液化天然氣裝卸泄漏擴(kuò)散模擬研究*

程龍軍，胡曉昕

（1.中國(guó)石化青島安全工程研究院，山東青島 266104 2.中石化寧波工程有限公司，浙江寧波 315103）

0 前言

近年來，中國(guó)天然氣需求量持續(xù)攀升，根據(jù)海關(guān)總署數(shù)據(jù)，我國(guó)2018年液化天然氣(LNG)進(jìn)口量為5 373×10t，占2018年天然氣進(jìn)口總量的59.5%，LNG進(jìn)口量排名世界第2。LNG運(yùn)輸方法一般有船舶外運(yùn)、氣化后管線外輸和槽車運(yùn)輸，在500～800 km經(jīng)濟(jì)運(yùn)輸半徑范圍內(nèi)，采用汽車罐車運(yùn)輸LNG是比較理想的方式。LNG是在壓力0.1 MPa、溫度-162℃條件下液化的天然氣，LNG的固有性質(zhì)決定了其具有低溫、分層翻滾、快速相變、火災(zāi)爆炸等危害特性，裝卸過程中一旦出現(xiàn)泄漏將會(huì)造成嚴(yán)重事故。2018年11月16日中石油川港中匯能源LNG重慶北站加氣站內(nèi)，裝卸過程閥門松動(dòng)導(dǎo)致18 t LNG液體泄漏。

目前國(guó)內(nèi)LNG裝卸采用萬向旋轉(zhuǎn)接卸臂+法蘭盤接頭進(jìn)行LNG槽車裝卸作業(yè)，法蘭盤接頭具有以下缺點(diǎn)：①法蘭連接操作復(fù)雜，安裝時(shí)間較長(zhǎng)；②每次連接法蘭需使用新的墊片，裝卸過程中易出現(xiàn)漏液；③拆卸法蘭時(shí)需要等待解凍，破冰錘敲擊解凍存在安全隱患；④氮?dú)獯祾吆?，鶴管內(nèi)甲烷含量未知，拆卸法蘭存在安全隱患。

針對(duì)目前LNG法蘭裝卸的工況，可能出現(xiàn)泄漏的位置為法蘭盤接頭和萬向旋轉(zhuǎn)接頭，如圖1標(biāo)黃所示。

圖1 LNG槽車接卸連接示意

法蘭盤接頭可能出現(xiàn)全脫泄漏和部分破裂泄漏兩種事故工況，萬向旋轉(zhuǎn)接頭容易出現(xiàn)密封圈失效泄漏事故工況。筆者針對(duì)LNG裝卸萬向旋轉(zhuǎn)接頭密封失效泄漏流場(chǎng)進(jìn)行模擬計(jì)算，得到LNG裝卸的泄漏速率；根據(jù)泄漏速率，針對(duì)某LNG接收站采用DNV-GL PHAST事故后果模擬軟件計(jì)算并分析了法蘭盤接頭全脫、部分破裂及萬向旋轉(zhuǎn)接頭密封意外失效工況下，LNG泄漏擴(kuò)散情況。

1 LNG萬向旋轉(zhuǎn)接頭泄漏流場(chǎng)模擬

LNG萬向旋轉(zhuǎn)接頭密封圈需要滿足耐受-162℃的要求，因此，為了解密封圈完全失效情況下LNG泄漏情況下，利用有限元仿真軟件軟件對(duì)該工況進(jìn)行模擬，流場(chǎng)采用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε湍流模型。

計(jì)算條件為：LNG充裝的正常流量為26.5 m/h，計(jì)算得到萬向旋轉(zhuǎn)接頭入口流速為3.5 m/s，LNG充裝末期槽車內(nèi)壓力約為0.6 MPa，因此萬向旋轉(zhuǎn)接頭出口壓力為0.6 MPa，在接頭連接處密封處設(shè)置出口大氣壓強(qiáng)為0。LNG密度413.91 kg/m，LNG黏度為109×10Pa·s。萬向旋轉(zhuǎn)接頭內(nèi)徑為DN50，密封完全失效時(shí)泄漏間隙為0.25 mm，完成接頭軸對(duì)稱模型建立，同時(shí)進(jìn)行網(wǎng)格剖分(圖2)。

