基于液化天然气槽车泄漏事故的应急处置研究

张金明 杨鹏飞 栾国华

(1.中国石油集团安全环保技术研究院有限公司；2.中国石油集团辽河油田分公司)

0 引 言

天然气作为清洁、高效、方便的优质化石能源，在国民经济建设中发挥了重要作用，在国家碳中和、碳达峰的背景下，大力发展天然气产业成为中国石油天然气集团有限公司能源建设发展的主流趋势。我国内陆地区天然气资源分布地域偏远，各大液化天然气(Liquefied Natural Gas，LNG)生产厂、卫星站和终端站的运输主要依托天然气槽车等方式。由于LNG自身易燃易爆，易在运输过程中发生火灾、爆炸或低温冻伤，由此造成的事故不一而足，尤其是2020年浙江温岭“6·13”槽罐车泄漏爆炸事故再次警醒我们，采取科学的应急处置措施对保障现场救援人员和周边民众的生命安全，避免重大事故发生，具有重要意义[1]。

1 LNG基本特性、槽车系统及泄漏危险特性

LNG是气田生产的天然气经过净化处理，在压力0.1 MPa、温度-162℃的条件下液化的天然气，其主要成分是甲烷(含量一般在90%～98%)，同时含有极少量的乙烷、丙烷、丁烷及氮气等惰性气体。LNG的体积约为气态时的1/625，密度为430～470 kg/m3，热值约为50 MJ/kg，燃点为650℃，沸腾温度在大气压力下通常为-166～-157℃。LNG具有天然气的易燃易爆特性，在-162℃的低温条件下，其燃烧范围为6%～13%，爆炸下限为3.6%～6.5%，爆炸上限为13%～17%，遇明火爆炸易形成蒸汽云[2]。

LNG槽车是运输LNG的专用装备，主要包括牵引车、低温液体贮罐、半挂车架及安全附件等[3]。通过对LNG槽车系统的基本梳理，槽车发生故障并引发泄漏事故主要以贮罐和安全附件为主要风险点，如充装时槽车不在低温下、充装压力过高、充装过满(>90%)等易导致罐体压力过高；夹层防爆盖开启、夹层防爆盖锈蚀泄漏、外壳出现整体结霜等易导致罐体真空损失；液位计没有显示或指针出现正反打反映液位计指示错误等[4]。另外，从槽车运输使用方面考虑，主要有储存泄漏、低温泄漏、汽化超压爆炸、冷爆炸、爆炸燃烧、冷温冻、窒息等一系列风险[5]。因此，正确认识和把握槽车泄漏事故规律对保障生产安全具有十分重要的作用。

2 LNG槽车泄漏事故发展及影响范围

2.1 LNG泄漏模型理论

LNG槽车在运输过程中引起泄漏的主要原因集中在交通事故和槽车自身发生故障等方面，在泄漏情景上主要有静止槽车瞬时泄漏、静止槽车连续泄漏和移动槽车连续泄漏等类型[6]。

对于重气扩散过程而言，即某一典型的烟团释放后，可能形成具有相近的垂直和水平尺寸的气云(源附近)。重气云在重力的影响下向地面下沉，直径增加而密度减小。由于重力的驱使，气云侵入周围空气，发生大量的初始稀释。随后，空气通过垂直和水平界面进一步卷吸，使气云高度增加，充分稀释后，大气湍流通常会超过重力影响而占支配地位，典型的高斯扩散特征便显示出来。

LNG泄漏扩散过程属于流体流动的过程，LNG应为液体泄漏，泄漏后有闪蒸、液池蒸发、液池扩展、蒸汽云扩散等过程。由于蒸汽云温度较低，且扩散时裹挟LNG小液滴，因此为重气扩散[7]。

