LNG 卸料臂泄漏危害分析及現場處置方案

陳林斌 水明星 葉耀輝

中石油京唐液化天然氣有限公司， 北京 101100

0 前言

近年來，隨著中國對天然氣需求的不斷增加，通過LNG 接收站氣化產生天然氣成為緩解天然氣供需矛盾的手段之一。進口LNG 通過LNG 船運抵中國沿海接收站，通過卸料臂將船上LNG 卸至大型低溫儲罐，然后通過氣化裝置將其氣化后輸送至下游用戶。但在接卸過程中，有可能發生LNG 卸料臂泄漏。由于LNG 特殊的物理性質，泄漏的LNG 危害性大，而且泄漏會嚴重影響卸船過程，如果LNG 船滯留或緊急離港，將造成巨大的經濟損失。因此LNG 卸料臂發生泄漏事故時如何迅速采取有效的現場處置措施十分重要。

1 LNG 物理性質

LNG 主要成分是CH4。LNG 無色、無味、無毒、無腐蝕性，其體積約為同量氣態天然氣體積的1 /600;標準狀況下LNG 密度0.432 ～0.465 g /cm3，約為水的45;熱值為52 MMBtu /t，介質溫度-162 ℃;在大氣中迅速氣化，爆炸極限為5～15(φ);比空氣輕，幾乎不溶于水，溶于乙醇、乙醚等有機溶劑。

2 LNG 卸料臂泄漏的危害

2.1 揮發性

LNG 泄漏后，在大氣中揮發，迅速膨脹擴散形成氣云團;當天然氣在空氣中的體積大于40時，人一旦吸入過量的天然氣，極易窒息;如果不小心吸入低溫天然氣，則會引起呼吸不暢，長時間吸入會導致嚴重疾病;當空氣中氧含量低于18或天然氣的體積超過50時，就會造成永久性傷害［1］，如氧氣濃度過低會造成腦細胞變性壞死。

2.2 低溫性

人一旦接觸到LNG，皮膚會被低溫凍傷;若皮膚表面潮濕，所揮發的氣體極易附著在皮膚表面，導致皮膚撕裂;低溫LNG 會對鋼結構、設備等造成嚴重破壞，如低溫脆斷［1］。

2.3 易燃易爆性

LNG 泄漏后形成的蒸氣云團與空氣混合，形成爆炸性混合物。而CH4的爆炸極限為5～15(φ)，一旦混合物中CH4的濃度在爆炸極限范圍內，爆炸壓力達到0.68 MPa，就有爆炸的危險。燃燒后，火焰溫度高，輻射熱強，將形成大面積火災［2］。

3 LNG 卸料臂泄漏過程模擬計算

一般情況下，可以根據泄漏面積大小和泄漏持續時間長短，將LNG 泄漏源分為小孔泄漏和大面積泄漏。小孔泄漏，也稱為連續源，此種情況通常為物料經較小的孔洞長時間持續泄漏。大面積泄漏，也稱為瞬時源，此種情況通常是指物料經較大孔洞在很短時間內泄漏出大量物料。泄漏模型分為連續泄漏和瞬間泄漏兩種，它們都是實際泄漏源的理想化。

以小孔泄漏為例，模擬LNG 泄漏后的泄漏速率可用伯努利方程［3］計算，對于卸料管道系統，泄漏速率主要取決于管道內LNG 壓力和大氣壓力之差:

式中:qL為液體泄漏質量速率，kg /s;C0為泄漏系數，0.64;A 為泄漏口面積，m2;PL為管線中LNG 壓力，MPa;Pa為大氣壓力，0.101 MPa;h 為液面與泄漏口的高度差，在管道中高度差可忽略不計，m;ρL為液體密度，450 kg /m3。

通過式(1)可計算出卸料臂開始泄漏到切斷泄漏源這段時間內(假設180 s)總LNG 泄漏量，為采取應急處置方案提供參考數據。假設是圓孔泄漏，以泄漏孔徑20、40、80 mm 為例，計算泄漏量，見表1。

