液化天然气装卸泄漏扩散模拟研究*

程龙军，胡晓昕

（1.中国石化青岛安全工程研究院，山东青岛 266104 2.中石化宁波工程有限公司，浙江宁波 315103）

0 前言

近年来，中国天然气需求量持续攀升，根据海关总署数据，我国2018年液化天然气(LNG)进口量为5 373×10t，占2018年天然气进口总量的59.5%，LNG进口量排名世界第2。LNG运输方法一般有船舶外运、气化后管线外输和槽车运输，在500～800 km经济运输半径范围内，采用汽车罐车运输LNG是比较理想的方式。LNG是在压力0.1 MPa、温度-162℃条件下液化的天然气，LNG的固有性质决定了其具有低温、分层翻滚、快速相变、火灾爆炸等危害特性，装卸过程中一旦出现泄漏将会造成严重事故。2018年11月16日中石油川港中汇能源LNG重庆北站加气站内，装卸过程阀门松动导致18 t LNG液体泄漏。

目前国内LNG装卸采用万向旋转接卸臂+法兰盘接头进行LNG槽车装卸作业，法兰盘接头具有以下缺点：①法兰连接操作复杂，安装时间较长；②每次连接法兰需使用新的垫片，装卸过程中易出现漏液；③拆卸法兰时需要等待解冻，破冰锤敲击解冻存在安全隐患；④氮气吹扫后，鹤管内甲烷含量未知，拆卸法兰存在安全隐患。

针对目前LNG法兰装卸的工况，可能出现泄漏的位置为法兰盘接头和万向旋转接头，如图1标黄所示。

图1 LNG槽车接卸连接示意

法兰盘接头可能出现全脱泄漏和部分破裂泄漏两种事故工况，万向旋转接头容易出现密封圈失效泄漏事故工况。笔者针对LNG装卸万向旋转接头密封失效泄漏流场进行模拟计算，得到LNG装卸的泄漏速率；根据泄漏速率，针对某LNG接收站采用DNV-GL PHAST事故后果模拟软件计算并分析了法兰盘接头全脱、部分破裂及万向旋转接头密封意外失效工况下，LNG泄漏扩散情况。

1 LNG万向旋转接头泄漏流场模拟

LNG万向旋转接头密封圈需要满足耐受-162℃的要求，因此，为了解密封圈完全失效情况下LNG泄漏情况下，利用有限元仿真软件软件对该工况进行模拟，流场采用标准κ-ε湍流模型。

计算条件为：LNG充装的正常流量为26.5 m/h，计算得到万向旋转接头入口流速为3.5 m/s，LNG充装末期槽车内压力约为0.6 MPa，因此万向旋转接头出口压力为0.6 MPa，在接头连接处密封处设置出口大气压强为0。LNG密度413.91 kg/m，LNG黏度为109×10Pa·s。万向旋转接头内径为DN50，密封完全失效时泄漏间隙为0.25 mm，完成接头轴对称模型建立，同时进行网格剖分(图2)。

图2 网格剖分

通过软件得到密封圈失效泄漏时速度场分布图(图3)。可看出，密封圈失效泄漏点最大流速能够达到41.4 m/s，对法兰接缝位置进行探针监测，得到法兰接缝边缘泄漏平均流速为13.93 m/s，由此计算得到泄漏流量为1.507 t/h。根据充装流量值，计算得到万向旋转接头密封位置一旦发生泄漏，将会有大约12.7%装车流量的LNG泄漏至大气中。

图3 万向旋转接头密封位置泄漏速度分布

2 LNG泄漏扩散场景分析与设置

以南方某LNG接收站装卸区(图4)为研究对象，装卸区位于红框标注所示，可看出附近罐区装置林立，一旦LNG发生泄漏和扩散，遇到点火源便可能造成严重的燃爆事故。

图4 LNG装卸区位置

场景选择采用NFPA 59A—20090《LNG生产、储存和装运标准》的计算原则，该标准以最大可信事件的影响范围作为确定安全距离的依据，考虑LNG泄漏在地表并形成液池，液池蒸发产生可燃蒸气云扩散的危险场景，关注的安全边界是空气中的甲烷浓度不超出常温常压下甲烷燃烧下限(LFL)。

LNG槽车装卸区工艺设备内的介质为LNG，操作压力为0.6 MPa，操作温度为-162℃，罐体充装系数按0.9考虑，实际充装量为47.3 m，泄漏点位于地面标高1 m处水平方向。根据LNG装卸臂万向旋转接头密封失效时的泄漏流场模拟结果，换算得到泄漏孔径相当于6 mm，泄漏速率为0.417 kg/s。法兰接头完全脱开时，考虑泄漏孔径为50 mm。法兰局部破裂时，考虑泄漏孔径为15 mm。根据LNG槽车罐的压力计算得到各孔径条件的泄漏速率：15 mm泄漏孔泄漏速率为2.39 kg/s；50 mm泄漏孔泄漏速率为26.59 kg/s。

