損可能導致密封不嚴，甚至因卸氣時受到劇烈震動而發生爆裂。這些都會產生LNG泄露，對泄漏量不大的情況，可通過關閉LNG槽車出液口或停止潛液泵進行控制。

（5）LNG 加注機

LNG加注機用于直接給汽車加氣，其接口采用軟管連接。因軟管發生的泄露同以上對卸車軟管的分析類似，泄漏發生后采取及時停泵、關閉儲罐出液口或儲氣瓶出氣口等措施可有效控制泄漏量。除此之外，加注機受到外力撞擊或因作業人員操作不當導致加注機憋壓，或者設備超期服役以及在受到嚴重腐燭等情況下都會發生不同程度的泄漏，為事故埋下極大的安全隱患，同樣應對這些方面予以適當關注。

3.管道系統的危險性分析

（1）保冷失效

LNG液相管道輸送的介質屬于低溫深冷流體，在管道設計時就考慮了溫度變化及大溫差對材料性能的要求，采用真空絕熱設計，其保溫材料具有良好的防水、隔熱和阻燃功能。但因真空度受到破壞等原因導致管道絕熱性能下降時，管內介質受熱會致使液相管道內壓急劇增高[9]，使發生泄露或爆炸的危險性大大增加。此時通過開啟管線安全閥以防止管道超壓造成事故，并需要注意對放散氣體進行集中放散處理。此外，生產過程中在每次開車前也需要對工藝管道進行預冷，若不按要求進行操作或操作不當，可能導致管道連接部位發生冷收縮和脆性斷裂，進而引發泄漏，造成人員火災爆炸和人員傷亡事故。

（2）液擊現象

LNG的管路是帶壓輸送，由于加注車輛的隨機性，輸送管路中的裝置經常反復開停，致使液相管道內的液體流速發生頻繁而劇烈的變化，速度的變化引起液體動量的變化，反映為管道內壓力的大幅度波動，同時伴有液體錘擊的聲音，即液擊現象（或稱“水錘”或“水擊”）。液擊一般會造成管道系統強烈的振動，其對管道產生的影響不容忽視。突然升壓，嚴重時可使管道爆裂；急劇降壓，造成管道內負壓，易引發使管子失穩和產生振動。除了在設計和安裝上的安全考慮，控制裝置啟停的速度是避免嚴重液擊的有效措施之一。

（3）BOG 及“間歇泉”現象

與LNG儲罐相連接的液相管道線一般較長，在管路閥門等處會不可避免的產生漏冷，使得管內液體受熱而產生閃蒸氣即BOG氣體[10]（其自然蒸發量一般在每天2‰左右）。隨著受熱不斷增加，當管內的閃蒸氣體量不斷增大，聚集到一定壓力足以克服儲罐中的靜壓而上升至儲罐液面時，氣體會突然噴發，并將管路中的液體同時推向儲罐內，導致管道內一定空間液體被排空，罐內液體又迅速補充至管內，以此為一個周期重新開始BOG的聚集過程，一段時間后再次形成噴發，在整個循環過程中，同時伴隨著管道中的液體、氣體和儲罐中的液體充分的熱交換，這種間歇性的噴發現象稱為“間歇泉”現象。這種現象會導致儲罐內壓力的驟然上升，主要依靠儲罐安全閥開啟進行放散。為及時消除這種隱患，就需要對產生的BOG進行及時排除，現場一般通過設置降壓調節閥進行控制，根據儲罐或管道內壓力，自動排除產生的BOG以維持其內部壓力在安全許可范圍內。

（4）兩相流影響

如前所述，在LNG的輸送管路中，由于管道的漏冷吸熱、泵內加壓以及內部介質流動產生的磨擦等因素影響，會有部分液體氣化，氣化后生成的氣體在管道中很容易形成“長泡帶”；當氣體流速繼續增大時，氣泡隨之增大，直至充滿整個管徑，此時氣液兩相流體在管道中串聯排列形成所謂“液節流”。同時，未氣化的液體受熱后也會發生體積膨脹，這種介質流動過程中發生相變的兩相流和由此產生的各種流型會使管內壓力增加，并激發管道振動，易引發管道疲勞失效，對管道輸送安全產生很大影響。

4.人員及環境因素的危險性分析

保證LNG加注站的安全運行，人的因素始終處于核心地位，根據國內外的相關事故統計，石油石化行業的很多事故均是由于操作人員的安全環保意識差、責任感不強、違章作業等引起的，和人員作業有關的影響因素包括環境和管理兩個方面。

環境因素包括自然環境、社會環境和工作環境。對于自然環境應重點考慮的是氣候災害、地質災害、火災和環境污染等方面；社會環境危害主要表現為第三方破壞、違章占壓和惡意破壞；工作環境則主要體現在對加注戰場內環境衛生的要求，如站內地面、值班室、控制室等室外室內應該保持干凈清潔，達到窗明地凈，無積水和廢物雜草，并明禁煙火（如煙頭、靜電等）。

操作人員的安全行為在LNG加注站的安全管理中起著至關重要的作用，在LNG戰場的生產處理過程中，觸發生產工藝、設備潛在危險、有害事故的重要因素常常是人員的違規操作。例如由于安全閥門的不當操作造成相關裝置和設備超壓；進行卸車作業時沒有將車輛用接地線接地而產生靜電危害；對汽車加注前未對汽車媳火而致汽車突然啟動造成加氣槍拉斷引發事故；汽車加注完畢后，在未對加氣槍排空情況下就將其強行拔掉引發槍頭反彈而傷害臨近人員等事故。針對人員的安全行為管理，首先應建立健全完善的安全規章制度，給出合適的操作示范規程，并根據各LNG加注站的實際情況，每年制定有針對性的檢修和保養計劃，并將安全管理責任制度落實到位，保證各級管理人員和作業人員嚴格執行，使站場的安全管理和操作有章可循、有規可依。同時注重加強對各級管理人員和技術人員的業務技能和安全培訓，并按要求開展事故應急演練工作。以此才能從人員的思想意識、技術以及生理和心理等各方面樹立起堅實的安全關口，從根本上杜絕人為因素所導致的各類傷害事故。

結束語

LNG加注站的危險因素來自于介質、裝置、工藝管線、人員及環境因素四個方面。對于設備設施及物料介質的危險性，在設計上可能已經進行了相應考慮，如采用安全閥泄壓、液位檢測傳送及報警系統等，但要從根本上杜絕事故的發生還有賴于良好的安全管理和人為操作。國內外大部分的加注站事故均源于人員的違規行為，現場操作安全來源于每一個細節、每一個動作的精準到位，以及每一位員工的細心參與。通過對加注站的危險因素辨識，有助于認清每個環節的事故風險，使現場安全管理有的放矢，保證安全作業，提升企業安全管理水平。

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