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LNG儲罐的安全防護(hù)和評價研究

文檔作者：李華俊趙斌文檔來源：遼寧石油化工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時間： 2021年01月07日
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92
天然號與石油
NATURAL GAS AND OIL
2016年8月
LNG儲罐的安全防護(hù)和評價研究
李華俊趙斌
遼寧石油化工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 遼寧撫順1 13001
摘要：LNG儲罐作為天然氣能源的主要儲存設(shè)備，建造數(shù)量日益增多，一旦發(fā)生火災(zāi)爆炸事
故，將帶來嚴(yán)重的后果，安全問題不容忽視，因此，對LNG儲罐安全問題的相關(guān)研究非常重要。系統(tǒng)
地討論了LNG儲罐冷卻方式及流程；從材料的合理選擇、充注方式、基礎(chǔ)設(shè)計方法、消防方式探究了
LNG儲罐的安全防護(hù)；研究了不同情況下LNG儲罐應(yīng)選取的安全檢測方式。同時，總結(jié)了LNG儲
罐的道化學(xué)火災(zāi)爆炸危險指數(shù)法、過程決策程序圖評價法以及模糊理論和灰色關(guān)聯(lián)分析評價法的
基本原理，并且通過實際案例驗證了方法的準(zhǔn)確性。
關(guān)鍵詞：LNG儲罐；安全防護(hù)；進(jìn)展
DOI：10．3969／j．issn．1006—5539．2016．04．020
0前言
LNG(液化天然氣)儲罐是應(yīng)用最廣泛的液化天然
氣儲存設(shè)備。LNG具有運(yùn)輸便捷、存儲高效等優(yōu)點(diǎn)，是
城市輸配氣系統(tǒng)的主要?dú)庠?。LNG的主要成份為CH。，
大氣壓力下沸點(diǎn)約一160℃，隨著壓力變化其沸騰溫度
變化率為1．25 X 10。4℃／Pa，LNG的密度和其組分密切
相關(guān)，通常情況下密度處于440～480 kg／m 3之間。LNG
儲罐安全問題關(guān)乎著國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展及社會生活穩(wěn)定，
LNG儲罐爆炸事故會導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，以及環(huán)
境污染。由于LNG處于低溫狀態(tài)，當(dāng)LNG儲罐出現(xiàn)泄
漏時，將產(chǎn)生巨大的低溫沖擊，不利于外罐的結(jié)構(gòu)安全，
因此，LNG儲罐的絕熱性能必須優(yōu)良，其設(shè)計、制造和管
理有較高的要求¨。4 o。
1 LNG儲罐冷卻技術(shù)
LNG的儲存通常采用常壓儲存方式，該儲存方式
具有儲存容積大和結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點(diǎn)，但也存在蒸發(fā)率
高、承壓能力差以及憋壓儲存時間少等缺陷；LNG的少
量儲存通常采用壓力儲存方式，該儲存方式具有蒸發(fā)
率小和承壓能力強(qiáng)的優(yōu)勢，而且能夠節(jié)約儲存成本。
為了克服常壓儲存方式和壓力儲存方式的缺陷，提出
了壓力一常壓聯(lián)合儲存的方式，該儲存方式不僅具有
常壓儲存方式和壓力儲存方式的優(yōu)點(diǎn)，而且還具有所
需設(shè)備少、便于操作、安全可靠以及工藝簡單等
優(yōu)點(diǎn)‘5。。
LNG儲罐的冷卻技術(shù)主要是能降低儲罐內(nèi)部組
件的溫度，使其溫度從環(huán)境溫度降低到操作溫度。
LNG儲罐冷卻主要包括前期準(zhǔn)備、物料蒸汽置換、卸
料管線的冷卻、灌注以及儲罐冷卻幾個環(huán)節(jié)。LNG儲
罐冷卻前期準(zhǔn)備工作主要包括相關(guān)文件的準(zhǔn)備、人員
