液化天然氣儲(chǔ)罐安全防護(hù)技術(shù)的研究進(jìn)展

張淑淑，邢志祥，錢　輝，張　健

(1.常州大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院，江蘇 常州 213164；2.江蘇省特種安全防護(hù)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，江蘇 泰州 225300；3.江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，江蘇 南京 210036)

隨著石油和煤炭的可開(kāi)采量越來(lái)越少，世界能源結(jié)構(gòu)逐漸發(fā)生重大變化；此外使用石油和煤炭會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染，因此開(kāi)發(fā)利用清潔能源迫在眉睫。天然氣逐漸走進(jìn)了人們的視線中，它是一種新型的高效、清潔能源，但具有易燃易爆等特性。液化天然氣(LNG)是將氣態(tài)天然氣液化后得到的超低溫液體，液化后的液態(tài)體積僅為氣態(tài)時(shí)的1/600[1]，因此將天然氣液化能減小儲(chǔ)存空間和成本，使天然氣得到更廣泛的應(yīng)用。LNG儲(chǔ)罐是儲(chǔ)存LNG的主要設(shè)備，其運(yùn)行時(shí)處于超低溫狀態(tài)下且天然氣具有易燃易爆等特性，因此LNG儲(chǔ)罐極易發(fā)生各類事故，一旦發(fā)生，其后果影響極為嚴(yán)重。為預(yù)防LNG儲(chǔ)罐發(fā)生事故，不僅應(yīng)從人為操作上加強(qiáng)安全管理，更應(yīng)從設(shè)計(jì)方面考慮儲(chǔ)罐的安全防護(hù)性能，使其達(dá)到本質(zhì)安全。為此，本文對(duì)LNG儲(chǔ)罐的主動(dòng)和被動(dòng)安全防護(hù)技術(shù)以及儲(chǔ)罐內(nèi)部填充多孔材料的阻隔防護(hù)技術(shù)的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述。

1　液化天然氣的事故類型

LNG儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中的事故類型包括泄漏、火災(zāi)、爆炸、翻滾等，事故后果極為嚴(yán)重，主要有泄漏、閃火、池火、噴射火、蒸氣云爆炸、沸騰液體擴(kuò)展蒸氣爆炸(BLEVE)、翻滾。

若LNG泄漏，其中一小部分立即汽化成蒸氣，其余泄漏液體流到地面形成液池，液池內(nèi)液體發(fā)生汽化，產(chǎn)生大量蒸氣，形成蒸氣云[2]。當(dāng)蒸氣體積比為爆炸下限5%及以上時(shí)，蒸氣云遇火源就會(huì)發(fā)生燃燒：若蒸氣量較少，發(fā)生閃火；若蒸氣量較多，蒸氣被點(diǎn)燃后回燃至液池表面，形成池火；若蒸氣一泄漏就被點(diǎn)燃，則發(fā)生噴射火[3-4]。當(dāng)蒸氣體積比在爆炸極限(5%～15%)范圍以內(nèi)時(shí)，蒸氣云遇火源則發(fā)生爆炸[2]。當(dāng)LNG儲(chǔ)罐處于火災(zāi)環(huán)境下且受到撞擊或機(jī)械失效時(shí)，可能發(fā)生破裂，若儲(chǔ)罐破裂，LNG噴出并急劇汽化，遇火源則發(fā)生BLEVE，或者當(dāng)儲(chǔ)罐內(nèi)部壓力過(guò)高，發(fā)生物理爆炸時(shí)，遇火源也會(huì)發(fā)生BLEVE[5-6]。翻滾的發(fā)生是由于外界與液體存在溫度差導(dǎo)致儲(chǔ)罐內(nèi)LNG分層被破壞，首先由于LNG密度不同產(chǎn)生分層現(xiàn)象，上分層液體密度較小，下分層液體密度較大；其次儲(chǔ)罐從外界吸熱，上層液體中的輕組分率先蒸發(fā)導(dǎo)致密度增大，而下層液體的變化情況分為兩種：第一種是下層液體的溫度升高，密度減小，當(dāng)減小的下層液體密度與增長(zhǎng)的上層液體密度接近時(shí)，分層界面被破壞，翻滾現(xiàn)象發(fā)生；另一種是下層液體的溫度降低，密度增大，當(dāng)上層液體的密度增大到與下層液體密度接近時(shí)，便發(fā)生翻滾現(xiàn)象[7]。

2　液化天然氣儲(chǔ)罐主動(dòng)安全防護(hù)技術(shù)的研究進(jìn)展

LNG儲(chǔ)罐主動(dòng)安全防護(hù)技術(shù)是以防止儲(chǔ)罐發(fā)生事故而采取的主動(dòng)防護(hù)措施，主要包括采用保溫絕熱防護(hù)措施、壓力防護(hù)措施、隋性氣體抑爆措施以及預(yù)防LNG翻滾的措施等。

