LNG罐柜在船上裝載位置的安全性研究

趙裕 呂植勇 劉俊雯 昌雪玲 沈繼超 陶瑋凡

摘要：為進(jìn)一步提高液化天然氣（liquefied natural gas，LNG）罐柜內(nèi)河運(yùn)輸?shù)陌踩?，研究LNG罐柜在船上裝載位置的合理性。根據(jù)爆炸產(chǎn)生的火球模型和熱輻射模型，考慮人員受到不同程度傷害的概率，建立LNG罐柜爆炸危害的系統(tǒng)動力學(xué)模型。利用系統(tǒng)動力學(xué)仿真軟件Vensim_PLE模擬2個罐柜爆炸，得出結(jié)論：爆炸中心的熱輻射強(qiáng)度最高，但在距爆炸中心一定距離處人員受到傷害的概率最大。為保證人員安全，船舶罐柜裝載區(qū)與人員活動區(qū)應(yīng)保持足夠的安全距離。

關(guān)鍵詞：? 安全管理工程; 安全距離; 系統(tǒng)動力學(xué); LNG罐柜

中圖分類號：? U698

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：? A

Meeting of the Waterborne Transport Division， World Transport Convention 2021 （WTC 2021）

Safety study on loading position of LNG tanks on ships

ZHAO Yu1， LYU Zhiyong1， LIU Junwen1， CHANG Xueling2， SHEN Jichao1， TAO Weifan1

（1. National Engineering Research Center for Water Transportation Safety， Wuhan University of Technology， Wuhan 430000， China;

2. Zhejiang Scientific Research Institute of Transport， Hangzhou 310000， China）

Abstract： In order to further improve the safety of LNG tank transportation in inland rivers， the rationality of loading position of LNG tanks on ships is studied. According to the fireball model and the thermal radiation model， where the fireball and thermal radiation are produced by the explosion， the system dynamics model of the explosion hazard of LNG tanks is established considering the probability of different degrees of injury to the crew. Using the system dynamics simulation software Vensim_PLE to simulate the explosion of two tanks， it is concluded that the thermal radiation intensity of the explosion center is the highest， but the probability of crew injury is maximum at a certain distance from the explosion center. In order to ensure crew safety， a sufficient safe distance should be maintained between the tank loading area and the crew activity area on a ship.

Key words： safety management engineering; safety distance; system dynamics; LNG tank

收稿日期： 2021-03-29

修回日期： 2021-06-23

基金項(xiàng)目： 浙江省交通運(yùn)輸廳科技計劃（2020043）

作者簡介：

趙裕（1995—），男，山東濟(jì)寧人，碩士研究生，研究方向?yàn)槲；愤\(yùn)輸，（E-mail）895110093@qq.com;

呂植勇（1964—），男，湖北武漢人，教授，博士，研究方向?yàn)檩d運(yùn)工具及運(yùn)用，（E-mail）banlzy@whut.edu.cn

0 引 言

目前，我國液化天然氣（liquefied natural gas，LNG）罐柜水路運(yùn)輸主要是海運(yùn)，內(nèi)河運(yùn)輸尚未實(shí)施。2020年7月6日交通運(yùn)輸部正式印發(fā)《整船載運(yùn)液化天然氣可移動罐柜安全運(yùn)輸要求（試行）》，使得推廣LNG罐柜內(nèi)河運(yùn)輸成為可能。在我國LNG罐柜內(nèi)河運(yùn)輸營運(yùn)之前，首先需要解決LNG罐柜運(yùn)輸?shù)陌踩詥栴}。LNG罐柜的水路運(yùn)輸條件與陸路運(yùn)輸條件存在較大差別，LNG罐柜水路運(yùn)輸會更大程度地對載運(yùn)船舶及其航行水域內(nèi)的基礎(chǔ)設(shè)施、通航建筑的安全造成影響：一方面，載運(yùn)船舶本身在航行、停泊、作業(yè)等營運(yùn)過程中存在一定的風(fēng)險;另一方面，若罐柜質(zhì)量差則極易造成LNG泄漏，從而導(dǎo)致火災(zāi)、爆炸、中毒、人身傷害等事故的發(fā)生，造成嚴(yán)重的生命財產(chǎn)損失。