2.2 LNG泄漏事故流程

LNG泄漏后可能发生以下情况：

1)液相泄漏后迅速汽化造成低温冻伤或窒息；

2)气相泄漏后马上遇到火源而被点燃，即在泄漏口形成气体喷射火并稳定燃烧，一般不会发生爆炸；

3)泄漏气体未立即点燃，在空气中扩散，并与空气形成混合蒸汽云，遇火源导致火球燃烧或蒸汽云爆炸；

4)扩散过程中没有点火源，且未达到爆炸极限范围，造成低温冻伤或窒息。

LNG泄漏事故危害流程见图1。

图1 LNG泄漏事故危害流程

2.3 伤害影响范围

由于冻伤、窒息伤害只有直接接触低温液体或蒸汽时才会发生，所以这类伤害的影响范围与实际泄漏形式、泄漏量有关，这里不进行计算。

1)热辐射伤害

当LNG槽车发生泄漏，遇明火点燃，形成气相喷射燃烧或火球燃烧事故时会产生热辐射，在一定范围内，人体会受到热辐射伤害。热辐射伤害准则见表1。

表1 热辐射伤害准则 kJ/m2

由于喷射火热辐射伤害的主要影响因素是泄漏口的大小，所以LNG泄漏事故热辐射伤害半径以火球燃烧形式为基础计算。假设槽车内全部LNG都消耗在火球中，所造成的热辐射伤害最大值计算见式(1)。

(1)

式中：q为火球中心至目标点x处的热辐射强度，W/m2；Q为点热源火球的热辐射通量，W；Rx为目标距火球中心的水平距离，m；Tc为热辐射系数，Tc=1-0.058 lnRx。

通过计算并拟合数据，LNG热辐射伤害半径如图2所示，曲线表征了LNG泄漏量与火球燃烧伤害半径的正相关性。

图2 LNG热辐射伤害半径

2)冲击波伤害

LNG泄漏后蒸汽云爆炸形成的伤害主要来自冲击波。爆炸发生后，周围空气受到冲击，使其压力、密度、温度等发生跳跃式的改变，这种变化在空气中以超声速的速度由爆炸中心向四周扩散传播形成冲击波。冲击波超压对人体的伤害情况见表2。

表2 冲击波超压对人体的伤害情况 MPa

采用半球模型计算蒸汽云爆炸长度L0的计算公式见式(2)。

(2)

式中：E0为爆炸能量，E0=VΔHC，J；ΔHC为体积燃烧热，J/m3；V为半球体积，m3；V0为气体体积，m3；R0为蒸汽云初始半径，m；P0为环境压力，取1.01×105Pa。

比例超压计算见式(3)，比例距离计算见式(4)。

(3)

(4)

式中：ΔP为爆炸时冲击波峰值超压，Pa；P0为环境压力，Pa；R为冲击半径，m；L0为蒸汽云爆炸长度，m；

经计算并拟合，LNG冲击波伤害半径见图3。

图3 LNG冲击波伤害半径

需要说明的是，以上对LNG火球燃烧和蒸汽云爆炸伤害半径的计算结果，是基于常温、常压、没有风力影响的理想状态下进行的，所以在实际槽车泄漏事故应急处置时可结合现场环境，并参考以上计算结果划分警戒区范围、疏散区域及采取适当的安全防护措施，对应急处置过程中辅助决策等一系列相关措施具有重要的参考价值。

3 LNG槽车泄漏事故处置方法及防范措施

3.1 关阀断料

由于LNG槽车的危险品运输属性，在设计制造时要严格执行规范要求，安全装置作为LNG槽车主要构件，当泄漏事故发生时首选利用安全装置关阀断料。

1)关闭紧急切断阀

紧急切断阀主要用于罐体外部装卸气相、液相管路发生泄漏时的紧急止漏。当装卸液相、气相管路意外撞击破裂或LNG从液相、气相阀等处泄漏时，立即手动关闭紧急切断阀。在泄漏后发生燃烧且温度达到75℃左右时，紧急切断阀自动关闭。

2)其他附件关阀

在槽车设计制造时，罐璧外部压力表、液位计等与罐内相连通的管路中间设置了可手动开关的阀门，在发生泄漏但阀门完好的情况下可选择关闭阀门，待排除险情后再对外部损坏附件进行更换。

3.2 紧急堵漏

在LNG槽车泄漏事故处置中，各种堵漏技术的应用是控制泄漏速度，抑制险情发展，降低处置风险的有效措施。

1)塞楔堵漏法

塞楔堵漏法主要适用于LNG槽罐罐体小孔、沙眼和裂缝，各类连接管路断裂以及液位计、压力表等部位的泄漏。该方法要求在堵漏前，先将泄漏口周围的脆弱部位或绣层除去，露出坚固的泄漏口，根据泄漏口的大小和形状，选取木材、聚氨酯材料等耐低温材质的堵漏楔，加工切削成泄漏口的形状，将堵漏楔楔入泄漏口处，用无火花铜锤或木质锤将其打入泄漏口，击打点应在受力面中心，用力应先小后大。同时为加强塞楔堵漏效果，也可在堵漏楔上涂抹密封胶、缠裹棉织物。

