LNG船舶貨物小范圍泄漏控制研究

潘超 閔振

摘 要：隨著能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，液化天然氣（LNG）作為一種方便儲存與運(yùn)輸?shù)那鍧嵞茉?，在全球范圍?nèi)被廣泛使用。海上使用船舶運(yùn)輸LNG是當(dāng)下經(jīng)濟(jì)性最好的LNG轉(zhuǎn)運(yùn)方式。目前看來，盡管在LNG的海上運(yùn)輸史中發(fā)生的事故很少，但倘若發(fā)生泄漏等事故，可能造成無法估量的人命和財產(chǎn)損失。本文從LNG泄漏原理和檢測出發(fā)，對泄漏后的控制和封堵措施進(jìn)行了研究和總結(jié)，對LNG船舶安全運(yùn)輸和泄漏后的處理具有參考意義。

關(guān)鍵詞：LNG;泄漏;封堵;強(qiáng)制水幕

中圖分類號：U698? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）05-0031-03

LNG船在海上運(yùn)輸過程中，可能因為碰撞或者管路破損、閥門密閉性差等原因，發(fā)生泄漏。低溫的LNG接觸空氣后會迅速發(fā)生閃蒸，汽團(tuán)夾帶液滴，變?yōu)榛旌险羝茍F(tuán)?；旌险羝茍F(tuán)濃度達(dá)到一定比例范圍后，如果環(huán)境中存在靜電、火點(diǎn)等著火源，便引起火災(zāi)及爆炸，損失巨大。因此采取LNG泄漏預(yù)防措施，在泄漏初期準(zhǔn)確快速識別危險源，泄漏后迅速控制和封堵泄漏點(diǎn)，對保證LNG船舶安全至關(guān)重要。

1 LNG危險源快速識別

1.1 LNG擴(kuò)散特征

LNG由于各類事故或意外發(fā)生泄漏后，低溫LNG聚集氣化，在空氣中形成氣云飄移擴(kuò)散。泄漏位置、泄漏孔縫大小、LNG儲存量等都可能影響泄漏的模式，泄漏模式又會直接影響LNG泄漏后的物理狀態(tài)[1]。LNG泄漏主要有以下兩種模式：

（1）當(dāng)泄漏孔縫位于管路氣相位置或儲罐頂部時，LNG氣相位置的蒸汽將發(fā)生連續(xù)泄漏，與天然氣泄漏類似。

（2）當(dāng)泄漏孔縫位于靠近儲罐下部液相位置時，泄漏的LNG與外界接觸。液體狀LNG吸收外界熱量，可能完全閃蒸變成LNG蒸汽，繼續(xù)向大氣中擴(kuò)散，也可能部分閃蒸，未閃蒸的LNG在地面聚集形成液池[2]。

1.2 LNG泄漏檢測

目前國內(nèi)外使用的檢測通常有可燃性氣體檢測、低溫檢測、火焰檢測以及熱檢測、煙霧檢測等，檢測儀器的信號傳輸至控制室內(nèi)，在監(jiān)視屏幕顯示，可實時觀測。對于大部分LNG動力船，往往采用多種檢測儀器相結(jié)合的方式。例如，將溫度傳感器、壓力傳感器、可燃?xì)怏w探測儀等配合使用，可監(jiān)測LNG儲存及運(yùn)輸過程中的泄漏情況。目前對可燃性氣體檢測器、低溫檢測器、火焰檢測器等已研究較多，下文介紹一種最新的紅外熱成像技術(shù)。

在LNG系統(tǒng)中，管線、法蘭、LNG儲罐、高低壓泵等位置，泄漏風(fēng)險較大。紅外線熱成像儀可快速檢查LNG儲運(yùn)系統(tǒng)各部位，成像效果顯著且實時，可準(zhǔn)確定位位置，具有抗干擾性強(qiáng)、全時間范圍內(nèi)監(jiān)控、識別目標(biāo)能力強(qiáng)等特點(diǎn)，是一種有效的輻射信息探測技術(shù)。紅外熱成像儀器可根據(jù)目標(biāo)物的能量輻射變化生成有效紅外圖像，從而定位泄漏位置，實時監(jiān)測泄漏情況和著火源。實際情況中，泄漏的LNG汽化氣體的紅外能量輻射通過紅外熱像儀生成黑色煙霧圖像，從視覺上對LNG泄漏保持檢測。目前通過將紅外熱成像技術(shù)與計算機(jī)視覺分析技術(shù)、人工智能技術(shù)相結(jié)合，采用自動分析手段輸出實時圖像，一旦LNG發(fā)生泄漏即可自動預(yù)警，高效便捷。是對現(xiàn)有的LNG檢測手段的有效補(bǔ)充[3]。

1.3 LNG泄漏預(yù)防措施

1.3.1 布置消防系統(tǒng)

LNG站和LNG船的消防系統(tǒng)一般包括消防水系統(tǒng)、干粉消防系統(tǒng)、高倍數(shù)泡沫消防系統(tǒng)以及各類移動式滅火器材等。發(fā)生LNG火災(zāi)事故時，首先關(guān)閉所有裝卸設(shè)備和相關(guān)閥門，然后進(jìn)行滅火工作。

