摘要：能源供應緊張的現狀，使得我國的LNG進口量快速增長，LNG接收終端和港口設備可能發生LNG溢出的危險性及破壞性也備受關注。為此，介紹了我國LNG進口和終端建設情況，結合國內外LNG 泄漏與擴散的試驗和模擬，對可能發生的LNG船舶碰撞危害性、LNG泄露的擴散和火災危險性等方面研究進行了綜述和分析，并對其中的不確定性問題進行了討論，給出了進行LNG風險評價的建議。

　　關鍵詞：液化天然氣 終端 泄露 擴散 風險 評價 安全性 建議

　　我國目前已在珠江三角洲、長江三角洲和福建開始建設LNG 項目[1]，可以預見，未來數年內，LNG在我國將被廣泛應用于工業和民用的各個領域。LNG接收終端碼頭基本都設置在工業發達、人口密集的沿海地區，天然氣需求的不斷增長使LNG運輸船舶的數量、航行往來次數以及運輸數量都不斷增加，出現意外溢出的可能性也隨之增大，對周圍工業及居民的危險性也相應增加。自美國“9•ll”事件后，人們對危險品或可燃貨物的侵襲可能對公眾和財產安全造成的傷害越來越關注。因此，從公眾財產安全以及地區、能源可靠性的角度來看，對LNG泄漏危害性進行分析，制定并采取確保LNG接收站和LNG運輸安全可靠的措施非常必要。

　　一、LNG溢出后潛在的危害性分析

　　1．LNG漏泄的主要危害性

　　甲烷是一種低毒性的窒息性氣體。大量LNG從LNG貨艙的破損口溢出后開始氣化。如果沒

　　有遇到點火源，則空氣中甲烷的濃度可能會非常高，從而對船上的船員、應急人員或者其他可能暴露于正在膨脹擴散的LNG 氣團中的人員造成窒息危害。而且超低溫的LNG可能會對溢出區域附近的人員和設備產生威脅。液態LNG接觸到皮膚會造成低溫灼傷。同時低溫LNG可能對于鋼結構和一般船舶的結構連接件，如焊接等具有破壞性的影響。所LNG船艙破損或者接收終端發生泄漏后，根據船舶裝載負荷和位置的不同，可以預期LNG將通過破損口溢出到水面或陸地上。必須要熟悉LNG的基本物性和危害性，研究降低潛在液化天然氣溢出的危害性，正確進行人身安全防護。以LNG溢出有可能降低運輸船舶的結構完整性并損壞其他設備。

　　LNG氣化與空氣形成爆炸性混合物，爆炸下限為3.6％～6.5 ％(體積分數，下同)，爆炸上限為13％～17％ ，其火災的爆炸危險性大，火焰溫度高、輻射熱強，最大爆炸壓力0.68 MPa，易形成大面積火災。一般來說，氣體的燃燒和爆炸可產生熱負荷和壓力負荷。通常用火災所造成的熱輻射損害的等級來建立火災危險區。對于熱負荷，美國國家防火協會推薦用5 kW/m 的熱通量值來制定人員的防火距離。在此范圍內，穿著適當工作服的人員緊急操作持續幾分鐘時而不造成傷害[2]。火災熱輻射不同損害的等級顯示在表1中。

表1 熱輻射在通常情況下的損害等級[4]

　　注：事故熱通量值基于平均暴露時間為10 min

　　天然氣燃燒通常以較低的速度擴展，在正常條件下不會產生大的超壓。被引燃的蒸氣云將引起蒸氣回燒到溢出源，這通常被稱作“燃燒火球”，通常它產生相對較低的壓力，因而對建筑物造成壓力損害相對較低。但在某些條件下如蒸氣云流動擴散時湍流嚴重，或者周圍遇到了阻礙，或者遇到了高壓火源，燃燒速度就可能會出現快速加速[3]，從而導致超壓。

　　再者應該考慮LNG快速相變的危害 當較熱液體和較冷液體之間的溫差足以驅動冷液體迅速達到其過熱極限的時候，就會出現快速相變，從而引起冷液體自發的快速沸騰。當低溫的LNG 和一種熱液體(比如水)接觸而被突然加熱的時候，就可能出現LNG的快速沸騰氣化現象，導致局部超壓釋放。這種現象的影響將會局限在溢出源附近，會對設備和構筑物造成廣泛的損害。

　　2．船舶碰撞損壞分析

　　目前，對于運輸船艙意外損壞引起LNG擴散以及溢出擴散的危險性，都僅僅是一般性的推理分析。因為LNG運輸船舶設計和目前LNG運輸安全管理的結合，已經使LNG發生意外的可能性降低到了非常低的程度[5]。在過去的40多年中關于損壞或溢出的歷史記錄和信息都很少見。其良好的安全記錄，很大程度上得益于LNG船的雙層結構[6]。目前很多使用中的LNG氣輪都采用Moss球形艙。除了Moss氣艙外，其他LNG氣輪都設計成棱形的、襯有隔膜的氣艙。

