LNG儲罐的安全防護和評價研究

李華俊 趙 斌

遼寧石油化工大學機械工程學院,遼寧 撫順 113001

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LNG儲罐的安全防護和評價研究

李華俊 趙 斌

遼寧石油化工大學機械工程學院,遼寧 撫順 113001

LNG儲罐作為天然氣能源的主要儲存設備,建造數量日益增多,一旦發生火災爆炸事故,將帶來嚴重的后果,安全問題不容忽視,因此,對LNG儲罐安全問題的相關研究非常重要。系統地討論了LNG儲罐冷卻方式及流程；從材料的合理選擇、充注方式、基礎設計方法、消防方式探究了LNG儲罐的安全防護；研究了不同情況下LNG儲罐應選取的安全檢測方式。同時，總結了LNG儲罐的道化學火災爆炸危險指數法、過程決策程序圖評價法以及模糊理論和灰色關聯分析評價法的基本原理,并且通過實際案例驗證了方法的準確性。

LNG儲罐;安全防護;進展

0 前言

LNG(液化天然氣)儲罐是應用最廣泛的液化天然氣儲存設備。LNG具有運輸便捷、存儲高效等優點,是城市輸配氣系統的主要氣源。LNG的主要成份為CH4,大氣壓力下沸點約-160 ℃,隨著壓力變化其沸騰溫度變化率為1.25×10-4℃/Pa,LNG的密度和其組分密切相關,通常情況下密度處于440～480 kg/m3之間。LNG儲罐安全問題關乎著國民經濟發展及社會生活穩定,LNG儲罐爆炸事故會導致經濟損失和人員傷亡,以及環境污染。由于LNG處于低溫狀態,當LNG儲罐出現泄漏時,將產生巨大的低溫沖擊,不利于外罐的結構安全,因此,LNG儲罐的絕熱性能必須優良,其設計、制造和管理有較高的要求[1-4]。

1 LNG儲罐冷卻技術

LNG的儲存通常采用常壓儲存方式,該儲存方式具有儲存容積大和結構簡單的優點,但也存在蒸發率高、承壓能力差以及憋壓儲存時間少等缺陷;LNG的少量儲存通常采用壓力儲存方式,該儲存方式具有蒸發率小和承壓能力強的優勢,而且能夠節約儲存成本。為了克服常壓儲存方式和壓力儲存方式的缺陷,提出了壓力-常壓聯合儲存的方式,該儲存方式不僅具有常壓儲存方式和壓力儲存方式的優點,而且還具有所需設備少、便于操作、安全可靠以及工藝簡單等優點[5]。

LNG儲罐的冷卻技術主要是能降低儲罐內部組件的溫度,使其溫度從環境溫度降低到操作溫度。LNG儲罐冷卻主要包括前期準備、物料蒸汽置換、卸料管線的冷卻、灌注以及儲罐冷卻幾個環節。LNG儲罐冷卻前期準備工作主要包括相關文件的準備、人員和工具的準備、系統的準備。LNG儲罐的冷卻流程見圖1。

圖1 LNG儲罐的冷卻流程

2 LNG儲罐的安全措施

2.1 儲罐材料的合理選取

儲罐材料的物理特性應適應在低溫條件下工作,低溫下金屬材料的性質有較大改變,選擇材料時應考慮其在常溫和-196 ℃之間的強度,材料應該在該溫度范圍內具有足夠的剛度、強度和韌性,能夠避免LNG儲罐發生低應力脆斷事故,同時,所選材料還應該具有較好的金相結構、加工性和焊接性,此外,所選材料還應價格便宜和易于購買。目前,主要的LNG儲罐制造材料為9 Ni鋼,例如06 Ni 9鋼、0 Cr 18 Ni 9 Ti等。對于中小型LNG儲罐,通常選擇奧氏體不銹鋼作為制造材料,對于大型LNG儲罐,首選9 Ni鋼制造。

低溫韌性是確保LNG儲罐安全的主要指標,通常情況下需要在-196 ℃條件下對9 Ni鋼板和焊縫進行沖擊試驗,單一試驗值不能低于35 J。當利用9 Ni鋼制造大型LNG儲罐時,應該選擇適宜的焊接工藝,確保其低溫韌性。