消防水系統(tǒng)由消防泵房、消防管道、消防水池、消火栓、消防水泡等組成。水的溫度比LNG高，泄漏的LNG接觸水后，蒸發(fā)速率提高，燃燒速度加快，危險性更大。因此，水主要作用是對設(shè)備降溫，減輕火災(zāi)產(chǎn)生的熱輻射對設(shè)備的影響，降低設(shè)備的閃燃危險。

1.3.2 安裝監(jiān)測裝置

監(jiān)測報警裝置應(yīng)安裝在管線、閥門、儲罐等可能產(chǎn)生泄漏的關(guān)鍵區(qū)域，以便及早發(fā)現(xiàn)泄漏或火災(zāi)，及時采取措施。

以被監(jiān)測的部位和對象為劃分標(biāo)準(zhǔn)，監(jiān)測裝置一般分為可燃性氣體檢測器、低溫檢測器、紅外熱像儀、火焰檢測器和激光檢測器等。

監(jiān)測報警裝置內(nèi)所有的探測信號均接入自動監(jiān)視控制系統(tǒng)，一旦發(fā)生異常便發(fā)出警報并緊急停車，第一時間切斷危險源，保護(hù)設(shè)備處于安全狀態(tài)。

2 LNG泄漏控制及防擴(kuò)散技術(shù)

對于LNG擴(kuò)散抑制，目前業(yè)界主要通過降低地表LNG的蒸發(fā)速率，或者加速LNG溫度上升進(jìn)而降低地表LNG蒸汽的濃度來實現(xiàn)。在防護(hù)堤設(shè)置、高倍數(shù)泡沫、強(qiáng)制水幕系統(tǒng)等方面國內(nèi)外的研究較多。其中，防護(hù)堤主要用于陸地上LNG接收站等，適用于水面上LNG擴(kuò)散抑制的技術(shù)主要為高倍數(shù)泡沫和強(qiáng)制水幕系統(tǒng)[4]。

2.1 防護(hù)堤設(shè)置

LNG發(fā)生泄漏后，在儲罐周圍設(shè)置圍堰或臨時構(gòu)建攔蓄區(qū)可有效降低危害，它可限制泄漏形成的液池流淌，減輕擴(kuò)散。圍堰可借助儲罐周圍的防火堤、防護(hù)墻等構(gòu)筑物搭建，最好采用夯土、混凝土、金屬等耐低溫材料。為保證圍堰效果，其容積應(yīng)不低于儲罐的總?cè)莘e。對于閥門、管線接口處等可能產(chǎn)生泄漏的部位，應(yīng)設(shè)置擋板防止泄漏噴射，下方設(shè)置集液盤收集泄漏物，通過排液管引入集液池。LNG在液池暫時收集后，覆蓋高倍數(shù)泡沫，減小汽化危險。

2.2 高倍數(shù)泡沫

高倍數(shù)泡沫的發(fā)泡倍數(shù)一般在200至1000倍之間，可減少火災(zāi)造成的熱輻射、減少LNG氣化，適用于撲救A類火災(zāi)和B類火災(zāi)中的非水溶性液體火災(zāi)。

LNG發(fā)生泄漏后形成LNG液池，在液池上方覆蓋足夠厚度的高倍數(shù)泡沫，可抑制蒸發(fā)，降溫并阻隔空氣滅火。高倍數(shù)泡沫覆蓋到低溫LNG上后，會形成漂浮冰層、泡沫凍結(jié)層和泡沫層三層結(jié)構(gòu)，均可起到滅火作用[5]。

高倍數(shù)泡沫覆蓋方法作為防止爆炸采取的一種基本處理方法，在LNG儲運(yùn)設(shè)備或管道、閥門發(fā)生泄漏或起火情況下可使用。使用高倍數(shù)泡沫覆蓋泄漏的LNG時，為減少LNG液體表面與大氣直接接觸面積，可在液體表面拋灑、漂浮一些密度低、比熱容量小的材料。網(wǎng)絡(luò)形狀的該類材料可進(jìn)一步降低液體表面空氣的流速。泡沫玻璃是不燃燒、熱導(dǎo)率低的防火物質(zhì)，可在這種場合添加使用。

2.3 強(qiáng)制水幕系統(tǒng)

由于LNG的超低溫性質(zhì)，泄漏后會快速吸熱汽化，但如果救援不當(dāng)或泄漏時間太久，泄漏的LNG可能燃燒或爆炸。水幕技術(shù)是處理 LNG 泄漏的一種經(jīng)濟(jì)且有效的方式。水幕系統(tǒng)一般選用圓錐形噴嘴和扁平扇形噴嘴形式安裝于水管出水口，水管中的高壓水散射出來后形成細(xì)小霧狀液體，以阻擋氣體擴(kuò)散。