2. 1　保溫絕熱防護(hù)措施

由于LNG儲(chǔ)罐內(nèi)液體與外界環(huán)境之間存在很大的溫度差，所以儲(chǔ)罐的絕熱保冷設(shè)計(jì)是其安全防護(hù)技術(shù)最基本的要求。目前，小型LNG儲(chǔ)罐大多采用真空絕熱或真空粉末絕熱，中型、大型及特大型LNG儲(chǔ)罐常采用堆積絕熱。

LNG儲(chǔ)罐需要絕熱的部位主要有罐壁、罐底及罐頂?shù)牡蹴?。罐壁的保冷材料一般選用膨脹珍珠巖或珠光砂，由于內(nèi)罐壁接觸到低溫液體發(fā)生冷縮現(xiàn)象導(dǎo)致保冷材料下沉，不僅影響上部空間保冷，還會(huì)導(dǎo)致內(nèi)罐壁承受保冷材料帶來(lái)的外部壓力，或者內(nèi)罐壁因?yàn)槟撤N原因發(fā)生膨脹也會(huì)承受這種壓力，通常會(huì)在內(nèi)罐外壁安裝一定厚度的彈性玻璃纖維氈來(lái)減少內(nèi)罐壁承受的壓力[8]。罐底保冷層分為環(huán)形邊緣保冷層、中心保冷層兩部分，環(huán)形邊緣保冷層是承受儲(chǔ)罐及液體重量的主要部分，所以一般采用混凝土或混凝土與高強(qiáng)度泡沫玻璃磚，而中心保冷層一般采用泡沫玻璃磚[9]。罐頂保冷是在鋁吊頂上覆蓋保冷材料，因?yàn)殇X吊頂?shù)膭偠容^低，所以一般選用導(dǎo)熱系數(shù)低且密度小的保冷材料，如玻璃棉。

2. 2　壓力防護(hù)措施

為了防止LNG儲(chǔ)罐壓力過(guò)高或過(guò)低時(shí)發(fā)生事故，應(yīng)在罐頂安裝安全閥和真空閥。

LNG儲(chǔ)罐在正常運(yùn)行時(shí)，通過(guò)BOG壓縮機(jī)調(diào)節(jié)壓力使其維持在規(guī)定范圍內(nèi)，但當(dāng)儲(chǔ)罐內(nèi)壓力過(guò)高時(shí)，BOG壓縮機(jī)便不起作用，此時(shí)首先通過(guò)調(diào)節(jié)閥將蒸發(fā)氣體引入火炬總管，若壓力持續(xù)升高，達(dá)到安全閥的設(shè)定值時(shí)，則安全閥打開(kāi)，釋放蒸發(fā)氣體，避免儲(chǔ)罐因壓力過(guò)高發(fā)生事故[10]。此外，為了避免閥座結(jié)冰導(dǎo)致安全閥無(wú)法開(kāi)啟，安全閥須采用先導(dǎo)式安全閥；同時(shí)，為了避免壓力泄放時(shí)外罐拱頂及吊頂受到破壞，安全閥進(jìn)口管道必須伸到吊頂以下[9]。當(dāng)儲(chǔ)罐內(nèi)壓力過(guò)低時(shí)，首先通過(guò)調(diào)節(jié)閥向罐內(nèi)注入干燥天然氣或氮?dú)?，若壓力持續(xù)降低，則真空閥打開(kāi)，向罐內(nèi)注入空氣，但真空閥接管不宜深入到內(nèi)罐吊頂以下[11]。

由此可見(jiàn)，安全閥和真空閥是維持LNG儲(chǔ)罐內(nèi)壓力在正常范圍內(nèi)的最后一道防線，對(duì)保護(hù)儲(chǔ)罐的安全起著不可或缺的作用。但安全閥的保護(hù)功能過(guò)于單一，當(dāng)儲(chǔ)罐發(fā)生火災(zāi)或爆炸等事故時(shí)，既不能降低儲(chǔ)罐表面溫度，也不能撲滅火災(zāi)，因此安全閥應(yīng)配合其他安全防護(hù)措施共同使用。

2. 3　惰性氣體抑爆措施

LNG儲(chǔ)罐內(nèi)盛裝LNG及其蒸發(fā)氣體，為防止氣體混合物達(dá)到爆炸極限，在儲(chǔ)罐注入LNG前，通常采用氮?dú)庵脫Q罐內(nèi)氣體，使儲(chǔ)罐內(nèi)氧氣含量滿足要求。

2. 4　預(yù)防LNG翻滾的措施

LNG的密度差造成的分層是導(dǎo)致翻滾事故發(fā)生的根本原因，因此避免分層現(xiàn)象或者及時(shí)消除分層現(xiàn)象可避免翻滾事故的發(fā)生，具體可以從操作方法和儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)方面采取一定的措施[12]：