我國LNG罐柜運(yùn)輸?shù)难芯慷嗉性贚NG罐柜鐵路和公路運(yùn)輸?shù)陌踩芯?。鄭偉[1]從運(yùn)輸通道的比較入手，分析LNG罐柜江海聯(lián)運(yùn)的必要性與可行性，認(rèn)為相對于傳統(tǒng)運(yùn)輸方式，罐柜將成為新形勢下的發(fā)展趨勢之一。船運(yùn)LNG罐柜的運(yùn)動是一種三維運(yùn)動，LNG在罐柜內(nèi)翻滾、晃動會使罐內(nèi)壓力處在迅速上升與下降的變化過程中，存在一定的安全隱患[2-3]。2007年，彭建華[4]進(jìn)行了我國第一次LNG罐柜水路運(yùn)輸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果為：在水路運(yùn)輸過程中，罐內(nèi)壓力緩慢增長，處于安全范圍內(nèi)，罐體未出現(xiàn)損壞、腐蝕、變形等現(xiàn)象，然而該試驗(yàn)時間僅為4 h，與實(shí)際船舶運(yùn)輸時間存在較大差距。LNG罐柜水路運(yùn)輸?shù)木嚯x遠(yuǎn)、時間長，經(jīng)長時間使用后其強(qiáng)度會逐漸降低，當(dāng)降低至某一極限時，罐柜會破裂;由于罐內(nèi)儲存有高壓氣體，罐內(nèi)外的壓力差會使LNG迅速汽化;當(dāng)存在點(diǎn)火源時，有可能燃燒，從而引起爆炸。LUKETA-HANLIN[5]在試驗(yàn)中研究了儲存以及水路運(yùn)輸LNG的過程中LNG泄漏引發(fā)火災(zāi)的危險性，總結(jié)了LNG的特點(diǎn)及危害。對于LNG罐柜爆炸的研究，付珊珊[6]通過數(shù)值模擬分析了風(fēng)速、大氣穩(wěn)定度、溫度等不同環(huán)境條件對LNG罐柜泄漏擴(kuò)散的影響，得到：隨著風(fēng)速的增大，LNG泄漏擴(kuò)散的橫向影響范圍呈下降趨勢;隨著大氣穩(wěn)定度的上升，LNG泄漏擴(kuò)散的橫向影響范圍呈上升趨勢;溫度變化對LNG泄漏擴(kuò)散范圍的影響不是特別明顯。姜永勝等[7]和單彤文等[8]研究發(fā)現(xiàn)爆炸荷載能讓LNG罐體和穹頂產(chǎn)生位移變化。紀(jì)純明[9]使用TNT（trinitrotoluene）當(dāng)量法，估算出LNG低溫罐柜全部泄漏引發(fā)爆炸所產(chǎn)生的沖擊波危害后果，認(rèn)為LNG低溫儲罐的爆炸危害范圍較廣，且化學(xué)爆炸沖擊波的危害遠(yuǎn)大于物理爆炸沖擊波的危害。管義鋒等[10]采用TNT當(dāng)量法，對在LNG船加注過程中被加注氣罐泄漏進(jìn)行了研究，預(yù)測了發(fā)生蒸氣云爆炸的危害范圍。伍蒙等[11]將液池蒸發(fā)過程考慮到蒸氣云計算模型中，使計算結(jié)果更加準(zhǔn)確。以往的研究表明，LNG罐柜運(yùn)輸安全性較高，但一旦發(fā)生LNG罐柜泄漏，引發(fā)爆炸，其危害巨大。前人對LNG泄漏后可能發(fā)生的爆炸危害研究大部分基于爆炸荷載以及TNT當(dāng)量法計算爆炸危害，但是LNG蒸氣燃燒產(chǎn)生的火球和熱輻射帶來的破壞和危害更大。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，改進(jìn)火球和熱輻射模型，并從 LNG蒸氣燃燒產(chǎn)生的熱輻射強(qiáng)度和人員受到傷害的概率兩個角度出發(fā)，以目標(biāo)（人員）與罐柜之間的距離為方程變量，采用系統(tǒng)動力學(xué)方法研究LNG罐柜爆炸的危害，對確定LNG罐柜在船上的裝載位置，提高運(yùn)輸安全有重要的作用。

1 系統(tǒng)動力學(xué)評價模型

LNG罐柜使用周期長，但在船舶運(yùn)輸中其腐蝕率和銹蝕率高，且罐柜之間發(fā)生碰撞的可能性較高，從而造成LNG罐柜的破損和泄漏。LNG爆炸會產(chǎn)生很強(qiáng)的熱輻射能量，而且一旦發(fā)生爆炸，船員無法迅速逃離船舶，會處于燃燒環(huán)境中，在離爆炸中心的不同距離處會受到不同程度的傷害。本文建立LNG罐柜爆炸危害的系統(tǒng)動力學(xué)模型（見圖1），從整體上判定安全距離，減少人員傷害。該模型可為合理制定LNG罐柜的裝載位置和設(shè)定隔離區(qū)域提供參考。

