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(shè)備,建造數(shù)量日益增多,一旦發(fā)生火災(zāi)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(guān)研究非常重要。系統(tǒng)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(chǔ)設(shè)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(yīng)選取的安全檢測方式。同時，總結(jié)了LNG儲罐的道化學火災(zāi)爆炸危險指數(shù)法、過程決策程序圖評價法以及模糊理論和灰色關(guān)聯(lián)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(yīng)用最廣泛的液化天然氣儲存設(shè)備。LNG具有運輸便捷、存儲高效等優(yōu)點,是城市輸配氣系統(tǒng)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(guān),通常情況下密度處于440～480 kg/m3之間。LNG儲罐安全問題關(guān)乎著國民經(jīng)濟發(fā)展及社會生活穩(wěn)定,LNG儲罐爆炸事故會導(dǎo)致經(jīng)濟損失和人員傷亡,以及環(huán)境污染。由于LNG處于低溫狀態(tài),當LNG儲罐出現(xiàn)泄漏時,將產(chǎn)生巨大的低溫沖擊,不利于外罐的結(jié)構(gòu)安全,因此,LNG儲罐的絕熱性能必須優(yōu)良,其設(shè)計、制造和管理有較高的要求[1-4]。

1 LNG儲罐冷卻技術(shù)

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(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點,但也存在蒸發(fā)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(fā)率小和承壓能力強的優(yōu)勢,而且能夠節(jié)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(lián)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(yōu)點,而且還具有所需設(shè)備少、便于操作、安全可靠以及工藝簡單等優(yōu)點[5]。

LNG儲罐的冷卻技術(shù)主要是能降低儲罐內(nèi)部組件的溫度,使其溫度從環(huán)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(huán)節(jié)。LNG儲罐冷卻前期準備工作主要包括相關(guān)文件的準備、人員和工具的準備、系統(tǒng)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(yīng)適應(yīng)在低溫條件下工作,低溫下金屬材料的性質(zhì)有較大改變,選擇材料時應(yīng)考慮其在常溫和-196 ℃之間的強度,材料應(yīng)該在該溫度范圍內(nèi)具有足夠的剛度、強度和韌性,能夠避免LNG儲罐發(fā)生低應(yīng)力脆斷事故,同時,所選材料還應(yīng)該具有較好的金相結(jié)構(gòu)、加工性和焊接性,此外,所選材料還應(yīng)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(yīng)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(guān)鍵,若LNG儲罐充注時不恰當,將引起LNG儲罐的分層,產(chǎn)生翻滾,導(dǎo)致大量的LNG快速蒸發(fā)或者泄漏,引發(fā)安全事故,因此,在LNG儲罐充注過程中應(yīng)該遵循如下基本原則[6]:

1)新充注LNG密度比罐內(nèi)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(nèi)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(nèi)的離心低溫泵實現(xiàn)液體從罐底到罐頂?shù)难h(huán)。

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(guān)注,研究的熱點問題是LNG儲罐翻滾模型的構(gòu)造、分層和翻滾機理的分析以及分層和翻滾預(yù)防措施的確定。在LNG儲存時,罐內(nèi)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(xiàn)翻滾現(xiàn)象。LNG儲罐的翻滾過程是一種激烈的混合狀態(tài),同時伴有罐內(nèi)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(yīng)將密度大的LNG充注在罐底部,尤其要避免分層的產(chǎn)生,降低事故的發(fā)生率[7]。