(1) 選擇正確的充注方法，一般來(lái)說(shuō)向儲(chǔ)罐內(nèi)充注LNG的方法有頂部充注和底部充注兩種，當(dāng)新充注的LNG的密度比儲(chǔ)罐內(nèi)原有LNG的密度大時(shí)，可采用頂部充注的方法；反之，則采用底部充注的方法。

(2) 充注時(shí)的管道和噴嘴應(yīng)分別采用多孔管和混合噴嘴，使得新注入的LNG和儲(chǔ)罐內(nèi)原有的LNG充分混合。

(3) 在儲(chǔ)罐內(nèi)壁設(shè)置LTD探測(cè)器，以監(jiān)測(cè)LNG液位、溫度、密度的變化，當(dāng)監(jiān)測(cè)到儲(chǔ)罐內(nèi)LNG的溫差大于0.2℃，密度差大于0.5 kg/m3時(shí)，就可以認(rèn)為L(zhǎng)NG發(fā)生了分層，應(yīng)立刻啟動(dòng)循環(huán)泵，及時(shí)消除分層現(xiàn)象。

(4) 采取措施使LNG含氮量不超過(guò)1%，并且還要避免含氮量高的LNG在儲(chǔ)罐內(nèi)長(zhǎng)期儲(chǔ)存。

(5) 將不同氣源的LNG分開(kāi)儲(chǔ)存，以避免LNG由于密度差而產(chǎn)生分層現(xiàn)象。

3　液化天然氣儲(chǔ)罐被動(dòng)安全防護(hù)技術(shù)的研究進(jìn)展

LNG儲(chǔ)罐被動(dòng)安全防護(hù)技術(shù)是以儲(chǔ)罐發(fā)生事故后盡可能減少事故的危害為指導(dǎo)，采取的應(yīng)對(duì)措施,主要包括圍護(hù)措施、消防冷卻水防護(hù)措施、泡沫覆蓋措施、干粉滅火措施、移動(dòng)式滅火器材滅火措施、隔熱物質(zhì)覆蓋措施、隔震減震措施等。

3. 1　圍護(hù)措施

圍堰不僅可容納泄漏的LNG，還可以抑制LNG蒸發(fā)氣的擴(kuò)散，因此須按規(guī)范為L(zhǎng)NG儲(chǔ)罐設(shè)置安全圍護(hù)設(shè)施，即圍堰，亦稱防火堤。

LNG儲(chǔ)罐按罐體結(jié)構(gòu)可分為單容罐、雙容罐、全容罐，其中單容罐應(yīng)單獨(dú)設(shè)置圍堰，雙容罐和全容罐的圍堰與外罐相連[13]。我國(guó)相關(guān)規(guī)范和美國(guó)防火協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)(NFPA59A)規(guī)定[14-15]：?jiǎn)稳莨薜耐鈬鷳?yīng)設(shè)置圍堰，且圍堰距單容罐內(nèi)罐的距離應(yīng)≥儲(chǔ)罐最高液位-圍堰高度+液面上蒸氣壓的當(dāng)量壓頭；NFPA59A還規(guī)定：圍堰必須選擇混凝土等耐低溫材料建造。此外，呂鳳芹[13]介紹了LNG廠站工程中常規(guī)圍堰區(qū)的分類、存在的問(wèn)題以及圍堰區(qū)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3. 2　消防冷卻水防護(hù)措施

當(dāng)LNG儲(chǔ)罐發(fā)生火災(zāi)時(shí)，產(chǎn)生的熱輻射會(huì)對(duì)周圍的人和設(shè)備設(shè)施造成危害，同時(shí)儲(chǔ)罐受到烘烤，罐體強(qiáng)度下降，若儲(chǔ)罐突然開(kāi)裂，大量液體噴出，會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的BLEVE，因此必須控制蒸發(fā)氣體的濃度，防止儲(chǔ)罐發(fā)生火災(zāi)；若LNG儲(chǔ)罐發(fā)生火災(zāi)，必須對(duì)儲(chǔ)罐及其管道進(jìn)行冷卻，水流可以冷卻儲(chǔ)罐，吸收火災(zāi)產(chǎn)生的熱量，防止火災(zāi)演變成BLEVE。消防冷卻水防護(hù)措施有水幕、水噴淋、水噴霧、固定消防水炮及室外消火栓，其中水幕、水噴淋和水噴霧的區(qū)別在于使用的噴頭的結(jié)構(gòu)和性能不同。

