LNG 卸料臂泄漏危害分析及现场处置方案

陈林斌 水明星 叶耀辉

中石油京唐液化天然气有限公司， 北京 101100

0 前言

近年来，随着中国对天然气需求的不断增加，通过LNG 接收站气化产生天然气成为缓解天然气供需矛盾的手段之一。进口LNG 通过LNG 船运抵中国沿海接收站，通过卸料臂将船上LNG 卸至大型低温储罐，然后通过气化装置将其气化后输送至下游用户。但在接卸过程中，有可能发生LNG 卸料臂泄漏。由于LNG 特殊的物理性质，泄漏的LNG 危害性大，而且泄漏会严重影响卸船过程，如果LNG 船滞留或紧急离港，将造成巨大的经济损失。因此LNG 卸料臂发生泄漏事故时如何迅速采取有效的现场处置措施十分重要。

1 LNG 物理性质

LNG 主要成分是CH4。LNG 无色、无味、无毒、无腐蚀性，其体积约为同量气态天然气体积的1 /600;标准状况下LNG 密度0.432 ～0.465 g /cm3，约为水的45;热值为52 MMBtu /t，介质温度-162 ℃;在大气中迅速气化，爆炸极限为5～15(φ);比空气轻，几乎不溶于水，溶于乙醇、乙醚等有机溶剂。

2 LNG 卸料臂泄漏的危害

2.1 挥发性

LNG 泄漏后，在大气中挥发，迅速膨胀扩散形成气云团;当天然气在空气中的体积大于40时，人一旦吸入过量的天然气，极易窒息;如果不小心吸入低温天然气，则会引起呼吸不畅，长时间吸入会导致严重疾病;当空气中氧含量低于18或天然气的体积超过50时，就会造成永久性伤害［1］，如氧气浓度过低会造成脑细胞变性坏死。

2.2 低温性

人一旦接触到LNG，皮肤会被低温冻伤;若皮肤表面潮湿，所挥发的气体极易附着在皮肤表面，导致皮肤撕裂;低温LNG 会对钢结构、设备等造成严重破坏，如低温脆断［1］。

2.3 易燃易爆性

LNG 泄漏后形成的蒸气云团与空气混合，形成爆炸性混合物。而CH4的爆炸极限为5～15(φ)，一旦混合物中CH4的浓度在爆炸极限范围内，爆炸压力达到0.68 MPa，就有爆炸的危险。燃烧后，火焰温度高，辐射热强，将形成大面积火灾［2］。

3 LNG 卸料臂泄漏过程模拟计算

一般情况下，可以根据泄漏面积大小和泄漏持续时间长短，将LNG 泄漏源分为小孔泄漏和大面积泄漏。小孔泄漏，也称为连续源，此种情况通常为物料经较小的孔洞长时间持续泄漏。大面积泄漏，也称为瞬时源，此种情况通常是指物料经较大孔洞在很短时间内泄漏出大量物料。泄漏模型分为连续泄漏和瞬间泄漏两种，它们都是实际泄漏源的理想化。

以小孔泄漏为例，模拟LNG 泄漏后的泄漏速率可用伯努利方程［3］计算，对于卸料管道系统，泄漏速率主要取决于管道内LNG 压力和大气压力之差:

式中:qL为液体泄漏质量速率，kg /s;C0为泄漏系数，0.64;A 为泄漏口面积，m2;PL为管线中LNG 压力，MPa;Pa为大气压力，0.101 MPa;h 为液面与泄漏口的高度差，在管道中高度差可忽略不计，m;ρL为液体密度，450 kg /m3。

通过式(1)可计算出卸料臂开始泄漏到切断泄漏源这段时间内(假设180 s)总LNG 泄漏量，为采取应急处置方案提供参考数据。假设是圆孔泄漏，以泄漏孔径20、40、80 mm 为例，计算泄漏量，见表1。

表1 泄漏孔径与泄漏量之间的关系

从表1 可知，在180 s 内，泄漏量会达到324.3 kg，此时，为防止人员伤亡，人员必须撤离，在中控室通过消防控制系统远程操作消防设施进行处理，待泄漏源切断、现场LNG 大量挥发后，人员方可进入现场进行处置。因此发生泄漏后初步判断泄漏孔径和泄漏量，根据实际情况制定应急处置方案。

