經濟安全的液化天然氣運輸方式探究

郭海軍，余瑞峰，李華翔

（三峽大學，湖北 宜昌 443002）

1 經濟的LNG 運輸方式選擇

1.1 我國天燃氣運輸方式現狀

天燃氣管道、專用LNG 罐槽車和專用LNG船舶是當下我國天燃氣的三種主要運輸方式。天燃氣管道線路長、投資大、維護成本高、泄露時檢測難，需鋪設至天燃氣資源豐富的地區。專用LNG 罐槽車運量有限，根本滿足不了需求，且其運輸成本高，路途長容易遭遇不確定因素影響造成泄露，造成巨大事故。專用LNG 船舶需要高度配合的配套設施，專用碼頭和接氣站建設周期長，投入巨大，追趕不上國內持續增長的清潔能源需求。截止2018 年11 月，我國已建成LNG接收站和轉運站總數已達到89 個，華南地區尤其多，其中LNG 接收站亦統計內河轉運站和鐵路轉運站。

1.2 罐式集裝箱的構成及LNG 罐箱

罐式集裝箱（tank container），系指由罐體與國際標準集裝箱框架構成的滿足ISO 相關要求的液體貨物集裝箱。

LNG 罐箱由高真空或者粉末多層絕熱低溫液體貯罐置放于標準框架構成，其組成圖1 所示。高真空或粉末多層絕熱結構保證液態天然氣狀態的穩定性，框架式集裝箱式采用國際標準外形尺寸，便于堆碼排列[2]罐體一端布置著操作箱，操作箱內設多種功能管路以實現各種功能，罐體內氣壓對運輸安全有著決定性影響，故壓力表、組合式安全泄放裝置必須完備。

圖1 LNG 罐箱

1.3 LNG 罐箱水路運輸

與我國現有LNG 運輸方式相比，處于發展階段的LNG 罐箱水路運輸可展現其高效經濟特點。多功能集裝箱船和滾裝-吊裝式集裝箱船都可用來運輸LNG 罐箱。這種創新的載運工具運輸模式相較傳統的專用LNG 船舶擺脫了碼頭儲罐的位置限制，輕松實現貨物“門到門”式的“一罐到底”服務，框架式箱體可輕易達到海運到陸運的轉化，卡車和火車即拉即運，實現多式聯運一體化。

2 LNG 運輸的適當風險規避

2.1 LNG 泄露的危害性

LNG 主要由甲烷組成，氧氣含量極少，氣態下是一種窒息性氣體。同量氣態天燃氣的為液態下體積600 倍，一旦泄露使人長時間暴露在天然氣體積含量高而氧氣含量低的混合氣體中會導致窒息。當空氣中氧氣含量體積分數低于10%，天燃氣含量大于50%時，對人體會產生永久性腦補損傷。而且泄露的LNG 與水接觸時會發生快速相變（RTFs）現象，液態天然氣瞬間劇烈汽化體積大增，泄露源局部的超壓現象會破壞船體結構。此外超低溫LNG 一旦泄露溢出，人經噴濺接觸會造成人體凍傷，設備及某些鋼結構的船體部分受低溫影響會影響其物理性質，造成嚴重的脆性斷裂，甚者危機船舶本身的安全。最劇烈的破壞當屬汽化的蒸汽云遇到明火發生劇烈的爆炸，蒸汽云燃燒所產生的熱輻射造成規模最大最嚴重的危害，其強度和時間影響傷害程度，如果利用美國國家防火協會推薦的用5kW/m 的熱通量值來制定人員的防火距離，此范圍內穿著適當工作服的人員緊急操作持續幾分鐘而不造成傷害。

2.2 LNG 運輸事故類型

若大致將事故類型分為裝卸貨物泄露、碰撞或觸碰、擱淺、火災或爆炸、設備故障、惡劣天氣和不合理裝卸，陳剛使用灰色關聯度分析法計算事故類型關聯度結果顯示LNG 船舶港內事故中碰撞或觸碰和設備故障為第二位，首位是裝卸貨物泄露。