(1) 水幕。LNG儲(chǔ)罐發(fā)生火災(zāi)的本質(zhì)原因是儲(chǔ)罐發(fā)生泄漏產(chǎn)生蒸發(fā)氣體，其濃度達(dá)到了燃燒下限并遇到著火源，如果可以稀釋氣體濃度使其低于燃燒下限，火災(zāi)就不會(huì)發(fā)生，水幕法正是一種簡(jiǎn)單、可以稀釋氣體濃度的方法。水幕系統(tǒng)主要包括水幕噴頭、管道和控制閥等，它的工作原理是通過(guò)形成水幕來(lái)稀釋氣體濃度，使其低于燃燒下限，或者是當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，也可起到防火幕的作用[16]。水幕有扇形水幕、向上實(shí)心錐形水幕、向下實(shí)心錐形水幕3種，其主要缺點(diǎn)是容易受環(huán)境風(fēng)影響且熱交換少；若同時(shí)使用3種水幕，則用水量較多，且與只使用向上實(shí)心錐形水幕相比，控制效果并無(wú)明顯差別；綜合來(lái)講，水幕控制LNG蒸氣效果從好到差的排序依次為：向上實(shí)心錐形水幕、扇形水幕、向下實(shí)心錐形水幕[17-19]。EN1473標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)水幕的要求有：①根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果確定水幕系統(tǒng)布置的位置，可設(shè)置在靠近可能發(fā)生LNG泄漏的地方，但是要避免水進(jìn)入到LNG；②建議水流速度為70 L/(min·m)[16]。

(2) 水噴霧或水噴淋。設(shè)置水噴霧或水噴淋系統(tǒng)的主要目的是當(dāng)LNG儲(chǔ)罐發(fā)生火災(zāi)時(shí)，對(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行冷卻降溫，防止形成BLEVE，該系統(tǒng)主要由雨淋控制閥、管道、噴頭、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)等組成。水噴霧系統(tǒng)噴出的細(xì)小水霧滴粒徑小于1 mm，水噴淋系統(tǒng)噴出的細(xì)小水霧滴粒徑為1～2 mm，前者先以水霧阻擋輻射熱通過(guò)，降低熱量傳遞效率，再對(duì)壁面進(jìn)行冷卻，后者直接以水流方式作用于罐壁；兩者相比較，水噴霧系統(tǒng)由于噴出的水滴粒徑小，有更好的吸熱作用和窒息效果，大大提高了水的利用率[20]，但正是由于這種優(yōu)點(diǎn)，也導(dǎo)致了其噴出的細(xì)水霧易受風(fēng)速和火災(zāi)熱流的影響?！端畤婌F滅火系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》(GB 50219—2014)[21]給出了設(shè)置水噴霧系統(tǒng)的參數(shù)，其中第3.1.2條指出：當(dāng)LNG儲(chǔ)罐為單容罐、雙容罐時(shí)，應(yīng)在罐壁、罐頂設(shè)置水噴霧系統(tǒng)；當(dāng)LNG儲(chǔ)罐為全容罐時(shí)，應(yīng)在罐頂泵平臺(tái)、管道進(jìn)出口等局部危險(xiǎn)部位及管帶處設(shè)置水噴霧系統(tǒng)，用于水冷卻保護(hù)或吹散稀釋該處的泄漏物質(zhì)。設(shè)計(jì)水噴霧強(qiáng)度應(yīng)從該規(guī)范中查找，無(wú)論是哪種形式的儲(chǔ)罐，水噴霧系統(tǒng)的持續(xù)供給時(shí)間最低為6 h[21]。文獻(xiàn)[22]指出當(dāng)雙容罐外罐為混凝土?xí)r，不需在罐壁設(shè)置水噴霧系統(tǒng)，只需在罐頂設(shè)置即可。水噴霧系統(tǒng)噴頭數(shù)量應(yīng)依據(jù)規(guī)范第7.1.1條和第7.1.2條確定，且應(yīng)使水霧直接噴向并覆蓋儲(chǔ)罐外壁，且與外壁之間的距離最大為0.7 m[21]。文獻(xiàn)[23]指出一個(gè)儲(chǔ)罐的消防用水量在設(shè)計(jì)水量基礎(chǔ)上還應(yīng)考慮20%的風(fēng)吹和系統(tǒng)損失量。

(3) 固定消防水炮及室外消火栓。固定消防水炮及室外消火栓都是在LNG儲(chǔ)罐發(fā)生火災(zāi)時(shí)，以水流的方式作用于罐壁，其缺點(diǎn)是耗水量大，水的利用率低。水噴淋或水噴霧系統(tǒng)的噴頭容易堵塞，且在發(fā)生火災(zāi)或爆炸時(shí)易受到損壞，此時(shí)可以采用固定消防水炮及室外消火栓冷卻來(lái)保護(hù)儲(chǔ)罐。每個(gè)室外消火栓旁都要配備一個(gè)消火栓箱，箱內(nèi)裝有消防水槍及消防水帶，其缺點(diǎn)是火災(zāi)產(chǎn)生的熱輻射會(huì)使人員很難操作且容易對(duì)人體本身造成傷害。