表1 泄漏孔徑與泄漏量之間的關系

從表1 可知，在180 s 內，泄漏量會達到324.3 kg，此時，為防止人員傷亡，人員必須撤離，在中控室通過消防控制系統遠程操作消防設施進行處理，待泄漏源切斷、現場LNG 大量揮發后，人員方可進入現場進行處置。因此發生泄漏后初步判斷泄漏孔徑和泄漏量，根據實際情況制定應急處置方案。

4 LNG 蒸發氣擴散

4.1 LNG 泄漏到地面

LNG 泄漏到地面，最初會猛烈沸騰蒸發，然后蒸發速度迅速衰減至一個固定值，蒸發氣沿地面形成層流，從周圍環境中吸收熱量，逐漸上升擴散，同時將周圍的空氣冷卻至0 ℃以下，形成一個可見云團，即重氣云團。重氣云團比空氣重，會下沉到地面上，直到溫度達到-107 ℃才上升漂浮，開始垂直擴散［2］。與此同時，氣云團沿著水平方向繼續擴散，擴散的距離與初始溢出數量、持續時間、風速、風向、地形以及大氣溫度和濕度有關。

4.2 LNG 泄漏到水面

在一定條件下，當LNG 泄漏遇到水時，因其與水有非常高的熱傳遞速率，使LNG 的蒸發速度增大得很快，而發生快速相態轉變(RPT)現象，導致LNG 加熱至沸騰，伴隨巨大聲音噴出水霧，繼而發生爆炸事故［4］。

當溫度相差懸殊的兩種液體接觸時，若熱液體溫度比冷液體沸點溫度高1.1 倍，則冷液體溫度上升極快，表面層溫度超過自發成核溫度(當液體中出現氣泡時)。此過程熱液體能在極短時間內通過復雜的鏈式反應機理以爆炸速度產生大量蒸發氣，該現象類似水落在燒紅的鋼板上立即蒸發，這就是LNG 與水接觸時出現RPT 現象的原因［5］。

5 卸船工藝流程及卸料臂結構

5.1 卸船工藝流程

LNG 船到達接收站碼頭，在完成各項卸船準備工作后，卸料臂與船連接，在對卸料臂吹掃預冷后開始卸船。船上開啟卸料泵，LNG 通過卸料臂(LNG 接收站一般配備4 ～5 臺卸料臂，其中1 臺是氣相臂，1 臺是氣液兩用臂)進入接收站區域，經卸料總管進入LNG 儲罐儲存。同時，儲罐中產生的BOG(Boil-Off Gas)，通過氣相臂返回至船艙，保證船艙和儲罐之間的壓力平衡。卸船完成后，將卸料臂中剩余的LNG 通過N2吹掃至碼頭排凈罐和LNG 船。卸船工藝流程見圖1。

圖1 卸船工藝流程

在卸料過程中，卸料臂旋轉接頭處有填料密封，LNG在此處泄漏的可能性不大。最容易發生泄漏的地方是卸料臂與船的連接處，其次是卸料臂根部與下游工藝管道的連接處(圖1 紅圈處)。

5.2 卸料臂結構

卸料臂主要結構包括內臂、外臂、配重、旋轉接頭(STYLE 80、STYLE 50、STYLE 40)、ERS(緊急脫離系統)、QCDC(快速連接裝置)以及控制系統，見圖2。

發生緊急情況時，如泄漏或位移超限時卸料臂有一套應急ERS 系統，ERS 系統由執行機構(液壓蓄能器、選擇閥組、雙球閥、PERC(動力緊急脫離系統)等)、信號采集機構(接近開關、PMS 傳感器、手動按鈕等)及負責邏輯計算的PLC 控制機構三部分構成。ERS 系統組成結構見圖3。

圖2 卸料臂結構

圖3 ERS 系統組成結構

6 LNG 卸料臂泄漏處置方案

通過對LNG 泄漏量的計算，在切斷泄漏源之前判斷泄漏是否在可控范圍內。若泄漏量過大(＞300 kg)，立刻切斷泄漏源，現場人員迅速撤離，等泄漏的LNG 揮發到一定程度后，應急人員在做好個人防護后進入泄漏區域進行現場處置。若泄漏在可控范圍內，現場人員要觀看風向標，站在上風向的安全地點進行應急處置。若泄漏導致火災，一般選用BC 類干粉滅火劑，不能用水撲救氣體火災，水會引起LNG 發生相變并引起爆炸［6］。

