LNG罐車泄漏火災(zāi)罐體超壓失效預(yù)警及防控

朱　淵　張肖錦　師吉浩　陳國(guó)明　付建民

LNG罐車泄漏火災(zāi)罐體超壓失效預(yù)警及防控

朱淵張肖錦師吉浩陳國(guó)明付建民

中國(guó)石油大學(xué)(華東)海洋油氣裝備與安全技術(shù)研究中心

朱淵等.LNG罐車泄漏火災(zāi)罐體超壓失效預(yù)警及防控.天然氣工業(yè),2016, 36(8): 138-144.

LNG作為清潔能源利用的重要組成部分,帶來(lái)了大量道路罐車運(yùn)輸需求,并引發(fā)對(duì)其安全的關(guān)注.為此,以實(shí)際事故為背景,面向LNG罐車泄漏火災(zāi)罐體超壓失效過(guò)程,特別針對(duì)事故凸顯的泄漏-火災(zāi)-罐體超壓循環(huán)激勵(lì)特點(diǎn),通過(guò)耦合罐車泄漏工藝流程和LNG火災(zāi)燃燒熱模型,并基于壓力容器破裂預(yù)測(cè)公式,建立了LNG罐車泄漏火災(zāi)超壓失效預(yù)測(cè)模型及其求解方案,可快速計(jì)算罐體超壓失效時(shí)間、罐內(nèi)壓力、泄漏強(qiáng)度等參數(shù),模型計(jì)算結(jié)果與事故調(diào)查結(jié)果具有良好的一致性.研究結(jié)果表明:①氣相泄漏火災(zāi)不應(yīng)導(dǎo)致罐體超壓失效;②液相泄漏火災(zāi)罐體充裝率高,罐內(nèi)壓力攀升速度、峰值壓力、泄漏速率都將增加,到達(dá)峰值壓力的時(shí)間將降低,意味著更大事故風(fēng)險(xiǎn).從泄漏火災(zāi)超壓預(yù)警的角度,確定了不同充裝率下液相泄漏罐體最危險(xiǎn)泄漏孔徑、最短預(yù)警時(shí)間和最大安全泄漏孔徑,以及不會(huì)發(fā)生罐體超壓失效的最大安全充裝率.結(jié)合事故暴露和道路運(yùn)輸存在的問(wèn)題,提出了罐體設(shè)計(jì)、道路駕駛和事故應(yīng)急的注意事項(xiàng),并推薦罐體不同充裝率應(yīng)對(duì)液相泄漏火災(zāi)所需的最小消防噴淋降溫水量,以期為預(yù)防和控制事故LNG罐體超壓失效提供支持.

液化天然氣 罐車 泄漏-火災(zāi)-罐體超壓 超壓預(yù)警 防控

作為清潔能源的LNG得到越來(lái)越廣泛的利用,產(chǎn)生了大量的運(yùn)輸需求.罐車運(yùn)輸是LNG陸上運(yùn)輸?shù)闹匾绞?但鑒于公路自身的安全問(wèn)題,LNG罐車運(yùn)輸具有容易引發(fā)LNG泄漏、火災(zāi)和爆炸等重大事故的風(fēng)險(xiǎn).國(guó)內(nèi)外的LNG罐車運(yùn)輸均出現(xiàn)過(guò)類似的危險(xiǎn)情形,其中2002、2011年在西班牙Tivissa和Murica分別有1輛LNG罐車發(fā)生交通事故造成LNG泄漏,并引發(fā)火災(zāi),最終導(dǎo)致罐體超壓失效解體,帶來(lái)顯著的沖擊波、熱輻射和碎片.事故調(diào)查結(jié)果表明,罐車火災(zāi)產(chǎn)生的熱量,顯著提升了罐內(nèi)壓力,促進(jìn)了LNG泄漏強(qiáng)度,進(jìn)而加劇火災(zāi)規(guī)模,進(jìn)一步提升罐內(nèi)壓力,形成惡性循環(huán),最終導(dǎo)致災(zāi)難性后果[1-3].為此,有必要針對(duì)LNG罐車運(yùn)輸潛在的重大事故隱患開(kāi)展進(jìn)一步研究.