圖2 網(wǎng)格剖分

通過軟件得到密封圈失效泄漏時(shí)速度場(chǎng)分布圖(圖3)。可看出，密封圈失效泄漏點(diǎn)最大流速能夠達(dá)到41.4 m/s，對(duì)法蘭接縫位置進(jìn)行探針監(jiān)測(cè)，得到法蘭接縫邊緣泄漏平均流速為13.93 m/s，由此計(jì)算得到泄漏流量為1.507 t/h。根據(jù)充裝流量值，計(jì)算得到萬向旋轉(zhuǎn)接頭密封位置一旦發(fā)生泄漏，將會(huì)有大約12.7%裝車流量的LNG泄漏至大氣中。

圖3 萬向旋轉(zhuǎn)接頭密封位置泄漏速度分布

2 LNG泄漏擴(kuò)散場(chǎng)景分析與設(shè)置

以南方某LNG接收站裝卸區(qū)(圖4)為研究對(duì)象，裝卸區(qū)位于紅框標(biāo)注所示，可看出附近罐區(qū)裝置林立，一旦LNG發(fā)生泄漏和擴(kuò)散，遇到點(diǎn)火源便可能造成嚴(yán)重的燃爆事故。

圖4 LNG裝卸區(qū)位置

場(chǎng)景選擇采用NFPA 59A—20090《LNG生產(chǎn)、儲(chǔ)存和裝運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)》的計(jì)算原則，該標(biāo)準(zhǔn)以最大可信事件的影響范圍作為確定安全距離的依據(jù)，考慮LNG泄漏在地表并形成液池，液池蒸發(fā)產(chǎn)生可燃蒸氣云擴(kuò)散的危險(xiǎn)場(chǎng)景，關(guān)注的安全邊界是空氣中的甲烷濃度不超出常溫常壓下甲烷燃燒下限(LFL)。

LNG槽車裝卸區(qū)工藝設(shè)備內(nèi)的介質(zhì)為L(zhǎng)NG，操作壓力為0.6 MPa，操作溫度為-162℃，罐體充裝系數(shù)按0.9考慮，實(shí)際充裝量為47.3 m，泄漏點(diǎn)位于地面標(biāo)高1 m處水平方向。根據(jù)LNG裝卸臂萬向旋轉(zhuǎn)接頭密封失效時(shí)的泄漏流場(chǎng)模擬結(jié)果，換算得到泄漏孔徑相當(dāng)于6 mm，泄漏速率為0.417 kg/s。法蘭接頭完全脫開時(shí)，考慮泄漏孔徑為50 mm。法蘭局部破裂時(shí)，考慮泄漏孔徑為15 mm。根據(jù)LNG槽車罐的壓力計(jì)算得到各孔徑條件的泄漏速率：15 mm泄漏孔泄漏速率為2.39 kg/s；50 mm泄漏孔泄漏速率為26.59 kg/s。

LNG接收站所在地全年平均環(huán)境溫度：32.5℃，環(huán)境相對(duì)濕度：80%，環(huán)境氣壓：100.9 kPa，根據(jù)國(guó)家氣象信息中心數(shù)據(jù)對(duì)當(dāng)?shù)亟?0年平均風(fēng)速日值進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，風(fēng)力為1級(jí)及以下日數(shù)占比約為6%，1～3級(jí)之間占比為59%，3級(jí)及以上占比約為35%，故選取了3種風(fēng)速+Pasquill大氣穩(wěn)定度的組合作為典型天氣條件：1.5/F代表靜風(fēng)/輕風(fēng)的夜晚，2/B代表輕風(fēng)少云的白天，4/C代表微風(fēng)多云的白天。泄漏時(shí)間依據(jù)GB/T 37243《危險(xiǎn)化學(xué)品生產(chǎn)裝置和儲(chǔ)存設(shè)施外部安全防護(hù)距離確定方法》考慮最大泄漏時(shí)間為20 min。分析確定泄漏事故場(chǎng)景如表1所示。

表1 泄漏事故場(chǎng)景基礎(chǔ)參數(shù)

3 LNG泄漏擴(kuò)散距離分析

按照選定的泄漏事故場(chǎng)景，對(duì)不同泄漏條件下的LNG泄漏擴(kuò)散距離采用PHAST軟件進(jìn)行計(jì)算和分析。

3.1 50 mm孔徑泄漏結(jié)果分析

當(dāng)槽車裝卸區(qū)法蘭裝卸接頭脫落發(fā)生50 mm孔徑泄漏時(shí)，得到LNG泄漏擴(kuò)散形成的可燃?xì)怏w云團(tuán)LFL范圍隨天氣條件和時(shí)間變化的分布情況側(cè)視圖，結(jié)果如圖5所示。

