港口專用LNG 罐箱堆場(chǎng)堆存區(qū)平面設(shè)計(jì)

黃高新，汪文誠(chéng)，郇維芳

（1.中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430060；2.必維國(guó)際集團(tuán)（中國(guó)），上海 200011）

0 引言

近年，LNG 罐箱多式聯(lián)運(yùn)受到業(yè)界廣泛關(guān)注，眾多天然氣運(yùn)營(yíng)商開展了諸多試驗(yàn)運(yùn)輸工作。作為多式聯(lián)運(yùn)的重要環(huán)節(jié)，港口專用LNG 罐箱堆場(chǎng)直接關(guān)系到LNG 罐箱的高效中轉(zhuǎn)、安全存儲(chǔ)。

LNG 罐箱屬于充裝2.1 類冷凍液化氣體的危險(xiǎn)貨物集裝箱。港口專用LNG 罐箱堆場(chǎng)堆存貨物種類單一且總量較大。在堆場(chǎng)堆存期間，LNG 罐箱可能會(huì)因內(nèi)罐壓力超壓而導(dǎo)致安全閥應(yīng)急泄放或因閥門關(guān)閉不嚴(yán)、管路裂紋等產(chǎn)生跑冒滴漏。常規(guī)同貨種危險(xiǎn)貨物集裝箱箱距0.4 m×0.4 m，箱門均朝向同一方向，堆存區(qū)間盡量緊密相鄰。LNG 罐箱是移動(dòng)式壓力容器。若LNG 罐箱堆場(chǎng)堆存區(qū)仍采用常規(guī)的危險(xiǎn)貨物集裝箱布置形式，由于箱距較小、尾門同向且LNG 罐箱泄放口、閥門管路均位于箱尾，LNG 罐箱泄漏點(diǎn)火燃燒產(chǎn)生的強(qiáng)烈熱輻射易導(dǎo)致相鄰LNG 罐箱結(jié)構(gòu)破壞乃至發(fā)生連鎖事故。

對(duì)于港口危險(xiǎn)貨物集裝箱堆場(chǎng)設(shè)計(jì)，JTS 176—2020《港口危險(xiǎn)貨物集裝箱堆場(chǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]統(tǒng)一了港口危險(xiǎn)貨物集裝箱堆場(chǎng)設(shè)計(jì)要求；陳武爭(zhēng)等[2]以工程實(shí)例研究論述了港外綜合性危險(xiǎn)品集裝箱堆場(chǎng)的規(guī)劃選址及設(shè)計(jì)要點(diǎn)；唐勤華等[3]對(duì)自動(dòng)化集裝箱碼頭危險(xiǎn)品集裝箱堆場(chǎng)布置方式、關(guān)注重點(diǎn)及設(shè)計(jì)原則進(jìn)行了探討，提出了分散布置方案?，F(xiàn)有研究主要針對(duì)通用集裝箱港區(qū)配套綜合性危險(xiǎn)貨物集裝箱堆場(chǎng)，研究?jī)?nèi)容集中在外部安全防護(hù)距離確定、不同種類危險(xiǎn)貨物集裝箱隔離布置、防雷接地、泄漏收集等?，F(xiàn)有研究未涉及堆存期LNG 罐箱泄漏火災(zāi)對(duì)平面設(shè)計(jì)的影響及相關(guān)防控措施。針對(duì)堆存期LNG 罐箱泄漏火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)開展研究并提出定制化堆存區(qū)平面設(shè)計(jì)方案，對(duì)提高運(yùn)營(yíng)安全、促進(jìn)LNG 罐箱多式聯(lián)運(yùn)發(fā)展具有重要意義。

1 研究路線

采用國(guó)際通用事故后果分析軟件PHAST 對(duì)堆存期LNG 罐箱典型泄漏場(chǎng)景火災(zāi)事故后果模擬，針對(duì)性提出定制化堆存區(qū)平面設(shè)計(jì)方案。具體的研究技術(shù)路線見圖1。