4 LNG 蒸发气扩散

4.1 LNG 泄漏到地面

LNG 泄漏到地面，最初会猛烈沸腾蒸发，然后蒸发速度迅速衰减至一个固定值，蒸发气沿地面形成层流，从周围环境中吸收热量，逐渐上升扩散，同时将周围的空气冷却至0 ℃以下，形成一个可见云团，即重气云团。重气云团比空气重，会下沉到地面上，直到温度达到-107 ℃才上升漂浮，开始垂直扩散［2］。与此同时，气云团沿着水平方向继续扩散，扩散的距离与初始溢出数量、持续时间、风速、风向、地形以及大气温度和湿度有关。

4.2 LNG 泄漏到水面

在一定条件下，当LNG 泄漏遇到水时，因其与水有非常高的热传递速率，使LNG 的蒸发速度增大得很快，而发生快速相态转变(RPT)现象，导致LNG 加热至沸腾，伴随巨大声音喷出水雾，继而发生爆炸事故［4］。

当温度相差悬殊的两种液体接触时，若热液体温度比冷液体沸点温度高1.1 倍，则冷液体温度上升极快，表面层温度超过自发成核温度(当液体中出现气泡时)。此过程热液体能在极短时间内通过复杂的链式反应机理以爆炸速度产生大量蒸发气，该现象类似水落在烧红的钢板上立即蒸发，这就是LNG 与水接触时出现RPT 现象的原因［5］。

5 卸船工艺流程及卸料臂结构

5.1 卸船工艺流程

LNG 船到达接收站码头，在完成各项卸船准备工作后，卸料臂与船连接，在对卸料臂吹扫预冷后开始卸船。船上开启卸料泵，LNG 通过卸料臂(LNG 接收站一般配备4 ～5 台卸料臂，其中1 台是气相臂，1 台是气液两用臂)进入接收站区域，经卸料总管进入LNG 储罐储存。同时，储罐中产生的BOG(Boil-Off Gas)，通过气相臂返回至船舱，保证船舱和储罐之间的压力平衡。卸船完成后，将卸料臂中剩余的LNG 通过N2吹扫至码头排净罐和LNG 船。卸船工艺流程见图1。

图1 卸船工艺流程

在卸料过程中，卸料臂旋转接头处有填料密封，LNG在此处泄漏的可能性不大。最容易发生泄漏的地方是卸料臂与船的连接处，其次是卸料臂根部与下游工艺管道的连接处(图1 红圈处)。

5.2 卸料臂结构

卸料臂主要结构包括内臂、外臂、配重、旋转接头(STYLE 80、STYLE 50、STYLE 40)、ERS(紧急脱离系统)、QCDC(快速连接装置)以及控制系统，见图2。

发生紧急情况时，如泄漏或位移超限时卸料臂有一套应急ERS 系统，ERS 系统由执行机构(液压蓄能器、选择阀组、双球阀、PERC(动力紧急脱离系统)等)、信号采集机构(接近开关、PMS 传感器、手动按钮等)及负责逻辑计算的PLC 控制机构三部分构成。ERS 系统组成结构见图3。

图2 卸料臂结构

图3 ERS 系统组成结构

6 LNG 卸料臂泄漏处置方案

通过对LNG 泄漏量的计算，在切断泄漏源之前判断泄漏是否在可控范围内。若泄漏量过大(＞300 kg)，立刻切断泄漏源，现场人员迅速撤离，等泄漏的LNG 挥发到一定程度后，应急人员在做好个人防护后进入泄漏区域进行现场处置。若泄漏在可控范围内，现场人员要观看风向标，站在上风向的安全地点进行应急处置。若泄漏导致火灾，一般选用BC 类干粉灭火剂，不能用水扑救气体火灾，水会引起LNG 发生相变并引起爆炸［6］。

6.1 少量泄漏

若通过可燃气体探测器或肉眼观察到有局部气云团出现，说明有少量LNG 泄漏，现场人员必须穿戴PPE，采取相应措施紧固泄漏部位;也可用湿毛巾对泄漏点进行密封，湿毛巾在低温下结冰变硬，可起到堵塞泄漏点的作用。

