LNG加注躉船消防安全技術(shù)研究

饒 慧， 張 暉

(中國船級社武漢規(guī)范研究所， 湖北 武漢 430022)

LNG加注躉船消防安全技術(shù)研究

饒 慧， 張 暉

(中國船級社武漢規(guī)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(bǔ)給方案。加注躉船的火災(zāi)以自救為主。為了對LNG加注躉船的火災(zāi)風(fēng)險進(jìn)行控制，總結(jié)了LNG火災(zāi)的特點(diǎn)及其對人員及船上結(jié)構(gòu)和設(shè)備的危害，提出了圍堰、耐火結(jié)構(gòu)、功能分區(qū)及水霧、水幕、高倍泡沫覆蓋保護(hù)等火災(zāi)控制措施和熱輻射隔擋措施，給出了固定式化學(xué)干粉滅火系統(tǒng)、固定式甲板泡沫滅火系統(tǒng)、固定式二氧化碳滅火系統(tǒng)等的配備建議。

液化天然氣 加注躉船 火災(zāi) 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(wù)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(yùn)行，其標(biāo)志著我國水上運(yùn)輸開始進(jìn)入了全新的“天然氣時代”。隨著內(nèi)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(chǔ)設(shè)施，其安全作業(yè)是保障實(shí)現(xiàn)LNG燃料水上加注的關(guān)鍵。

由于加注躉船在有限的空間內(nèi)集聚了供人員生活、營業(yè)以及燃料儲存和作業(yè)的場所，其LNG儲存量大，系統(tǒng)復(fù)雜，作業(yè)操作比較頻繁，存在較大的火災(zāi)危險性。一旦發(fā)生LNG火災(zāi)和爆炸，可能造成嚴(yán)重的財產(chǎn)損失和人員傷亡，因此，在其營運(yùn)過程中必須重點(diǎn)防范LNG的火災(zāi)和爆炸。本文基于LNG火災(zāi)的特點(diǎn)，分析了LNG火災(zāi)的危害，提出了適用于LNG加注躉船的火災(zāi)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(shè)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?；谧鳂I(yè)便利等因素這些設(shè)備通常布置在干舷甲板以上，這就需要考慮氣體安全區(qū)域和氣體危險區(qū)域的相互關(guān)系。因此，船舶布置形式是否合理，對于消除或降低火災(zāi)危險來說，顯得尤為重要。根據(jù)功能分區(qū)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(shè)備布置在氣罐區(qū)，加注臂或軟管布置在作業(yè)加注區(qū)，船員生活起居的艙室，如臥室、廚房、會議室、衛(wèi)生間、儲藏間等布置在生活區(qū)，此外甲板以下還布置有機(jī)艙、油艙(對油氣合建的加注躉船)等處所。

3 LNG火災(zāi)的特點(diǎn)

LNG泄漏后，由液態(tài)轉(zhuǎn)為氣態(tài)，在空氣中形成蒸氣云。當(dāng)蒸氣云團(tuán)的體積分?jǐn)?shù)在燃燒范圍之內(nèi)(5%～15%)時，若遭遇點(diǎn)火源，將會發(fā)生蒸氣云火災(zāi)(Vapor Fire)。如果在蒸氣云擴(kuò)散直至遇到點(diǎn)火源的這段時間里，泄漏或溢出一直持續(xù)，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(kuò)散受到限制，或者蒸氣云含有重?zé)N化合物，那么火焰就會加速燃燒并引起爆炸。如果在發(fā)生泄漏或溢出時立即遇到點(diǎn)火源，則形成噴射火(Jet Fire)[1]。

4 LNG火災(zāi)的危害

根據(jù)文獻(xiàn)[2]對LNG站場內(nèi)LNG火災(zāi)危險性的劃分，LNG火災(zāi)危險性劃為甲A類，NG火災(zāi)危險性為甲B類，火災(zāi)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(chǎn)生黑煙，因此火焰溫度高、熱輻射強(qiáng)度高，極易造成對人員的傷害和設(shè)備的損壞。表1和表2列出了LNG加注躉船周邊設(shè)施及內(nèi)部相鄰設(shè)施可接受的熱輻射強(qiáng)度值[3-6]。LNG火災(zāi)的波及范圍較廣，本文參照NFPA 59A標(biāo)準(zhǔn)并結(jié)合長江氣候條件選取相關(guān)參數(shù)，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(shè)施允許的熱輻射值