目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者已開(kāi)展了大量液化烴儲(chǔ)罐泄漏超壓過(guò)程和事故后果的研究工作[4-11].但這些偏重于分析儲(chǔ)罐在完好狀態(tài)下的熱響應(yīng)規(guī)律和事故特點(diǎn),難以分析實(shí)際事故體現(xiàn)出的LNG罐車泄漏-火災(zāi)-罐體超壓循環(huán)激勵(lì)過(guò)程(此過(guò)程也是眾多儲(chǔ)罐泄漏火災(zāi)事故所具有的特點(diǎn)),且多采用復(fù)雜的數(shù)值計(jì)算模型,無(wú)法滿足事故條件下的快速計(jì)算要求.有鑒于此,筆者將罐車泄漏的工藝流程分析、LNG火災(zāi)模型以及罐體超壓失效準(zhǔn)則進(jìn)行結(jié)合,建立LNG罐車泄漏火災(zāi)超壓失效預(yù)測(cè)模型,以快速分析、預(yù)測(cè)罐體超壓失效過(guò)程和預(yù)警關(guān)鍵參數(shù),并提供防控措施建議,進(jìn)而為應(yīng)對(duì)LNG罐車泄漏火災(zāi)超壓失效提供基于事故機(jī)理分析上的安全支持.

圖1　LNG罐車泄漏超壓失效事故發(fā)展機(jī)理圖

1　LNG罐車泄漏火災(zāi)超壓失效模型

LNG罐車泄漏-火災(zāi)-罐體超壓循環(huán)激勵(lì)導(dǎo)致罐體失效的過(guò)程如圖1所示,從事故機(jī)理上可分解為:①LNG罐車在壓力作用下泄漏,以及罐體安全閥起跳、泄壓保護(hù)過(guò)程;②泄漏LNG引發(fā)的火災(zāi)為罐體提供大量燃燒熱,推動(dòng)LNG相變,提升罐內(nèi)壓力;③罐壁材料在火災(zāi)高溫條件下受罐內(nèi)壓力超壓失效.其中,①和②在事故過(guò)程中循環(huán)激勵(lì),可導(dǎo)致罐內(nèi)壓力災(zāi)難性升高.

1.1LNG罐車泄漏模型

LNG罐體在泄漏過(guò)程中,罐內(nèi)整個(gè)氣液兩相系統(tǒng)滿足能量守恒方程:

式中ρg表示氣相密度,kg/m3;Vg表示氣相體積, m3;h表示氣相高度,m;ρl表示液相密度,kg/m3; Vl表示液相體積,m3;H表示液相高度,m;ΔH表示液相高度變化,m;F表示總體積泄漏速率,m3/s; Fl表示液相體積泄漏速率,m3/s;Fg表示氣相體積泄漏速率,m3/s;p表示儲(chǔ)罐內(nèi)壓力,Pa;Wv表示儲(chǔ)罐安全閥體積排放速率(根據(jù)本文參考文獻(xiàn)[12]計(jì)算), m3/s;Δpv表示安全閥泄放前后壓差,Pa;Q表示儲(chǔ)罐與外界環(huán)境交換熱流量,J/s;g表示重力加速度, m/s2;t為時(shí)間,s.

以及質(zhì)量守恒方程:

式中Wm表示安全閥質(zhì)量排放速率,kg/s;m表示泄漏質(zhì)量速率,kg/s.在泄漏出口處,根據(jù)流出介質(zhì)的不同,將其簡(jiǎn)化為單一液相或氣相,可表達(dá)為[13]:

式中Cl表示液相流出系數(shù);A表示泄漏孔面積,m2; H0表示初始液位高度,m;At表示液面橫截面積, m2;Cg表示氣相流出系數(shù);M表示摩爾分子量,kg/ mol;R表示理想氣體常數(shù)kg/(mol.K-1);T表示溫度, K;k表示熱容比;pa表示大氣壓力,Pa.