2.2 LNG充注的安全措施

儲罐充注對于儲罐安全問題也非常關鍵,若LNG儲罐充注時不恰當,將引起LNG儲罐的分層,產生翻滾,導致大量的LNG快速蒸發或者泄漏,引發安全事故,因此,在LNG儲罐充注過程中應該遵循如下基本原則[6]:

1)新充注LNG密度比罐內殘存LNG密度大的情況下,可以利用頂裝法進行充注;新充注LNG密度比罐內殘存LNG密度小的情況下或者兩者密度比較接近時,可以利用底裝法。

2)利用混合噴嘴與多孔管進行充注,能夠達到混合充分的目的。

3)利用罐內的離心低溫泵實現液體從罐底到罐頂的循環。

5)在需要的情況下可以利用攪拌器進行攪拌操作。

此外,LNG儲罐的分層和翻滾也得到科學家的普遍關注,研究的熱點問題是LNG儲罐翻滾模型的構造、分層和翻滾機理的分析以及分層和翻滾預防措施的確定。在LNG儲存時,罐內充注不同來源的LNG都將形成密度不同的兩層,在密度差超過臨界值時,出現翻滾現象。LNG儲罐的翻滾過程是一種激烈的混合狀態,同時伴有罐內流場合密度的變化,通過對分層和翻滾機理深入地探究,能夠為LNG儲罐的安全提供有力的理論保障,盡量少混裝不同密度的LNG來避免LNG儲罐的分層;在必須混裝不同密度LNG的情況下應將密度大的LNG充注在罐底部,尤其要避免分層的產生,降低事故的發生率[7]。

2.3 LNG儲罐基礎安全措施

LNG儲罐對基礎的要求較高,目前主要采取的基礎包括直接式基礎和樁基式基礎。樁基式基礎的整體性和剛性較好,但施工難度大,應該嚴格控制施工質量,確保每個施工環節都符合規定,避免塌孔、斜孔、竄孔、鋼筋籠位置偏差大等缺陷,消除安全隱患。在LNG儲罐基礎設計方案選擇中,應綜合考慮施工材料的價格、人工費用、施工難度等因素,確定最佳設計方案,使LNG儲罐的基礎能夠具備足夠的承載力,沉降滿足設計要求。此外,LNG儲罐的隔震也是基礎設計應該考慮的問題,目前,采用了砂墊層、橡膠墊層等作為隔震材料,但這些方法對樁基礎不適用,較弱的墊層將使水平承載力減少,不利于LNG儲罐的安全。對于大型LNG儲罐采用鋼板橡膠支座、摩擦擺體系以及復位彈簧等機械構建避免地震能量輸入LNG儲罐上部結構,其中鋼板橡膠支座是主要隔震方案,但該方法對周期長的水平振動容易引起共振,對豎向振動不起作用,不利于LNG儲罐的安全。因此,對于LNG儲罐基礎的隔震機理應該進行分析,提出更有效的LNG儲罐隔震措施。

2.4 LNG儲罐消防措施

LNG儲罐在儲存過程中存在許多安全隱患,一方面應該關注低溫引起的危害；另一方面,還應該確保其不產生燃燒,避免火災事故發生。LNG儲罐容易產生泄漏,若不能及時發現,則泄漏量達到極限將產生池火災,當發生池火災時,若不能自然熄滅,則將產生蒸汽云爆炸。因此,對LNG儲罐應該采取有效的消防措施,目前,常見的消防措施包括干粉滅火系統、泡沫滅火系統、滅火器以及火災報警系統等,而在LNG儲罐罐頂設置消防水噴淋系統,能夠提高LNG儲罐的安全可靠性[8]。

3 LNG儲罐的安全檢測

LNG儲罐如果具備較好的絕熱性能,壓力變化緩慢,無應力集中現象,此時主要失效模式就是泄漏，通常采用的檢測技術包括紅外熱成像技術、帶導架的內窺檢測技術等。如果LNG儲罐和管路系統產生的泄漏量較少,應該采用非空氣狀態可燃氣體紅外檢測裝置進行檢測[9]。