3. 3　泡沫覆蓋措施

LNG儲(chǔ)罐的集液池或圍堰應(yīng)設(shè)置高倍數(shù)泡沫系統(tǒng)，它能有效地驅(qū)散蒸發(fā)氣體，當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，能迅速形成泡沫覆蓋層,以減少火焰向液池傳遞熱能，使蒸發(fā)速度減慢[24]。高倍數(shù)泡沫系統(tǒng)由高倍數(shù)原液罐、過(guò)濾器、控制閥、管道、泡沫比例混合器、泡沫發(fā)生器、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)等組成，其中泡沫混合液供給強(qiáng)度不宜小于7.2 L/(min·m2)，供給時(shí)間不宜小于40 min，且其在泄漏液體上的覆蓋厚度不應(yīng)小于0.6 m，以有效地保護(hù)池內(nèi)的LNG不至于揮發(fā)；高倍數(shù)泡沫系統(tǒng)宜選用相同的泡沫發(fā)生器，且應(yīng)布置均勻[25]。

2009年，MKOSPC的Yun[26]的研究表明：采用發(fā)泡倍數(shù)為500∶1的高倍數(shù)泡沫抑制LNG蒸發(fā)的效果最好，同時(shí)高倍數(shù)泡沫的有效淹沒(méi)深度最小為0.64 m。目前，安格斯消防公司生產(chǎn)的FT高倍數(shù)泡沫系統(tǒng)與他們生產(chǎn)的Expandol泡沫液配合使用，不僅泡沫使用量較小，而且能更好地達(dá)到驅(qū)散易燃蒸氣及控制燃燒的效果[24]。

3. 4　干粉滅火措施

當(dāng)LNG儲(chǔ)罐超壓，安全閥打開(kāi)將超壓氣體排至大氣時(shí)，安全閥附近就存在火災(zāi)的危險(xiǎn)，因此應(yīng)在安全閥出口處設(shè)置干粉滅火系統(tǒng)。干粉滅火系統(tǒng)由干粉罐、氮?dú)馄俊p壓閥、干粉輸送管道及噴頭組成，它是通過(guò)干粉在高壓氣體的帶動(dòng)下噴向火源，通過(guò)吸收火焰中的OH自由基和H自由基，稀釋燃燒周圍的氧氣濃度，使燃燒中斷[27]。根據(jù)《干粉滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50347—2004)[28]第3.1.5條的規(guī)定：干粉滅火系統(tǒng)宜采用碳酸氫鈉干粉滅火劑。由于干粉滅火系統(tǒng)設(shè)在安全閥附近，考慮到系統(tǒng)自身的安全，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將其設(shè)置在安全閥的上風(fēng)向[29]。目前，儲(chǔ)罐安全閥處的干粉滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)取值還未形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。

3. 5　移動(dòng)式滅火器材滅火措施

NFPA59A標(biāo)準(zhǔn)[14]規(guī)定：在LNG可能發(fā)生泄漏的位置應(yīng)配備手提式或推車式滅火器。因此，應(yīng)在罐頂各平臺(tái)處配置滅火器，滅火器的類型、規(guī)格和數(shù)量根據(jù)《建筑滅火器配置設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50140—2005)[30]確定。

3. 6　隔熱物質(zhì)覆蓋措施

當(dāng)LNG儲(chǔ)罐發(fā)生火災(zāi)時(shí)，為阻隔火災(zāi)向儲(chǔ)罐傳遞熱量，在儲(chǔ)罐外部覆蓋一層導(dǎo)熱系數(shù)小，并能吸熱的耐火材料，能有效延緩儲(chǔ)罐罐體過(guò)熱，降低LNG的溫升和壓升速率[31]。

3. 7　隔震減震措施

在進(jìn)行LNG儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)時(shí)，常常要考慮地震情況下儲(chǔ)罐的抗震能力，為了增強(qiáng)儲(chǔ)罐的抗震能力，就需要采取一些措施來(lái)減少地震對(duì)儲(chǔ)罐本身的影響。目前，已經(jīng)應(yīng)用在儲(chǔ)罐上的物理隔震減震方法只有橡膠支座，但這種方法有很多缺點(diǎn)，比如對(duì)周期長(zhǎng)的水平震動(dòng)容易引發(fā)共振，對(duì)豎向震動(dòng)則不起減震作用，而且由于沒(méi)有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，使得橡膠支座的推廣應(yīng)用具有很多不確定性，因此有研究者對(duì)隔震減震方法進(jìn)行了研究，如屈長(zhǎng)龍等[32]介紹了開(kāi)發(fā)減震消能裝置、利用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)等其他隔震減震方法的思路。

