LNG储罐的安全防护和评价研究

李华俊 赵 斌

辽宁石油化工大学机械工程学院,辽宁 抚顺 113001



LNG储罐的安全防护和评价研究

李华俊 赵 斌

辽宁石油化工大学机械工程学院,辽宁 抚顺 113001

LNG储罐作为天然气能源的主要储存设备,建造数量日益增多,一旦发生火灾爆炸事故,将带来严重的后果,安全问题不容忽视,因此,对LNG储罐安全问题的相关研究非常重要。系统地讨论了LNG储罐冷却方式及流程；从材料的合理选择、充注方式、基础设计方法、消防方式探究了LNG储罐的安全防护；研究了不同情况下LNG储罐应选取的安全检测方式。同时，总结了LNG储罐的道化学火灾爆炸危险指数法、过程决策程序图评价法以及模糊理论和灰色关联分析评价法的基本原理,并且通过实际案例验证了方法的准确性。

LNG储罐;安全防护;进展

0 前言

LNG(液化天然气)储罐是应用最广泛的液化天然气储存设备。LNG具有运输便捷、存储高效等优点,是城市输配气系统的主要气源。LNG的主要成份为CH4,大气压力下沸点约-160 ℃,随着压力变化其沸腾温度变化率为1.25×10-4℃/Pa,LNG的密度和其组分密切相关,通常情况下密度处于440～480 kg/m3之间。LNG储罐安全问题关乎着国民经济发展及社会生活稳定,LNG储罐爆炸事故会导致经济损失和人员伤亡,以及环境污染。由于LNG处于低温状态,当LNG储罐出现泄漏时,将产生巨大的低温冲击,不利于外罐的结构安全,因此,LNG储罐的绝热性能必须优良,其设计、制造和管理有较高的要求[1-4]。

1 LNG储罐冷却技术

LNG的储存通常采用常压储存方式,该储存方式具有储存容积大和结构简单的优点,但也存在蒸发率高、承压能力差以及憋压储存时间少等缺陷;LNG的少量储存通常采用压力储存方式,该储存方式具有蒸发率小和承压能力强的优势,而且能够节约储存成本。为了克服常压储存方式和压力储存方式的缺陷,提出了压力-常压联合储存的方式,该储存方式不仅具有常压储存方式和压力储存方式的优点,而且还具有所需设备少、便于操作、安全可靠以及工艺简单等优点[5]。

LNG储罐的冷却技术主要是能降低储罐内部组件的温度,使其温度从环境温度降低到操作温度。LNG储罐冷却主要包括前期准备、物料蒸汽置换、卸料管线的冷却、灌注以及储罐冷却几个环节。LNG储罐冷却前期准备工作主要包括相关文件的准备、人员和工具的准备、系统的准备。LNG储罐的冷却流程见图1。

图1 LNG储罐的冷却流程

2 LNG储罐的安全措施

2.1 储罐材料的合理选取

储罐材料的物理特性应适应在低温条件下工作,低温下金属材料的性质有较大改变,选择材料时应考虑其在常温和-196 ℃之间的强度,材料应该在该温度范围内具有足够的刚度、强度和韧性,能够避免LNG储罐发生低应力脆断事故,同时,所选材料还应该具有较好的金相结构、加工性和焊接性,此外,所选材料还应价格便宜和易于购买。目前,主要的LNG储罐制造材料为9 Ni钢,例如06 Ni 9钢、0 Cr 18 Ni 9 Ti等。对于中小型LNG储罐,通常选择奥氏体不锈钢作为制造材料,对于大型LNG储罐,首选9 Ni钢制造。

低温韧性是确保LNG储罐安全的主要指标,通常情况下需要在-196 ℃条件下对9 Ni钢板和焊缝进行冲击试验,单一试验值不能低于35 J。当利用9 Ni钢制造大型LNG储罐时,应该选择适宜的焊接工艺,确保其低温韧性。

