液化天然氣儲(chǔ)罐倒罐技術(shù)研究

上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院 石生芳 浦 哲 左延田

隨著能源結(jié)構(gòu)的變化，大力開(kāi)發(fā)利用天然氣資源成為我國(guó)能源發(fā)展戰(zhàn)略的重點(diǎn)之一。在液化天然氣(LNG)日益廣泛應(yīng)用的同時(shí)，LNG儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)陌踩珕?wèn)題已經(jīng)日益突顯。由于LNG采?。?62℃的低溫儲(chǔ)存，一旦儲(chǔ)運(yùn)LNG的低溫壓力容器儲(chǔ)罐發(fā)生事故，引起LNG溢出氣化，蒸發(fā)氣體隨氣流或風(fēng)力漂移，會(huì)在非常低的濃度(一般是體積的5%～15%)下起火爆炸，并且會(huì)迅速向蒸發(fā)的液池回火燃燒。如果對(duì)這種泄漏采取不正確的應(yīng)急措施，低溫儲(chǔ)罐及其周圍設(shè)施會(huì)因熱輻射遭受嚴(yán)重破壞。因此研究LNG低溫儲(chǔ)罐的應(yīng)急處置技術(shù)，如LNG儲(chǔ)罐的倒罐技術(shù)，對(duì)防止和減少惡性和重大事故的發(fā)生，減輕事故危害將起到積極的作用。

1 LNG儲(chǔ)罐失效可能性分析

LNG儲(chǔ)罐一般分為子母罐和真空絕熱罐兩種類型。罐體上裝有氣相管、液相管、放空管、溢流管、壓力表、安全閥、液位計(jì)、閥門、緊急切斷裝置等部件。LNG儲(chǔ)罐發(fā)生失效的主要原因[1]為：

(1)儲(chǔ)罐內(nèi)容器破裂，低溫液體流入罐體夾層，罐體外殼發(fā)生冷脆引起破裂或接管根部閥門破損。

(2)儲(chǔ)罐系統(tǒng)的管道、閥門、法蘭等管件或密封部位失效。

(3)儲(chǔ)罐真空度喪失，且遇明火或強(qiáng)熱源影響，內(nèi)容器壓力異常急劇升高，產(chǎn)生超壓物理爆炸。

(4)裝卸過(guò)程中，裝卸軟管的脫落或破裂。

(5)導(dǎo)靜電接地裝置失效或損壞。

這些裝置失效，將會(huì)導(dǎo)致以下問(wèn)題發(fā)生：①大量沸騰氣化的LNG氣體與空氣混合后，隨氣流或風(fēng)力漂移，會(huì)在非常低的濃度下產(chǎn)生爆炸；②發(fā)生溢出性泄漏的LNG液體，會(huì)使流經(jīng)的地面、設(shè)備基礎(chǔ)等因冷凍而強(qiáng)度降低，甚至導(dǎo)致坍塌事故，如遇積水會(huì)發(fā)生快速相態(tài)轉(zhuǎn)變而發(fā)生爆炸；③LNG如發(fā)生射流性泄漏，由于液體帶壓而噴射距離較遠(yuǎn)，發(fā)生泄漏后的射流或冷蒸氣云，會(huì)使所接觸的一些材料變脆、易碎受損。

由于繼續(xù)盛裝LNG的故障容器存在著重大安全隱患，因此必須將容器內(nèi)的LNG盡快倒出，并經(jīng)吹掃、置換合格后才能對(duì)容器實(shí)施維修。

2 LNG儲(chǔ)罐的倒罐條件和要求

2.1 倒罐的可行性分析

儲(chǔ)罐在使用過(guò)程中發(fā)生泄漏事故時(shí)，應(yīng)對(duì)泄漏罐體進(jìn)行分析，確認(rèn)是否具有倒罐的可行性。

(1)若罐體出現(xiàn)真空部分喪失、少量泄漏或滴漏現(xiàn)象，如在可控范圍內(nèi)，應(yīng)安排進(jìn)行倒罐處理。

(2)若罐體真空喪失或根部閥斷裂失效等原因引起大量泄漏，并產(chǎn)生一定量的液態(tài)積聚或產(chǎn)生蒸汽云團(tuán)，則不再考慮倒罐處理。

罐車與罐箱等移動(dòng)式LNG容器在運(yùn)輸過(guò)程中發(fā)生泄漏事故時(shí)，應(yīng)對(duì)罐體和行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行事故狀況分析，確認(rèn)是否具有倒罐的可行性。

(3)若行走機(jī)構(gòu)仍可工作，罐體輕微受損，泄漏量較少或泄漏可控，應(yīng)盡快將LNG罐車或裝載LNG罐箱的車輛駛離交通要道和人群密集區(qū)后再進(jìn)行倒罐處理。

(4)若行走機(jī)構(gòu)已經(jīng)無(wú)法工作，罐體輕微受損，泄漏量很少或泄漏可控，應(yīng)盡快疏散人群，控制一切火源，立即設(shè)定警戒區(qū)域，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)督，阻止無(wú)關(guān)人員進(jìn)入，做好消防滅火準(zhǔn)備，并盡快進(jìn)行倒罐處理。

