LNG罐柜在船上装载位置的安全性研究

赵裕 吕植勇 刘俊雯 昌雪玲 沈继超 陶玮凡

摘要：为进一步提高液化天然气（liquefied natural gas，LNG）罐柜内河运输的安全性，研究LNG罐柜在船上装载位置的合理性。根据爆炸产生的火球模型和热辐射模型，考虑人员受到不同程度伤害的概率，建立LNG罐柜爆炸危害的系统动力学模型。利用系统动力学仿真软件Vensim_PLE模拟2个罐柜爆炸，得出结论：爆炸中心的热辐射强度最高，但在距爆炸中心一定距离处人员受到伤害的概率最大。为保证人员安全，船舶罐柜装载区与人员活动区应保持足够的安全距离。

关键词：  安全管理工程; 安全距离; 系统动力学; LNG罐柜

中图分类号：  U698

文献标志码：  A

Meeting of the Waterborne Transport Division， World Transport Convention 2021 （WTC 2021）

Safety study on loading position of LNG tanks on ships

ZHAO Yu1， LYU Zhiyong1， LIU Junwen1， CHANG Xueling2， SHEN Jichao1， TAO Weifan1

（1. National Engineering Research Center for Water Transportation Safety， Wuhan University of Technology， Wuhan 430000， China;

2. Zhejiang Scientific Research Institute of Transport， Hangzhou 310000， China）

Abstract： In order to further improve the safety of LNG tank transportation in inland rivers， the rationality of loading position of LNG tanks on ships is studied. According to the fireball model and the thermal radiation model， where the fireball and thermal radiation are produced by the explosion， the system dynamics model of the explosion hazard of LNG tanks is established considering the probability of different degrees of injury to the crew. Using the system dynamics simulation software Vensim_PLE to simulate the explosion of two tanks， it is concluded that the thermal radiation intensity of the explosion center is the highest， but the probability of crew injury is maximum at a certain distance from the explosion center. In order to ensure crew safety， a sufficient safe distance should be maintained between the tank loading area and the crew activity area on a ship.

Key words： safety management engineering; safety distance; system dynamics; LNG tank

收稿日期： 2021-03-29

修回日期： 2021-06-23

基金項目： 浙江省交通运输厅科技计划（2020043）

作者简介：

赵裕（1995—），男，山东济宁人，硕士研究生，研究方向为危化品运输，（E-mail）895110093@qq.com;

吕植勇（1964—），男，湖北武汉人，教授，博士，研究方向为载运工具及运用，（E-mail）banlzy@whut.edu.cn

0 引 言

目前，我国液化天然气（liquefied natural gas，LNG）罐柜水路运输主要是海运，内河运输尚未实施。2020年7月6日交通运输部正式印发《整船载运液化天然气可移动罐柜安全运输要求（试行）》，使得推广LNG罐柜内河运输成为可能。在我国LNG罐柜内河运输营运之前，首先需要解决LNG罐柜运输的安全性问题。LNG罐柜的水路运输条件与陆路运输条件存在较大差别，LNG罐柜水路运输会更大程度地对载运船舶及其航行水域内的基础设施、通航建筑的安全造成影响：一方面，载运船舶本身在航行、停泊、作业等营运过程中存在一定的风险;另一方面，若罐柜质量差则极易造成LNG泄漏，从而导致火灾、爆炸、中毒、人身伤害等事故的发生，造成严重的生命财产损失。

