液化天然气的泄漏问题

王秋莎，吴 明，官学源，刘 杰，张国军，杜义朋

（辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院， 辽宁 抚顺 113001）

液化天然气的泄漏问题

王秋莎，吴 明，官学源，刘 杰，张国军，杜义朋

（辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院， 辽宁 抚顺 113001）

随着液化天然气（LNG）在全球中的广泛应用，其存储和运输过程中的安全问题成为研究的重点。其中LNG的泄漏就是危及其安全性最重要的因素之一。简要介绍了国外研究LNG泄漏的实验研究和理论研究，阐述了LNG的物理性质，以及其燃烧、低温、快速相态转变的危险特性，并在其基础上分别讨论了LNG泄漏在一定条件下可造成的危险后果。同时提出了能预防或减小LNG泄漏带来危害的安全技术措施。

LNG的泄漏；LNG危险特性；危害后果；安全技术措施

近年来，随着液化天然气（简称LNG）在全球生产和贸易中的日趋活跃，LNG作为一种清洁、经济的能源在世界能源系统中起到了越来越重要的作用。为确保能源供应的多元化和改善能源消费结构，一些能源消费大国日益重视LNG的引进，许多国际石油大公司也将其新的利润增长点转向LNG业务，LNG将成为继石油之后的另一个全球争夺的热门能源商品[1]。为给我国快速的经济发展提供持续的能源保障，同时优化能源结构和改善生态环境，我国也增加了对LNG行业的重视。随着LNG在工业和日常生活中的大规模使用，其在储存、运输和使用等环节中的潜在危险也越来越明显的显露出来。一旦发生事故，会造成难以估计的人员伤亡和财产损失等严重后果。因此，LNG在储运过程中的安全问题是摆在我们面前的一个重要课题，而LNG的泄漏就是危及其安全性的重要方面之一。为此，研究有关LNG的泄漏问题具有重要的意义。

1 LNG泄漏的研究现状

针对LNG的泄漏问题已在国内开始研究，但早在20世纪70-80年代，国外就开始以实验研究和理论研究为主要研究方法来研究LNG的泄漏问题。其中实验研究包括以Burro和Coyote为主的现场实验和实验室风洞实验。1980年，在California的China Lake上进行了由美国能源部赞助的 Lawrence Livermore National Laboratory(LLNL)和 Naval Weapons Center(NWC)一系列的Burro LNG实验。实验是通过在水面上释放LNG的方法，取得了在陆地上各种气象条件的数据。1981年，研究者们又以相同的方式进行了Coyote试验。同年，在美国的Marlin Sands上，壳牌石油公司（Shell Oil Company）在海面上也进行了LNG和冷冻丙烷（LPG）的燃烧与扩散实验[2]。但在低风速和 Reynolds数据条件下进行的实验比较困难是风洞实验的主要局限性所在。

20世纪70年代中期到80年代初期，由于增加LNG进口项目，美国海岸运输局在新的规范要求下，建议使用高斯模型（MTB模型）来计算燃气的扩散保护区域。在同一期间，阿肯色州大学开始研究燃气浓度扩散（DEGADIS）模型，这个模型是用来描述密度比空气大的燃气泄漏事故发生时，大气中的浓度扩散情况。DEGADIS是能够预测可发生气体溢出事故扩散距离的一个综合扩散模型[3,4]。20世纪80年代，快速发展的计算流体力学（CFD）模拟方法对物理风洞模拟方法进行了评估，而近几年里哈泽德化学研究中心针对高密度气体扩散的研究中，也是主要使用CFD模型进行模拟实验[5]。2001年，GTI-CHRC研究项目提交了核查FEM3A(CFD)的模型报告。FEM3A的预测表明，由于储罐和防护堤的存在、燃气和粗糙表面的分离以及它们的共同作用，燃气的扩散明显减少了。许多有关燃气浓度领域的风洞实验也证明了FEM3A预测的准确性。

2 LNG的物理性质及其危险特性

2.1 LNG的物理性质

LNG的定义: 液化天然气是从气田开采出来的天然气或油田伴生气，它经过脱水、脱酸性气体和重烃类，然后是经过压缩，膨胀，液化过程而成的低温液体[6]。

LNG的物理性质：LNG是在常压下冷却到-162℃后形成的外观如普通自来水的无色透明低温液体，其体积约为同量气态体积的 1/625。LNG具有热值大和性能高等特点，这些性质使LNG不仅有利于远距离的储存和运输，而且在储存和运输的过程中也大大降低了储运的成本和空间。

LNG主要由高于75%的甲烷和少量的乙烷、丙烷、 氮气等惰性气体组成。LNG的燃点为650 ℃，比汽油高出230 ℃；LNG的爆炸极限为3.6%～17%，汽油的爆炸极限为 1%～5%；LNG比空气轻，所以稍有泄漏就会立即飞散。