在罐體內(nèi),根據(jù)Hertz-Knudsen方程構(gòu)建LNG氣液界面質(zhì)量J的轉(zhuǎn)化關(guān)系[14]:

式中αc表示蒸發(fā)冷凝調(diào)節(jié)系數(shù);Tsat表示飽和溫度,K; ΔHm表示摩爾蒸發(fā)熱,J/mol.

1.2 泄漏LNG火災(zāi)熱計(jì)算模型

LNG火災(zāi)可以產(chǎn)生大量的熱,除火災(zāi)產(chǎn)生的熱量,忽略儲(chǔ)罐與外界環(huán)境之間的其他熱交換.

針對(duì)不同泄漏孔徑,基于挪威船級(jí)社建立的油氣泄漏事故分析系統(tǒng)PHAST的判斷,LNG罐車泄漏后的火災(zāi)形式主要為噴射火,池火的出現(xiàn)頻率很小.以噴射火作為主要的事故模式,分析泄漏LNG火災(zāi)產(chǎn)生的熱量.借鑒噴射火點(diǎn)源模型,熱量Q計(jì)算公式如下[15]:

式中η表示熱反饋系數(shù);mw表示泄漏LNG的質(zhì)量燃燒速率,本文即為單位時(shí)間內(nèi)罐車泄漏的介質(zhì)及安全閥泄放的介質(zhì)之和,kg/s;ΔHc表示燃燒熱值, J/kg.

1.3實(shí)際狀態(tài)方程

采用實(shí)際氣體狀態(tài)方程,其基本形式為[16]:

式中ν表示摩爾體積,m3/mol;a、b分別表示與天然氣所含組分相關(guān)的常量.

綜合以上方程,可構(gòu)建用于描述LNG罐車泄漏-火災(zāi)-罐體超壓的理論體系,其核心是通過(guò)罐內(nèi)能量守恒方程構(gòu)建輸入熱量Q和罐內(nèi)壓力p的聯(lián)系,再由壓力p確定安全閥泄放量Wm和泄漏孔質(zhì)量速率m以得到總LNG泄漏量mw,最后依據(jù)火災(zāi)燃燒熱模型將泄漏量mw轉(zhuǎn)化為輸入熱量Q,從而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)致罐體超壓失效的災(zāi)難性循環(huán)激勵(lì)過(guò)程的模型化,而其基本構(gòu)成為一組常微分方程,可采用4階Runge-Kutta方法聯(lián)立方程實(shí)現(xiàn)快速求解,以獲取罐內(nèi)壓力等關(guān)鍵參數(shù)的變化情況.

1.4儲(chǔ)罐超壓失效準(zhǔn)則

LNG罐車在火焰作用下,容器內(nèi)部壓力不斷升高,當(dāng)其超過(guò)罐體失效壓力時(shí),罐體破裂,會(huì)發(fā)生更為嚴(yán)重的事故傷害.根據(jù)壓力容器破裂預(yù)測(cè)公式[17]計(jì)算LNG罐體在火災(zāi)環(huán)境下的超壓失效壓力pb:

式中σy表示屈服強(qiáng)度極限,MPa;σu表示抗拉強(qiáng)度極限,MPa;b表示儲(chǔ)罐壁厚,m;r表示儲(chǔ)罐半徑,m.

根據(jù)計(jì)算得到的罐內(nèi)壓力,如其超過(guò)pb,則認(rèn)為罐體發(fā)生超壓失效.