和工具的準(zhǔn)備、系統(tǒng)的準(zhǔn)備。LNG儲罐的冷卻流程見
圖1。
首次設(shè)置儲罐閥門設(shè)置卸載系統(tǒng)的閥門
建立運(yùn)輸船到需要冷卻儲罐進(jìn)行卸載系統(tǒng)的冷卻
的蒸發(fā)氣體
進(jìn)行卸載系統(tǒng)的冷卻
建立到火炬的氣流
進(jìn)行卸載系統(tǒng)的灌注
進(jìn)行內(nèi)罐，拱頂?shù)闹脫Q
進(jìn)行LNG儲罐的冷卻
圖1 LNG儲罐的冷卻流程
收稿日期：2016—04—16
作者簡介：李華俊(1985一)，男，遼寧撫順人，碩士研究生，研究方向主要為石油化工設(shè)備的安全分析。
萬方數(shù)據(jù)
2 LNG儲罐的安全措施
2．1 儲罐材料的合理選取
儲罐材料的物理特性應(yīng)適應(yīng)在低溫條件下工作，低
溫下金屬材料的性質(zhì)有較大改變，選擇材料時應(yīng)考慮其
在常溫和一196℃之間的強(qiáng)度，材料應(yīng)該在該溫度范圍
內(nèi)具有足夠的剛度、強(qiáng)度和韌性，能夠避免LNG儲罐發(fā)
生低應(yīng)力脆斷事故，同時，所選材料還應(yīng)該具有較好的
金相結(jié)構(gòu)、加工性和焊接性，此外，所選材料還應(yīng)價格便
宜和易于購買。目前，主要的LNG儲罐制造材料為9 Ni
鋼，例如06 Ni 9鋼、0 Cr 18 Ni 9 Ti等。對于中小型LNG
儲罐，通常選擇奧氏體不銹鋼作為制造材料，對于大型
LNG儲罐，首選9 Ni鋼制造。
低溫韌性是確保LNG儲罐安全的主要指標(biāo)，通常情
況下需要在一196 oC條件下對9 Ni鋼板和焊縫進(jìn)行沖擊
試驗，單一試驗值不能低于35 J。當(dāng)利用9 Ni鋼制造大
型LNG儲罐時，應(yīng)該選擇適宜的焊接工藝，確保其低溫
韌性。
2．2 LNG充注的安全措施
儲罐充注對于儲罐安全問題也非常關(guān)鍵，若LNG儲
罐充注時不恰當(dāng)，將引起LNG儲罐的分層，產(chǎn)生翻滾，導(dǎo)
致大量的LNG快速蒸發(fā)或者泄漏，引發(fā)安全事故，因此，
在LNG儲罐充注過程中應(yīng)該遵循如下基本原則。6 J：
1)新充注LNG密度比罐內(nèi)殘存LNG密度大的情況
下，可以利用頂裝法進(jìn)行充注；新充注LNG密度比罐內(nèi)
殘存LNG密度小的情況下或者兩者密度比較接近時，可
以利用底裝法。
2)利用混合噴嘴與多孔管進(jìn)行充注，能夠達(dá)到混合
充分的目的。
3)利用罐內(nèi)的離心低溫泵實現(xiàn)液體從罐底到罐頂
的循環(huán)。
4)采取有效措施使LNG含氮量不超過l％，同時實
時關(guān)注氣化速率的變化情況。
5)在需要的情況下可以利用攪拌器進(jìn)行攪拌操作。
此外，LNG儲罐的分層和翻滾也得到科學(xué)家的普遍
關(guān)注，研究的熱點(diǎn)問題是LNG儲罐翻滾模型的構(gòu)造、分
層和翻滾機(jī)理的分析以及分層和翻滾預(yù)防措施的確定。
在LNG儲存時，罐內(nèi)充注不同來源的LNG都將形成密
度不同的兩層，在密度差超過臨界值時，出現(xiàn)翻滾現(xiàn)象。
LNG儲罐的翻滾過程是一種激烈的混合狀態(tài)，同時伴有
罐內(nèi)流場合密度的變化，通過對分層和翻滾機(jī)理深入地
探究，能夠為LNG儲罐的安全提供有力的理論保障，盡
量少混裝不同密度的LNG來避免LNG儲罐的分層；在必
須混裝不同密度LNG的情況下應(yīng)將密度大的LNG充注在
罐底部，尤其要避免分層的產(chǎn)生，降低事故的發(fā)生率"。。
第34卷第4期
UTILlTY 公用工程93
2．3 LNG儲罐基礎(chǔ)安全措施
LNG儲罐對基礎(chǔ)的要求較高，目前主要采取的基礎(chǔ)
包括直接式基礎(chǔ)和樁基式基礎(chǔ)。樁基式基礎(chǔ)的整體性
和剛性較好，但施工難度大，應(yīng)該嚴(yán)格控制施工質(zhì)量，確
保每個施工環(huán)節(jié)都符合規(guī)定，避免塌孔、斜孔、竄孔、鋼