圖1 研究技術(shù)路線Fig.1 Research technical roadmap

2 火災(zāi)事故后果模擬

PHAST 軟件是石油石化及流程工業(yè)事故后果分析軟件，可對(duì)易燃或有毒化學(xué)品意外釋放到大氣中的后果建模，包括泄漏、擴(kuò)散、有毒和易燃計(jì)算。PHAST 軟件在國(guó)內(nèi)外定量風(fēng)險(xiǎn)事故后果評(píng)估領(lǐng)域廣泛使用，經(jīng)實(shí)測(cè)驗(yàn)證效果良好。

2.1 基礎(chǔ)條件

1）典型LNG 罐箱參數(shù)

典型LNG 罐箱（以12 192 mm（40 ft）罐式集裝箱為例）主要技術(shù)參數(shù)：外形尺寸12 192 mm×2 438 mm×2 591 mm（長(zhǎng)×寬×高），罐體尺寸φ2 468 mm×12 173 mm（外直徑×長(zhǎng)度），罐箱幾何容積45.5 m3；外罐材料Q345R 鋼，內(nèi)罐材料S30408 不銹鋼，采用高真空多層絕熱；工作溫度-162～50 ℃，蒸發(fā)率不大于0.15%/d，最高允許工作壓力0.79 MPa，安全閥整定壓力0.83 MPa；重箱充裝率81%時(shí)無損儲(chǔ)存時(shí)間不少于120 d，充裝率90%時(shí)無損儲(chǔ)存時(shí)間不少于70 d，空箱通?；拘箍找后w，保冷需要罐內(nèi)殘液不大于500 kg。

2）天氣氣象資料

以南方某天氣氣象條件為例，當(dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁?5.1 ℃，極端最高氣溫36.8 ℃，極端最低氣溫10.0 ℃；常風(fēng)向?yàn)镋NE，次常風(fēng)向?yàn)镹E；年平均相對(duì)濕度為80.4%，最大相對(duì)濕度為103%，最小相對(duì)濕度為26%。

根據(jù)當(dāng)?shù)靥鞖鈼l件，確定軟件模擬基本天氣氣象輸入?yún)?shù)：大氣溫度25.1 ℃、地面溫度25.1℃、大氣壓力101.06 kPa、相對(duì)濕度80%、太陽輻射0.5 kW/m2，模擬6 種典型天氣條件：白天風(fēng)速2.0 m/s 大氣穩(wěn)定度D、晚上風(fēng)速2.0 m/s 大氣穩(wěn)定度F、白天風(fēng)速6.0 m/s 大氣穩(wěn)定度C、晚上風(fēng)速6.0 m/s 大氣穩(wěn)定度D、白天風(fēng)速10.8 m/s 大氣穩(wěn)定度D、晚上風(fēng)速10.8 m/s 大氣穩(wěn)定度D。

3）閾限值

模擬分析中熱輻射值標(biāo)準(zhǔn)按照EN 1473—2016《Installation and equipment for liquefied natural gas-design of onshore installations》[4]給出的最大熱輻射推薦值，界區(qū)內(nèi)最大允許的可接受熱輻射值見表1。

表1 界區(qū)內(nèi)最大允許熱輻射值Table 1 Maximum allowable thermal radiation value within the boundary

2.2 場(chǎng)景分析

LNG 具有低溫、汽化后易燃易爆等潛在危險(xiǎn)性。LNG 罐箱在進(jìn)入堆場(chǎng)前應(yīng)對(duì)箱體結(jié)構(gòu)、閥門、管系等進(jìn)行詳細(xì)檢查，杜絕一切異?，F(xiàn)象。進(jìn)入堆場(chǎng)后，除非因運(yùn)輸傾翻或吊裝墜落，不會(huì)產(chǎn)生LNG 罐箱整體破裂情況。堆存期間，LNG 罐箱泄漏包括兩種情況：1）安全閥超壓泄放。正常堆存或某些事故狀態(tài)時(shí)，LNG 罐箱內(nèi)罐壓力隨著熱量滲入而逐漸上升，若達(dá)到安全閥泄放壓力且未能及時(shí)處置，罐內(nèi)上層低溫高壓LNG 氣相將通過安全閥泄放口（通常位于罐箱尾部高處）排入空氣中泄壓；2）LNG 罐箱管路泄漏。通常為閥門關(guān)閉不嚴(yán)、墊片老化、閥門失效、管路裂紋等導(dǎo)致跑冒滴漏。

