摘要：就液化天然氣運輸過程中產生翻滾現象的原因及其機理作簡要介紹，指自翻滾現象的主要原因是液化天然氣中的組分出現分層而造成部分組分迅速汽化，同時提出防止翻滾的一些方法。

　　0 引言

　　目前，國際石油價格仍處于高位，各國將能源消費紛紛轉向天然氣，不少國家準備大量進口天然氣。因此，對天然氣的海上運輸工具--液化天然氣(LNG)船的需求量將顯著增加，對液化天然氣船舶管理的要求也越來越高。天然氣液態儲存是將經過脫水、脫烴和脫酸等凈化處理的天然氣，在常壓下通過制冷降溫至-162℃左右進行液態儲存。液態儲存天然氣可以將天然氣的體積縮小600多倍。【1】LNG在充注和儲存過程中，由于其中組分密度的不同，就有可能出現翻滾(rollover現象。發生翻滾現象時，根據現有設備能力，應該可以將汽化氣輸出，而事實上，由于這種汽化是在瞬間產生的，并且量極大，很難將其及時排出，這樣就會造成儲罐瞬間超壓，對設備造成損害，影響其使用壽命。所以，預防翻滾現象的發生，對保障船舶安全營運具有很大的意義。

　　1 翻滾現象及產生的原因

　　1.1 翻滾現象分析及分類

　　翻滾現象是指兩層不同密度的LNG在儲罐內迅速上下翻動混合，瞬間產生大量的汽化氣的現象。在發生翻滾現象時，罐內LNG的汽化量為平時自然蒸發量的10～50倍，這樣將會導致儲罐內的氣壓迅速上升并超過設定的安全壓力，使儲罐出現超壓現象。如果不及時通過安全釋放閥排放，就有可能造成貯槽的機械損傷，對設備造成損壞，同時大量排放蒸發氣，不僅造成經濟上的損失，對環境也造成污染。【2】

　　一般LNG的組分為氮氣、甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷、異丁烷、正戊烷、異戊烷。因產地不同，其成分可能略有變化。

　　翻滾從現象來看分成兩類：①LNG貯罐在長期貯存中，因其中較輕的組分(主要是N2和CH4)優先蒸發，而自發形成翻滾現象。②LNG貯罐中原來留有液化天然氣，在充裝密度不同、溫度不同的新LNG一段時同(幾個小時甚至幾十天)后，突然產生翻滾的現象。【3～4】

　　翻滾是一種熱不穩定性現象，這種熱不穩定性是由密度變化引起的，其產生的必要條件是分層界面受到擾動。界面擾動既包括“邊界層穿透”，也包括界面的“渦旋混合”。分層界面的破壞首先出現在流動邊界層，因為此處的流動最為活躍，但是由于邊界層流動只局限在分界面附近，因此它對分層界面的直接破壞僅僅發生在流動邊界層內。除邊界層穿透破壞之外，上層液體的射流作用也會破壞分層循環流動，因為上層液體的射流沖擊作用既可以直接破壞分層界面，又可通過“渦漩混合”不斷擴大其破壞范圍。

　　也就是說，LNG的翻滾實際上是一種劇烈蒸發的過程。在儲罐中，密度小的液體會集聚在密度大的液體之上，抑制了下層液體的揮發。當儲罐內的LNG出現明顯的分層現象時，由于上層LNG靜壓的抑制作用，使得外界傳人的熱量無法通過下層的LNG液體的蒸發而散失，導致下層LNG處于過飽和狀態，下層液體就會溫度升高，少量的N2就會首先汽化，破壞兩層液體的界面，使得LNG儲罐內出現擾動，也就是翻滾現象。如果儲罐內上層的LNG密度大于下層，下層LNG突然上升，導致邊界層破壞，液體揮發，產生劇烈擾動，儲罐內的溫度上升，壓力也急劇上升，使翻滾現象進一步加劇。

　　1.2 翻滾現象產生的原因

　　(1)儲罐內LNG由于各組分密度不同，導致密度大的組分在下，密度小的組分在上，密度差會形成分層，有時即使僅差1 kg/m3也會分層，而分層是引發翻滾的第一步。有關資料介紹，如果儲罐內LNG有兩層，當其密度差為6.9kg/m3時，存放72h后就會產生翻滾現象。【1】

　　(2)LNG進儲罐的溫度有細微變化，引起LNG的密度稍有變化，溫度高的LNG密度較小，溫度低的LNG密度較大，密度小的液體上浮，密度大的液體在下，產生分層的現象。一般的，當溫差為0.79 K時，存放72 h后將產生翻滾現象。

