低温干式接头密封失效泄漏扩散数值模拟

董 顺，马 杨，王新闻

(中国石化青岛液化天然气有限责任公司，山东青岛 266400)

0 前言

根据《中国能源大数据报告(2020)》显示，我国2019年LNG进口量为6 025×104t，占2019年天然气进口总量的62.4%。LNG接收站作为接收进口LNG、储存LNG并外输天然气的基础设施，在我国天然气供应保障和应急调峰中发挥着重要作用。目前，我国已建成18座大型LNG码头接收站，在500～800 km经济运输半径范围内，大中型城市采用汽车罐车运输LNG缓解城市天然气用气压力。我国危化品公路年运输量超过2×108t，根据GB50160—2008《石油化工企业防火设计规范》火灾危险性分类，LNG火灾危险性属于甲A类，是各类储存物品中火灾危险性最高一类，因此必须保障LNG装卸作业的整体安全性[1-4]。

LNG装卸作业传统连接方式为法兰盘，法兰连接的安装时间较长，潮湿环境下，拆卸法兰时需等待解冻，并采取适当吹扫；低温作业工况下，螺栓容易出现应力变化，导致螺栓松动，甚至出现泄漏。鉴于以上情况，拟采用低温干式快速接头代替法兰实现鹤管与罐车的连接，提高LNG充装效率，保障装卸作业的整体安全性[5-7]。

低温干式接头密封端面的可靠性严重影响LNG装卸作业的整体安全性，密封一旦失效，会造成LNG迅速气化扩散，遇到火源就可能发生火灾爆炸事故。因此，通过CFD软件FLACS对低温干式接头密封失效后的扩散过程进行了数值模拟，得到了LNG泄漏扩散的浓度分布情况，并分析了爆炸危险区域的变化规律。

1 泄漏模拟

1.1 泄漏参数

LNG装卸作业通过低温干式接头实现罐车与鹤管连接，图1为低温干式接头X方向截面，其中蓄能密封圈Ⅰ、蓄能密封圈Ⅱ均失效则会造成介质泄漏。图2为低温干式接头密封完全失效后泄漏示意。

图1 低温干式接头X方向内部截面

图2 低温干式接头泄漏示意

对低温干式接头泄漏进行简化，可将蓄能密封圈失效的流道视为一个三通，三通入口流量为Q0，横截面积为A0，出口流量为Q1，横截面积为A1，三通小口处流量为Q2，面积为A2。根据流体的连续性方程(1)和伯努利方程(2)计算出流量Q2。

(1)

(2)

式中:ρ——流体密度，kg/m3，LNG取460 kg/m3；

g——重力加速度，9.8 m/s2；

αa，αb——截面a，b处动能修正系数，取1.0～1.11；

Za，Zb——截面a，b处位置能头，m；

Pa，Pb——截面a，b处压力能头，Pa；

va，vb——截面a，b处de速度，m/s；

hk——流体泄漏处，收缩造成的能量损失，m；

ξ——局部阻力系数。

忽略管道壁厚，则Za=Zb，αa=αb=1,然后令

(3)

联立式(1)(2)(3)可得到断面泄漏流速为:

(4)

截面a处，管内流体的管径方向速度分量为0，则va=0,则根据不可压缩流体连续性方程(5)，并联立式(3)(4)可以得到截面b流出的液体流量公式，即由式(6)计算可得泄漏量。

Q=vbA1

(5)

(6)

式中:Q——LNG泄漏速度，m3/s；

A1——等效泄漏面积，m2。

将相关数据代入式(6)泄漏量计算，经过计算得Q2=0.26 kg/s。

1.2 物理模型

LNG罐车装卸作业时，鹤位两侧均有罐车停靠，该装卸区由装车撬、工艺管线及装车棚组成。为模拟低温干式接头密封失效后的泄漏过程，物理模型如图3所示[8-10]。模型区域长80 m、宽60 m、高10 m，泄漏点位于罐车后方0.6 m处，装卸流量为80 m3/h，输送压力为0.7 MPa，LNG泄漏质量速度为0.26 kg/s，泄漏时间为120 s。