2　事故案例分析

根據(jù)本文參考文獻(xiàn)[1-3]中的數(shù)據(jù),結(jié)合建立的LNG罐車泄漏火災(zāi)超壓失效模型進(jìn)行分析.西班牙發(fā)生事故的2輛罐車具有相同的基本參數(shù):內(nèi)徑為2.34 m,容量為56.5 m3,充裝率為85%,罐內(nèi)溫度為113.15 K,壓力約為0.1 MPa;罐體內(nèi)壁材質(zhì)為304LN不銹鋼(罐殼厚度為4 mm),中間為聚氨酯保溫層,外壁為鋁合金;罐體上有3個(gè)安全閥,起跳壓力為0.7～0.9 MPa.

事故調(diào)查結(jié)果顯示,Tivissa罐車在下山段超速側(cè)翻后罐頂朝下傾倒,Murica罐車撞上了因故障停在馬路上的大型卡車,事故都導(dǎo)致罐體連接管路破裂(泄漏孔徑包括25.4 mm、19.05 mm、12.7 mm),隨后罐車發(fā)生LNG泄漏及噴射火,火焰迅速破壞了罐體外壁和保溫層,并直接對(duì)內(nèi)壁加熱,分別在約20 min和71 min后Tivissa和Murica罐車罐體超壓失效,事故時(shí)輪胎和油箱都發(fā)生燃燒.

304LN不銹鋼屈服強(qiáng)度為205 MPa,抗拉強(qiáng)度為515 MPa,由公式(7)可知,罐體的超壓失效壓力為1.29 MPa.分別計(jì)算25.4 mm、19.05 mm、12.7 mm泄漏孔徑下的罐內(nèi)壓力,上限為超壓失效壓力(圖2).

圖2　西班牙事故罐體超壓失效預(yù)測(cè)圖

根據(jù)計(jì)算結(jié)果,在25.4 mm、19.05 mm、12.7 mm泄漏孔徑下,罐體到達(dá)超壓失效的時(shí)間分別為21 min、35.7 min和74 min,其中25.4 mm和12.7 mm泄漏孔徑的計(jì)算結(jié)果分別略高于Tivissa罐車和Murica罐車大約20 min和71 min的超壓失效時(shí)間.考慮到模型中難以精細(xì)計(jì)算輪胎和油箱燃燒造成的熱反饋,此預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際事故情況非常接近.

由于罐車解體,沒(méi)有確鑿的證據(jù)表明泄漏管路的尺寸.但根據(jù)罐車的設(shè)計(jì),2條25.4 mm、1條19.05 mm管路位于罐頂,2條12.7 mm管路位于罐底.結(jié)合事故現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查報(bào)告,Tivissa罐車側(cè)翻后罐頂沖撞道路邊坡,易造成罐頂管路破裂,且火焰位于罐體上部,其泄漏源應(yīng)位于罐頂;Murica罐車罐體躺倒在道路隔離帶外側(cè),易造成罐底管路破裂,且火焰從兩側(cè)包圍罐體,其泄漏源應(yīng)位于罐底.

綜合對(duì)罐體超壓失效時(shí)間的預(yù)計(jì),結(jié)合罐體管路設(shè)計(jì)、事故時(shí)罐車的姿態(tài)以及火焰位置,可認(rèn)為Tivissa罐車和Murica罐車的泄漏管路孔徑分別為25.4 mm和12.7 mm,而建立的超壓失效模型預(yù)測(cè)的結(jié)果具有良好的實(shí)際符合度.