4　液化天然氣儲(chǔ)罐內(nèi)部阻隔防護(hù)技術(shù)的研究

多孔介質(zhì)是一種多相物質(zhì)共存、由固相和氣相或液相組成的物質(zhì)，固相作為固體骨架，液相或氣相充滿了孔隙空間，作為阻隔防護(hù)的多孔介質(zhì)，孔隙之間必須相互連通[33]。由于多孔材料具有比表面積大、質(zhì)量輕、體積小、導(dǎo)熱性能好等優(yōu)點(diǎn)，因此近年來(lái)越來(lái)越被人們所關(guān)注，具有廣泛的應(yīng)用前景。Nield等[34]最先開(kāi)始了多孔介質(zhì)方面的研究，詳細(xì)介紹了多孔介質(zhì)內(nèi)的自然對(duì)流現(xiàn)象;Wang等[35]研究了通道內(nèi)多孔材料填充位置對(duì)流體流動(dòng)和傳熱的影響;Mishra等[36]研究了豎直管中的中間區(qū)域填充多孔材料后其內(nèi)部的流體流動(dòng)規(guī)律;Nimvari等[37]研究了通道中心和壁面兩個(gè)位置放置多孔材料，通道內(nèi)湍流流動(dòng)和傳熱的變化情況；王棟[38]通過(guò)數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究的方法對(duì)復(fù)合腔體內(nèi)的自然對(duì)流和傳熱現(xiàn)象進(jìn)行了研究。類似的研究很多，研究對(duì)象大多是管道、復(fù)合腔體等，關(guān)于儲(chǔ)罐內(nèi)填充多孔材料的研究則相對(duì)較少。美國(guó)空軍的Hogan等[39]和Szego等[40]最先完成了在密閉容器內(nèi)填充網(wǎng)狀鋁合金材料抑制可燃?xì)怏w爆炸的試驗(yàn)，結(jié)果表明：填充網(wǎng)狀鋁合金能夠減弱氣體爆炸產(chǎn)生的超壓；邢志祥等[41]模擬了圓柱形儲(chǔ)罐內(nèi)填充聚氨酯多孔材料后可燃?xì)怏w火焰?zhèn)鞑サ那闆r，并對(duì)比了13 L圓柱形密閉儲(chǔ)罐現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的結(jié)果，結(jié)果表明：模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相吻合，填充物平均孔徑越小，阻火抑爆性能越好；田宏等[42-43]只是對(duì)填充在液化石油氣儲(chǔ)罐中的多孔金屬材料做了籠統(tǒng)的介紹，并沒(méi)有通過(guò)試驗(yàn)來(lái)舉證。

目前，雖然多孔材料對(duì)密閉氣體和液體容器的阻隔抑爆、強(qiáng)化傳熱作用已經(jīng)得到各國(guó)研究人員的試驗(yàn)和模型驗(yàn)證，但是LNG儲(chǔ)罐內(nèi)部填充多孔材料的相關(guān)研究較少，適合于LNG儲(chǔ)罐的多孔材料的選擇、填充方式、填充密度以及對(duì)儲(chǔ)罐事故防治機(jī)理等都是重要的研究對(duì)象。因此，在今后的研究中可采用試驗(yàn)與模擬兩種手段，研究多孔材料的最佳填充密度、最佳孔隙率等，也可以通過(guò)模擬LNG儲(chǔ)罐在外界環(huán)境激勵(lì)下，比較有無(wú)多孔材料填充時(shí)儲(chǔ)罐內(nèi)部的壓力、溫度等參數(shù)值的變化。

5　結(jié)論與展望

目前，保冷材料、安全閥和真空閥、惰性氣體、預(yù)防LNG翻滾的措施、圍堰、消防冷卻水系統(tǒng)、高倍數(shù)泡沫系統(tǒng)、固定干粉滅火系統(tǒng)、移動(dòng)式滅火器材、覆蓋隔熱物質(zhì)以及隔震減震措施這幾種安全防護(hù)方式已廣泛應(yīng)用于LNG儲(chǔ)罐中，當(dāng)LNG儲(chǔ)罐發(fā)生泄漏、火災(zāi)爆炸或翻滾等事故時(shí)，主動(dòng)安全防護(hù)方式變?yōu)楸粍?dòng)安全防護(hù)，被動(dòng)安全防護(hù)方式變成主動(dòng)安全防護(hù)。每種安全防護(hù)方式都有其優(yōu)缺點(diǎn)，如安全閥和真空閥保護(hù)功能過(guò)于單一，應(yīng)配合其他被動(dòng)安全防護(hù)方式共同使用；啟動(dòng)循環(huán)泵雖然可以消除分層，但同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生大量蒸發(fā)氣，導(dǎo)致安全閥頻繁開(kāi)啟；將不同氣源的LNG分開(kāi)儲(chǔ)存具有局限性，只適用于儲(chǔ)罐較多的LNG接收站，對(duì)于儲(chǔ)罐較少的接收站，無(wú)法實(shí)現(xiàn)LNG分開(kāi)儲(chǔ)存；水噴霧或水噴淋系統(tǒng)的噴頭容易堵塞，同時(shí)在爆炸時(shí)容易損壞，應(yīng)配合固定消防水炮及室外消火栓共同使用；高倍數(shù)泡沫系統(tǒng)雖然操作費(fèi)用高，但與水幕系統(tǒng)相比較，其減少熱輻射效率非常高；固定干粉滅火系統(tǒng)只對(duì)安全閥處進(jìn)行局部保護(hù)；覆蓋隔熱物質(zhì)會(huì)使初期成本增加，承重結(jié)構(gòu)重量增加，且不利于對(duì)儲(chǔ)罐外部進(jìn)行檢查；橡膠支座只對(duì)水平震動(dòng)起作用，若水平震動(dòng)周期較長(zhǎng)，則容易引發(fā)共振。