2.2 LNG潜在的危险特性

2.2.1 燃烧危险特性

LNG具有跟天然气相同的易燃特性，并且其燃烧速度与天然气相比更快（天然气的燃烧速度大约是0.3 m/s）。LNG一旦发生泄漏，会立刻沸腾而气化，在气化的过程中会从地面、水泥构件、管道系统甚至是空气等周围环境中吸收大量的热量，此时由液体挥发为气体的LNG会迅速扩散。由于LNG的密度比空气小，LNG从液态到气态体积膨胀约为600倍[7]，而且它还具有复燃、复爆的特性。所以当泄漏的 LNG蒸气与空气的混合物达到爆炸的极限时，就会引起火灾或爆炸等事故的发生。

2.2.2 低温危险特性

LNG在常压下的沸点大约是－162 ℃左右，其储存、运输、使用都是在低温条件状态下进行的。由于低温的操作，有关金属部件会出现明显的收缩现象，尤其是阀门、管件、法兰、焊缝、裂缝及密封等储槽系统部件。在LNG的储运过程中，由于长时间的振动，这些部件很容易出现泄漏扩散的状况。

2.2.3 快速相态转变危险特性

LNG与水接触时，会出现快速相态转变(RPT)现象[8,9]。发生此现象的过程是当两种温度相差悬殊的液体接触时，冷液体的温度上升的特别快，表面层的温度超过液体中出现气泡时的自发成核温度，热液体在很短的时间内会通过一个复杂的链式反应机制，以爆炸的速度产生大量蒸气。这种现象就像是水落在一块烧红的钢板上，使水立即蒸发的过程。RPT现象具有爆炸的特点，所以这种现象的产生会导致冷爆炸事故的发生。

3 LNG泄漏可造成的危险后果

在LNG贸易日益增长的趋势下，其泄漏频率随着生产和储运量的增加而增大。因此，人们应当充分重视LNG泄漏可能造成的危险后果。

3.1 火灾及爆炸

当LNG蒸气遇到明火点燃后，火焰会蔓延到氧气所到达的地方。这时不但会产生大量的热辐射，而且还很容易产生大面积火灾。LNG的爆炸极限为3.6%～17%，当空气中的浓度达到此范围内，不但会引发爆炸，还易形成蒸气云爆炸。火灾及爆炸不但会使储罐及其周围的设施受到严重破坏，还会使人们的人身安全和财产受到威胁。

3.2 低温损害

LNG的低温特性使管道的材料和有关金属部件产生脆性破裂和遇冷收缩，导致容易发生LNG的泄漏扩散。这不但会对LNG的管路和系统设备造成损坏，还会对人体造成低温灼伤。如果没能及时稳固这些收缩部件和封闭这些泄漏扩散的蒸气，它就会逐渐上升并扩散至远处，一旦遇到潜在的火源点火，就会造成非常严重的后果。

3.3 冷爆炸

泄漏的液化天然气进入水中时，产生强烈的对流换热，在一定范围内，其蒸发速率保持不变。随着LNG的流动，其泄漏的面积也在逐渐的增大，直到蒸发的气体量与泄漏液体所能产生的气体量相等为止。在一定条件下，当LNG泄漏遇到水时，由于与水之间非常高的热传递速率而使 LNG的蒸发速度增大的非常快。此时就会发生快速相态转变（RPT）的现象。此现象的发生会导致LNG加热至沸腾，伴随巨大声音的同时喷出水雾[10]，继而发生可带来严重后果的LNG蒸气爆炸事故。

3.4 使人窒息

虽然液化天然气本身没有毒，但它有含氧量低的性质。如果有人吸入了大量泄漏在空气中的LNG蒸气而没有迅速脱离，就会很快失去知觉，几分钟就会死亡[11]。所以，LNG的泄漏会导致人们缺氧而窒息。

3.5 其他危害

甲烷是一种对大气层的臭氧起重要作用的温室效应气体，具有破坏性的作用。据考证，甲烷使全球变暖的可能性是CO2气体的22倍[12]。因此从环保的角度出发，我们也要预防控制LNG的泄漏。另外LNG的泄漏还会导致触电及机械伤害等危险事故的发生。

4 安全技术措施

4.1 防泄漏可燃气体探测系统

LNG的泄漏可以通过目测和大型可燃气体探测器的方法来探测，比如紫外线、红外线探测器、低温检测装置、烟雾燃烧显示器和LNG的压力测试设备。使用探测器时，闭路电视系统可以监测到所有LNG设备的工作情况。一旦发生LNG气化、外溢或泄漏等状况，用目测的方法可以看到储运装置外表面产生云雾的形状；用探测器的方法是使操作工人通过被激活的应急操作的提醒而及时采取适当控制措施的方法。

4.2 高倍泡沫控制蒸气扩散系统

泡沫的膨胀率约为500∶1，在泄漏的LNG表面上覆盖高倍泡沫，热量的增加会导致LNG的气化率增大，使气化后的LNG蒸气穿过泡沫后温度升高而向上漂浮[13]。所以当LNG蒸气遇到明火点燃后，迅速膨胀的泡沫可以减小扩散区域并有效阻止LNG的扩散速度，从而减少辐射能量、降低火灾强度。