3　泄漏火災(zāi)LNG罐內(nèi)壓力分析

目前,國(guó)內(nèi)使用的LNG罐車類型包括與西班牙事故相似的單壁罐車和雙壁罐車,其典型參數(shù)為:罐體容積為51.4 m3,直徑為2.45 m,最大充裝率為90%;最高工作壓力為0.7 MPa,設(shè)計(jì)壓力為0.77 MPa,溫度為131.15 K;采用雙安全閥組合系統(tǒng),開(kāi)啟壓力為0.75 MPa;罐體為真空外筒和304不銹鋼內(nèi)筒(罐殼厚度為6.5 mm).如罐車在運(yùn)輸過(guò)程中發(fā)生事故,真空外筒遭到破壞且發(fā)生泄漏火災(zāi),火焰將直接加熱內(nèi)筒,其事故情景與本文參考文獻(xiàn)[1-3]中的事故的情形具有很大的相似性.針對(duì)此類型罐車進(jìn)行分析,為研究方便,暫不考慮罐體超壓失效情形,分析不同情況下的罐內(nèi)壓力情況.鑒于罐車可能從罐體的液相/氣相區(qū)域泄漏.因此分別進(jìn)行分析.

3.1液相泄漏LNG罐內(nèi)壓力分析

3.1.1不同充裝率下LNG罐內(nèi)壓力分析

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,充裝易爆介質(zhì)的液相容積應(yīng)不大于幾何容積的90%,選取30%、50%、80%、90%這4種充裝率下25.4 mm的泄漏孔徑,計(jì)算事故條件下LNG罐內(nèi)壓力變化如圖3-a所示.以30%充裝率為例,初始階段泄漏孔的出現(xiàn)導(dǎo)致容器壓力急速下降,隨即在噴射火的作用下,罐內(nèi)壓力開(kāi)始攀升,體現(xiàn)了火災(zāi)對(duì)罐內(nèi)壓力的激勵(lì)作用;在罐內(nèi)壓力的增長(zhǎng)段可以發(fā)現(xiàn),壓力的增長(zhǎng)速度越來(lái)越快,反映出罐內(nèi)得到了更多熱量,結(jié)合LNG泄漏速率曲線,如圖3-b所示,顯示有更多的LNG泄漏并燃燒,體現(xiàn)出罐內(nèi)壓力增長(zhǎng)對(duì)泄漏火災(zāi)的激勵(lì)作用.

圖3　不同充裝率下25.4 mm泄漏孔徑液相泄漏圖

對(duì)比不同充裝率的情形,壓力曲線的攀升速度、最高峰值壓力、泄漏速率都隨充裝率的增加而快速增加,到達(dá)峰值壓力的時(shí)間則隨充裝率的增加而降低.顯而易見(jiàn),充裝率高意味著更大的事故風(fēng)險(xiǎn).同時(shí),通過(guò)對(duì)壓力曲線的分析可以發(fā)現(xiàn),罐內(nèi)壓力增長(zhǎng)非常平穩(wěn),即便在安全閥的起跳點(diǎn)上也并未出現(xiàn)明顯的壓力波動(dòng),這表明針對(duì)此類事故,現(xiàn)有的安全閥配置難以發(fā)揮有效的壓力泄放效果.

3.1.2不同泄漏孔徑下LNG罐內(nèi)壓力分析

以標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最大充裝率90%,選取泄漏風(fēng)險(xiǎn)研究推薦的6.35 mm、12.7 mm、25.4 mm、101.6 mm這4種泄漏孔徑[18],計(jì)算事故條件下LNG罐內(nèi)壓力的變化(圖4).

在不同泄漏孔徑下,罐內(nèi)壓力都遵循先增長(zhǎng)后降低,且達(dá)到的峰值壓力越高,壓力曲線攀升速度越快的一致規(guī)律,而峰值壓力在不同泄漏孔徑下體現(xiàn)了較大差異.鑒于泄漏孔徑在事故過(guò)程中的不確定性,統(tǒng)計(jì)在同一充裝率下不同泄漏孔徑的最大峰值壓力,以90%充裝率為例,計(jì)算結(jié)果如圖5所示.