為便于理解各要素間的關(guān)系，使用FreeFta軟件，以死亡傷害概率為例，對各要素之間的關(guān)系進(jìn)行分析。引發(fā)死亡傷害概率的事故樹見圖2。

2 系統(tǒng)動力學(xué)方程的建立及參數(shù)值的確定

LNG是深冷液體，泄漏后很容易受熱升溫成天然氣。LNG從周圍環(huán)境中吸收熱量，當(dāng)溫度高于-107 ℃時，會擴(kuò)散在空氣中。當(dāng)蒸氣云的體積分?jǐn)?shù)在燃燒范圍內(nèi)時，如果遇到火源，哪怕是靜電，都會發(fā)生燃燒，產(chǎn)生巨大的危害。本文假設(shè)一艘運(yùn)輸LNG罐柜的船在航行過程中由于碰撞等因素其2個LNG罐柜發(fā)生泄漏，并引發(fā)LNG燃燒。假設(shè)罐內(nèi)LNG的密度ρ=426 kg/m3，罐柜體積V=250 m3，罐柜充裝系數(shù)k=95%。參考文獻(xiàn)[12-15]，將相關(guān)參數(shù)以系統(tǒng)的角度聯(lián)系起來，建立相關(guān)的系統(tǒng)動力學(xué)方程如下：

D=2.665M0.327

M=kρV

t=1.089M0.327

式中：D為LNG蒸氣燃燒產(chǎn)生的火球半徑，m;M為LNG蒸氣燃燒產(chǎn)生的火球中天然氣的質(zhì)量，kg;t為LNG蒸氣燃燒產(chǎn)生的火球能夠持續(xù)燃燒的時間，s。

對于只有1個罐柜泄漏并引發(fā)LNG燃燒的情況，M可以取罐柜容量的50%;當(dāng)有2個罐柜泄漏并引發(fā)LNG燃燒時，M取2個罐柜容量之和的70%;當(dāng)存在多個罐柜泄漏并引發(fā)LNG燃燒時，M取所有罐柜總?cè)萘康?0%。

火球在燃燒過程中，產(chǎn)生的熱量會向上升起一定的高度，本文假定火球中心距地面的高度（即火球抬升高度）h與LNG蒸氣燃燒產(chǎn)生的火球半徑D近似相等。

ESR=FSMHaπD2t

FS=0.27p0.32， p=1.21pV

Ha=HC-HV-CpT

式中：ESR為火球表面的熱輻射能量，J/kg;FS為火球表面的輻射能量比;Ha為火球的有效燃燒熱，J/kg;p為LNG的飽和蒸氣壓，MPa;pV為LNG罐柜安全閥的啟動壓力，本文取pV=1.25 MPa;HC為LNG的燃燒熱，J/kg;HV為沸點(diǎn)下LNG的蒸發(fā)熱，J/kg;Cp為恒壓狀態(tài)下LNG的比熱容，J/（kg·K）;T為火球表面與周圍環(huán)境間的溫差，一般取T=1 700 K。

kT=2.02（pWr1）-0.99

pW=pW0Hr

r1=r-D/2， r=（X2+h2）0.5

式中：kT為大氣熱傳遞系數(shù)，Pa·m;pW為環(huán)境溫度下空氣中的飽和水蒸氣壓，Pa;pW0為環(huán)境溫度下的飽和水蒸氣壓，Pa;Hr為相對濕度;r1為目標(biāo)到火球表面的距離，m;r為目標(biāo)到火球中心的距離，m;X為目標(biāo)到罐柜的水平距離。設(shè)定初始值0為爆炸中心。

q=ESR4 153.8X2+16 615.2kT

式中：q為距離罐柜X處的熱輻射強(qiáng)度，J/（m2·s）。

qc=μq

式中：qc為有服裝防護(hù)下的熱輻射強(qiáng)度，J/（m2·s）;μ為有服裝防護(hù)下的熱接受率，一般取μ=0.4。

PDr=-43.14+3.018 8ln（L/W）

P（2）r=-36.38+2.56ln（L/W）

P（1）r=-39.83+3.018 6ln（L/W）

L=t*q4/3c

式中：PDr、P（1）r和P（2）r分別為人員受到死亡傷害、一度傷害、二度傷害的概率;L為熱負(fù)荷，W;t*為人員在熱輻射條件下暴露的時間，s。

3 數(shù)值模擬及數(shù)據(jù)分析

將各參數(shù)值輸入Vensim_PLE軟件進(jìn)行模擬，取時間步長為1 s，時間持續(xù)100 s，研究各參數(shù)隨時間的變化趨勢，結(jié)果見圖3。