雖然LNG儲(chǔ)罐內(nèi)部填充多孔材料的相關(guān)研究較少，但是多孔材料在密閉氣體和液體容器中阻隔防爆的成功應(yīng)用使其應(yīng)用于LNG儲(chǔ)罐有很好的研究前景。基于多孔材料具有良好的阻隔防爆效果，在LNG儲(chǔ)罐內(nèi)填充多孔材料，可以減弱儲(chǔ)罐內(nèi)流體的流動(dòng)；同時(shí)，若儲(chǔ)罐處于火災(zāi)環(huán)境下，不僅可以延緩罐體過(guò)熱，而且可以降低LNG汽化的速率，避免發(fā)生BLEVE。在今后的研究中，可以從多孔材料的填充方式、填充種類、填充厚度等問(wèn)題入手，研究其在儲(chǔ)罐中是否具有實(shí)用性，是否能起到阻隔防爆及抑制翻滾的作用，以及合理填充等相關(guān)問(wèn)題。因此，我國(guó)應(yīng)深入研究LNG儲(chǔ)罐的各種安全防護(hù)技術(shù)，并借鑒國(guó)外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，不斷完善LNG儲(chǔ)罐安全防護(hù)技術(shù)，減少儲(chǔ)罐事故的發(fā)生，使儲(chǔ)罐更加安全，以推動(dòng)我國(guó)LNG應(yīng)用產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1] Afrianto H,Tanshen M R,Munkhbayar B,et al.A numerical investigation on LNG flow and heat transfer characteristic in heat exchanger[J].InternationalJournalofHeatandMassTransfer,2014,68(1):110-118.

[2] 馬小明,吳曉曦.LNG儲(chǔ)罐火災(zāi)后果分析[J].中山大學(xué)學(xué)報(bào)論叢,2007,27(2):105-108.

[3] 劉玥,楊芳,王欣.淺析液化天然氣的消防安全[J].消防技術(shù)與產(chǎn)品信息,2008(1):27-32.

[4] 孫曉平,朱淵,陳國(guó)明,等.國(guó)內(nèi)外LNG罐區(qū)燃爆事故分析及防控措施建議[J].天然氣工業(yè),2013,33(5):126-131.

[5] 艾飛.LNG儲(chǔ)罐區(qū)BLEVE爆炸危險(xiǎn)性分析及撲救對(duì)策[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào),2010(34):80，82.

[6] 王三明,蔣軍成.沸騰液體擴(kuò)展蒸氣爆炸機(jī)理及相關(guān)計(jì)算理論模型研究[J].工業(yè)安全與環(huán)保,2001,27(7):30-34.

[7] 伍穎,劉武,張曉琳,等.液化天然氣儲(chǔ)運(yùn)中的翻滾現(xiàn)象及預(yù)防措施[J].管道技術(shù)與設(shè)備,2008(6):9-12.

[8] 闞紅元.大型立式圓筒形低溫儲(chǔ)罐簡(jiǎn)介[J].石油化工設(shè)備技術(shù),2007,28(5):24-27,30.

[9] 姚佐權(quán),張新建,朱金花.30 000 m3LNG單容罐系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].煤氣與熱力,2015,35(11):12-17.

[10]劉浩,周永春.LNG低溫儲(chǔ)罐壓力安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].化工設(shè)計(jì),2007,17(1):7-10,16.

[11]馬小紅.大型LNG儲(chǔ)罐絕熱材料及應(yīng)用[D].蘭州:蘭州理工大學(xué),2012.

[12]張成偉,呂國(guó)鋒,莊芳.LNG儲(chǔ)罐中液化氣翻滾原因及預(yù)防[J].石油工程建設(shè),2011(6):66-68.

[13]呂鳳芹.LNG廠站工程中圍堰區(qū)的優(yōu)化設(shè)置[J].煤氣與熱力,2014,34(1):12-17.

[14]National Fire Protection Association.StandardfortheProduction,Storage,andHandlingofLiquefiedNaturalGas(LNG):NFPA59A[S].Quincy,Massachusetts:National Fire Protection Association,2004.

[15]中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.液化天然氣生產(chǎn)、儲(chǔ)存和裝運(yùn):GB/T 20368—2006[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2004.

[16]鮑磊,王全國(guó),黨文義.LNG泄漏擴(kuò)散與抑制技術(shù)研究[J].安全、健康和環(huán)境,2015,15(10):19-22.

[17]張凡,田震,胡雷.水幕法控制LNG蒸氣云擴(kuò)散的研究進(jìn)展[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào),2014,24(7):27-32.

[18]Alirana M.ForcedDispersionofLiquefiedNaturalGasVaporCloudswithWaterSprayCurtainApplication[D].Texas:Texas A&M University,2009.

