加注LNG燃料的船舶安全管理措施研究

马义平 许乐平 赵 睿 杨开亮 李国祥

（1.上海海事大学 商船学院 上海201306；2. 上海海事大学 海洋科学与工程学院 上海201306）

引 言

与柴油机尾气排放相比，LNG（liquefied natural gas）动力发动机的尾气在SOx、CO2以及NOx排放上具有较大程度的降低［1］，且LNG动力发动机还能较好地燃烧LNG运输船舶的BOG（boiling of gas），因此，LNG动力发动机在国际船舶开始应用。在国内，随着国家“气化长江”战略的提出，部分内河船舶试点进行柴油机的LNG动力改造，同时一些柴油机厂家也成功开发了部分LNG动力发动机［2］。然而，自LNG应用至今，发生了多起LNG严重事故［3］。为保证船舶和环境安全，《国际船舶安全营运和防止污染管理规则》和《中华人民共和国船舶安全营运和防止污染管理规则》都要求船舶关键性操作须有相应的操作须知，但由于LNG动力船舶刚刚开始，所以此类研究较少。目前主要研究有LNG动力船加注模式研究［4-7］、加注趸船池火危险距离分析［8］、LNG泄漏爆炸危险后果分析［3］、槽车加注的定量分析评估［9］以及加注趸船的消防安全技术［10］等，但对LNG动力船舶在LNG燃料加注过程中的危险控制研究目前基本没有。因此，本文拟基于LNG动力船舶燃料加注技术，对与加注过程密切相关的LNG翻滚、泄漏和火灾等部分关键危险源进行研究，为LNG动力船舶的安全管理体系建立提供参考。

1 LNG加注

LNG 燃料水上加注方式主要可分为五类，分别是槽车-船、岸站-船、船-船、趸船-船、海上浮式设施-船［4］。各加注方式比较和加注注意事项请见表1。

表1 LNG各种加注模式比较及加注注意事项

2 风险及预防措施

2.1 LNG翻滚和间歇泉

LNG翻滚现象是指两层不同密度的LNG 在储罐内迅速上下翻动混合， 瞬间产生大量气化气的现象，此时罐内LNG 气化量为平时自然蒸发量的10～50 倍［13］，最大可达正常 BOG（boiling of gas）气量的100 倍［14］，翻滚导致储罐内气压迅速上升并超过设定值， 储罐超压［13］。

当储罐底部存在储满LNG的较长竖管，管内流体受热而产生蒸发气，当气体产生的浮力足以克服LNG液柱高度产生的压力时，气体就会突然喷发，形成间歇泉。间歇泉也可导致安全阀开启，故避免设置过长管路，或关闭竖管底部的截断阀，可避免间歇泉［12］。

表2 LNG翻滚原因及预防措施

2.2 LNG泄漏

LNG 泄漏至地面，从环境吸热并上升扩散，冷却周围空气至0℃以下，形成一个可见云团（即重气云团）。重气云团比空气重［16］，不易稀释和扩散，增加了燃烧和爆炸的风险［17］。-107℃以下，云团低处存积；-107℃以上，云团上升漂浮［12］。当环境提供的热量不足以气化泄漏LNG时，便形成液池［18］。

若LNG泄漏至水面，由于热传递非常高，因此LNG将会快速相变、发出巨响并发生爆炸。当温差悬殊的两种液体接触，若热液体温度比冷液体沸点温度高1.1倍，热液体极短时间内发生链式反应以爆炸速度产生大量蒸汽，类似于水落在烧红的钢板上立即蒸发［16］。快速相变所释放能量相当于几千克高浓度炸药，会产生局部过压，但不会造成大范围结构损坏［19］。