6.1 少量泄漏

若通過可燃氣體探測器或肉眼觀察到有局部氣云團出現，說明有少量LNG 泄漏，現場人員必須穿戴PPE，采取相應措施緊固泄漏部位;也可用濕毛巾對泄漏點進行密封，濕毛巾在低溫下結冰變硬，可起到堵塞泄漏點的作用。

6.2 大量泄漏

6.2.1 一個卸料臂泄漏

1)現場人員立刻通知船方關閉泄漏臂的隔斷閥，通知中控室泄漏情況。

2)中控室操作員在接到泄漏情況通報后立即關閉該卸料臂出口氣動閥。

3)降低卸船速度，繼續卸船。

4)開啟碼頭水幕系統，水幕能有效控制NG 的擴散速度并降低其濃度，能將擴散安全距離減小50以上，危害面積減小60以上［7］。

5)現場拉警戒線，對泄漏點進行工藝隔離，停止該區域一切作業，無關人員撤離。

6)消防人員應立刻使用泄漏區域內消防設備，控制LNG 揮發速度，降低NG 濃度，高倍泡沫滅火系統可有效控制LNG 揮發速度，大量泡沫覆蓋在泄漏LNG 上可有效降低蒸發氣產生的速率，減小可燃氣體覆蓋范圍［8］。

7)現場人員配合中控室操作員打開卸料臂排凈閥、N2吹掃閥，對該臂進行排凈，等卸船結束后查找泄漏原因并進行維修。

6.2.2 兩個或兩個以上卸料臂泄漏

1)現場人員立刻通知船方關閉所有卸料泵，停止卸料。

2)通知中控室泄漏情況，中控室操作員立刻關閉所有卸料臂出口氣動閥和氣相臂氣動閥。同時采取措施保證儲罐壓力在正常范圍內。

3)按下就地控制盤上的“ESD 1 STOP LOADING”(“ESD 1 停止卸料”)按鈕，雙球閥關閉，見圖4。

圖4 ESD 1 停止卸料動作

4)啟動緊急脫離系統，按下就地控制盤上的“ESD 2 EMERGENCY DISCONNECTION”(“ESD 2 緊急脫離”)按鈕，切斷卸料臂與運輸船的連接，運輸船駛離港口，見圖5。

5)分別開啟碼頭和儲罐水幕系統。Rana M A 等人［9］研究表明，水幕可以通過四種作用機理來控制和降低LNG 重云團的體積濃度:小水滴通過機械作用向重氣云團傳遞動量，并在氣云團周圍形成一層壁壘，阻礙氣云團繼續擴散;水幕通過裹入空氣而稀釋了蒸發氣濃度;通過重氣云團、小水滴和空氣之間強化換熱，提高了蒸發氣溫度;蒸發氣通過物理或化學反應被小水滴吸收，這種吸收作用相對較小。

圖5 ESD 2 緊急脫離動作

6)現場拉警戒線，停止該區域一切作業，無關人員撤離。

7)啟動碼頭保冷循環，將卸料管線中大量LNG 輸送至儲罐，防止發生二次泄漏。

8)消防人員應立刻使用泄漏區域內消防設備，控制LNG 揮發速度，降低NG 濃度。同時須有人員保證消防泵運行正常，消防水壓正常。

9)電氣應急人員趕往電氣值班室，確保電力供應;儀表應急人員趕往控制室，確保自動系統(DCS、火災報警協同、消防自控系統)的正常運行。

6.2.3 氣相臂泄漏

1)現場人員立刻通知中控室泄漏情況，關閉氣相臂相應管線氣動閥。

2)時刻關注儲罐壓力，采取相應措施保證儲罐壓力在正常范圍內。

3)隔離氣液兩用臂，對其排凈吹掃后，打開跨線閥門，BOG 通過氣液兩用臂返回船艙。

4)降低卸船速度，船上注意觀察船艙壓力，必要時開啟船上BOG 生產(船上壓力低時)或BOG 液化裝置(船上壓力高時)。

5)開啟碼頭水幕系統。

6)現場拉警戒線，停止該區域一切作業，無關人員撤離。

7)消防人員及現場操作員投用泄漏區域消防設施，驅散泄漏NG 氣體。卸船時，氣相臂壓力在16 kPa 左右，壓力小的情況下發生泄漏，近地高度和下風向距離都較小，在下風向形成CH4氣體的積累，擴散較緩慢，更易發生事故，因此處理時必須做好防范措施［10］。