2)冷冻堵漏法

冷冻堵漏法适用于罐体较小的空洞或局部裂缝泄漏，以及外部各类管路不规则泄漏无法用塞楔堵漏法处置的情况。主要是根据泄漏点的大小或裂缝的长短准备充足的吸水性与防静电性能好的纯棉织物或棉布。在罐体泄漏的情况下，用水浸湿棉布后贴敷在泄漏点或裂缝处，每贴一层同时用水点滴或雨雾喷淋，如此反复贴敷。一般情况下，轻微泄漏贴敷5～6层即可，也可根据具体情况适当增加贴敷层数，待织物中水分完全冻结时即可封堵住泄漏点，完成封堵。此方法堵漏材料简单、易于寻找且操作难度小。

3)塞楔-冷冻联合封堵法

塞楔-冷冻联合封堵法是将塞楔堵漏法与冷冻堵漏法配合使用。其操作方法是对泄漏部位先采取塞楔堵漏，然后将泄漏口外部多余塞楔去掉，再采取冷冻堵漏法实施堵漏。虽然操作方法复杂，但堵漏效果最好。

3.3 倒罐避险

倒罐是通过输转设备、管道将LNG从事故槽车储罐转移到另外的储罐、槽车或其他安全容器内的措施。在LNG槽车泄漏事故处置过程中，堵漏措施无效或无法实施堵漏，槽车又无法在短时间内转移时，可采取倒罐的方法控制现场险情、加快处置速度和清除现场隐患。

LNG槽车常用的倒罐方法有低温输转泵倒罐、压差倒罐、增压器倒罐3种。

1)低温输转泵倒罐

低温输转泵倒罐是将事故罐和安全容器的气相管路相连通，事故罐的液相接口与输转泵入口相连，安全容器的液相接口与输转泵的出口相连，然后开启输转泵，将LNG倒入安全容器内。此方法是3种倒灌方法中效率最高的一种。具体工艺见图4。

图4 低温输转泵倒罐工艺

2)压差倒罐

压差倒罐是将事故罐和安全容器的气、液相管路相连通，利用位置高低产生的静压差将事故槽车罐内的LNG倒入安全容器内。此方法是3种倒罐方法中效率最低的一种。具体工艺见图5。

图5 压差倒罐工艺

3)增压器倒罐

增压器倒罐是将增压器入口与事故罐液相接口相连，增压器出口与事故罐气相接口相连，事故罐内的LNG经增压器吸热气化后体积膨胀，使增压器内压力增高，进而增高事故罐内压力，使LNG从事故罐其他液相接口导出，进入安全容器。具体工艺见图6。

图6 增压器倒罐工艺

3.4 自然排放

当无法有效实施关阀、封堵、倒罐3种措施时，可采用放空阀将罐体内的LNG排放至大气中，利用风流的稀释作用，达到排除隐患、险情的目的，必要时也可外引点燃。但该方法浪费较大，对客观条件要求高，尤其是在泄漏槽车向排放点行驶途中，存在较大危险性，同时对环境要求和风向判断也较为重要，该方法可作为应急处置的一种补充选择方式。

3.5 泡沫灭火

在LNG槽车起火燃烧的情况下，应在冷却事故罐的基础上，做好警戒、疏散、消灭火源等工作，适时利用大量高倍泡沫隔绝空气，窒息灭火。然后根据现场实际情况，科学采取以上关阀、堵漏、倒罐、放空等措施。高倍灭火泡沫的迅速膨胀，可以阻止LNG蒸汽的迅速扩散，且在蒸汽遇到火源着火后，能有效减少燃烧的热辐射量。

在实施冷却时应根据燃烧火源喷射情况采用喷雾水间歇、均匀冷却事故罐，严禁使用直流水冲击罐体，避免在水的冲击力和罐体冷热不均双重作用下而扩大泄漏点。

4 结束语

由于LNG槽车泄漏事故情况的复杂性，在应急处置时必须查明槽罐储量、泄漏部位、泄漏速度，以及罐体、管路、安全装置及各类附件等情况。同时根据地形、风向、电源、火源及交通道路情况分析评估泄漏扩散的范围和可能引发爆炸燃烧的危险及其后果。反复研究制定科学完善的处置方案，并随时根据条件变化进行调整，采取合理有效的措施，在确认安全的前提下，谨慎组织实施救援、排除险情，最终确保应急处置结果的高效可靠。