4.3 防过度振动装置的系统

在储运的过程中，储存容器装置会由于LNG槽车运输时的路况、LNG船舶运输时的天气等影响因素出现一些难以避免的振动现象，这些振动很容易使LNG装置中的部件产生泄漏扩散的现象。因此，在LNG的储存和运输过程中，应对设备装置采取必要的防振动措施。

4.4 事故应急系统

LNG的设施应包括事故切断系统(ESD)、紧急报警系统等事故应急系统，就是当存储、装卸或运输的装置发生泄漏或故障时，能够切断或关闭LNG、易燃气液体的来源，迅速中断或关闭导致事故发生的系统。此外，这些事故应急保护系统应具有一个故障安全设计，当正常的控制系统发生故障或事故时，安全设计会使事故产生的危害减小至最低。

5 结束语

从LNG的潜在危险特性及其发生泄漏所能带来的危险后果来看，人们应该更加重视LNG的泄漏问题。LNG的泄漏研究，与LNG储运的安全运行息息相关。我们必须要加强前沿的储备技术研究，优化引进的技术与装备，完善设备的管理运行机制。在存储和运输过程中，人们应该严格按照相关的规定执行操作，并由专人负责生产设备的维修保养工作和设备运行记录工作。一旦发生LNG泄漏状况，我们应该正确估判泄漏产生的原因，做出合适的安全技术措施，及时对其进行控制和处理。除此之外，我们还应该强化工作者的培训教育、提高他们的安全意识，同时加强对设备的日常考核和安全性检查。仅仅这些对确保LNG的安全性是远远不够的，今后还应该对 LNG的储运安全问题进行更深层次的研究，以促进我国液化天然气行业的高速发展。

［1］顾安忠,等.液化天然气技术[M].北京:机械工业出版社,2003.

［2］庄学强,廖海峰.液化天然气泄漏扩散数值模型分析[J].集美大学学报(自然科学版),2011,16(4).292-296.

［3］徐烈.我国液化天然气(LNG)的陆地储存于运输[J].天然气工业,2002,22(3):89-91.

［4］ JERRY HAVENS.A Dispersion Model For Elevated Dense Gas Jet Chemical Releases(Volume II)[R].North Carolina, U.S:U.S.ENV IROMENT PROTECTION AGENCY Office of Air and Radiation Office of AIR Quality Planning and Standards Research Triangle Park,1998.

［5］彭世尼，段萍.LNG泄漏后果的预测模型[J].重庆大学学报(自然科学报),2006,29(3)：93-96.

［6］何茂全.液化天然气储运系统风险评价[D].上海:同济大学,2007.

［7］龙国庆.大型液化天然气电厂消防系统设计综述[J].机电工机电工程技术,2004,7(33):161-163.

［8］往泓.LNG 潜在的危险及其预防措施[J].天然气与石油,2007,25(1):1-2,10,59.

［9］ Karen B, Latest. Developments in Rapid-Phase-Transition Modeling [J].JPT,2004,4:58-59.

［10］高露.液化天然气泄漏扩散模拟及应用研究[D].南充:西南石油大学,2008.

［11］黄维新,于庭安,杨立兵,等.液化天然气(LNG)储运安全因素分析[J].中国公共安全(学术版),2008,12(1):71-74.

［12］高露,梁光川,彭波,等.液化天然气的泄漏与防护[J].天然气与石油,2008,26(1):28-30.

［13］刘金良.液化天然气储运的安全技术与管理[J].河南化工,2010,27(10):6-9.

Discussion on the Leakage Problem of Liquefied Natural Gas

WANG Qiu-sha, WU Ming, GUAN Xue-yuan, LIU Jie, ZHANG Guo-jun, DU Yi-peng
(College of Petroleum Engineering, Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001, China)

With wide application of liquefied natural gas (LNG) in the world, the security issue has become the emphasis of research in its storage and transportation process. LNG leakage is one of important factors that can endanger its security. In this paper, experimental and theoretical studies of LNG leakage at abroad were described, physical properties of LNG were discussed as well as hazardous characteristics of its combustion, low-temperature and rapid-phase-transition; On the basis of these characteristics, harmful consequences caused by LNG leakage under certain conditions were discussed. Meanwhile, the safety technique measures which can prevent or reduce the harmful consequences caused by LNG leakage were put forward.

LNG leakage; LNG hazardous characteristics; Harmful consequences; Safety technique measures

TE 624

A

1671-0460（2012）09-0892-03

2012-06-18

王秋莎（1987-），女，辽宁盘锦人，硕士生，2010年毕业于辽宁石油化工大学储运工程专业，研究方向：现从事油气管道优化运行研究。E-mail：wangqiusha01@126.com。

指导教师：吴明（1961-），男，教授，博士，研究方向：主要从事原油管道优化运行和储运过程系统节能技术研究。