8)電氣應急人員趕往電氣值班室，確保電力供應;儀表應急人員趕往控制室，確保自動系統(DCS、火災報警協同、消防自控系統)的正常運行。

7 結論

現場人員在LNG 卸船期間必須嚴密監視卸船過程，若發現LNG 卸料臂泄漏必須第一時間采取相應措施，進行工藝隔離，切斷泄漏源，同時控制LNG 揮發、降低蒸發氣濃度。泄漏發生后，現場應急人員應相互協調配合，利用有效資源有條不紊地進行現場處置，控制LNG 泄漏造成的危害。

一個卸料臂泄漏可能會造成LNG 船滯留，兩個或兩個卸料臂以上泄漏會造成LNG 船的緊急離港，經濟損失巨大。為了防止泄漏發生，必須嚴格執行卸船準備工作，并在各種條件(風速小于20 m /s、泄漏測試合格、預冷合格、ESD 測試合格等)允許的情況下進行卸船。

［1］劉 輝.液化天然氣泄漏引起的事故以及合理處置［J］.現代商貿工業，2012，24(1):274.Liu Hui. The Accident and Reasonable Disposition of Liquefied Natural Gas Leak［J］. Modern Business Trade Industry，2012，24(1):274.

［2］宋翠紅，尚德彬，魏 然，等.LNG 泄漏危害及其水幕緊急處理技術［J］.天然氣化工，2012，37(4):48 -50.Song Cuihong，Shang Debin，Wei Ran，et al. Hazards of LNG Leakage and Water Curtain Emergency Treatment Technology［J］.Natural Gas Chemical Industry，2012，37(4):48 -50.

［3］高 露.液化天然氣泄漏擴散模擬及應用研究［D］.成都:西南石油大學，2008，70.Gao Lu.Research on the Simulation and Application of LNG Dispersion［D］.Chengdu:Southwest Petroleum University，2008，70.

［4］鄭國鵬.LNG 船舶泄漏的危害性及防范措施［J］. 水運管理，2009，31(9):34 -35，38.Zheng Guopeng. Hazards of LNG Ships Leakage and Preventive Measures［J］. Shipping Management，2009，31(9):34 -35，38.

［5］Mark J S，Keith L，Daron K M.A Model for Sizing High Consequence Areas Associated with Natural Gas Pipelines［J］.ASME，2002，IPC 2073:759 -767.

［6］胡 雪，江衍煊. LNG 泄漏與防范的研究［J］. 安全技術，2010，10(12):23 -25.Hu Xue，Jiang Yanxuan. Study on LNG Leak and Its Prevention and Control［J］. Safety Health ＆ Environment，2010，10(12):23 -25.

［7］孫 標，郭開華.噴射水幕對LNG 蒸汽云擴散影響的CFD模擬［J］.天然氣工業，2013，33(8):130 -134.Sun Biao，Guo Kaihua.CFD Simulation of Water Spray Curtain Application in Dispersing Liquefied Natural Gas Vapor Clouds［J］.Naturl Gas Industry，2013，33(8):130 -134.

［8］江衍煊，唐寒秋，王仙水.LNG 海運泄漏的危害性與消防要求［J］.水上消防，2012，(6):30 -32.Jiang Yanxuan，Tang Hanqiu，Wang Xianshui.Hazards of LNG Ships Leakage and Fire Protection Requirement［J］. Marine Fire，2012，(6):30 -32.

［9］Rana M A，Mannan M S，Guo Yuyan.Use of Water Curtain to Disperse LNG Vapor Clouds［J］. Loss Prevent Process Ind，2010，23(1):77 -88.

［10］王樹乾，邱榮先，鐘月華，等.壓力對管道天然氣泄漏擴散影響的數值模擬［J］.四川化工，2009，12(6):34 -37.Wang Shuqian，Qiu Rongxian，Zhong Yuehua，et al. Numerical Simulation of Pressure Influence on Diffusion of Natural Gas due to Pipeline Failure［J］.Sichuan Chemical Industry，2009，12(6):34 -37.