發(fā)生LNG泄漏后，選用噴霧水槍安裝噴頭，噴射形成水幕或蒸汽幕，霧狀射流匯成水幕墻，阻隔氣體向周邊危險源擴(kuò)散。同對LNG泄漏形成的重氣云團(tuán)噴射水幕，可降低LNG蒸汽的濃度，驅(qū)散積聚氣體，稀釋氣體濃度，減少爆炸性混合物的形成，減小危害[6]。

3 LNG小范圍泄漏封堵救助

3.1 常規(guī)堵漏方法

對于LNG船小范圍泄漏，通常使用封堵法和塞堵法兩種常規(guī)堵漏方法。

3.1.1封堵法

封堵法又稱貼堵法，對于小面積泄漏或罐體、管道的裂縫泄漏，效果較好。封堵法操作方法簡便，根據(jù)泄漏部位的大小及形式，準(zhǔn)備相應(yīng)的棉布和純棉織物等。對棉布和純棉織物加水浸濕，平坦展開，直接貼附在泄漏點(diǎn)上。然后使用霧狀水連續(xù)進(jìn)行噴淋，每加一層棉織物，可噴灑一定數(shù)量的干粉加強(qiáng)冷凍效果，反復(fù)多次。利用泄漏LNG的超低溫特點(diǎn)，對泄漏點(diǎn)進(jìn)行自然封凍，堵住泄漏點(diǎn)，從而達(dá)到封堵目的。一般在泄漏輕微的情況下，貼附五、六層即可。實際操作中，可根據(jù)泄漏量和泄漏壓力的大小，適當(dāng)增加貼層數(shù)量。完成貼附工作半小時內(nèi)，內(nèi)層貼附材料就可以完全封凍泄漏點(diǎn)，完成堵漏。

3.1.2塞堵法

塞堵法又稱填堵法，罐體及附屬部件破損、泄漏，管道出現(xiàn)的非連續(xù)性破洞等情況下，使用該堵漏方法效果較好。

其主要操作方法如下：根據(jù)泄漏點(diǎn)漏洞的大小和形狀，將塞堵材料按照漏洞形狀，切削或加工成錐形或楔形，并纏裹棉織類物品以適應(yīng)漏點(diǎn)處的不規(guī)則邊緣。塞堵材料直接填塞至漏洞里并用力夯實，達(dá)到堵漏的效果。

塞堵材料的材質(zhì)以非金屬耐低溫?zé)o機(jī)硬質(zhì)材料或木質(zhì)材料為好。塞堵材料、棉織類填充物具有耐低溫、遇冷不發(fā)生收縮或出現(xiàn)脆性斷裂等特點(diǎn)，易于尋找、制作簡單，在實際操作中使用方便，為常用的小范圍堵漏方法。

3.2 橡膠磁堵漏方法

橡膠磁堵漏法是近年來興起的一種快速堵漏方式。橡膠磁堵漏法通過在不同形式的橡膠塊內(nèi)添加強(qiáng)磁材料，可實現(xiàn)對磁性材料上的裂縫、破洞的封堵。橡膠磁塊可以設(shè)置磁性開關(guān)，通過開關(guān)控制橡膠塊的封堵松緊程度。橡膠磁塊根據(jù)形狀不同分為多種類型，如長方形橡膠磁、正方形橡膠磁以及組合式橡膠磁等。

橡膠磁堵漏方法最快可在10秒鐘完成堵漏，適用于LNG儲罐、管線或閥門等處的泄漏封堵。由于橡膠本身具有一定的彎曲性能，因此通過磁性吸力可貼合不規(guī)則表面，實現(xiàn)多種不同曲率半徑部位泄漏的封堵。橡膠磁可多塊組合使用，較大的裂縫、孔洞也能封堵，實現(xiàn)超大面積堵漏作業(yè)。對于事故形成的凹陷處、凸起狀、直角折彎處的泄漏，不規(guī)則曲面泄漏、任意角度折邊處的泄漏，不規(guī)則長縫隙等泄漏部位，均可應(yīng)用，在未來的泄露封堵中有廣闊發(fā)展前景。

4 總結(jié)

隨著LNG海上運(yùn)輸業(yè)務(wù)迅速發(fā)展，其在運(yùn)輸中可能發(fā)生的危害也會逐漸顯露出來。由于LNG泄漏、爆炸產(chǎn)生的事故后果十分嚴(yán)重，因此在泄漏初期的合理處置非常關(guān)鍵。本文分析了泄漏檢測和預(yù)防措施，對泄漏控制及防擴(kuò)散技術(shù)、LNG小范圍泄漏封堵救助進(jìn)行了較為詳細(xì)的研究，并提出了可靠、實用的處置措施，對LNG在運(yùn)輸過程中泄漏控制有參考意義。

參考文獻(xiàn)：

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[3]張晶，李明，林娜.LNG低溫閥門的安全性設(shè)計[J].液壓氣動與密封，2018，38（06）：45-47.

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[5]孫明郁.基于高倍數(shù)泡沫的LNG泄漏擴(kuò)散抑制研究[D].青島科技大學(xué)，2017.

[6]翁浩銘.錐形水幕抑制罐區(qū)LNG氣云擴(kuò)散研究[D].中國石油大學(xué)（華東），2017.