由圖3可以看出，隨著時間的增加，大氣熱傳遞系數(shù)和熱輻射強(qiáng)度會逐漸降低，人員受到傷害的概率和熱負(fù)荷先增加后降低。以死亡傷害概率為例，由圖2可以看出，人員受到死亡傷害的概率與熱負(fù)荷有直接關(guān)系。根據(jù)熱負(fù)荷公式L=t*q4/3c可得出，熱負(fù)荷變化與人員在熱輻射條件下暴露的時間和有服裝防護(hù)下的熱輻射強(qiáng)度成正比，熱負(fù)荷與有服裝防護(hù)下的熱輻射強(qiáng)度變化趨勢應(yīng)相同。模擬中采用的是步進(jìn)時間，故可認(rèn)為t*是單位時間1 s，然而，圖3顯示，有服裝防護(hù)下的熱輻射強(qiáng)度與熱負(fù)荷的變化趨勢不同。根據(jù)圖2分析產(chǎn)生這種不同的原因，由事故樹可以看出，影響熱負(fù)荷的直接原因有時間和有服裝防護(hù)下的熱輻射強(qiáng)度，這與公式得到的結(jié)果相同，無法解釋產(chǎn)生這種不同的原因。利用Vensim_PLE中自帶的原因樹功能分析熱輻射強(qiáng)度變化的原因，見圖4。

由圖4可以看出，影響熱輻射強(qiáng)度變化的原因有大氣熱傳遞系數(shù)、目標(biāo)到罐柜的水平距離（以下簡稱“距離”）以及火球表面的熱輻射能量。3種影響因素中，距離是存在的唯一變量。因此，距離通過影響熱輻射強(qiáng)度進(jìn)而在一定程度上影響熱負(fù)荷大小，最終影響人員受到傷害的概率。距離與時間存在對應(yīng)關(guān)系，人員受到傷害的概率也與時間存在對應(yīng)關(guān)系。為便于研究人員受到傷害的概率與距離之間的關(guān)系，建立關(guān)于時間、距離和人員受到傷害的概率的三維坐標(biāo)系，見圖5。

在這個三維坐標(biāo)系中，x軸為時間，y軸為距離，z軸為人員受到傷害的概率。將三維坐標(biāo)系轉(zhuǎn)動到y(tǒng)-z視圖下得到人員受到傷害的概率與距離的關(guān)系，見圖6。采用相同的分析方法，可以得到熱輻射強(qiáng)度與距離的關(guān)系，見圖7。

由圖6可知，人員受到傷害的概率隨距離的增加先增加后減小。對于雙罐爆炸模型來說，在距罐柜100 m左右處人員受到傷害的概率最大。在區(qū)間（0，100 m）與區(qū)間[100 m，400 m）內(nèi)，在不同位置處人員受到低傷害的概率相同。然而，由圖7可見，隨著距離的增加，熱輻射強(qiáng)度降低，因此為確保安全，不同位置處危險概率相同時取較遠(yuǎn)位置作為LNG罐柜裝載在船上的安全位置。

4 結(jié)束語

本文結(jié)合爆炸引起的火球模型、熱輻射模型和系統(tǒng)動力學(xué)方法，建立LNG罐柜爆炸危害系統(tǒng)動力學(xué)模型。利用MATLAB分析了時間、目標(biāo)（人員）到罐柜的水平距離、人員受到傷害的概率、熱負(fù)荷和熱輻射強(qiáng)度之間的關(guān)系，為LNG罐柜在船上的裝載位置提供了新的理論和計算方法，結(jié)論如下：

（1）系統(tǒng)動力學(xué)建模方法將系統(tǒng)內(nèi)不同參數(shù)之間的關(guān)系和相互作用通過相關(guān)反饋回路聯(lián)系起來，全面考慮各影響因素，分析過程簡單直接，提高了分析效率。

（2）距離爆炸中心越遠(yuǎn)，LNG罐柜爆炸產(chǎn)生的熱輻射強(qiáng)度越低，穿防護(hù)服對有效降低傷害起重要作用。

（3）距爆炸中心一定距離處，人員受到傷害的概率最大。在不同位置處人員受到低傷害的概率相同，但距離較近的位置，熱輻射強(qiáng)度更高，因此應(yīng)選擇距離較遠(yuǎn)的地方進(jìn)行人員疏散或設(shè)置船員居住區(qū)。

本文提供一種研究船運(yùn)LNG罐柜裝載位置的方法，沒有根據(jù)船舶長度給出罐柜存儲位置建議。在以后的研究中將結(jié)合船舶實(shí)際長度對模型進(jìn)行修改。

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（編輯 趙勉）