表2 LNG加注躉船內(nèi)部相鄰設(shè)施允許的熱輻射值

表3 實(shí)體火焰模型計算結(jié)果

躉船火災(zāi)的撲救比陸上火災(zāi)難度更大。因?yàn)檐O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(fā)生LNG火災(zāi)或爆炸，如果沒有得到有效的控制，后果將不堪設(shè)想。尤其是對于加油加氣合建的加注躉船，由于燃油(閃點(diǎn)大于60°)著火溫度較低，當(dāng)發(fā)生LNG火災(zāi)時，高溫極易通過甲板傳遞到油艙區(qū)帶來引燃油類的風(fēng)險，強(qiáng)烈的火焰熱輻射也可能點(diǎn)燃油艙區(qū)上方的油蒸氣，造成次生災(zāi)害。此外，船舶火災(zāi)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(zāi)的控制和熱輻射隔擋措施

為了在一定時間內(nèi)遏止火災(zāi)的蔓延，防止次生災(zāi)害的產(chǎn)生，使人員能安全撤離，LNG加注躉船需采取相應(yīng)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(nèi)罐為不銹鋼材料且液面以下有出液口的儲罐，發(fā)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(fā)火災(zāi)和爆炸的根源。此外，泄漏的低溫液體還可能造成船體鋼結(jié)構(gòu)的脆性斷裂，為了證明普通碳鋼在深冷環(huán)境下無沖擊韌性，本文依托國家海事局和國家能源局聯(lián)合專項(xiàng)課題“LNG燃料動力船舶應(yīng)用安全性研究”進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)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(yīng)有針對LNG泄漏的防護(hù)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(yīng)在儲罐下方設(shè)置圍堰，并在其它可能產(chǎn)生泄漏風(fēng)險的位置下方設(shè)置集液盤，將泄漏的可燃液體圍堵，以免四處流淌，擴(kuò)大火災(zāi)面積，增加熱輻射的波及距離。

(2) 耐火結(jié)構(gòu)。[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(qiáng)度下降，同時變形增大。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)且溫度達(dá)到450℃～650℃時，鋼結(jié)構(gòu)就會失去承載能力，發(fā)生很大的形變，甚至垮塌。實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)表明，一般不加保護(hù)的鋼結(jié)構(gòu)其耐火極限為15～20 min左右。因此，應(yīng)盡可能提高LNG加注躉船上關(guān)鍵處所鋼質(zhì)材料的耐火性能，如采用隔熱材料等措施，在更長時間內(nèi)將火災(zāi)限制在局部范圍內(nèi)，減小對相鄰處所和區(qū)域的熱輻射影響。

(3) 功能分區(qū)。如若發(fā)生火災(zāi)，應(yīng)考慮將火災(zāi)可能波及的范圍控制在最小范圍內(nèi)。在船舶布置上首先對干舷甲板上的區(qū)域進(jìn)行合理劃分(見圖1)，將不同功能的區(qū)域分開設(shè)置，如儲罐區(qū)、油艙區(qū)、卸車區(qū)、生活區(qū)和人員安全通道等，盡量保持各區(qū)的獨(dú)立性，減少任何一處發(fā)生火災(zāi)危險可能對其他區(qū)域造成的影響；設(shè)計中盡可能減小危險區(qū)域的面積，將涉及可燃?xì)怏w所在的危險區(qū)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(hù)及水幕隔斷。水霧系統(tǒng)不具備直接撲滅LNG火災(zāi)的能力，但可用于防火、冷卻和船員防護(hù)。圖2所示為水霧保護(hù)系統(tǒng)對裸露的儲罐表面進(jìn)行冷卻和防護(hù)。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(zāi)蔓延擴(kuò)大。

圖2 水霧系統(tǒng)保護(hù)