我国LNG罐柜运输的研究多集中在LNG罐柜铁路和公路运输的安全研究。郑伟[1]从运输通道的比较入手，分析LNG罐柜江海联运的必要性与可行性，认为相对于传统运输方式，罐柜将成为新形势下的发展趋势之一。船运LNG罐柜的运动是一种三维运动，LNG在罐柜内翻滚、晃动会使罐内压力处在迅速上升与下降的变化过程中，存在一定的安全隐患[2-3]。2007年，彭建华[4]进行了我国第一次LNG罐柜水路运输试验，试验结果为：在水路运输过程中，罐内压力缓慢增长，处于安全范围内，罐体未出现损坏、腐蚀、变形等现象，然而该试验时间仅为4 h，与实际船舶运输时间存在较大差距。LNG罐柜水路运输的距离远、时间长，经长时间使用后其强度会逐渐降低，当降低至某一极限时，罐柜会破裂;由于罐内储存有高压气体，罐内外的压力差会使LNG迅速汽化;当存在点火源时，有可能燃烧，从而引起爆炸。LUKETA-HANLIN[5]在试验中研究了储存以及水路运输LNG的过程中LNG泄漏引发火灾的危险性，总结了LNG的特点及危害。对于LNG罐柜爆炸的研究，付珊珊[6]通过数值模拟分析了风速、大气稳定度、温度等不同环境条件对LNG罐柜泄漏扩散的影响，得到：随着风速的增大，LNG泄漏扩散的横向影响范围呈下降趋势;随着大气稳定度的上升，LNG泄漏扩散的横向影响范围呈上升趋势;温度变化对LNG泄漏扩散范围的影响不是特别明显。姜永胜等[7]和单彤文等[8]研究发现爆炸荷载能让LNG罐体和穹顶产生位移变化。纪纯明[9]使用TNT（trinitrotoluene）当量法，估算出LNG低温罐柜全部泄漏引发爆炸所产生的冲击波危害后果，认为LNG低温储罐的爆炸危害范围较广，且化学爆炸冲击波的危害远大于物理爆炸冲击波的危害。管义锋等[10]采用TNT当量法，对在LNG船加注过程中被加注气罐泄漏进行了研究，预测了发生蒸气云爆炸的危害范围。伍蒙等[11]将液池蒸发过程考虑到蒸气云计算模型中，使计算结果更加准确。以往的研究表明，LNG罐柜运输安全性较高，但一旦发生LNG罐柜泄漏，引发爆炸，其危害巨大。前人对LNG泄漏后可能发生的爆炸危害研究大部分基于爆炸荷载以及TNT当量法计算爆炸危害，但是LNG蒸气燃烧产生的火球和热辐射带来的破坏和危害更大。本文在前人研究的基础上，改进火球和热辐射模型，并从 LNG蒸气燃烧产生的热辐射强度和人员受到伤害的概率两个角度出发，以目标（人员）与罐柜之间的距离为方程变量，采用系统动力学方法研究LNG罐柜爆炸的危害，对确定LNG罐柜在船上的装载位置，提高运输安全有重要的作用。

1 系统动力学评价模型

LNG罐柜使用周期长，但在船舶运输中其腐蚀率和锈蚀率高，且罐柜之间发生碰撞的可能性较高，从而造成LNG罐柜的破损和泄漏。LNG爆炸会产生很强的热辐射能量，而且一旦发生爆炸，船员无法迅速逃离船舶，会处于燃烧环境中，在离爆炸中心的不同距离处会受到不同程度的伤害。本文建立LNG罐柜爆炸危害的系统动力学模型（见图1），从整体上判定安全距离，减少人员伤害。该模型可为合理制定LNG罐柜的装载位置和设定隔离区域提供参考。

为便于理解各要素间的关系，使用FreeFta软件，以死亡伤害概率为例，对各要素之间的关系进行分析。引发死亡伤害概率的事故树见图2。

2 系统动力学方程的建立及参数值的确定

LNG是深冷液体，泄漏后很容易受热升温成天然气。LNG从周围环境中吸收热量，当温度高于-107 ℃时，会扩散在空气中。当蒸气云的体积分数在燃烧范围内时，如果遇到火源，哪怕是静电，都会发生燃烧，产生巨大的危害。本文假设一艘运输LNG罐柜的船在航行过程中由于碰撞等因素其2个LNG罐柜发生泄漏，并引发LNG燃烧。假设罐内LNG的密度ρ=426 kg/m3，罐柜体积V=250 m3，罐柜充装系数k=95%。参考文献[12-15]，将相关参数以系统的角度联系起来，建立相关的系统动力学方程如下：

D=2.665M0.327

M=kρV

t=1.089M0.327

式中：D为LNG蒸气燃烧产生的火球半径，m;M为LNG蒸气燃烧产生的火球中天然气的质量，kg;t为LNG蒸气燃烧产生的火球能够持续燃烧的时间，s。

对于只有1个罐柜泄漏并引发LNG燃烧的情况，M可以取罐柜容量的50%;当有2个罐柜泄漏并引发LNG燃烧时，M取2个罐柜容量之和的70%;当存在多个罐柜泄漏并引发LNG燃烧时，M取所有罐柜总容量的90%。