安全狀況等級可以按照LNG儲罐的檢測結果以及相關技術規范評定。LNG儲罐使用過程中未開罐或者從未進入罐內檢測時,應該在3年內進行檢測,以確保其安全性。

4 LNG儲罐安全評價技術

對LNG儲罐進行安全評價非常重要,目前許多評價技術在LNG儲罐安全評價方面都取得了較理想的效果。

4.1 道化學火災爆炸危險指數評價法

道化學火災爆炸危險指數評價法以工藝單元為基本要素,對不同單元內的危險物進行評價,確定工藝的危險性。主要評價LNG儲罐內介質的物性、輸送和儲存以及化學反應等的安全問題,按照實際情況確定參數,最后獲得一個工藝單元的危險系數,并對工藝單元進行分級,全面了解LNG儲罐的潛在火災爆炸危險性。通過該方法能靈活準確地評價LNG儲罐的安全性[11-13]。

以1個容積55 m3LNG儲罐為例,利用道化學火災爆炸危險指數評價法對其進行安全評價,分別確定55 m3LNG儲罐的物質指數、一般工藝危險指數、特殊工藝危險指數、單元危險指數、火災爆炸指數，以及安全措施補償指數,并且確定不同火災爆炸危險指數值對應的爆炸危險等級,綜合計算結果最終確定安全評價結果,見表1。

表1 55 m3LNG儲罐安全評價結果

項目數值火災爆炸危險指數78.43危險等級較輕

4.2 過程決策程序圖評價法

過程決策程序圖評價法能夠分析LNG儲罐可能發生的重大事故,動態地評價LNG儲罐的安全性,該方法較靈活,不僅能夠從出發點追蹤到結果,而且能夠從結果反推出中間發生的原因。通過該方法能夠預測LNG儲罐事故,能夠在設計中進行改進,避免危險事故的發生。在利用過程決策程序圖評價法對LNG儲罐進行評價時,如果存在安全隱患,立即依據評價法中的對策加以糾正,能夠保證LNG儲罐處于安全狀態。該評價法為LNG儲罐的安全評價和管理提供了一個高效的工具[14-16]。

圖2 LNG低溫儲罐壓力過高時的過程決策程序圖

以LNG儲罐壓力過高為例,通過討論、分析、實施、檢查，以及不斷完善最終確定其過程決策程序圖,見圖2。在過程決策程序圖中,一個不安全問題對應一個應對策略,能夠實現安全評價和對應策略的同步進行,更有效地應對LNG儲罐的安全問題。

4.3 模糊理論和灰色關聯分析評價

LNG儲罐的火災爆炸風險評價屬于多層次、多目標的系統,在評價過程中應該考慮各影響因素的模糊性,可以通過模糊理論確定LNG儲罐火災爆炸危險的影響因素,不同影響因素和LNG儲罐安全性的關聯程度可以通過灰色關聯分析確定,將模糊理論和灰色關聯分析結合起來對LNG儲罐進行安全評價,能夠降低評價過程的主觀因素,提高權向量的有效性,更準確地獲得LNG儲罐的安全現狀[17-20]。

以3種LNG儲罐防火防爆措施為研究對象,對其安全性進行評價,將相關安全評價指標歸一化處理,利用模糊理論和灰色關聯分析的算法流程進行分析,計算結果見表2。

表2 3種LNG儲罐防火防爆措施安全評價結果

防火防爆措施關聯度r措施10.8324措施20.7326措施30.7712

從表2可以看出,措施1的關聯度最高,表明采用措施1的LNG低溫儲罐安全性最好,其次是措施3,安全性最差的是措施2。根據分析結果,可以為LNG儲罐選擇最佳的安全防護措施,避免安全事故的發生。

5 結論

LNG作為低污染、熱值高、易儲運、高效益的能源已成為目前天然氣儲存利用的另一新興方式。LNG儲罐作為LNG工業中重要設備,其形式、充注、安全、儀表系統等相關信息受到了關注,LNG儲罐的安全性問題也成為了研究的熱點,針對如何提高LNG儲罐的安全性,從設計、制造、運行以及防爆等方面提出了許多有效的預防措施,通過合理的設計、準確的安全評價以及有效的安全管理,能夠確保LNG儲罐的安全性。

[1] 李 素,陳保東,張振庭,等.LNG儲罐火災環境熱響應數值分析研究[J].石油化工高等學校學報,2011,24(1):78-81.