根據(jù)典型LNG 罐箱設(shè)備特性，選取安全閥超壓泄放（泄放管管徑DN50）、LNG 罐箱小孔泄漏（5 mm 等效孔徑，等效典型的密封、墊片、管線或者儀表接口小泄漏（1～10 mm 泄漏范圍））進(jìn)行泄漏場(chǎng)景分析，確定安全閥超壓泄放（泄放壓力0.83 MPa、管徑DN50）、重箱氣相泄漏（最高工作壓力0.79 MPa、小孔泄漏5 mm 等效孔徑）、重箱液相泄漏（最高工作壓力0.79 MPa、小孔泄漏5 mm 等效孔徑）作為堆存期LNG 罐箱典型泄漏場(chǎng)景，具體參數(shù)見表2。

表2 典型泄漏場(chǎng)景Table 2 Typical leakage scenarios

2.3 模擬結(jié)果

采用PHAST 軟件對(duì)典型泄漏場(chǎng)景噴射火熱輻射影響范圍模擬見圖2—圖4，統(tǒng)計(jì)模擬結(jié)果見表3。由于LNG 罐箱堆場(chǎng)為露天堆放，沒有明顯的受限空間，不考慮蒸汽云爆炸工況。

表3 噴射火熱輻射距離Table 3 Jet fire thermal radiation distance

圖2 噴射火熱輻射影響范圍（安全閥超壓泄放）Fig.2 Jet fire thermal radiation impact range of safety valve overpressure vent

圖3 噴射火熱輻射影響范圍（重箱氣相）Fig.3 Jet fire thermal radiation impact range of gas leakage of full container

圖4 噴射火熱輻射影響范圍（重箱液相）Fig.4 Jet fire thermal radiation impact range of liquid leakage of full container

2.4 結(jié)果分析

根據(jù)計(jì)算結(jié)果[6]，對(duì)典型泄漏場(chǎng)景火災(zāi)熱輻射影響分析如下：

1）對(duì)于噴射火熱輻射影響范圍，重箱液相泄漏工況＞安全閥超壓泄放工況＞重箱氣相泄漏工況，前兩種工況熱輻射影響距離基本接近，各典型泄漏場(chǎng)景熱輻射15 kW/m2、5 kW/m2的最大影響距離分別為12.6 m、15.0 m。

2）對(duì)于熱輻射強(qiáng)度15kW/m2即鄰近儲(chǔ)罐的金屬外表面允許的最大熱輻射，按常規(guī)危險(xiǎn)貨物集裝箱布置形式（箱間距0.4 m×0.4 m、箱門均朝向同一方向），典型泄漏場(chǎng)景會(huì)導(dǎo)致臨近大部分罐箱位于熱輻射15 kW/m2影響范圍以內(nèi)，即若無有效冷卻消防措施，鄰近大部分罐箱結(jié)構(gòu)將會(huì)破壞。以圖4 為例，當(dāng)位于中間的LNG 罐箱尾部發(fā)生重箱液相泄漏工況，其前后兩排LNG 罐箱均位于熱輻射15 kW/m2影響范圍內(nèi)。常規(guī)危險(xiǎn)貨物集裝箱堆場(chǎng)僅設(shè)置室外消火栓等消防設(shè)施，消防救援速度較慢，熱輻射勢(shì)必會(huì)對(duì)相鄰罐箱結(jié)構(gòu)造成破壞，相鄰LNG 罐箱若破壞導(dǎo)致泄漏燃燒又會(huì)將事故持續(xù)擴(kuò)大化。

3）對(duì)于熱輻射強(qiáng)度5 kW/m2即行政樓等人員密集場(chǎng)所允許最大熱輻射，專用LNG 罐箱堆場(chǎng)日常巡檢頻繁，應(yīng)注意對(duì)巡檢人員的危害。