LNG接收站所在地全年平均环境温度：32.5℃，环境相对湿度：80%，环境气压：100.9 kPa，根据国家气象信息中心数据对当地近10年平均风速日值进行了统计，风力为1级及以下日数占比约为6%，1～3级之间占比为59%，3级及以上占比约为35%，故选取了3种风速+Pasquill大气稳定度的组合作为典型天气条件：1.5/F代表静风/轻风的夜晚，2/B代表轻风少云的白天，4/C代表微风多云的白天。泄漏时间依据GB/T 37243《危险化学品生产装置和储存设施外部安全防护距离确定方法》考虑最大泄漏时间为20 min。分析确定泄漏事故场景如表1所示。

表1 泄漏事故场景基础参数

3 LNG泄漏扩散距离分析

按照选定的泄漏事故场景，对不同泄漏条件下的LNG泄漏扩散距离采用PHAST软件进行计算和分析。

3.1 50 mm孔径泄漏结果分析

当槽车装卸区法兰装卸接头脱落发生50 mm孔径泄漏时，得到LNG泄漏扩散形成的可燃气体云团LFL范围随天气条件和时间变化的分布情况侧视图，结果如图5所示。

图5 50 mm孔径泄漏可燃气体云团扩散距离

从结果来看，LNG在泄漏初期，4/C条件下可燃气体云团扩散距离最大，其次是2/B条件，最小是1.5/F，说明风速快的状况下，LNG泄漏蒸发和扩散速度快；LNG泄漏50 s时，4/C条件下可燃气体云团扩散距离达到最大的156 m，2/B条件下可燃气体云团扩散距离超过4/C条件；LNG泄漏130 s时，2/B条件下可燃气体云团扩散距离达到最大的197 m，同时1.5/F条件下的可燃气体云团扩散距离已经超过4/C条件。LNG泄漏190 s时，1.5/F条件下的可燃气体云团扩散距离超过2/B条件。LNG泄漏300～750 s时，1.5/F条件下的可燃气体云团扩散距离不断扩大，最终最大范围为245 m。槽车罐内LNG在750 s泄漏完全，756 s时LNG泄漏源头可燃气体云团收缩，782 s时4/C条件下可燃气体云团消失，800 s时2/B条件下可燃气体云团消失，851 s时1.5/F条件下可燃气体云团消失。

3.2 15 mm孔径泄漏结果分析

当槽车装卸区法兰发生15 mm孔径泄漏时，得到LNG泄漏扩散形成的可燃气体云团LFL范围随天气条件和时间的分布情况侧视图(图6)。

图6 15 mm孔径泄漏可燃气体云团扩散距离

从结果来看，LNG在泄漏初期13 s内，4/C条件下可燃气体云团扩散距离下最大，其次是2/B条件，最小是1.5/F条件，同理说明风速快的状况下，LNG泄漏蒸发和扩散速度快；LNG泄漏26 s时，4/C条件下可燃气体云团扩散距离达到最大的46.8 m，2/B条件下可燃气体云团扩散距离超过4/C条件；LNG泄漏38 s时，1.5/F条件下的可燃气体云团扩散距离超过4/C条件；LNG泄漏50 s时，2/B条件下可燃气体云团扩散距离达到最大52.6 m。LNG泄漏87 s时，1.5/F条件下的可燃气体云团扩散距离超过2/B条件。LNG泄漏87～383 s时，1.5/F条件下的可燃气体云团扩散距离不断扩大，最终达到最大范围为68.6 m。LNG泄漏383～1 200 s时，LNG泄漏仍在进行，3种天气条件下泄漏量与可燃气体云团边缘扩散量达到平衡，因此该阶段可燃气体云团处于稳定状态。

3.3 6 mm孔径泄漏结果分析

当槽车装卸区LNG装卸臂万向旋转接头密封失效时发生6 mm孔径泄漏时，得到LNG泄漏扩散形成的可燃气体云团LFL范围随天气条件和时间变化的分布情况侧视图(图7)。

从图7结果来看，LNG在泄漏初始时刻1 s内，4/C、2/B和1.5/F条件下，可燃气体云团扩散距离相差不多；LNG泄漏13 s时，4/C和2/B条件可燃气体云团扩散距离稳定不变，4/C达到9 m，2/B达到12.4 m，且4/C和2/B条件下LNG泄漏未落地形成液池，1.5/F条件下LNG泄漏落地形成液池。LNG泄漏60～160 s时，1.5/F条件下的可燃气体云团扩散距离不断扩大，最终达到最大范围为19 m。LNG泄漏160～1 200 s时，LNG泄漏仍在进行，3种天气条件下泄漏量与可燃气体云团边缘扩散量达到平衡，因此此阶段可燃气体云团处于稳定状态。