6.2 大量泄漏

6.2.1 一个卸料臂泄漏

1)现场人员立刻通知船方关闭泄漏臂的隔断阀，通知中控室泄漏情况。

2)中控室操作员在接到泄漏情况通报后立即关闭该卸料臂出口气动阀。

3)降低卸船速度，继续卸船。

4)开启码头水幕系统，水幕能有效控制NG 的扩散速度并降低其浓度，能将扩散安全距离减小50以上，危害面积减小60以上［7］。

5)现场拉警戒线，对泄漏点进行工艺隔离，停止该区域一切作业，无关人员撤离。

6)消防人员应立刻使用泄漏区域内消防设备，控制LNG 挥发速度，降低NG 浓度，高倍泡沫灭火系统可有效控制LNG 挥发速度，大量泡沫覆盖在泄漏LNG 上可有效降低蒸发气产生的速率，减小可燃气体覆盖范围［8］。

7)现场人员配合中控室操作员打开卸料臂排净阀、N2吹扫阀，对该臂进行排净，等卸船结束后查找泄漏原因并进行维修。

6.2.2 两个或两个以上卸料臂泄漏

1)现场人员立刻通知船方关闭所有卸料泵，停止卸料。

2)通知中控室泄漏情况，中控室操作员立刻关闭所有卸料臂出口气动阀和气相臂气动阀。同时采取措施保证储罐压力在正常范围内。

3)按下就地控制盘上的“ESD 1 STOP LOADING”(“ESD 1 停止卸料”)按钮，双球阀关闭，见图4。

图4 ESD 1 停止卸料动作

4)启动紧急脱离系统，按下就地控制盘上的“ESD 2 EMERGENCY DISCONNECTION”(“ESD 2 紧急脱离”)按钮，切断卸料臂与运输船的连接，运输船驶离港口，见图5。

5)分别开启码头和储罐水幕系统。Rana M A 等人［9］研究表明，水幕可以通过四种作用机理来控制和降低LNG 重云团的体积浓度:小水滴通过机械作用向重气云团传递动量，并在气云团周围形成一层壁垒，阻碍气云团继续扩散;水幕通过裹入空气而稀释了蒸发气浓度;通过重气云团、小水滴和空气之间强化换热，提高了蒸发气温度;蒸发气通过物理或化学反应被小水滴吸收，这种吸收作用相对较小。

图5 ESD 2 紧急脱离动作

6)现场拉警戒线，停止该区域一切作业，无关人员撤离。

7)启动码头保冷循环，将卸料管线中大量LNG 输送至储罐，防止发生二次泄漏。

8)消防人员应立刻使用泄漏区域内消防设备，控制LNG 挥发速度，降低NG 浓度。同时须有人员保证消防泵运行正常，消防水压正常。

9)电气应急人员赶往电气值班室，确保电力供应;仪表应急人员赶往控制室，确保自动系统(DCS、火灾报警协同、消防自控系统)的正常运行。

6.2.3 气相臂泄漏

1)现场人员立刻通知中控室泄漏情况，关闭气相臂相应管线气动阀。

2)时刻关注储罐压力，采取相应措施保证储罐压力在正常范围内。

3)隔离气液两用臂，对其排净吹扫后，打开跨线阀门，BOG 通过气液两用臂返回船舱。

4)降低卸船速度，船上注意观察船舱压力，必要时开启船上BOG 生产(船上压力低时)或BOG 液化装置(船上压力高时)。

5)开启码头水幕系统。

6)现场拉警戒线，停止该区域一切作业，无关人员撤离。

7)消防人员及现场操作员投用泄漏区域消防设施，驱散泄漏NG 气体。卸船时，气相臂压力在16 kPa 左右，压力小的情况下发生泄漏，近地高度和下风向距离都较小，在下风向形成CH4气体的积累，扩散较缓慢，更易发生事故，因此处理时必须做好防范措施［10］。

8)电气应急人员赶往电气值班室，确保电力供应;仪表应急人员赶往控制室，确保自动系统(DCS、火灾报警协同、消防自控系统)的正常运行。

7 结论

现场人员在LNG 卸船期间必须严密监视卸船过程，若发现LNG 卸料臂泄漏必须第一时间采取相应措施，进行工艺隔离，切断泄漏源，同时控制LNG 挥发、降低蒸发气浓度。泄漏发生后，现场应急人员应相互协调配合，利用有效资源有条不紊地进行现场处置，控制LNG 泄漏造成的危害。

一个卸料臂泄漏可能会造成LNG 船滞留，两个或两个卸料臂以上泄漏会造成LNG 船的紧急离港，经济损失巨大。为了防止泄漏发生，必须严格执行卸船准备工作，并在各种条件(风速小于20 m /s、泄漏测试合格、预冷合格、ESD 测试合格等)允许的情况下进行卸船。

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