[19]Rana M A,Mannan M S.Forced dispersion of LNG vapor with water curtain[J].JournalofLossPreventionintheProcessIndustries,2010,23(6):768-772.

[20]邢志祥,趙旭.LPG儲(chǔ)罐水噴霧防護(hù)技術(shù)研究進(jìn)展[J].消防科學(xué)與技術(shù),2015,34(4):489-491.

[21]中華人民共和國(guó)公安部.水噴霧滅火系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范:GB 50219—2014[S].北京:中國(guó)計(jì)劃出版社,2014.

[22]吳志榮,苗云波.LNG儲(chǔ)罐區(qū)的消防冷卻設(shè)計(jì)[J].煤氣與熱力,2014,34(12):17-18,26.

[23]蘇幼明,郭國(guó)盛,張金石,等.LNG大型低溫儲(chǔ)罐消防安全保護(hù)方案設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].石油和化工設(shè)備,2014,17(7):71-75.

[24]王新紅,馮慶如,劉梅.液化天然氣的防火保護(hù)[J].消防技術(shù)與產(chǎn)品信息,2004(3):45-48.

[25]中華人民共和國(guó)公安部.泡沫滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范:GB 50151—2010[S].北京:中國(guó)計(jì)劃出版社,2010.

[26]Yun G W.ControlofVaporDispersionandPoolFireofLiquefiedNaturalGas(LNG)withExpansionFoam[M].Texas:Texas A&M University,2010.

[27]陳英.LNG儲(chǔ)罐消防設(shè)計(jì)探討[J].廣州化工,2013,41(14):164-166.

[28]中華人民共和國(guó)公安部.干粉滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范:GB 50347—2004[S].北京:中國(guó)計(jì)劃出版社,2004.

[29]吳志榮,徐占偉,苗云波.LNG儲(chǔ)罐壓力控制及干粉滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].煤氣與熱力,2014,34(10):26-29.

[30]中華人民共和國(guó)公安部.建筑滅火器配置設(shè)計(jì)規(guī)范:GB 50140—2005[S].北京:中國(guó)計(jì)劃出版社,2005.

[31]Landucci G,Molag M,Reinders J,et al.Experimental and analytical investigation of thermal coating effectiveness for 3 m3LPG tanks engulfed by fire[J].JournalofHazardousMaterials,2009,101(2):1182-1192.

[32]屈長(zhǎng)龍,張超,陳團(tuán)海.大型液化天然氣儲(chǔ)罐隔震減震措施分析[J].化工進(jìn)展,2014,33(7):1713-1717.

[33]林瑞泰.多孔介質(zhì)傳熱傳質(zhì)引論[M].北京:科學(xué)出版社,1995：39-47.

[34]Nield D A,Bejan A.ConvectioninPorousMedia[M].New York:Springer Velag,1999:23-65.

[35]Wang J G,Nogami T,Dasari G R,et al.A weak coupling algorithm for seabed-wave interaction analysis[J].ComputerMethodsinAppliedMechanicsandEngineering,2004,193(36):3935-3956.

[36]Mishra M,Rao A R.Peristaltic transport in a channel with a porous peripheral layer:Model of a flow in gastrointestinal tract[J].JournalofBiomechanics,2005,38(4):779-789.

[37]Nimvari M E,Maerefat M,El-Hossaini M K.Numerical simulation of turbulent flow and heat transfer in a channel partially filled with a porous media[J].InternationalJournalofThermalSciences,2012(60):131-141.

[38]王棟.多孔介質(zhì)復(fù)合腔體內(nèi)自然對(duì)流及傳熱的實(shí)驗(yàn)研究[D].濟(jì)南：山東建筑大學(xué),2012.

[39]Hogan T A,Pedriani C.FlameTubeandBallisticEvaluationofExplosafeAluminumFoilforAircraftFuelTankExplosionProtection[R/OL].http://www.dtic.mil/dtic/tr/fulltext/u2/a093542.pdf.

[40]Szego A K,Premji K,Appleyard R D.EvaluationofExplosafeExplosionSuppressionSystemforAircraftFuelTankSuppression[R/OL].http://www.dtic.mil/dtic/tr/fulltext/u2/a093125.pdf.

[41]邢志祥,杜貞,張成燕,等.密閉儲(chǔ)罐內(nèi)填充非金屬多孔材料后預(yù)混可燃?xì)怏w火焰?zhèn)鞑サ臄?shù)值模擬[J].安全與環(huán)境學(xué)報(bào),2014,14(6):91-95.

[42]田宏,王旭,高永庭.用于石油液化氣體儲(chǔ)罐填充的多孔金屬材料的防火防爆機(jī)理及應(yīng)用[J].消防技術(shù)與產(chǎn)品信息,2000(1):29-30.

[43]田宏,王旭,高永庭.多孔填充材料的防火防爆機(jī)理及應(yīng)用[J].工業(yè)安全與防塵,2000(4):43-46.