筋籠位置偏差大等缺陷，消除安全隱患。在LNG儲罐基
礎(chǔ)設(shè)計方案選擇中，應(yīng)綜合考慮施工材料的價格、人工
費(fèi)用、施工難度等因素，確定最佳設(shè)計方案，使LNG儲罐
的基礎(chǔ)能夠具備足夠的承載力，沉降滿足設(shè)計要求。此
外，LNG儲罐的隔震也是基礎(chǔ)設(shè)計應(yīng)該考慮的問題，目
前，采用了砂墊層、橡膠墊層等作為隔震材料，但這些方
法對樁基礎(chǔ)不適用，較弱的墊層將使水平承載力減少，
不利于LNG儲罐的安全。對于大型LNG儲罐采用鋼板
橡膠支座、摩擦擺體系以及復(fù)位彈簧等機(jī)械構(gòu)建避免地
震能量輸入LNG儲罐上部結(jié)構(gòu)，其中鋼板橡膠支座是主
要隔震方案，但該方法對周期長的水平振動容易引起共
振，對豎向振動不起作用，不利于LNG儲罐的安全。因
此，對于LNG儲罐基礎(chǔ)的隔震機(jī)理應(yīng)該進(jìn)行分析，提出
更有效的LNG儲罐隔震措施。
2．4 LNG儲罐消防措施
LNG儲罐在儲存過程中存在許多安全隱患，一方面
應(yīng)該關(guān)注低溫引起的危害；另一方面，還應(yīng)該確保其不
產(chǎn)生燃燒，避免火災(zāi)事故發(fā)生。LNG儲罐容易產(chǎn)生泄
漏，若不能及時發(fā)現(xiàn)，則泄漏量達(dá)到極限將產(chǎn)生池火災(zāi)，
當(dāng)發(fā)生池火災(zāi)時，若不能自然熄滅，則將產(chǎn)生蒸汽云爆
炸。因此，對LNG儲罐應(yīng)該采取有效的消防措施，目前，
常見的消防措施包括干粉滅火系統(tǒng)、泡沫滅火系統(tǒng)、滅
火器以及火災(zāi)報警系統(tǒng)等，而在LNG儲罐罐頂設(shè)置消防
水噴淋系統(tǒng)，能夠提高LNG儲罐的安全可靠性¨1。
3 LNG儲罐的安全檢測
LNG儲罐如果具備較好的絕熱性能，壓力變化緩慢，
無應(yīng)力集中現(xiàn)象，此時主要失效模式就是泄漏，通常采用
的檢測技術(shù)包括紅外熱成像技術(shù)、帶導(dǎo)架的內(nèi)窺檢測技術(shù)
等。如果LNG儲罐和管路系統(tǒng)產(chǎn)生的泄漏量較少，應(yīng)該
采用非空氣狀態(tài)可燃?xì)怏w紅外檢測裝置進(jìn)行檢測【9。。
當(dāng)LNG儲罐不能利用檢測標(biāo)準(zhǔn)檢測時，應(yīng)該安裝紅
外在線檢測報警系統(tǒng)，傳感器安裝在LNG儲罐泄放口，
系統(tǒng)的檢測范圍為0～100％，具有1％的LEL分辨率，檢
測精度可達(dá)2％，環(huán)境溫度一40～70℃，濕度0～95％范
圍內(nèi)‘。0l。
安全狀況等級可以按照LNG儲罐的檢測結(jié)果以及
相關(guān)技術(shù)規(guī)范評定。LNG儲罐使用過程中未開罐或者
從未進(jìn)入罐內(nèi)檢測時，應(yīng)該在3年內(nèi)進(jìn)行檢測，以確保其
安全性。
萬方數(shù)據(jù)
天然號與石油
NAlljRAI_GAS AND OIL
2016年8月
4 LNG儲罐安全評價技術(shù)
對LNG儲罐進(jìn)行安全評價非常重要，目前許多評價
技術(shù)在LNG儲罐安全評價方面都取得了較理想的效果。
4．1 道化學(xué)火災(zāi)爆炸危險指數(shù)評價法
道化學(xué)火災(zāi)爆炸危險指數(shù)評價法以工藝單元為基
本要素，對不同單元內(nèi)的危險物進(jìn)行評價，確定工藝的
危險性。主要評價LNG儲罐內(nèi)介質(zhì)的物性、輸送和儲
存以及化學(xué)反應(yīng)等的安全問題，按照實際情況確定參
數(shù)，最后獲得一個工藝單元的危險系數(shù)，并對工藝單元
進(jìn)行分級，全面了解LNG儲罐的潛在火災(zāi)爆炸危險性。
通過該方法能靈活準(zhǔn)確地評價LNG儲罐的安
全性‘““3|。
以1個容積55 m
3 LNG儲罐為例，利用道化學(xué)火災(zāi)
爆炸危險指數(shù)評價法對其進(jìn)行安全評價，分別確定55
m