2.3 LNG儲罐基礎(chǔ)安全措施

LNG儲罐對基礎(chǔ)的要求較高,目前主要采取的基礎(chǔ)包括直接式基礎(chǔ)和樁基式基礎(chǔ)。樁基式基礎(chǔ)的整體性和剛性較好,但施工難度大,應(yīng)該嚴格控制施工質(zhì)量,確保每個施工環(huán)節(jié)都符合規(guī)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(chǔ)設(shè)計方案選擇中,應(yīng)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(shè)計方案,使LNG儲罐的基礎(chǔ)能夠具備足夠的承載力,沉降滿足設(shè)計要求。此外,LNG儲罐的隔震也是基礎(chǔ)設(shè)計應(yīng)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(chǔ)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(fù)位彈簧等機械構(gòu)建避免地震能量輸入LNG儲罐上部結(jié)構(gòu),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(chǔ)的隔震機理應(yīng)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(yīng)該關(guān)注低溫引起的危害；另一方面,還應(yīng)該確保其不產(chǎn)生燃燒,避免火災(zāi)事故發(fā)生。LNG儲罐容易產(chǎn)生泄漏,若不能及時發(fā)現(xiàn),則泄漏量達到極限將產(chǎn)生池火災(zāi),當發(fā)生池火災(zāi)時,若不能自然熄滅,則將產(chǎn)生蒸汽云爆炸。因此,對LNG儲罐應(yīng)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(tǒng)、泡沫滅火系統(tǒng)、滅火器以及火災(zāi)報警系統(tǒng)等,而在LNG儲罐罐頂設(shè)置消防水噴淋系統(tǒng),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(yīng)力集中現(xiàn)象,此時主要失效模式就是泄漏，通常采用的檢測技術(shù)包括紅外熱成像技術(shù)、帶導(dǎo)架的內(nèi)窺檢測技術(shù)等。如果LNG儲罐和管路系統(tǒng)產(chǎn)生的泄漏量較少,應(yīng)該采用非空氣狀態(tài)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(jié)果以及相關(guān)技術(shù)規(guī)范評定。LNG儲罐使用過程中未開罐或者從未進入罐內(nèi)檢測時,應(yīng)該在3年內(nèi)進行檢測,以確保其安全性。

4 LNG儲罐安全評價技術(shù)

對LNG儲罐進行安全評價非常重要,目前許多評價技術(shù)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(zāi)爆炸危險指數(shù)評價法

道化學火災(zāi)爆炸危險指數(shù)評價法以工藝單元為基本要素,對不同單元內(nèi)的危險物進行評價,確定工藝的危險性。主要評價LNG儲罐內(nèi)介質(zhì)的物性、輸送和儲存以及化學反應(yīng)等的安全問題,按照實際情況確定參數(shù),最后獲得一個工藝單元的危險系數(shù),并對工藝單元進行分級,全面了解LNG儲罐的潛在火災(zāi)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(zāi)爆炸危險指數(shù)評價法對其進行安全評價,分別確定55 m3LNG儲罐的物質(zhì)指數(shù)、一般工藝危險指數(shù)、特殊工藝危險指數(shù)、單元危險指數(shù)、火災(zāi)爆炸指數(shù)，以及安全措施補償指數(shù),并且確定不同火災(zāi)爆炸危險指數(shù)值對應(yīng)的爆炸危險等級,綜合計算結(jié)果最終確定安全評價結(jié)果,見表1。

表1 55 m3LNG儲罐安全評價結(jié)果

項目數(shù)值火災(zāi)爆炸危險指數(shù)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(fā)生的重大事故,動態(tài)地評價LNG儲罐的安全性,該方法較靈活,不僅能夠從出發(fā)點追蹤到結(jié)果,而且能夠從結(jié)果反推出中間發(fā)生的原因。通過該方法能夠預(yù)測LNG儲罐事故,能夠在設(shè)計中進行改進,避免危險事故的發(fā)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(jù)評價法中的對策加以糾正,能夠保證LNG儲罐處于安全狀態(tài)。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(yīng)一個應(yīng)對策略,能夠?qū)崿F(xiàn)安全評價和對應(yīng)策略的同步進行,更有效地應(yīng)對LNG儲罐的安全問題。

4.3 模糊理論和灰色關(guān)聯(lián)分析評價

LNG儲罐的火災(zāi)爆炸風險評價屬于多層次、多目標的系統(tǒng),在評價過程中應(yīng)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(zāi)爆炸危險的影響因素,不同影響因素和LNG儲罐安全性的關(guān)聯(lián)程度可以通過灰色關(guān)聯(lián)分析確定,將模糊理論和灰色關(guān)聯(lián)分析結(jié)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(quán)向量的有效性,更準確地獲得LNG儲罐的安全現(xiàn)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(guān)安全評價指標歸一化處理,利用模糊理論和灰色關(guān)聯(lián)分析的算法流程進行分析,計算結(jié)果見表2。

表2 3種LNG儲罐防火防爆措施安全評價結(jié)果

防火防爆措施關(guān)聯(lián)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(guān)聯(lián)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(jù)分析結(jié)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(fā)生。

5 結(jié)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(yè)中重要設(shè)備,其形式、充注、安全、儀表系統(tǒng)等相關(guān)信息受到了關(guān)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(shè)計、制造、運行以及防爆等方面提出了許多有效的預(yù)防措施,通過合理的設(shè)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。

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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(shè)備的安全分析。

10.3969/j.issn.1006-5539.2016.04.020