2.2 LNG充注的安全措施

储罐充注对于储罐安全问题也非常关键,若LNG储罐充注时不恰当,将引起LNG储罐的分层,产生翻滚,导致大量的LNG快速蒸发或者泄漏,引发安全事故,因此,在LNG储罐充注过程中应该遵循如下基本原则[6]:

1)新充注LNG密度比罐内残存LNG密度大的情况下,可以利用顶装法进行充注;新充注LNG密度比罐内残存LNG密度小的情况下或者两者密度比较接近时,可以利用底装法。

2)利用混合喷嘴与多孔管进行充注,能够达到混合充分的目的。

3)利用罐内的离心低温泵实现液体从罐底到罐顶的循环。

5)在需要的情况下可以利用搅拌器进行搅拌操作。

此外,LNG储罐的分层和翻滚也得到科学家的普遍关注,研究的热点问题是LNG储罐翻滚模型的构造、分层和翻滚机理的分析以及分层和翻滚预防措施的确定。在LNG储存时,罐内充注不同来源的LNG都将形成密度不同的两层,在密度差超过临界值时,出现翻滚现象。LNG储罐的翻滚过程是一种激烈的混合状态,同时伴有罐内流场合密度的变化,通过对分层和翻滚机理深入地探究,能够为LNG储罐的安全提供有力的理论保障,尽量少混装不同密度的LNG来避免LNG储罐的分层;在必须混装不同密度LNG的情况下应将密度大的LNG充注在罐底部,尤其要避免分层的产生,降低事故的发生率[7]。

2.3 LNG储罐基础安全措施

LNG储罐对基础的要求较高,目前主要采取的基础包括直接式基础和桩基式基础。桩基式基础的整体性和刚性较好,但施工难度大,应该严格控制施工质量,确保每个施工环节都符合规定,避免塌孔、斜孔、窜孔、钢筋笼位置偏差大等缺陷,消除安全隐患。在LNG储罐基础设计方案选择中,应综合考虑施工材料的价格、人工费用、施工难度等因素,确定最佳设计方案,使LNG储罐的基础能够具备足够的承载力,沉降满足设计要求。此外,LNG储罐的隔震也是基础设计应该考虑的问题,目前,采用了砂垫层、橡胶垫层等作为隔震材料,但这些方法对桩基础不适用,较弱的垫层将使水平承载力减少,不利于LNG储罐的安全。对于大型LNG储罐采用钢板橡胶支座、摩擦摆体系以及复位弹簧等机械构建避免地震能量输入LNG储罐上部结构,其中钢板橡胶支座是主要隔震方案,但该方法对周期长的水平振动容易引起共振,对竖向振动不起作用,不利于LNG储罐的安全。因此,对于LNG储罐基础的隔震机理应该进行分析,提出更有效的LNG储罐隔震措施。

2.4 LNG储罐消防措施

LNG储罐在储存过程中存在许多安全隐患,一方面应该关注低温引起的危害；另一方面,还应该确保其不产生燃烧,避免火灾事故发生。LNG储罐容易产生泄漏,若不能及时发现,则泄漏量达到极限将产生池火灾,当发生池火灾时,若不能自然熄灭,则将产生蒸汽云爆炸。因此,对LNG储罐应该采取有效的消防措施,目前,常见的消防措施包括干粉灭火系统、泡沫灭火系统、灭火器以及火灾报警系统等,而在LNG储罐罐顶设置消防水喷淋系统,能够提高LNG储罐的安全可靠性[8]。

3 LNG储罐的安全检测

LNG储罐如果具备较好的绝热性能,压力变化缓慢,无应力集中现象,此时主要失效模式就是泄漏，通常采用的检测技术包括红外热成像技术、带导架的内窥检测技术等。如果LNG储罐和管路系统产生的泄漏量较少,应该采用非空气状态可燃气体红外检测装置进行检测[9]。