(5)若罐體真空喪失或根部閥門斷裂等引起了大量泄漏，而閥門操作箱損壞已經(jīng)不具備連接軟管倒出液體的可能，則不再考慮倒罐。

2.2 受液容器的要求

常用的受液容器一般為移動(dòng)式的LNG罐車或罐箱。當(dāng)發(fā)生故障的儲(chǔ)罐所處系統(tǒng)中有其他LNG儲(chǔ)罐，或鄰近20 m范圍內(nèi)有備用儲(chǔ)罐時(shí)，也可作為受液容器。

受液容器的容積應(yīng)與需要倒罐容器的容積相當(dāng)，以盡量減少倒罐次數(shù)，提高倒罐效率。當(dāng)需要倒罐的容器內(nèi)液體量較多時(shí)，應(yīng)準(zhǔn)備多臺(tái)受液容器以確保連續(xù)高效的倒罐作業(yè)。受液容器最好應(yīng)為經(jīng)過(guò)預(yù)冷的空罐。

2.3 倒罐作業(yè)的條件

(1)根據(jù)所需倒罐的LNG容器型號(hào)規(guī)格劃定危險(xiǎn)區(qū)域，做出明顯標(biāo)記和安全警戒線，禁止無(wú)關(guān)人員進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)。配置干粉滅火器、移動(dòng)式高倍數(shù)泡沫滅火系統(tǒng)或消防車，緊急疏散處于下風(fēng)口的人群，清理可燃物和火種等。高倍數(shù)泡沫覆蓋LNG表面，使之與空氣隔離。如果現(xiàn)場(chǎng)泄漏的LNG已經(jīng)失火，應(yīng)采用干粉滅火器，滅火劑最好為碳酸鉀，亦可用沙土撲救，忌用水滅火。必須在完全滅火并評(píng)估倒罐實(shí)施的可行性通過(guò)后，方可進(jìn)行倒罐作業(yè)。

(2)倒罐作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)確保通風(fēng)良好，必要時(shí)可采取強(qiáng)制通風(fēng)措施增加空氣流動(dòng)，以便LNG迅速擴(kuò)散；嚴(yán)禁明火和各種火源、火種，危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)禁止使用手機(jī)、對(duì)講機(jī)等非防爆型可能產(chǎn)生靜電火花的通訊設(shè)備，同時(shí)需保證倒罐現(xiàn)場(chǎng)救援通訊和對(duì)外通訊網(wǎng)絡(luò)暢通。

(3)倒罐作業(yè)人員必須經(jīng)過(guò)LNG容器操作專業(yè)培訓(xùn)，熟悉LNG的理化特性及應(yīng)急倒罐操作程序。所有倒罐作業(yè)人員禁止攜帶任何通訊設(shè)備和打火機(jī)等火種，必須穿戴全套防護(hù)用品，使用防凍手套。入場(chǎng)作業(yè)前進(jìn)行靜電消除。

(4)勘察現(xiàn)場(chǎng)LNG液體的組分和密度變化，確保與受液容器內(nèi)為同一油田液體(受液容器是空罐的情況除外)，提出滅火、倒罐、堵漏等執(zhí)行方案。

3 LNG儲(chǔ)罐的倒罐作業(yè)方式和方法

3.1 液體轉(zhuǎn)移方式

目前國(guó)內(nèi)將受損儲(chǔ)罐內(nèi)液體轉(zhuǎn)移通常采用以下三種轉(zhuǎn)注流程：壓力差轉(zhuǎn)注流程、外置離心泵轉(zhuǎn)注流程和潛液泵轉(zhuǎn)注流程。

3.1.1 壓力差轉(zhuǎn)注流程

壓力差轉(zhuǎn)注的工作原理是根據(jù)管內(nèi)壓力差，管道內(nèi)的流體介質(zhì)會(huì)從高壓端流向低壓端。當(dāng)故障設(shè)備內(nèi)的壓力大于受液罐內(nèi)的壓力時(shí)，分別打開(kāi)故障設(shè)備的根部排液閥和受液罐體的上部進(jìn)液閥或下部進(jìn)出液閥，故障設(shè)備內(nèi)的介質(zhì)在壓力作用下向受液罐內(nèi)轉(zhuǎn)移。如果受液罐內(nèi)壓力過(guò)大，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況判斷是否需要打開(kāi)受液罐的放空閥降壓，以提高介質(zhì)轉(zhuǎn)移效率。

壓力差轉(zhuǎn)注流程簡(jiǎn)單，且操作起來(lái)比較方便，但轉(zhuǎn)注效率受故障設(shè)備內(nèi)的壓力影響很大。通常排液時(shí)間較長(zhǎng)，壓力過(guò)低時(shí)無(wú)法正常排液。