　　(3)由于不同階段添加的LNG的組分不同，導致新日LNG的兩層液體密度不同，罐內液體存在密度差，產生分層現象，在存儲和運輸過程中就會有擾動現象，劇烈的擾動就是翻滾現象。

　　2 翻滾現象的預防

　　2.1 LNG分層的檢測

　　由于LNG分層是引發翻滾的前提，因此，在實際操作過程中如何檢測LNG分層非常重要。一般可以采取下列方法檢測LNG分層情況：

　　(1)沿LNG儲罐高度設置測溫點，間距可為2.8 m左右，一般當溫差高達-14℃左右時，就有可能出現翻滾現象。這時為防止翻滾事故，就應該對儲罐進行冷卻。

　　(2)監測新灌入的LNG與儲罐內剩余LNG的密度差，也可以通過兩者的熱值差來監測。如果差值較大，應考慮出現翻滾的可能性。一般當密度差達5 kg/m3時，就要引起注意，應該采用進行循環的方法來消除密度差。

　　(3)監測LNG的蒸發速度。LNG分層會抑制LNG的蒸發速度，使得出現翻滾前的蒸發速度比通常情況下的蒸發速度低。采用壓力表監測罐內壓力時，大氣壓的變化會影響對LNG蒸發速度時監測，可以采用絕對壓力監測或記錄大氣壓的變化。

　　2.2 LNG分層和翻滾的預防

　　根據翻滾產生的機理，可以采取以下方法防止LNG分層和翻滾：

　　(1)分別貯存。這是防止分層的較好方法，即將密度不同的LNG儲存于不同的儲罐中。但這需要多個儲罐，使營運不僅經濟，而且操作方便。

　　(2)充分攪拌所有灌入儲罐的LNG，消除密度差，防止LNG的分層。一般采用循環泵進行循環(即用LNG泵由儲罐下部到上部打回流)的方法來使儲罐中的組分充分混合。

　　(3)控制灌入儲罐LNG組成成分的密度變化范圍，盡可能減小組分的密度差。

　　對于大型LNG儲罐，充分攪和比較困難。一旦發生LNG翻滾，汽化后的大量天然氣難以及時通過安全釋放閥排放。為了防止發生事故，設置安全釋放閥、放散火炬、回收壓縮系統等，防止LNG蒸發、翻滾造成儲罐超壓。一般同時采用上述兩個措施，并且盡量使一個儲罐僅用來儲存同一產地的LNG，控制其組分的變化范圍，從而防止LNG的翻滾現象。一般灌入儲罐的LNG的密度差盡量控制在15 kg/m3以內。

　　(4)選擇正確的充注方法。根據需要裝載的LNG與貨艙內原有的LNG密度有差異，正確選擇充注方法，可有效地防止分層。充注方法的選擇一般應遵循以下原則①密度相近時，一般底部充注。②將密度小的LNG充注到密度大的LNG貨艙中時，應該采用底部充注的辦法。③將密度大的LNG充注到密度小的LNG貨艙中時，應該采用頂部充注的辦法。④采用多孔管充注。多孔管即在充液管上開有一定數目的小孔，使用多孔管充注可使充注的新LNG和原有的LNG充分混合，從而壁面分層。

　　根據經驗，為了避免分層現象，在液化過程中，應注意分析進料天然氣組分，不要有較大的密度差(密度差應盡量小于15 kg/m3)。否則采取LNG不進儲罐，直接進入汽化器。汽化后再輸到外界管網進行循環的方式。進液過程中，選擇將溫度較低的LNG從罐頂部灌入。將溫度較高的LNG從罐底部灌入，使充液過程也成為不同密度的LNG混合的過程，從而防止LNG分層，避免翻滾現象的產生。

　　3 結束語

　　LNG罐船營運實踐表明，LNG在貨艙內因液體組分的密度不同，造成LNG的劇烈混合蒸發，即“翻滾”的非穩性現象。發生翻滾時，伴隨LNG大量蒸發，艙內壓力迅速升高，對LNG船舶的安全產生很大的威脅。如果在發生翻滾現象時將儲罐的安全釋放閥打開，就會造成大量天然氣放空，污染環境，影響LNG船營運的經濟性。因此對翻滾現象必須引起足夠重視，采取積極有效的方法加以防范。

　　參考文獻：

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　　[4]李品友，顧安忠.液化天然氣船液貨翻滾及其預防[J].上海海運學院學報，1999，20(2)：