圖5 50 mm孔徑泄漏可燃?xì)怏w云團(tuán)擴(kuò)散距離

從結(jié)果來看，LNG在泄漏初期，4/C條件下可燃?xì)怏w云團(tuán)擴(kuò)散距離最大，其次是2/B條件，最小是1.5/F，說明風(fēng)速快的狀況下，LNG泄漏蒸發(fā)和擴(kuò)散速度快；LNG泄漏50 s時(shí)，4/C條件下可燃?xì)怏w云團(tuán)擴(kuò)散距離達(dá)到最大的156 m，2/B條件下可燃?xì)怏w云團(tuán)擴(kuò)散距離超過4/C條件；LNG泄漏130 s時(shí)，2/B條件下可燃?xì)怏w云團(tuán)擴(kuò)散距離達(dá)到最大的197 m，同時(shí)1.5/F條件下的可燃?xì)怏w云團(tuán)擴(kuò)散距離已經(jīng)超過4/C條件。LNG泄漏190 s時(shí)，1.5/F條件下的可燃?xì)怏w云團(tuán)擴(kuò)散距離超過2/B條件。LNG泄漏300～750 s時(shí)，1.5/F條件下的可燃?xì)怏w云團(tuán)擴(kuò)散距離不斷擴(kuò)大，最終最大范圍為245 m。槽車罐內(nèi)LNG在750 s泄漏完全，756 s時(shí)LNG泄漏源頭可燃?xì)怏w云團(tuán)收縮，782 s時(shí)4/C條件下可燃?xì)怏w云團(tuán)消失，800 s時(shí)2/B條件下可燃?xì)怏w云團(tuán)消失，851 s時(shí)1.5/F條件下可燃?xì)怏w云團(tuán)消失。

3.2 15 mm孔徑泄漏結(jié)果分析

當(dāng)槽車裝卸區(qū)法蘭發(fā)生15 mm孔徑泄漏時(shí)，得到LNG泄漏擴(kuò)散形成的可燃?xì)怏w云團(tuán)LFL范圍隨天氣條件和時(shí)間的分布情況側(cè)視圖(圖6)。

圖6 15 mm孔徑泄漏可燃?xì)怏w云團(tuán)擴(kuò)散距離

從結(jié)果來看，LNG在泄漏初期13 s內(nèi)，4/C條件下可燃?xì)怏w云團(tuán)擴(kuò)散距離下最大，其次是2/B條件，最小是1.5/F條件，同理說明風(fēng)速快的狀況下，LNG泄漏蒸發(fā)和擴(kuò)散速度快；LNG泄漏26 s時(shí)，4/C條件下可燃?xì)怏w云團(tuán)擴(kuò)散距離達(dá)到最大的46.8 m，2/B條件下可燃?xì)怏w云團(tuán)擴(kuò)散距離超過4/C條件；LNG泄漏38 s時(shí)，1.5/F條件下的可燃?xì)怏w云團(tuán)擴(kuò)散距離超過4/C條件；LNG泄漏50 s時(shí)，2/B條件下可燃?xì)怏w云團(tuán)擴(kuò)散距離達(dá)到最大52.6 m。LNG泄漏87 s時(shí)，1.5/F條件下的可燃?xì)怏w云團(tuán)擴(kuò)散距離超過2/B條件。LNG泄漏87～383 s時(shí)，1.5/F條件下的可燃?xì)怏w云團(tuán)擴(kuò)散距離不斷擴(kuò)大，最終達(dá)到最大范圍為68.6 m。LNG泄漏383～1 200 s時(shí)，LNG泄漏仍在進(jìn)行，3種天氣條件下泄漏量與可燃?xì)怏w云團(tuán)邊緣擴(kuò)散量達(dá)到平衡，因此該階段可燃?xì)怏w云團(tuán)處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3.3 6 mm孔徑泄漏結(jié)果分析