LNG泄漏的影响有两方面，一是对船体材料低温破坏，该破坏是已有事故的主要类型［6］；二是LNG的蒸汽扩散，可能造成燃烧或爆炸。

LNG储罐下方一般设置防护堤或围堰。GB50156 要求防护堤顶面比堤面至少高0.8 m［17］，当防护堤高度3 m 时，其50% LFL（燃烧下限浓度）距离可以减小50%左右［23］。而围堰最小体积需为储罐容积的 100%［17］， 当 LNG 泄漏 10 s时，无围堰和有围堰2 m高平面上天然气水平扩散距离分别为60 m和19 m［24］，围堰可明显阻挡LNG水平扩散。关于LNG泄漏，约70%发生在管路系统［6］和阀门处［18］，可设置接液盘、护板、水幕来降低其对甲板和舷侧的低温影响［6］。

为降低LNG扩散影响，可铺设低热源介质（如干砂）［25］，但更需合理设置水幕。合理的水幕可将扩散安全距离减小50 %以上，危害面积减小60% 以上［26］。云团高度为储罐的 1.5～2 倍时，云团才可越过储罐顶部扩散，储罐的阻碍作用使储罐附近云团浓度较高，为降低此影响，水幕需安置在泄漏点与储罐的中间，且水幕高度需在云团2倍以上［27］。此外，从控制LNG扩散效果来看，向上实心锥形水幕＞扇形水幕＞向下实心锥形，但水幕易受外界风速干扰，风速大于4 m/s时控制效果不好［28］。

因此， 为降低LNG泄漏影响，可预置接液盘、护板和水幕等；若泄漏发生，可视情采用贴堵法或塞堵法，同时配合使用水幕系统。

表3 LNG泄漏及措施

表4 LNG火灾的应对措施

2.3 LNG火灾

蒸汽云在可燃范围（3.8 %～17 %［19］）内最小点火能为0.28 MJ［3］，在点火源（如静电火花、 烟头等）存在条件下就会发生火灾，继而可能会形成池火、喷射火［10］、火球［19］或爆炸。“火球” 燃烧几秒至几十秒，最大热流量约150～330 kW·m-2，远大于5 kW·m-2的人员接受标准；而爆炸还可引起冲击波破坏［29］，若5 m3气罐完全泄漏爆炸，爆炸点16.64 m范围内的人员如缺少防护将重伤或死亡。

水幕可阻隔火焰传播，使火焰温度下降约79%［31］，热辐射值降低约1/3，水雾汽化还可窒息灭火［10］。使用带水位控制器的水幕或手握软管喷水，可确保LNG 蒸汽团加速吸热，快速上升扩散，但禁止水幕对准着火点［16］，这是因为：

（1）防止LNG相变爆炸；

（2）水会增大汽化速率，可使火焰高度增大6倍，辐射热增大3倍，造成燃爆［20］。

另外，除上述原因外，禁止消防水直接冲击罐体和泄漏部位，也可避免静电积聚［20］。

LNG泄漏到集液池后，可采用高倍数泡沫灭火剂覆盖，除可减少空气与LNG接触外，还可降低LNG的蒸发。高倍泡沫覆盖1 800 s内，液池蒸发量减少了 6.4%［32］；而 500 ： 1 的高倍数泡沫更可有效降低LNG 蒸发速率90% 以上，但最小有效淹没深度需 0.64 m［30］。

LNG火灾可用干粉系统灭火［10，29］。LNG池火最高温度为945.95℃， 使用超细干粉抑制后，最高温度降为249.57℃，降温 696.4℃［33］。但若火灾中罐体发出嘶鸣声，即预示将爆炸；此时应迅速组织撤退，撤退距离至少200 m［29］。

因此，L NG火灾时，可综合运用水幕隔离、消防冷却、泡沫覆盖以及干粉灭火。

3 结 语

首先LNG加注前，合理控制管路和罐体的冷却速度，加注过程需重点关注软管、阀件和接头等部件的泄漏；其次为预防LNG罐内翻滚，不同产地、不同气源的LNG需分开储存，同时采取合适的进料方式； 另外需预制接液盘、水幕和护板等预防LNG泄漏，若泄漏发生时，用封堵法或塞堵法止漏，同时水幕系统隔离；最后LNG火灾时，水幕系统、消防系统、泡沫系统和干粉系统应综合运用。