基于静电防护的LNG加注趸船管道条件限定分析

(中国船级社 武汉规范研究所，武汉 430022)

我国已有多艘船舶已经或正在进行LNG作为动力燃料的改建，LNG在船上的广泛使用，促进了LNG加注站点的部署，LNG加注站的部署需要结合加注效率考虑。以长江上500 m3的加注趸船为例，如果为20 m3的燃料罐加气，假设加注时间为1 h，1 d只能加10～15艘船。如每艘船满功率运行6 d，1座加注站可以供应的船舶为60～90艘。如若长江水系船舶总数的10%完成改造(1.3万条)，则需要建立约140座500 m3规模的加注趸船。可见，加注时间的长短影响着水上LNG应用的供求关系。在管道内径一定的情况下，提高加注效率就必须从管道流速入手。但是，诸如静电和压力等多种因素决定了管道流速不可能无限制提高，特别是静电的影响尤为关键。因此，研究在预防静电危害发生的前提下确定安全的流速上限，不仅是提高加注效率的有效途径，而且反过来又影响着管道内径大小的设计。为此，从静电防护的角度出发，分析输送管道的内径、长度和管内流速在LNG加注过程中对静电生成的影响，得出管道内径和流速的限制条件。通过对国内外关于燃油类产品安全流速的有关规定进行研究分析，提出适合LNG加注需求的输送管道内径和流速的约束条件。

1 LNG输送管道内静电的形成

影响静电产生的因素有很多，如物体周围的温度和湿度、摩擦力大小、物体的电阻率等。LNG富含甲烷(CH4)，属于烃类液体，影响其带电量的因素如下[1]。

1)流速。管道内静电量与流速的1.75次方成正比。

2)管道内径和长度。管道内静电量与管道内径的0.75次方成正比，且随着管道长度增加而增加。

3)电导率。实验证明，电导率在100 pS/m左右的液体，液体最易产生并积累静电，而LNG的电导率在1～100 pS/m[2]。

4)杂质。实验证明，少量杂质的存在会显著增加静电量，但是过多杂质会不利于电荷的积累。

5)管道工艺。绝缘材料的管道，显然容易聚积静电，即使接地也无明显效果；粗糙的管道内壁，使LNG与管道的接触面积增大，也易于聚积静电。

2 基于静电防护的LNG管道条件限定

导致静电危险的3个基本进程有①电荷分离；②电荷储集；③静电放电。液体流过管道、油类装入油舱的初始扰动等都会产生液体电荷分离过程；液体电导率低于50 pS/m时被认为是静电储集体，实际上，只要电导率足够低，就会有电荷储集；过强的静电场在其周围电阻突降时，储集的电荷突发重组，就会产生“电晕”“刷形放电”和“火花”等静电放电现象。

LNG流通管道就会产生电荷分离，其电导率在1～100 pS/m之间，足够储集可能引起静电危害的电荷，若储集了足够的电荷，静电放电现象又无法绝对避免。考虑LNG液化过程中杂质分离较好，而管道材料和内壁平滑度等工艺也是固定的，因此，可以控制的预防静电危害的因素只有管道长度、LNG流速以及管道内径。

2.1 静电对管道长度的限制

管道长度对静电的影响，根据文献[3]中观点，完全不带电的液体在管道中流通时，起电和泄放电是同时存在的，初始时由于电荷少，起电快，泄放电慢，随着管路电荷的增加，起电量和泄放电量趋于平衡，管路中形成稳定的冲击电流。

该冲击电流I与管道长度L的近似数学关系满足

(1)

式中：Js——起电电流密度，在平均流速及一定条件下为常量;

D——管道内径;

τ——液体的时间常数;

v——液体平均流速。

不同τv下的冲击电流I与管道长度L的近似关系曲线，见图1。图中各量只表示数值关系，不代表实际物理意义。

图1 不同τv对应的冲击电流I与管道长度L的近似关系曲线

由冲击电流I与管长L的数学关系来看，在起电过程中，冲击电流随着管道长度以指数形式增加，趋于饱和，且饱和值与管长无关。当L=3τv时，电流可达饱和值的95%，此时的L称为饱和距离。因此，实际中的管道长度，限于实际距离等条件不可能无限短，当其接近或者超过饱和距离后，冲击电流趋近饱和，调节静电量的能力非常有限。

2.2 静电对管道流速的限制

参照表1、表2目前国际、国内对于各种油类防静电的标准，LNG的管道流速应该至少应符合以下限制。

表1 国内有关标准关于燃油类产品安全流速的有关规定

表2 国外有关标准关于燃油类产品安全流速的有关规定

1)初始流速低于1 m/s。这主要从以下三方面考虑①液舱开始装载时，水与油类的混合存在最大的可能性，油水混合物构成最大的潜在静电来源；②初始的进油口低油速可以将油类进入液舱造成的搅动和激溅降到最低，有助于减少静电荷的产生；③初始的进油口低油速可以使油雾的形成降到最低，油雾极易储集电荷，导致可燃性大气。