圖4　不同泄漏孔徑90%充裝率罐內(nèi)壓力曲線圖

圖5　不同充裝率不同泄漏孔徑罐內(nèi)峰值壓力圖

可見(jiàn),存在一個(gè)特定泄漏孔徑,對(duì)應(yīng)某一充裝率下可達(dá)到的最大峰值壓力,結(jié)合之前的分析,這也是壓力曲線攀升最快的情況,是最危險(xiǎn)的罐車泄漏火災(zāi)情況,不同充裝率最危險(xiǎn)泄漏孔徑如圖6所示.

圖6　不同充裝率最危險(xiǎn)泄漏孔徑圖

根據(jù)計(jì)算,在90%常見(jiàn)充裝率下,罐體的最危險(xiǎn)泄漏孔徑為80 mm.

3.2氣相泄漏LNG罐內(nèi)壓力分析

當(dāng)充裝率為90%時(shí),不同泄漏孔徑事故條件下LNG罐內(nèi)壓力變化如圖7-a所示.相對(duì)于液相泄漏,氣相泄漏罐內(nèi)壓力的增長(zhǎng)幅度和速度都小得多,尤其在小孔徑泄漏條件下,壓力增長(zhǎng)緩慢.由90%充裝率不同泄漏孔徑氣相泄漏速率曲線可知(圖7-b),受氣體本身性質(zhì)的影響,氣相泄漏速率要遠(yuǎn)小于液相,故其燃燒熱激勵(lì)對(duì)罐內(nèi)壓力的反饋?zhàn)饔靡偷枚?

同時(shí),在中大孔徑條件下,當(dāng)罐內(nèi)達(dá)到峰值壓力時(shí),存在罐車泄漏-火災(zāi)-罐體壓力的平衡態(tài),此時(shí)罐內(nèi)壓力將保持一定時(shí)間的穩(wěn)定.

圖7　不同泄漏孔徑充裝率90%氣相泄漏圖

4　LNG罐體超壓預(yù)警分析

計(jì)入罐體超壓失效,304不銹鋼屈服強(qiáng)度為205 MPa,抗拉強(qiáng)度為520 MPa,由公式(7)計(jì)算得到超壓失效壓力為2.01 MPa.由于氣相泄漏在不同充裝率和泄漏孔徑條件下都未達(dá)到超壓失效壓力,故只分析液相泄漏火災(zāi)的情景.

4.1最短預(yù)警時(shí)間分析

選取不同充裝率下對(duì)應(yīng)的最危險(xiǎn)泄漏孔徑,預(yù)測(cè)罐體失效時(shí)間.由于事故過(guò)程潛在伴隨輪胎等其他物品的燃燒,基于對(duì)西班牙事故的分析,模型預(yù)測(cè)時(shí)間為實(shí)際失效時(shí)間的1.05和1.04倍,保守起見(jiàn)在計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上除以1.06的安全系數(shù)以獲得最短預(yù)警時(shí)間,不同充裝率下其結(jié)果如圖8所示.

圖8　不同充裝率最短預(yù)警時(shí)間圖

根據(jù)計(jì)算,在90%常見(jiàn)充裝率下,罐體的最短預(yù)警時(shí)間為4.57 min;當(dāng)充裝率低于20%時(shí),泄漏火災(zāi)不會(huì)導(dǎo)致罐體發(fā)生超壓失效.

4.2罐體最大安全泄漏孔徑

通過(guò)計(jì)算可以發(fā)現(xiàn),對(duì)應(yīng)不同充裝率,存在一個(gè)最大安全泄漏孔徑,即當(dāng)泄漏孔徑尺寸小于此孔徑時(shí),罐體不會(huì)發(fā)生超壓失效,不同充裝率下其結(jié)果如圖9所示.

圖9　不同充裝率下最大安全泄漏孔徑圖

在90%常見(jiàn)充裝率下,罐體的最大安全泄漏孔徑為8.6 mm.