火球在燃烧过程中，产生的热量会向上升起一定的高度，本文假定火球中心距地面的高度（即火球抬升高度）h与LNG蒸气燃烧产生的火球半径D近似相等。

ESR=FSMHaπD2t

FS=0.27p0.32， p=1.21pV

Ha=HC-HV-CpT

式中：ESR为火球表面的热辐射能量，J/kg;FS为火球表面的辐射能量比;Ha为火球的有效燃烧热，J/kg;p为LNG的饱和蒸气压，MPa;pV为LNG罐柜安全阀的启动压力，本文取pV=1.25 MPa;HC为LNG的燃烧热，J/kg;HV为沸点下LNG的蒸发热，J/kg;Cp为恒压状态下LNG的比热容，J/（kg·K）;T为火球表面与周围环境间的温差，一般取T=1 700 K。

kT=2.02（pWr1）-0.99

pW=pW0Hr

r1=r-D/2， r=（X2+h2）0.5

式中：kT为大气热传递系数，Pa·m;pW为环境温度下空气中的饱和水蒸气压，Pa;pW0为环境温度下的饱和水蒸气压，Pa;Hr为相对湿度;r1为目标到火球表面的距离，m;r为目标到火球中心的距离，m;X为目标到罐柜的水平距离。设定初始值0为爆炸中心。

q=ESR4 153.8X2+16 615.2kT

式中：q为距离罐柜X处的热辐射强度，J/（m2·s）。

qc=μq

式中：qc为有服装防护下的热辐射强度，J/（m2·s）;μ为有服装防护下的热接受率，一般取μ=0.4。

PDr=-43.14+3.018 8ln（L/W）

P（2）r=-36.38+2.56ln（L/W）

P（1）r=-39.83+3.018 6ln（L/W）

L=t*q4/3c

式中：PDr、P（1）r和P（2）r分别为人员受到死亡伤害、一度伤害、二度伤害的概率;L为热负荷，W;t*为人员在热辐射条件下暴露的时间，s。

3 数值模拟及数据分析

将各参数值输入Vensim_PLE软件进行模拟，取时间步长为1 s，时间持续100 s，研究各参数随时间的变化趋势，结果见图3。

由图3可以看出，随着时间的增加，大气热传递系数和热辐射强度会逐渐降低，人员受到伤害的概率和热负荷先增加后降低。以死亡伤害概率为例，由图2可以看出，人员受到死亡伤害的概率与热负荷有直接关系。根据热负荷公式L=t*q4/3c可得出，热负荷变化与人员在热辐射条件下暴露的时间和有服装防护下的热辐射强度成正比，热负荷与有服装防护下的热辐射强度变化趋势应相同。模拟中采用的是步进时间，故可认为t*是单位时间1 s，然而，图3显示，有服装防护下的热辐射强度与热负荷的变化趋势不同。根据图2分析产生这种不同的原因，由事故树可以看出，影响热负荷的直接原因有时间和有服装防护下的热辐射强度，这与公式得到的结果相同，无法解释产生这种不同的原因。利用Vensim_PLE中自带的原因树功能分析热辐射强度变化的原因，见图4。

由图4可以看出，影響热辐射强度变化的原因有大气热传递系数、目标到罐柜的水平距离（以下简称“距离”）以及火球表面的热辐射能量。3种影响因素中，距离是存在的唯一变量。因此，距离通过影响热辐射强度进而在一定程度上影响热负荷大小，最终影响人员受到伤害的概率。距离与时间存在对应关系，人员受到伤害的概率也与时间存在对应关系。为便于研究人员受到伤害的概率与距离之间的关系，建立关于时间、距离和人员受到伤害的概率的三维坐标系，见图5。

在这个三维坐标系中，x轴为时间，y轴为距离，z轴为人员受到伤害的概率。将三维坐标系转动到y-z视图下得到人员受到伤害的概率与距离的关系，见图6。采用相同的分析方法，可以得到热辐射强度与距离的关系，见图7。

由图6可知，人员受到伤害的概率随距离的增加先增加后减小。对于双罐爆炸模型来说，在距罐柜100 m左右处人员受到伤害的概率最大。在区间（0，100 m）与区间[100 m，400 m）内，在不同位置处人员受到低伤害的概率相同。然而，由图7可见，随着距离的增加，热辐射强度降低，因此为确保安全，不同位置处危险概率相同时取较远位置作为LNG罐柜装载在船上的安全位置。