2)管径条件允许时，最大流速低于7 m/s。油船静电防范的既往操作和经验表明，只要流速低于7 m/s，潜在的危险发生可能性就极小。虽然也有相当数量的行业文件认为7 m/s的速度只是预防性的限制值，但是实际各种因素复杂，无法精确得到安全的更高流速，因此，出于LNG燃料的安全考虑，在管径允许的条件下，最大流速不得超过7 m/s的安全经验流速。

根据以上分析，可以确定LNG加注过程的安全流速控制方案，见图2。

图2 LNG加注过程的安全流速控制方案

2.3 静电对管道内径设计的影响

设计管道内径，必须综合考虑流速和加注LNG的容积速率。容积速率就是单位时间内加注的LNG液体体积。

根据表2中《API2003—1991防止静电、闪电和杂散电流引燃的措施》《GB12158—1990防止静电事故通用导则》和《SH/T3108—2000炼油厂全厂性工艺及热力管道设计规范》规定的流速限制。

铁路槽车为

v≤0.8/D

(2)

式中：v——流速，m/s；

D——管径(直径)，m。

汽车罐车为

v≤0.5/D

(3)

根据表2中《AS1020—1970南澳大利亚静电规范》对于非导电烃的带电安全水平的流速限制：

v2≤0.64/D

(4)

LNG液体的容积速率为

V=0.25πD2v

(5)

表3～表5为按式(1)～(4)的约束条件计算200 mm以内的常用管径在允许最大流速下对应的容积速率。内河船以鄂州的3 100 t散货船为例，LNG储罐容器是15 m3，目前国内潜液泵排量最大为20 m3/h，根据表中数据，此3种限制条件下的加注均可以在30 min内完成。

表3 v≤0.8/D时管道流速和容积速率

表4 v≤0.5/D时管道流速和容积速率

表5 v2≤0.64/ D时管道流速和容积速率

为更精确分析3个约束条件对管径的影响，以D=100 mm，LNG加注容积速率v=100 m3/h为例，此时所需的最小流速vmin=3.54 m/s。定义约束条件下的速度裕量vP=vmax-vmin。vmax为约束条件下的最大速度。速度裕量可以转化为更高的加注效率或相应的管径设计范围。

1)根据式(2)的限制条件v≤0.8/D=8 m/s，取上限v≤7 m/s，速度裕量vP=3.46 m/s。

2)根据式(3)限制条件v≤0.5/D=5 m/s,速度裕量为vP=1.46 m/s。

3)根据式(4)限制条件,v2≤0.64/D=2.53 m/s，速度裕量为vP=1.01 m/s。

因此，在保证安全的前提下，约束条件式(2)可以提供最大的速度裕量，式(3)可以提供较好的速度裕量，式(4)所能提供的速度裕量最少。

根据以上分析，在保证LNG加注容积速率的前提下，对于管径的设计，必要时可以以牺牲速度裕量来换取更宽广的设计范围。在实际设计中，考虑加注趸船LNG储罐较大，储罐的形状和尺寸减弱了静电场，趸船接受槽车充装LNG管道的管径范围可依据式(2)来设计;而趸船的加注LNG管道的管径范围可依据式(3)来设计;在更为严格的静电条件下，可参考式(4)来设计。

至此，对于确定的LNG加注量Vo，则对LNG燃料动力船的加注过程的总时间T可以大致由下式确定。

0.25πD2·v1·t1+

0.25πD2·vmax·(T-t1)=Vo

(4)

式中:t1——1 m/s流速对应的时间;

vmax——最大流速,v1=1 m/s;

D——管径。

3 建议

由于LNG拥有与油类物质接近的电导率，LNG加注时其他针对管道防静电对策可以参考油类防静电标准。

1)加注时，保证加注管头浸没在LNG液面以下，以免发生飞溅现象。

2)避免使用小直径的连接管，加注管最好使用金属管，且保证接地。

3)当增大泵的功率提高加注速度时，要相应增大加注管的直径或增加加注管根数，以避免单管流速过高。

4)实践证明，采用T形、锥形、45°斜口形加注管头，可以减轻从气罐顶部加注时的冲击，从而有效降低气罐内液面的静电电位。

5)加注结束后，不能使用压缩空气来清除加注管内的残液，防止形成可燃混合气体。

[1] 简明学.现代船舶消防[M].南京：广西科学技术出版社，1992.

[2] 何茂权.液化天然气储运系统风险评价[D].上海：同济大学，2007.

[3] 赵航宇.船-岸安全电气连接新技术研究[D].上海：上海海运学院，2001.