當(dāng)槽車裝卸區(qū)LNG裝卸臂萬向旋轉(zhuǎn)接頭密封失效時(shí)發(fā)生6 mm孔徑泄漏時(shí)，得到LNG泄漏擴(kuò)散形成的可燃?xì)怏w云團(tuán)LFL范圍隨天氣條件和時(shí)間變化的分布情況側(cè)視圖(圖7)。

從圖7結(jié)果來看，LNG在泄漏初始時(shí)刻1 s內(nèi)，4/C、2/B和1.5/F條件下，可燃?xì)怏w云團(tuán)擴(kuò)散距離相差不多；LNG泄漏13 s時(shí)，4/C和2/B條件可燃?xì)怏w云團(tuán)擴(kuò)散距離穩(wěn)定不變，4/C達(dá)到9 m，2/B達(dá)到12.4 m，且4/C和2/B條件下LNG泄漏未落地形成液池，1.5/F條件下LNG泄漏落地形成液池。LNG泄漏60～160 s時(shí)，1.5/F條件下的可燃?xì)怏w云團(tuán)擴(kuò)散距離不斷擴(kuò)大，最終達(dá)到最大范圍為19 m。LNG泄漏160～1 200 s時(shí)，LNG泄漏仍在進(jìn)行，3種天氣條件下泄漏量與可燃?xì)怏w云團(tuán)邊緣擴(kuò)散量達(dá)到平衡，因此此階段可燃?xì)怏w云團(tuán)處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖7 6 mm孔徑泄漏可燃?xì)怏w云團(tuán)擴(kuò)散距離

3.4 泄漏擴(kuò)散距離結(jié)果對(duì)比分析

分析泄漏擴(kuò)散距離的結(jié)果可知，LNG泄漏形成的可燃?xì)庠茢U(kuò)散范圍與最大距離受泄漏孔徑、泄漏時(shí)間以及天氣條件的影響。對(duì)于同一泄漏區(qū)域，泄漏孔徑越大、泄漏時(shí)間越長(zhǎng)、天氣條件越穩(wěn)定，形成的可燃?xì)庠茢U(kuò)散范圍越大。當(dāng)LNG接收站裝卸區(qū)裝卸法蘭盤接頭完全脫開時(shí)，LNG泄漏的擴(kuò)散范圍最大，DN50-1.5/F條件下可燃?xì)庠谱畲髷U(kuò)散距離為245 m；當(dāng)LNG裝卸萬向旋轉(zhuǎn)接頭密封失效時(shí)，LNG泄漏的擴(kuò)散距離最小，DN6-1.5/F條件下可燃?xì)庠茢U(kuò)散距離為19 m。同樣天氣條件下，法蘭接頭完全脫開時(shí)LNG泄漏擴(kuò)散最大距離大約為L(zhǎng)NG裝卸臂萬向旋轉(zhuǎn)接頭密封失效時(shí)泄漏擴(kuò)散最大距離的12倍。

4 LNG泄漏擴(kuò)散可燃?xì)庠泼娣e分析

同理，按照選定的泄漏事故場(chǎng)景，對(duì)不同泄漏條件下的LNG泄漏可燃?xì)怏w云團(tuán)擴(kuò)散最大面積采用PHAST軟件進(jìn)行計(jì)算和分析，見圖8～圖10。

由圖8～圖10可知，LNG泄漏擴(kuò)散形成可燃?xì)庠频淖畲竺娣e受泄漏孔徑、泄漏時(shí)間以及天氣條件的影響。對(duì)于同一泄漏區(qū)域，泄漏孔徑越大、泄漏時(shí)間越長(zhǎng)、天氣條件越穩(wěn)定，形成的可燃?xì)庠泼娣e越大。當(dāng)LNG接收站裝卸區(qū)裝卸法蘭接頭完全脫開時(shí)，LNG泄漏擴(kuò)散形成氣云擴(kuò)散面積最大，DN50-1.5/F條件下可燃?xì)庠谱畲竺娣e為23 960 m；當(dāng)LNG裝卸臂萬向旋轉(zhuǎn)接頭密封失效時(shí)，LNG泄漏擴(kuò)散形成氣云擴(kuò)散面積最小，DN6-1.5/F條件下可燃?xì)庠泼娣e為23 m。同樣天氣條件下，法蘭接頭完全脫開時(shí)形成可燃?xì)庠茢U(kuò)散面積大約為L(zhǎng)NG裝卸臂萬向旋轉(zhuǎn)接頭密封失效時(shí)的1 000倍。