3 平面設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)理念

基于常規(guī)危險(xiǎn)貨物集裝箱布置形式的不足，針對(duì)港口專用LNG 罐箱堆場(chǎng)，本研究創(chuàng)新提出LNG 罐箱罐組概念[6]，其具體形式每排由2 個(gè)LNG 罐箱尾部相對(duì)、縱向間距3 m 組成，排與排間距1 m，根據(jù)裝卸工藝不同多排成組。采用這樣的設(shè)置，因罐組內(nèi)LNG 罐箱尾部相對(duì)，即LNG罐箱尾部安全泄放口、罐箱閥門管系均位于罐組中間，典型泄漏場(chǎng)景熱輻射15 kW/m2影響距離12.6 m 將完全位于罐組范圍內(nèi)，不會(huì)影響其他相鄰罐組，避免事故擴(kuò)大化；另外，由于LNG 罐箱日常巡檢頻繁，罐箱尾部閥門箱需經(jīng)常打開察看，若存在跑冒滴漏，需及時(shí)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)處置，適當(dāng)擴(kuò)大罐箱間距至縱向3 m、橫向1 m，可為人員巡檢、現(xiàn)場(chǎng)處置提供極大便利，同時(shí)也可減少相鄰罐箱遮擋有利于消防覆蓋。

針對(duì)罐組內(nèi)熱輻射影響，加強(qiáng)消防設(shè)備配置，于堆存區(qū)內(nèi)設(shè)置消防炮塔，每座炮塔設(shè)置1 臺(tái)水炮和1 臺(tái)干粉炮。當(dāng)發(fā)現(xiàn)火災(zāi)時(shí)，第一時(shí)間開展滅火同時(shí)有效冷卻罐組內(nèi)其他罐箱，避免熱輻射對(duì)罐組內(nèi)其他罐箱造成損壞。

對(duì)于堆存區(qū)平面設(shè)計(jì)，單一堆存區(qū)由多個(gè)罐組組合而成，各堆存區(qū)之間、堆存區(qū)與場(chǎng)外道路間距不小于15 m，即大于典型泄漏場(chǎng)景熱輻射15 kW/m2、5 kW/m2影響距離12.6 m、15 m，保證將熱輻射傷害限定在堆存區(qū)范圍，不會(huì)對(duì)堆存區(qū)外設(shè)施、人員造成影響。

3.2 典型示例

以120 個(gè)12 192 mm（40 ft）罐箱位集裝箱正面吊工藝專用LNG 罐箱堆場(chǎng)為例，堆存區(qū)平面設(shè)計(jì)示例見圖5。

圖5 專用LNG 罐箱堆場(chǎng)堆存區(qū)平面設(shè)計(jì)示例Fig.5 Example of layout design for storage area of dedicated LNG tank yard

根據(jù)《港口作業(yè)安全要求第3 部分：危險(xiǎn)貨物集裝箱》[7]，堆場(chǎng)中LNG 罐箱單層堆放?？紤]LNG罐箱堆場(chǎng)堆存同一類貨物，堆場(chǎng)不嚴(yán)格區(qū)分重箱堆場(chǎng)與空箱堆場(chǎng)，實(shí)際運(yùn)營(yíng)時(shí)可同類成片堆放亦可間隔分散混堆，裝卸時(shí)結(jié)合堆場(chǎng)管理系統(tǒng)進(jìn)行定位。

堆場(chǎng)尺度210 m×86 m，共布置120 個(gè)12 192 mm（40 ft）罐箱位，采用2 臺(tái)集裝箱正面吊作業(yè)。堆場(chǎng)分2 個(gè)堆存區(qū)，每個(gè)堆存區(qū)60 個(gè)12 192 mm（40 ft）罐箱位由6 個(gè)2 列×5 排罐組組成。堆存區(qū)之間間距18 m，堆存區(qū)與外部道路間距15 m、20.62 m，均大于典型泄漏場(chǎng)景熱輻射15 kW/m2、5 kW/m2的影響距離12.6 m、15 m，滿足集裝箱正面吊裝卸作業(yè)空間的同時(shí)將火災(zāi)熱輻射影響限制在堆場(chǎng)范圍內(nèi)。