图7 6 mm孔径泄漏可燃气体云团扩散距离

3.4 泄漏扩散距离结果对比分析

分析泄漏扩散距离的结果可知，LNG泄漏形成的可燃气云扩散范围与最大距离受泄漏孔径、泄漏时间以及天气条件的影响。对于同一泄漏区域，泄漏孔径越大、泄漏时间越长、天气条件越稳定，形成的可燃气云扩散范围越大。当LNG接收站装卸区装卸法兰盘接头完全脱开时，LNG泄漏的扩散范围最大，DN50-1.5/F条件下可燃气云最大扩散距离为245 m；当LNG装卸万向旋转接头密封失效时，LNG泄漏的扩散距离最小，DN6-1.5/F条件下可燃气云扩散距离为19 m。同样天气条件下，法兰接头完全脱开时LNG泄漏扩散最大距离大约为LNG装卸臂万向旋转接头密封失效时泄漏扩散最大距离的12倍。

4 LNG泄漏扩散可燃气云面积分析

同理，按照选定的泄漏事故场景，对不同泄漏条件下的LNG泄漏可燃气体云团扩散最大面积采用PHAST软件进行计算和分析，见图8～图10。

由图8～图10可知，LNG泄漏扩散形成可燃气云的最大面积受泄漏孔径、泄漏时间以及天气条件的影响。对于同一泄漏区域，泄漏孔径越大、泄漏时间越长、天气条件越稳定，形成的可燃气云面积越大。当LNG接收站装卸区装卸法兰接头完全脱开时，LNG泄漏扩散形成气云扩散面积最大，DN50-1.5/F条件下可燃气云最大面积为23 960 m；当LNG装卸臂万向旋转接头密封失效时，LNG泄漏扩散形成气云扩散面积最小，DN6-1.5/F条件下可燃气云面积为23 m。同样天气条件下，法兰接头完全脱开时形成可燃气云扩散面积大约为LNG装卸臂万向旋转接头密封失效时的1 000倍。

图8 50 mm孔径泄漏LNG最大可燃气体云团面积俯视图

图9 15 mm孔径泄漏LNG最大可燃气体云团面积俯视图

图10 6 mm孔径泄漏LNG最大可燃气体云团面积俯视图

将不同泄漏条件下的可燃气体云团最大扩散范围标注在接收站装卸区所在区域位置上，得到LNG泄漏扩散覆盖范围如图11～图13。

从图11可以看出，LNG法兰盘接头完全脱开泄漏扩散的可燃气云范围已经覆盖周边的储罐，超过LNG装卸区应急水幕隔离范围，一旦发生点燃爆炸后果不堪设想。从图12得到，法兰局部破裂时泄漏扩散的可燃气云范围已大大降低。从图13可得出，LNG装卸臂万向旋转接头密封失效时可燃气云范围仍在LNG装卸区内，一旦发生泄漏，LNG装卸区应急水幕可有效隔离。

图11 DN50-1.5/F工况下LNG泄漏扩散可燃气云覆盖范围

图12 DN15-1.5/F工况下LNG泄漏扩散可燃气云覆盖范围

图13 DN6-1.5/F工况下LNG泄漏扩散可燃气云覆盖范围

因此，出于安全考虑，亟需研发LNG干式低温接头，替换目前的法兰盘接头。该LNG干式低温接头应具备以下功能：①快速接驳断开，解决法兰盘接头螺栓连接和敲击解冻的安全风险，提高装卸速度；②意外断开接头瞬间能够自动密封，解决法兰盘接头脱落泄漏无法密封的问题；③密封失效泄漏量低，低于万向旋转接头泄漏速率，大大降低泄漏扩散范围。

5 结论

a)利用有限元仿真软件软件模拟计算得到LNG装卸臂万向旋转接头密封圈完全失效状况下，泄漏流量为1.507 t/h，根据充装流量值，计算得到万向旋转接头密封位置一旦发生泄漏，LNG将会以大约12.7%装车流量的速率泄漏至大气中。

b)对不同条件下的LNG泄漏扩散场景采用PHAST软件进行计算，对于同一泄漏区域，泄漏孔径越大、泄漏时间越长、天气条件越稳定，形成的可燃气云扩散距离和扩散面积越大，法兰接头完全脱开时泄漏扩散最大距离为LNG装卸臂万向旋转接头密封失效时的12倍，法兰接头完全脱开时形成可燃气云扩散面积为LNG装卸臂万向旋转接头密封失效时的1 000倍。

c)从模拟计算结果来看，LNG槽车装卸一旦法兰盘接头发生脱开泄漏或者局部破裂泄漏，LNG泄漏可燃气云覆盖面积大，存在巨大爆炸风险，亟需研究LNG干式低温接头，该接头应具备发生意外脱落接头瞬间自动密封、密封圈失效泄漏量低的功能，避免LNG装卸接头泄漏爆炸事故发生。