Li Xu,Chen Baodong,Zhang Zhenting,et al.Numerical Analysis and Research about the Thermal Response of the LNG Storage Tank in the Fire Environment[J].Journal of Petrochemical Universities,2011,24(1):78-81.

[2] 張海紅,王風琴,畢明樹.LNG儲罐泄漏擴散火災后果分析[J].化學工程與裝備,2010,28(2):185-187.

Zhang Haihong,Wang Fengqin,Bi Mingshu.Effect Analysis of Leakage and Diffusion of LNG Tank[J].Chemical Engineering & Equipment,2010,28(2):185-187.

[3] 刑志祥,常建國,蔣軍成.液化石油氣儲罐對火災熱響應的CFD模擬[J].天然氣工業,2005,25(5):115-117.Xing Zhixiang,Chang Jianguo,Jiang Juncheng.CFD Simulation of Thermal Response of Liquefied Petroleum Gas Storage Tank to Fire[J].Natural Gas Industry,2005,25(5):115-117.

[4] 李 霞,馬貴陽,杜明俊,等.LNG球罐分層翻滾汽化過程的數值分析[J].遼寧石油化工大學學報,2010,30(4):42-44,62.

Li Xia,Ma Guiyang,Du Mingjun,et al.Numerical Analyzed of Layer Roll Vaporization Process in LNG Spherical Tank[J].Journal of Liaoning Shihua University,2010,30(4):42-44,62.

[5] 王良軍,劉 揚.大型儲罐內LNG翻滾機理和預防措施[J].天然氣工業,2008,28(5):97-99.

Wang Liangjun,Liu Yang.LNG Stirring Mechanism and Preventive Measures in Large Storage Tanks[J].Natural Gas Industry,2008,28(5):97-99.

[6] 程麗霞,陳 異,蔣顯全,等.液化天然氣運輸船及其儲罐用材料的研究進展[J].材料導報,2013,27(1):71-74.

Chen Lixia,Chen Yi,Jiang Xianquan,et al.The Present Situation and Development Trend of LNG Transport Ships and Materials for LNG Carriers[J].Material Review,2013,27(1):71-74.

[7] 王武昌,李玉星,孫法峰,等.大型LNG儲罐內壓力及蒸發率的影響因素分析[J].天然氣工業,2010,30(7):87-92.

Wang Wuchang,Li Yuxing,Sun Fafeng,et al.Influence Factors Analysis of Internal Pressure and Evaporation Rate in Large LNG Storage Tanks[J].Natural Gas Industry,2010,30(7):87-92.

[8] 程旭東,徐 劍,喬國發.大型液化天然氣儲罐內液體內分層和翻滾影響因素分析[J].化工學報,2009,60(12):2990-2996.

Cheng Xudong,Xu Jian,Qiao Guofa.Analysis of Influential Factors on Liquid Stratification and Rollover in Large-Scale LNG Container[J].CIESC Journal,2009,60(12):2990-2996.

[9] 呂娜娜,謝 劍,楊建江.大型LNG低溫儲罐建造技術綜述[J].特種結構,2010,27(1):105-108.

Lü Nana,Xie Jian,Yang Jianjiang.Summary of Construction Technology for Large LNG Low Temperature Storage Tanks[J].Special Structures,2010,27(1):105-108.

[10] 王振良.大型LNG低溫儲罐設計理論與方法研究[D].西安：西安石油大學碩士學位論文,2011.

Wang Zhenliang.Research on Design Theory and Method of Large Scale LNG Low Temperature Storage Tank[D].Xi’an:Master’s Degree Thesis of Xi’an Petroleum University,2011.