2.3 安全的運輸措施

2.3.1 裝卸積載

危險貨物在船舶上轉運時必須進行正確的裝卸積載，以求發生泄漏事故之后可最大程度降低船舶人員及運輸貨物的安全風險。載運LNG 屬于危險貨物積載類的D 類，只能在艙面積載，這是為了在緊急情況下降低LNG 罐箱泄露、爆炸等情況對人力物力及海域的危害。LNG 罐箱在艙面積載一般需遵守以下原則：①盡量遠離一切熱源；②與居住艙室和工作室保全距離，防止意外泄漏時氣體進入生活機艙和其他工作區域；③積載位置能使箱體避免陽光直射。還應注意，當LNG 同能與LNG 發生化學反應的危險品一起裝載時，需要采取正確的隔離措施。

2.3.2 疊載層數

LNG 的外部框架和所有結構一樣有一定的極限強度，疊載LNG 罐箱時有必要確定集裝箱整體結構正常工作下能承擔的層數，防止罐箱碰撞改變罐內壓力狀態發生嚴重事故；每個集裝箱在堆碼時每個集裝箱的四個頂角構件可以承受約3kN 的壓力。此外國際公約限制LNG 罐箱于艙面積載，則還需要根據船舶艙面設計負荷計算艙面允許積載的最大負荷，以防止船體結構破壞。也就是說，確定的LNG 疊載層數的總質量不能超過艙面甲板的設計負荷對應的質量。確定了艙面負載要求內的LNG 疊載層數可以實現安全保證限度里的經濟運輸。

2.3.3 最大載運時間

LNG 罐箱水路運輸過程中，罐箱內和外部環境存在極大的溫差，罐箱雖具備絕熱結構，外界仍會連續傳導熱量，貯罐內的壓力增大，最后導致罐箱的耐壓能力達到有限的極限，LNG 罐箱在海上的運輸時間取決于罐箱的耐壓能力，可稱為最大載運時間，即從滿足充灌條件開始到由于熱量匯集導致壓力上升到壓力限定裝置的最低設定壓力時所用的時間[3]考慮水路運輸受天氣氣候條件影響大，所以此指標有一定的重要性。需要注意，自然條件會對指標有所影響，所以測得的維持時間需要相應修正。

2.3.4 高壓排放

如果LNG 罐箱運輸時間超過上述實驗計算得到的最大運載時間，則罐箱需要排放一部分氣體的狀況來保證安全。安全閥和排放管道可以解決罐箱高壓超壓的問題，排放口應該設置成上出液，讓每個罐箱最后排放匯總集中到集裝箱上部排放防止泄露體下流侵蝕破壞下層結構。

3 結論

相比國內天燃氣管道、專用LNG 罐槽車和專用LNG 船舶三種主要運輸方式。本文介紹的水路LNG 罐箱運輸的標準化可達成LNG 的大批量運輸，有望大幅降低現有LNG 接收站建設費用，同時滿足日益增長的天燃氣需求，是未來LNG 運輸的新發展趨勢。LNG 船舶港內事故裝卸貨物泄露首當其沖，LNG 水路運輸的安全性因為泄露的潛在巨大危害性而顯示出巨大的要求與地位。本文提出裝卸積載、最大載運時間和超壓排放來適當規避LNG 運輸的風險，在一定程度上提供了風險的規避預防措施。因此，可以說水路LNG 罐箱是一種經濟且風險可降低的液化天然氣運輸方式。然而LNG 罐箱運輸目前尚且歸屬新鮮事物，其風險的認識也還不足夠清晰透徹，行業對未知的事物和技術的發展有限制，需要時間和成功的先例來促成發展；相關國際標準考慮排放安全限制了LNG 罐箱艙內積載，阻礙了其大規模的應用和壯大。我相信隨著技術和管理水平的提升，這些問題都會被解決，未來的LNG 罐箱運輸模式將發揮巨大的作用。