水幕系統(tǒng)用于防火隔斷、防火分區(qū)以及局部降溫保護(hù)等。在LNG加注設(shè)備前沿設(shè)置水幕系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時，啟動水幕系統(tǒng)隔斷加注作業(yè)區(qū)和其他區(qū)域，降低熱輻射影響。圖3為國外做的LNG火災(zāi)試驗(yàn)[8]，試驗(yàn)結(jié)果表明：水幕未開啟時，火焰熱輻射通量值逐漸升高；當(dāng)水幕開啟進(jìn)行隔斷后，熱輻射值迅速降低約三分之一；關(guān)閉水幕后，熱輻射值又迅速回升。

圖3 熱輻射隔絕效果試驗(yàn)

(5) 高倍數(shù)泡沫覆蓋保護(hù)。LNG泄漏到圍堰或集液池后(未點(diǎn)燃)，可采用高倍數(shù)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(kuò)散，從而大大減少擴(kuò)散區(qū)。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(biāo)準(zhǔn)消防要求分析

LNG加注躉船是一種全新設(shè)施，在標(biāo)準(zhǔn)制定方面尚無先例可循。在使用經(jīng)驗(yàn)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(yùn)輸船的相關(guān)船級社規(guī)范外，其安全理念還需借鑒陸上LNG站場及加氣站的相關(guān)消防要求。

根據(jù)LNG燃料動力船和LNG運(yùn)輸船消防的配備要求[10-17]，得到以下結(jié)論：

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

(2) 發(fā)生LNG火災(zāi)時，采用固定式干粉滅火系統(tǒng)進(jìn)行滅火，同時啟動水霧系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)。

LNG陸用標(biāo)準(zhǔn)[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(diǎn)結(jié)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(zāi)風(fēng)險和設(shè)備損失。

(2) LNG泄漏到圍堰或集液池后，可采用高倍數(shù)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(fā)火災(zāi)。

(3) 發(fā)生LNG火災(zāi)時，宜采用干粉滅火劑對其進(jìn)行撲滅，并根據(jù)可能的火災(zāi)規(guī)模，選用干粉滅火器或固定式干粉滅火系統(tǒng)，前者用于及時撲滅小火災(zāi)和初期火災(zāi)，后者用于撲滅大范圍的LNG火災(zāi)。

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(tǒng)的船舶消防體系外，還應(yīng)吸收上述LNG陸上站的消防理念，結(jié)合船舶布置特點(diǎn)、燃料存儲類型、火災(zāi)危險性及經(jīng)濟(jì)成本等因素綜合考慮。

7.1 結(jié)構(gòu)防火

LNG加注躉船內(nèi)部需采用耐火結(jié)構(gòu)加以分隔，尤其是經(jīng)常有人員工作和出入的生活區(qū)，其面向氣罐區(qū)的艙壁應(yīng)具有一定的耐火強(qiáng)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(nèi)部還要限制可燃材料的使用，如天花板、襯板、襯檔、風(fēng)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(yīng)能起到預(yù)防失火或阻火的作用。

此外，考慮到LNG火災(zāi)熱輻射波及范圍較大，建議生活區(qū)與氣罐區(qū)、卸車區(qū)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(qū)下方，與氣罐區(qū)相鄰時，應(yīng)采用隔離空艙進(jìn)行隔離。

7.2 滅火劑的選用

LNG加注躉船上可能存在的火災(zāi)類型包括固體火災(zāi)、電氣火災(zāi)、油類火災(zāi)及氣體火災(zāi)。實(shí)踐證明，各類火災(zāi)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(shè)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(tuán)，控制沒有氣體的火焰，冷卻附近設(shè)備。

7.3 滅火系統(tǒng)及消防用品的配備

除了根據(jù)不同類型的火災(zāi)選用正確的滅火劑，還應(yīng)結(jié)合區(qū)域面積、系統(tǒng)規(guī)模，來配備相應(yīng)的滅火系統(tǒng)和消防用品。針對目前LNG加注躉船的布置型式，除了設(shè)置船舶基本的水消防系統(tǒng)外，建議還配備如下消防設(shè)備。