[11] 王麗敏,翟潤培,孫友平,等.道化學火災、爆炸危險指數法在1,3丁二烯聚合安全性評價中的應用[J].中國安全生產科學技術,2012,8(5):96-100.

Wang Limin,Zhai Runpei,Sun Youping,et al.Application of Dow Chemical Fires and Explosive Index Analysis Method In Safety Evaluation of 1,3 Butadiene Polymerization Process[J].Journal of Safety Science and Technology,2012,8(5):96-100.

[12] 劉 楊,李曉鳳,姜志勇,等.道化學火災、爆炸危險指數評價法在輕烴儲罐中的應用[J].科學技術與工程,2012,10(22):5509-5512.

Liu Yang,Li Xiaofeng,Jiang Zhiyong,et al.Dow’s Fire and Explosion Danger Index Evaluation in the Application of Light Hydrocarbon Tank[J].Science Technology and Engineering,2012,10(22):5509-5512.

[13] 方興龍,周 梁.基于道化學法的大型合成氨裝置安全評價[J].工業安全與環保,2007,33(2):30-32.

Fang Xinglong,Zhou Liang.Safety Evaluation on Large Scale Synthetic Ammonia Device Based on Dow Chemical’s Method[J].Industrial Safety and Environment Protection,2007,33(2):30-32.

[14] 王如君.LNG燃燒動力船三維建模及爆炸事故模擬[J].中國安全生產科學技術,2013,12(9):73-77.

Wang Rujun.Establishing 3D Model and Simulating Explosion Accident of LNG Powered Ship[J].Journal of Safety Science and Technology,2013,9(12):73-77.

[15] 姚 雁,王淑蘭,丁信偉,等.環氧乙烷生產裝置的安全分析與評價[J].安全與環境學報,2005,5(1):92-96.

Yao Yan,Wang Shulan,Ding Xinwei,et al.Safety Analysis and Evaluation for Ethylene Oxide Unit[J].Journal of Safety and Environment,2005,5(1):92-96.

[16] 張曉燕,馮明洋,林 紅.基于PDPC方法的LNG儲罐安全評價創新研究[J].石油化工安全環保技術,2015,31(5):10-13,32.

Zhang Xiaoyan,Feng Mingyang,Lin Hong.Safety Evaluation Innovation of LNG Storage Tank by PDPC Method[J].Petrochemical Safety and Environmental Protection Technology,2015,31(5):10-13,32.

[17] 姚 震,趙月峰,王新紅.LNG生產發展新趨勢[J].中外能源,2014,19(4):11-15.

Yao Zhen,Zhao Yuefeng,Wang Xinhong.The New Trends in LNG Production[J].Sino-Global Energy,2014,19(4):11-15.

[18] 李兆慈,郭保玲,嚴俊偉.LNG儲罐溫度場計算及影響因素分析[J].油氣儲運,2015,34(3):244-247.

Li Zhaoci,Guo Baoling,Yan Junwei.Calculation and Influencing Factors of Temperature Field in LNG Tank[J].Oil & Gas Storage and Transportation,2015,34(3):244-247.

[19] 李永平,陳閔葉,劉 明.基于模糊理論和灰色關聯分析的飛機相似性評估方法[J].南京航空航天大學學報,2007,24(3):194-198.

Li Yongping,Chen Minye,Liu Ming.Estimation Method for Aircraft Similarity Based on Fuzzy Theory and Grey Incidence Analysis[J].Transactions of Nanjing University of Aeronautics & Astronautics,2007,24(3):194-198.

[20] 丁 帥,魯付俊,楊善林,等.一種需求驅動的軟件可信性評估及演化模型[J].計算機研究與發展,2011,48(4):647-655.

Ding Shuai,Lu Fujun,Yang Shanlin,et al.A Requirement Driven Software Trustworthiness Evaluation and Evolution Model[J].Journal of Computer Research and Development,2011,48(4):647-655.

2016-04-16

李華俊(1985-),男，遼寧撫順人,碩士研究生,研究方向主要為石油化工設備的安全分析。

10.3969/j.issn.1006-5539.2016.04.020