LNG 罐箱裝卸作業(yè)時(shí)按“由外而內(nèi)、先進(jìn)先出”原則，盡量減少跨箱作業(yè)。堆場(chǎng)內(nèi)不允許大量車輛停留，依次順序進(jìn)出開展作業(yè)。

針對(duì)LNG 罐箱泄漏收集，于LNG 罐箱尾部區(qū)域設(shè)置導(dǎo)液溝。為避免泄漏液體大面積散流，兩組罐箱之間設(shè)置1 組收集系統(tǒng)，通過地面坡度坡向?qū)б簻希罱K將泄漏液體收集到集液池。集液池尺度4 m×4 m×4 m。集液池距離最近LNG 罐箱距離大于15 m，大于集液池池火15 kW/m2熱輻射影響范圍。

堆場(chǎng)四周設(shè)置消防炮塔（每個(gè)消防炮塔含1 臺(tái)水炮、1 臺(tái)干粉炮）、消火栓，堆場(chǎng)設(shè)置可燃?xì)怏w檢測(cè)及火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，減少相鄰罐箱泄漏火災(zāi)影響。集液池處設(shè)置可燃?xì)怏w/低溫探測(cè)設(shè)施，可聯(lián)鎖啟動(dòng)高倍泡沫和聲光報(bào)警。

4 結(jié)語

1）根據(jù)堆存期LNG 罐箱典型泄漏場(chǎng)景火災(zāi)事故后果模擬，重箱液相泄漏工況火災(zāi)熱輻射影響距離最大，統(tǒng)計(jì)熱輻射15 kW/m2、5 kW/m2的最大影響距離分別為12.6 m、15.0 m。對(duì)于常規(guī)危險(xiǎn)貨物集裝箱布置形式，堆存期LNG 罐箱典型泄漏場(chǎng)景熱輻射會(huì)導(dǎo)致相鄰LNG 罐箱結(jié)構(gòu)破壞乃至發(fā)生連鎖事故。

2）基于常規(guī)危險(xiǎn)貨物集裝箱布置形式的不足，針對(duì)港口專用LNG 罐箱堆場(chǎng)，本研究創(chuàng)新提出LNG 罐箱罐組概念，罐組內(nèi)LNG 罐箱尾部相對(duì)即LNG 罐箱尾部安全泄放口、罐箱閥門管系均位于罐組中間，將典型泄漏場(chǎng)景熱輻射影響范圍限定于罐組內(nèi)，不會(huì)影響其他相鄰罐組，避免事故擴(kuò)大化；適當(dāng)擴(kuò)大罐箱間距，方便人員巡檢、現(xiàn)場(chǎng)處置，有利于消防覆蓋；針對(duì)罐組內(nèi)熱輻射影響，加強(qiáng)消防設(shè)備配置，于堆存區(qū)內(nèi)設(shè)置消防炮塔。當(dāng)發(fā)現(xiàn)火災(zāi)時(shí)，第一時(shí)間開展滅火同時(shí)有效冷卻罐組內(nèi)其他罐箱，避免熱輻射對(duì)罐組內(nèi)其他罐箱造成損壞。

3）對(duì)于堆存區(qū)平面設(shè)計(jì)，建議各堆存區(qū)之間、堆存區(qū)與場(chǎng)外道路間距不小于15 m，將典型泄漏場(chǎng)景熱輻射傷害限定在堆場(chǎng)范圍。

4）通過對(duì)堆存期LNG 罐箱典型泄漏場(chǎng)景進(jìn)行火災(zāi)事故后果模擬，本研究針對(duì)性提出了定制化LNG 罐箱堆場(chǎng)堆存區(qū)平面設(shè)計(jì)方案，提高了堆場(chǎng)整體安全水平。本研究已應(yīng)用于具體工程，具有較高的參考價(jià)值。