图3 LNG装卸区三维模型

1.3 计算条件

模拟过程中的计算条件：①LNG气化扩散过程中泄漏速率恒定，不考虑罐车内部压力变化；②LNG泄漏后吸收周围环境热量，充分气化变为气态介质；③不考虑风速对气态介质扩散的影响，即气态介质自由扩散；④泄漏过程中不发生任何相变反应和化学反应。

2 模拟结果与分析

2.1 云团扩散浓度与气体泄漏量

LNG泄漏过程中，发生气化后空间浓度逐渐升高形成一个甲烷爆炸危险区域。甲烷在空间各点处浓度会随时间不断变化，P1～P5分别是-Y方向上高0.65 m，距离泄漏点1.5 m，相互间隔1.5 m的5个监测点，气体泄漏时间为120 s，监测时间为150 s。P6～P10分别是+X方向上高0.65 m，距离泄漏点1.5 m，相互间隔1.5 m的5个监测点，气体泄漏时间为120 s，监测时间为150 s。

LNG从低温干式接头密封端面泄漏后不断向远处扩散，距离泄漏点较远处的空间中甲烷浓度不断升高。图4分别为监测点高度0.65 m时P1(监测点)、P2、…P5甲烷浓度变化曲线，40 s后各监测点浓度维持稳定，分别为4.8%、3.1%、2.2%、1.6%、1.4%，3 m之外不处于爆炸范围之内。

图4 P1～P5监测点可燃气体浓度曲线

图5分别为监测点高度0.65 m时P11(监测点)、P12、…P15甲烷浓度变化曲线，LNG从接头密封面泄漏出来，各监测点浓度迅速升高，40 s后浓度维持稳定，分别为4.6%、3.2%、2.4%、1.8%、1.6%，3 m之外不处于爆炸范围之内。

图5 P11～P15监测点可燃气体浓度曲线

气体泄漏时间为120 s，LNG扩散至装卸区域总质量约为30 kg，如图6所示。泄漏的LNG全部气化后为常温常压条件下的天然气，则体积约为42.3 m3。监测点出现的最大可燃气体浓度为9%，总体形成的最大等效化学当量可燃气体云团量约为140 m3。

图6 装卸区内可燃气体总质量及云团量

2.2 泄漏气体扩散分布规律

在0.5 m高度，随着泄漏的进行，气体云团的范围在不断扩大，120 s时达到最大，见图7。在无障碍扩散区域内，在泄漏点半径约2 m的范围内气体浓度大于15%，在泄漏点半径15 m的范围内气体浓度大于5%。所以，在0.5 m的高度上，形成直径约为30 m的气体燃烧爆炸危险区域。XY平面上距离泄漏点最远距离大约为40 m，气体扩散总范围最长直径约70 m，最短约52 m。

图7 不同时间浓度扩散分布(z=0.5)

在0.8 m高度时，气体浓度几乎都在1%～5%之间，浓度为5%～15%的气体云团只存在泄漏点周围半径0.5 m的范围，见图8。所以在0.8 m的高度处，形成了直径约为1 m的气体燃烧爆炸危险区域。

图8 不同时间浓度扩散分布(z=0.8)

LNG泄漏吸收空气中的热量，冷却周围空气，在地面形成流动层，贴近地层浓度高，远离地面浓度低，所以随着高度的上升，气体的可燃爆炸危险区域在缩小。气体泄漏时间为120 s时，扩散最高处大约1.5 m，如图9所示。

图9 t=120 s浓度扩散示意

3 结论

通过低温干式接头密封失效后泄漏扩散过程进行数值模拟，对甲烷扩散过程的浓度分布及扩散规律进行研究，可以得出如下结论。

a) LNG泄漏后迅速气化扩散，各监测点10 s之内浓度迅速升至最高值，40 s后各点甲烷浓度维持稳定，由于气化上升现象明显，所以将可燃气体报警器安装在泄漏点上方可有效检测泄漏问题。

b) 随着泄漏量的增加，爆炸性混合气体在直径70 m范围内扩散，处于爆炸极限范围之内。

c) LNG泄漏吸收空气中的热量冷却周围空气，在地面形成流动层，贴近地面浓度高，远离地面浓度低，所以随着高度的上升，气体的可燃爆炸危险区域逐步缩小。