圖8 50 mm孔徑泄漏LNG最大可燃?xì)怏w云團(tuán)面積俯視圖

圖9 15 mm孔徑泄漏LNG最大可燃?xì)怏w云團(tuán)面積俯視圖

圖10 6 mm孔徑泄漏LNG最大可燃?xì)怏w云團(tuán)面積俯視圖

將不同泄漏條件下的可燃?xì)怏w云團(tuán)最大擴(kuò)散范圍標(biāo)注在接收站裝卸區(qū)所在區(qū)域位置上，得到LNG泄漏擴(kuò)散覆蓋范圍如圖11～圖13。

從圖11可以看出，LNG法蘭盤接頭完全脫開泄漏擴(kuò)散的可燃?xì)庠品秶呀?jīng)覆蓋周邊的儲(chǔ)罐，超過LNG裝卸區(qū)應(yīng)急水幕隔離范圍，一旦發(fā)生點(diǎn)燃爆炸后果不堪設(shè)想。從圖12得到，法蘭局部破裂時(shí)泄漏擴(kuò)散的可燃?xì)庠品秶汛蟠蠼档?。從圖13可得出，LNG裝卸臂萬向旋轉(zhuǎn)接頭密封失效時(shí)可燃?xì)庠品秶栽贚NG裝卸區(qū)內(nèi)，一旦發(fā)生泄漏，LNG裝卸區(qū)應(yīng)急水幕可有效隔離。

圖11 DN50-1.5/F工況下LNG泄漏擴(kuò)散可燃?xì)庠聘采w范圍

圖12 DN15-1.5/F工況下LNG泄漏擴(kuò)散可燃?xì)庠聘采w范圍

圖13 DN6-1.5/F工況下LNG泄漏擴(kuò)散可燃?xì)庠聘采w范圍

因此，出于安全考慮，亟需研發(fā)LNG干式低溫接頭，替換目前的法蘭盤接頭。該LNG干式低溫接頭應(yīng)具備以下功能：①快速接駁斷開，解決法蘭盤接頭螺栓連接和敲擊解凍的安全風(fēng)險(xiǎn)，提高裝卸速度；②意外斷開接頭瞬間能夠自動(dòng)密封，解決法蘭盤接頭脫落泄漏無法密封的問題；③密封失效泄漏量低，低于萬向旋轉(zhuǎn)接頭泄漏速率，大大降低泄漏擴(kuò)散范圍。

5 結(jié)論

a)利用有限元仿真軟件軟件模擬計(jì)算得到LNG裝卸臂萬向旋轉(zhuǎn)接頭密封圈完全失效狀況下，泄漏流量為1.507 t/h，根據(jù)充裝流量值，計(jì)算得到萬向旋轉(zhuǎn)接頭密封位置一旦發(fā)生泄漏，LNG將會(huì)以大約12.7%裝車流量的速率泄漏至大氣中。

b)對(duì)不同條件下的LNG泄漏擴(kuò)散場(chǎng)景采用PHAST軟件進(jìn)行計(jì)算，對(duì)于同一泄漏區(qū)域，泄漏孔徑越大、泄漏時(shí)間越長(zhǎng)、天氣條件越穩(wěn)定，形成的可燃?xì)庠茢U(kuò)散距離和擴(kuò)散面積越大，法蘭接頭完全脫開時(shí)泄漏擴(kuò)散最大距離為L(zhǎng)NG裝卸臂萬向旋轉(zhuǎn)接頭密封失效時(shí)的12倍，法蘭接頭完全脫開時(shí)形成可燃?xì)庠茢U(kuò)散面積為L(zhǎng)NG裝卸臂萬向旋轉(zhuǎn)接頭密封失效時(shí)的1 000倍。

c)從模擬計(jì)算結(jié)果來看，LNG槽車裝卸一旦法蘭盤接頭發(fā)生脫開泄漏或者局部破裂泄漏，LNG泄漏可燃?xì)庠聘采w面積大，存在巨大爆炸風(fēng)險(xiǎn)，亟需研究LNG干式低溫接頭，該接頭應(yīng)具備發(fā)生意外脫落接頭瞬間自動(dòng)密封、密封圈失效泄漏量低的功能，避免LNG裝卸接頭泄漏爆炸事故發(fā)生。