3.1.2 外置離心泵轉(zhuǎn)注流程

外置離心泵轉(zhuǎn)注的工作原理是通過(guò)打開(kāi)故障設(shè)備的根部排液閥、受液罐上的進(jìn)液閥和回流閥，形成離心泵的轉(zhuǎn)注回路，啟動(dòng)離心泵將故障設(shè)備內(nèi)的介質(zhì)輸送到受液罐內(nèi)。轉(zhuǎn)注過(guò)程中應(yīng)密切注意受液罐的液位和壓力，必要時(shí)可打開(kāi)放空閥泄壓，防止受罐液超壓造成破壞。

外置離心泵轉(zhuǎn)注流程相對(duì)較復(fù)雜，并且通常情況下為保障受液罐的安全不得通過(guò)泵向受液罐充液。用離心泵轉(zhuǎn)注液體時(shí)排液速度快，對(duì)故障罐內(nèi)的壓力要求較低(滿足泵的吸入凈壓力即可)。但是需要配備相應(yīng)的外接電源或車載電源，泵工作前需要進(jìn)行預(yù)冷，周圍環(huán)境須滿足防爆要求才能工作。

3.1.3 潛液泵轉(zhuǎn)注流程

離心式潛液泵的工作原理與外置離心泵基本相同。這種流程同樣比較復(fù)雜，但可省去泵的預(yù)冷時(shí)間，排液速度快。通常潛液泵裝卸流程無(wú)法將故障設(shè)備作為潛液泵的入口側(cè)，不具備倒液功能。經(jīng)過(guò)流程改造具備倒液功能后，還需要配備外接電源或車載電源，周圍環(huán)境須滿足防爆要求才能工作。

3.2 倒罐(儲(chǔ)罐、罐車、罐箱)方法

目前倒罐的方法主要有三種：儲(chǔ)罐對(duì)罐車(罐箱)倒罐、儲(chǔ)罐對(duì)儲(chǔ)罐倒罐和罐車(罐箱)對(duì)罐車(罐箱)倒罐。三種倒罐方法的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比見(jiàn)表1。

其中儲(chǔ)罐對(duì)罐車(罐箱)倒罐的操作方法如下：

(1)正確連接卸液液相金屬軟管及氣相金屬軟管。系統(tǒng)有預(yù)留充裝口的，直接將進(jìn)液液相金屬軟管及氣相金屬軟管連接到預(yù)留充裝口上。無(wú)預(yù)留充裝口時(shí)，應(yīng)取出LNG進(jìn)液管線上止回閥閥芯，取出后緊固并查漏；確認(rèn)無(wú)泄漏后開(kāi)始對(duì)管線、金屬軟管進(jìn)行氮?dú)獯祾?從放散閥處放空)。

(2)確認(rèn)管線系統(tǒng)完全準(zhǔn)備好后，微開(kāi)LNG儲(chǔ)罐出液閥和受液LNG罐車(罐箱)的進(jìn)液閥開(kāi)始對(duì)管線進(jìn)行預(yù)冷(約10 min左右，以管線外露部分結(jié)霜為預(yù)冷結(jié)束)。LNG儲(chǔ)罐在必需增壓時(shí)可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)指揮或LNG儲(chǔ)罐供應(yīng)商的服務(wù)人員指令進(jìn)行LNG儲(chǔ)罐增壓，不得私自增壓。

(3)開(kāi)啟受液罐車(罐箱)的頂部和底部進(jìn)液閥，進(jìn)行上、下同時(shí)進(jìn)液并觀察受液罐車(罐箱)內(nèi)的壓力變化。當(dāng)受液罐車(罐箱)內(nèi)壓力過(guò)高，則打開(kāi)氣相管放散閥進(jìn)行放散卸壓。如需加快倒罐速度，可打開(kāi)受液罐車(罐箱)氣相放空閥，將罐內(nèi)壓力盡量降低到最低限度。

(4)受液罐車(罐箱)液位過(guò)高時(shí)，關(guān)閉進(jìn)液閥、打開(kāi)手動(dòng)放散閥把出液管內(nèi)液體通過(guò)放散閥放空。打開(kāi)LNG罐車(罐箱)排氣閥對(duì)金屬軟管進(jìn)行卸壓，等霜化完后拆下金屬軟管。

4 結(jié)語(yǔ)

本文分析了LNG儲(chǔ)罐及相關(guān)設(shè)備失效的可能性，特別對(duì)儲(chǔ)罐在使用過(guò)程中罐體發(fā)生泄漏的情況進(jìn)行了綜合分析，確認(rèn)是否具備倒罐的可行性。倒罐成功的前提是必須對(duì)倒罐進(jìn)行可行性分析，同時(shí)提出了倒罐時(shí)受液容器的要求和現(xiàn)場(chǎng)必須具備的條件。對(duì)比分析了壓力差轉(zhuǎn)注流程、外置離心泵轉(zhuǎn)注流程和潛液泵轉(zhuǎn)注流程三種倒罐方法的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了LNG倒罐的具體操作方法。