5　LNG罐車泄漏火災(zāi)防控建議

從罐體設(shè)計(jì)上,結(jié)合西班牙事故,可以發(fā)現(xiàn)其罐殼壁厚僅為4 mm,由公式(7)可知,每減少1 mm的壁厚,罐體的超壓失效壓力將降低約20%,顯然西班牙罐車在設(shè)計(jì)上偏于危險(xiǎn),而國(guó)內(nèi)目前罐車在設(shè)計(jì)上罐壁厚度也呈下降趨勢(shì),需要引起注意.

對(duì)道路駕駛問(wèn)題,西班牙事故暴露出的超速、注意力不集中在國(guó)內(nèi)更是屢見(jiàn)不鮮,甚至有過(guò)之而無(wú)不及,需要強(qiáng)化相關(guān)安全工作.

在事故應(yīng)急上,由于存在罐體超壓失效的巨大風(fēng)險(xiǎn),需要審慎的救援策略.推薦首先判斷罐體類型、泄漏類型及損傷情況:外壁完整的雙壁罐,由于保溫性能未受傷害,通常不會(huì)發(fā)生超壓失效[2];根據(jù)分析,氣相泄漏火災(zāi)不應(yīng)導(dǎo)致罐體超壓失效;單壁罐或破裂的雙壁罐液相泄漏,不應(yīng)盲目靠近施救(尤其是罐體充裝率高的情況下),可結(jié)合最短預(yù)警時(shí)間和罐體最大安全泄漏孔徑在安全距離外初步判斷潛在風(fēng)險(xiǎn),再通過(guò)觀測(cè)泄漏孔徑,基于LNG罐車泄漏火災(zāi)超壓失效模型預(yù)測(cè)的罐體超壓失效時(shí)間,以決定進(jìn)一步的行動(dòng),而當(dāng)罐內(nèi)LNG存量低于20%時(shí),可解除超壓失效報(bào)警.

救援時(shí)需要對(duì)罐體降溫以降低罐內(nèi)壓力,常用的手段為水噴淋.保守起見(jiàn),以保證罐體在事故過(guò)程中罐內(nèi)壓力不超過(guò)罐體設(shè)計(jì)壓力為原則,預(yù)測(cè)液相泄漏火災(zāi)需要的消防水量.由水冷卻原理可得消防水量(V)計(jì)算公式為:

式中V表示消防用水量,m3/h;Q 表示LNG泄漏火災(zāi)產(chǎn)生的熱量,kJ/h;Qsafe表示罐體所能接受的最大安全熱量,kJ/h;λ表示水的汽化潛熱,kJ/kg;ρw表示水的密度,kg/m3.

通過(guò)迭代分析,不超過(guò)設(shè)計(jì)壓力時(shí),罐體所能接受的最大安全熱量為3.51X106kJ/h,結(jié)合不同充裝率下最危險(xiǎn)的罐車泄漏火災(zāi)情況,計(jì)算得到最小消防水量如圖10所示.

在常見(jiàn)的90%充裝率下,罐體所需的最小消防水量為50.68 m3/h.

圖10　不同充裝率下最小消防水量圖

6　結(jié)論

1)針對(duì)LNG罐車泄漏火災(zāi)事故,建立LNG罐車泄漏火災(zāi)超壓失效預(yù)測(cè)模型,及其快速模型求解方案,通過(guò)耦合罐車泄漏工藝流程和LNG火災(zāi)燃燒熱模型,充分反映LNG罐車泄漏-火災(zāi)-罐體超壓循環(huán)激勵(lì)過(guò)程,且預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際事故情況相比取得了良好的一致性.

2)結(jié)合典型LNG罐車設(shè)計(jì),分析不同泄漏形式、罐體充裝率和泄漏孔徑下罐內(nèi)壓力變化及其規(guī)律,由計(jì)算分析,氣相泄漏火災(zāi)不應(yīng)導(dǎo)致罐體超壓失效;針對(duì)液相泄漏火災(zāi),預(yù)測(cè)罐體超壓失效時(shí)間,獲得不同充裝率下的罐體最危險(xiǎn)泄漏孔徑、最短預(yù)警時(shí)間和罐體最大安全泄漏孔徑,對(duì)于常見(jiàn)的90%充裝率,其值分別為80 mm、4.57 min和8.6 mm,而罐體不會(huì)超壓失效的最大充裝率為20%.