(1) 固定式化學(xué)干粉滅火系統(tǒng)。目前化學(xué)干粉一般用于液化氣體船舶貨物區(qū)域的滅火。儲罐是LNG加注躉船上儲存LNG量最大的設(shè)備，是加注躉船的特級危險源，因此需設(shè)置固定式化學(xué)干粉滅火系統(tǒng)?；瘜W(xué)干粉滅火劑應(yīng)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(tǒng)。目前2 000 t及以上的內(nèi)河油船(閃點(diǎn)大于60℃)的貨油艙區(qū)域配備了固定式甲板泡沫滅火系統(tǒng)?？紤]到加油加氣合建的加注設(shè)施上載油量最大可達(dá)700 m3，且儲存了大量的LNG，一旦燃油發(fā)生火災(zāi)事故時，為了及時有效的控制災(zāi)害，避免危及氣罐區(qū)而釀成更大的事故，載油量較大的加注躉船應(yīng)配置固定式甲板泡沫滅火系統(tǒng)。

(3) 固定式二氧化碳滅火系統(tǒng)?？紤]到加注躉船上可能存在具有火災(zāi)危險的其他處所，如設(shè)有發(fā)動機(jī)的機(jī)器處所、氣體壓縮機(jī)室等，那么應(yīng)設(shè)置固定式二氧化碳滅火系統(tǒng)予以保護(hù)。當(dāng)被保護(hù)處所失火時，啟動施放裝置將二氧化碳施放到被保護(hù)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(rèn)該處所沒有人員存在，對任何經(jīng)常有人員在內(nèi)工作或出入的處所，應(yīng)設(shè)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(qū)還需設(shè)置一定數(shù)量的干粉滅火器，油艙區(qū)則設(shè)置一定數(shù)量的泡沫滅火器，作為固定滅火系統(tǒng)的補(bǔ)充。對于機(jī)艙、廚房等具有較高失火危險的處所，需設(shè)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(jù)需要設(shè)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(zāi)。

7.4 滅火設(shè)備的使用

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

LNG火災(zāi)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(zāi)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(jìn)行，直至所有的液體消耗殆盡。當(dāng)發(fā)生LNG火災(zāi)時，滅火設(shè)備的使用如下：

(1) 當(dāng)火災(zāi)是由氣體發(fā)生泄漏而引發(fā)時，火災(zāi)形態(tài)為噴射火。應(yīng)迅速關(guān)閉漏氣管段兩端閥門，切斷氣源；同時啟動水霧系統(tǒng)和水幕系統(tǒng)，對氣罐和周圍設(shè)備進(jìn)行冷卻和隔離，并使用化學(xué)干粉滅火系統(tǒng)進(jìn)行撲救。

(2) 當(dāng)火災(zāi)是由LNG泄漏引發(fā)時，火災(zāi)形態(tài)為LNG池火。應(yīng)迅速切斷氣罐主閥，阻止可燃液體的持續(xù)泄漏；同時啟動水霧系統(tǒng)和水幕系統(tǒng)，對氣罐和周圍設(shè)備進(jìn)行冷卻和隔離，并采用干粉為主、泡沫為輔的方法進(jìn)行撲救。在不適宜撲滅火災(zāi)的情況下，使LNG安全氣化燃燒。同時保證火場內(nèi)水源充足，不間斷供水進(jìn)行冷卻防護(hù)。

8 結(jié)束語

本文得出的主要結(jié)論有：

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

(2) 提出了使用圍堰、耐火結(jié)構(gòu)、功能分區(qū)及水霧、水幕、高倍泡沫覆蓋保護(hù)等火災(zāi)控制措施和熱輻射隔擋措施來控制LNG火災(zāi)的危害；

(3) 建議根據(jù)不同分區(qū)的可燃物類型及可能存在的火災(zāi)類型，配備固定式化學(xué)干粉、固定式甲板泡沫、固定式二氧化碳等滅火系統(tǒng)來達(dá)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.

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[18] GB/T 24963-2010.液化天然氣設(shè)備與安裝 船岸界面[S].2010.

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[20] GB 50183-2004.石油天然氣工程設(shè)計防火規(guī)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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