4 结束语

本文结合爆炸引起的火球模型、热辐射模型和系统动力学方法，建立LNG罐柜爆炸危害系统动力学模型。利用MATLAB分析了时间、目标（人员）到罐柜的水平距离、人员受到伤害的概率、热负荷和热辐射强度之间的关系，为LNG罐柜在船上的装载位置提供了新的理论和计算方法，结论如下：

（1）系统动力学建模方法将系统内不同参数之间的关系和相互作用通过相关反馈回路联系起来，全面考虑各影响因素，分析过程简单直接，提高了分析效率。

（2）距离爆炸中心越远，LNG罐柜爆炸产生的热辐射强度越低，穿防护服对有效降低伤害起重要作用。

（3）距爆炸中心一定距离处，人员受到伤害的概率最大。在不同位置处人员受到低伤害的概率相同，但距离较近的位置，热辐射强度更高，因此应选择距离较远的地方进行人员疏散或设置船员居住区。

本文提供一种研究船运LNG罐柜装载位置的方法，没有根据船舶长度给出罐柜存储位置建议。在以后的研究中将结合船舶实际长度对模型进行修改。

参考文献：

[1]郑伟. 液化天然气罐式集装箱江海联运初探[J].  四川水泥， 2017（10）： 280.

[2]FERRIN J L， PREZ-PREZ L J. Numerical simulation of natural convection and boil-off in a small size pressurized LNG storage tank[J]. Computers and Chemical Engineering， 2020， 138： 106840. DOI： 10.1016/J.COMPCHEMENG.2020.106840.

[3]LUO Min， WANG Xin， JIN Xin， et al. Three-dimensional sloshing in a scaled membrane LNG tank under combined roll and pitch excitations[J]. Ocean Engineering， 2020， 211： 107578. DOI： 10.1016/j.oceaneng.2020.107578.

[4]彭建华. LNG罐式集装箱水运安全性探讨[J]. 世界海运， 2007， 30（3）： 27-29. DOI： 10.16176/j.cnki.21-1284.2007.03.011.

[5]LUKETA-HANLIN A. A review of large-scale LNG spills： experiments and modeling[J]. Journal of Hazardous Materials， 2006， 132（2/3）： 119-140. DOI： 10.1016/j.jhazmat.2005.10.008.

[6]付姗姗. LNG罐式集装箱内河运输泄漏扩散模拟研究[D]. 武汉： 武汉理工大学， 2013.

[7]姜永胜， 苏娟， 苏龙龙， 等. 大型LNG储罐爆炸载荷效应数值分析[J]. 石油和化工设备， 2020， 23（1）： 23-26.

[8]单彤文， 陈团海， 张超， 等. 爆炸荷载作用下LNG全容罐安全性优化设计[J]. 油气储运， 2020， 39（3）： 334-341. DOI： 10.6047/j.issn.1000-8241.2020.03.013.

[9]纪纯明. LNG低温储罐爆炸冲击波危害后果估算[J]. 中国设备工程， 2020（9）： 84-85.

[10]管义锋， 史腾飞， 朱培培， 等. LNG双燃料船舶加注过程气罐泄漏爆炸后果分析[J]. 船舶工程， 2016， 38（1）： 31-34. DOI： 10.13788/j.cnki.cbgc.2016.01.031.

[11]伍蒙， 許渊， 李左， 等. 改进的蒸气云爆炸模型在LNG储罐爆炸模拟中的应用[J]. 工业安全与环保， 2019， 45（10）： 44-47.

[12]范洪军， 张晖， 徐建勇. LNG加注趸船的池火危险距离分析[J]. 中国造船， 2013， 54（4）： 186-195.

[13]LEE C， KIM B G， KO S Y. A new Lagrangian stochastic model for the gravity-slumping/spreading motion of a dense gas[J]. Atmospheric Environment， 2007， 41： 7874-7886. DOI： 10.1016/j.atmosenv.2007.06.007.

[14]别丽丽. LNG储罐泄漏蒸气扩散及爆炸危害研究[D]. 济南： 山东建筑大学， 2019.

[15]GONG Maoqiong， MA Jia， WU Jianfeng， et al. Nucleate pool boiling of liquid methane and its natural gas mixtures[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer， 2009， 52（11/12）： 2733-2739. DOI： 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2008.12.011.

（编辑 赵勉）