3 LNG儲罐的物質(zhì)指數(shù)、一般工藝危險指數(shù)、特殊工藝
危險指數(shù)、單元危險指數(shù)、火災(zāi)爆炸指數(shù)，以及安全措施
補(bǔ)償指數(shù)，并且確定不同火災(zāi)爆炸危險指數(shù)值對應(yīng)的爆
炸危險等級，綜合計算結(jié)果最終確定安全評價結(jié)果，見
表1。
表1 55 111
3 LNG儲罐安全評價結(jié)果
火災(zāi)爆炸危險指數(shù)
危險等級
78．43
較輕
4．2過程決策程序圖評價法
過程決策程序圖評價法能夠分析LNG儲罐可能發(fā)
生的重大事故，動態(tài)地評價LNG儲罐的安全性，該方法
較靈活，不僅能夠從出發(fā)點(diǎn)追蹤到結(jié)果，而且能夠從結(jié)
果反推出中間發(fā)生的原因。通過該方法能夠預(yù)測LNG
儲罐事故，能夠在設(shè)計中進(jìn)行改進(jìn)，避免危險事故的發(fā)
生。在利用過程決策程序圖評價法對LNG儲罐進(jìn)行評
價時，如果存在安全隱患，立即依據(jù)評價法中的對策加
以糾正，能夠保證LNG儲罐處于安全狀態(tài)。該評價法為
LNG儲罐的安全評價和管理提供了一個高效的
工具‘14叫6|。
以LNG儲罐壓力過高為例，通過討論、分析、實施、
檢查，以及不斷完善最終確定其過程決策程序圖，見圖
2。在過程決策程序圖中，一個不安全問題對應(yīng)一個應(yīng)
對策略，能夠?qū)崿F(xiàn)安全評價和對應(yīng)策略的同步進(jìn)行，更
有效地應(yīng)對LNG儲罐的安全問題。
4．3模糊理論和灰色關(guān)聯(lián)分析評價
LNG儲罐的火災(zāi)爆炸風(fēng)險評價屬于多層次、多目標(biāo)
的系統(tǒng)，在評價過程中應(yīng)該考慮各影響因素的模糊性，
LNG儲罐LNG儲罐
不安全狀態(tài)壓力過高
安全閥失效溫度過高
安全閥使用不當(dāng)安全閥彈簧失效采用噴淋系統(tǒng)采用消
防水幕
合理選用安全閥更換彈簧
溫度恢復(fù)正常
LNGf諸罐壓力恢復(fù)正常
LNG儲罐處Jj安全狀態(tài)
圖2 LNG低溫儲罐壓力過高時的過程決策程序圖
可以通過模糊理論確定LNG儲罐火災(zāi)爆炸危險的影響
因素，不同影響因素和LNG儲罐安全性的關(guān)聯(lián)程度可以
通過灰色關(guān)聯(lián)分析確定，將模糊理論和灰色關(guān)聯(lián)分析結(jié)
合起來對LNG儲罐進(jìn)行安全評價，能夠降低評價過程的
主觀因素，提高權(quán)向量的有效性，更準(zhǔn)確地獲得LNG儲
罐的安全現(xiàn)狀¨7。”1。
以3種LNG儲罐防火防爆措施為研究對象，對其安
全性進(jìn)行評價，將相關(guān)安全評價指標(biāo)歸一化處理，利用
模糊理論和灰色關(guān)聯(lián)分析的算法流程進(jìn)行分析，計算結(jié)
果見表2。
表2 3種LNG儲罐防火防爆措施安全評價結(jié)果
防火防爆措施關(guān)聯(lián)度r
措施1
措施2
措施3
從表2可以看出，措施1的關(guān)聯(lián)度最高，表明采用措
施1的LNG低溫儲罐安全性最好，其次是措施3，安全性
最差的是措施2。根據(jù)分析結(jié)果，可以為LNG儲罐選擇
最佳的安全防護(hù)措施，避免安全事故的發(fā)生。
5 結(jié)論
LNG作為低污染、熱值高、易儲運(yùn)、高效益的能源已
成為目前天然氣儲存利用的另一新興方式。LNG儲罐
作為LNG工業(yè)中重要設(shè)備，其形式、充注、安全、儀表系
統(tǒng)等相關(guān)信息受到了關(guān)注，LNG儲罐的安全性問題也成
為了研究的熱點(diǎn)，針對如何提高LNG儲罐的安全性，從
設(shè)計、制造、運(yùn)行以及防爆等方面提出了許多有效的預(yù)
防措施，通過合理的設(shè)計、準(zhǔn)確的安全評價以及有效的
安全管理，能夠確保LNG儲罐的安全性。
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