安全状况等级可以按照LNG储罐的检测结果以及相关技术规范评定。LNG储罐使用过程中未开罐或者从未进入罐内检测时,应该在3年内进行检测,以确保其安全性。

4 LNG储罐安全评价技术

对LNG储罐进行安全评价非常重要,目前许多评价技术在LNG储罐安全评价方面都取得了较理想的效果。

4.1 道化学火灾爆炸危险指数评价法

道化学火灾爆炸危险指数评价法以工艺单元为基本要素,对不同单元内的危险物进行评价,确定工艺的危险性。主要评价LNG储罐内介质的物性、输送和储存以及化学反应等的安全问题,按照实际情况确定参数,最后获得一个工艺单元的危险系数,并对工艺单元进行分级,全面了解LNG储罐的潜在火灾爆炸危险性。通过该方法能灵活准确地评价LNG储罐的安全性[11-13]。

以1个容积55 m3LNG储罐为例,利用道化学火灾爆炸危险指数评价法对其进行安全评价,分别确定55 m3LNG储罐的物质指数、一般工艺危险指数、特殊工艺危险指数、单元危险指数、火灾爆炸指数，以及安全措施补偿指数,并且确定不同火灾爆炸危险指数值对应的爆炸危险等级,综合计算结果最终确定安全评价结果,见表1。

表1 55 m3LNG储罐安全评价结果

项目数值火灾爆炸危险指数78.43危险等级较轻

4.2 过程决策程序图评价法

过程决策程序图评价法能够分析LNG储罐可能发生的重大事故,动态地评价LNG储罐的安全性,该方法较灵活,不仅能够从出发点追踪到结果,而且能够从结果反推出中间发生的原因。通过该方法能够预测LNG储罐事故,能够在设计中进行改进,避免危险事故的发生。在利用过程决策程序图评价法对LNG储罐进行评价时,如果存在安全隐患,立即依据评价法中的对策加以纠正,能够保证LNG储罐处于安全状态。该评价法为LNG储罐的安全评价和管理提供了一个高效的工具[14-16]。

图2 LNG低温储罐压力过高时的过程决策程序图

以LNG储罐压力过高为例,通过讨论、分析、实施、检查，以及不断完善最终确定其过程决策程序图,见图2。在过程决策程序图中,一个不安全问题对应一个应对策略,能够实现安全评价和对应策略的同步进行,更有效地应对LNG储罐的安全问题。

4.3 模糊理论和灰色关联分析评价

LNG储罐的火灾爆炸风险评价属于多层次、多目标的系统,在评价过程中应该考虑各影响因素的模糊性,可以通过模糊理论确定LNG储罐火灾爆炸危险的影响因素,不同影响因素和LNG储罐安全性的关联程度可以通过灰色关联分析确定,将模糊理论和灰色关联分析结合起来对LNG储罐进行安全评价,能够降低评价过程的主观因素,提高权向量的有效性,更准确地获得LNG储罐的安全现状[17-20]。

以3种LNG储罐防火防爆措施为研究对象,对其安全性进行评价,将相关安全评价指标归一化处理,利用模糊理论和灰色关联分析的算法流程进行分析,计算结果见表2。

表2 3种LNG储罐防火防爆措施安全评价结果

防火防爆措施关联度r措施10.8324措施20.7326措施30.7712

从表2可以看出,措施1的关联度最高,表明采用措施1的LNG低温储罐安全性最好,其次是措施3,安全性最差的是措施2。根据分析结果,可以为LNG储罐选择最佳的安全防护措施,避免安全事故的发生。

5 结论

LNG作为低污染、热值高、易储运、高效益的能源已成为目前天然气储存利用的另一新兴方式。LNG储罐作为LNG工业中重要设备,其形式、充注、安全、仪表系统等相关信息受到了关注,LNG储罐的安全性问题也成为了研究的热点,针对如何提高LNG储罐的安全性,从设计、制造、运行以及防爆等方面提出了许多有效的预防措施,通过合理的设计、准确的安全评价以及有效的安全管理,能够确保LNG储罐的安全性。

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2016-04-16

李华俊(1985-),男，辽宁抚顺人,硕士研究生,研究方向主要为石油化工设备的安全分析。

10.3969/j.issn.1006-5539.2016.04.020