3)從罐體設(shè)計(jì)、道路駕駛、事故應(yīng)急方面提出LNG罐車泄漏火災(zāi)事故的防控建議,并結(jié)合消防水噴淋降溫手段,給定在不同充裝率下液相泄漏火災(zāi)罐體所需最小消防水量,常見(jiàn)90%充裝率所需水量為50.68 m3/h.

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(修改回稿日期 2016-07-05 編 輯 陳 嵩)

Failure warning, prevention and control of LNG road tanker trucks: A cycle motivation of "leakage-fire-overload on the tank" in accidents

Zhu Yuan, Zhang Xiaojin, Shi Jihao, Chen Guoming, Fu Jianmin
(Offshore Oil and Gas Equipment and Safety Technology Research Center, China Uniνersity of Petroleum, Qingdao, Shandong 266580, China)

NATUR. GAS IND. VOLUME 36, ISSUE 8, pp.138-144, 8/25/2016. (ISSN 1000-0976; In Chinese)

Liquefied natural gas (LNG), playing an important part in clean energy utilization at present, prompts the requirements of road tanker trucks but raises great concerns for its transportation safety. In view of this,an analysis was first made on the whole failure process from LNG leakage to fire to the overload on the tank in some real accidents of LNG road tanker trucks with focus on the cycle motivation of "leakage-fire-overload on the tank". On this basis, a failure prediction model of "leakage-fire-overload on the tank" in accidents of LNG road trucks was proposed and its rapid calculation programmer was constructed, with the concentration on the tank disintegration caused by overpressure. This model, by coupling the process simulation of tank leakage and LNG fire combustion model, focuses on the dangerous cycle motivation of the "leakage-fire-overload on the tank" process exposed in the accidents, is capable of predicting the overpressure of tank failure time, tank inside pressure, leaking intensity, etc., and gets good compliance with the accident investigations. Research results shows that the fire induced by gaseous phase leakage will not lead to overload failure of the tank; and under the condition of the fire of liquefied phase leakage, with the increase of the filling volume, the pressure growth speed, peak pressure and leaking rate increase, and the time required to reach the peak pressure reduces, which is much more dangerous. From the point of early warning of "leakage-fire-overload on the tank" in accidents, the most dangerous leak orifice, minimum warning time and maximum safe leak orifice versus various filling volumes are all determined, and the maximum safe filling volume in which the tank will not collapse is also provided. Combined with the problems emerging in the accidents and traffic safety, some advices on the tank design, road driving and accident emergency are proposed here. And the minimum supplies of fire sprinkler water used to cool the tank are also suggested based on the filling volume, in order to provide a support for prevention and control of the tank overpressure during the fire of liquefied phase leakage.

Liquefied natural gas; LNG tanker road truck; Leakage-fire-overload on the tank; Overpressure warning; Prevention and control

10.3787/j.issn.1000-0976.2016.08.019

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目"燃爆條件下深水油氣開(kāi)發(fā)工藝災(zāi)變機(jī)制與控制基礎(chǔ)研究"(編號(hào): 15CX05018A)、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目"極端海洋環(huán)境下海洋固定平臺(tái)生存能力及動(dòng)力災(zāi)變應(yīng)急對(duì)策研究"(編號(hào):51579246).

朱淵,1982年生,副教授;研究方向?yàn)橛蜌獍踩こ?地址:(266580)山東省青島市黃島區(qū)長(zhǎng)江西路66號(hào).ORCID: 0000-0003-2942-781X.E-mail: zhy3323@163.com