　　根據與LNG船舶相似的雙層船殼油輪撞擊的有限元模型，Ammerman[7] 估計出船損壞的程度和撞擊孔徑的大小。碰撞事故所造成損壞的嚴重程度取決于撞擊部位、船舶的相對速度和撞擊相對位置和采取的緩沖或預防系統等。由于LNG船舶中附加了隔離層和三級保護殼，因此要有很深的穿透才能造成LNG船艙損壞。Ammerman指出，只有當大型氣輪的撞擊速度超過5～6節的時候，被撞氣輪的內艙殼才會被撞穿。對于游艇一類的小型船只，其動能通常不足以穿透雙層船殼氣輪的內艙殼。而且雙層船殼的被穿透的時候，穿透的長度必須達到3m左右，內艙殼上才會被撞出缺口。

　　3．意外溢出的蒸氣擴散危險性分析

　　LNG泄漏時時，起初會發生猛烈沸騰蒸發，隨后蒸發率將迅速衰減至一個固定值，蒸氣沿地面形成一個層流，從環境中吸收熱量并逐漸上升和擴散，同時將周圍的空氣冷卻至露點以下，形成一個可見云團。由于在大多數事故中存在點火源的可能性很高，所以意外溢出產生的熱危險基本表現為LNG冷液池著火[8]。室外的液池火災，因為氧氣供應充足，燃燒較完全，產生的有毒、有害氣體易擴散，熱輻射是其主要危害。而當沒有點火源時，溢出的LNG可能會形成蒸氣云。蒸氣云團擴散是一個復雜的問題，具體范圍取決于溢出位置和現場氣象條件。風和湍流是決定蒸氣擴散稀釋的最直接原因，風速越大，湍流越強，蒸氣的擴散速度越快，氣體濃度就越低，危險消除的就快。美國桑地亞實驗室選擇了距地面以上10m處2.33 m/s的風速和F穩定度的氣象條件進行模擬[9]，獲得了蒸氣擴散的爆炸下限距離。在假設損壞船艙的泄漏孔面積1m2溢出40min后，可以形成直徑為148m2的液池，擴散到爆炸下限的距離為1536m。當泄漏孔面積2 m2。時，僅20 min后，爆炸下限的距離既到達1710 m。王大慶等人[10]。利用高斯擴散模型，分別繪出了假設情況下天然氣連續擴散和瞬時擴散的等濃度圖。連續低強度泄漏時，在相同的泄漏口徑下，風速越大越有利于擴散，危害區域就越小，如穿孔泄漏直徑同為100 mm，風速為1m/s和5m/s的爆炸下限距離分別為400m和150m。而高強度的瞬時泄漏情況有所不同，大規模泄漏3min后，風速分別為1m/s和5m/s時，氣體擴散達到最低爆炸極限的距離保守估計為225m和1000m。即在泄漏初期，泄露所造成的危險區域隨著時間延長和風速加大而擴大，時間再延長，氣體濃度降低，表現出的規律類似于低強度泄漏。

　　基于國內外對LNG泄露模擬得出的結果和氣體擴散試驗，大型溢出所產生的蒸氣云的擴散可能會超過1000m。擴散范圍的計算與所選擇的模型，大氣條件，泄露源強等因素都有關系，如果發生LNG蒸氣擴散應當充分評估對于人身和財產安全的危險等級和潛在區域，采取危險減輕措施，開展快速引燃擴散云團和阻止溢出的步驟。

　　4．意外溢出的火災危險性分析

　　LNG外溢蒸氣遇到點火源時，產生的火焰以兩種方式傳播：一種是以預混合的發微弱光的火焰傳播，從著火點順風向傳播；另一種是以發光的彌散火焰傳播，逆風向移動，蔓延通過云層中燃料富集的部分，逐漸回燒到泄漏點。國內外進行了一批池火災試驗和計算機模擬，測得了一些LNG泄漏在水面上形成的池火的數據和火災發生時的熱輻射數據。桑地亞實驗室利用標稱火焰模型來計算[9]，意外損壞情況發生的火災引起的預期熱危險距離列于表2。

表2 火災熱強度距離的敏感性分析

　　結果顯示，一次LNG氣艙的意外損壞，其孔尺寸在1 m2時，其潛在火災熱強度為37.5 kW/m 時的熱輻射危險距離溢出中心為177m。當船體同時有3處受損壞，孔尺寸為2m2的情況下，其燃燒的熱輻射危險距離估算將達到398m。

　　二、LNG泄漏危害評價與模擬中的不確定性

　　對泄漏事故進行風險評價，是減少事故危害性的一項重要措施。由于LNG的泄漏、擴散以及造成的火災、爆炸和中毒事故等方面都存在極大的不確定性，給實際的管理和預測造成了很大困難[11]。LNG泄漏與擴散問題中主要不確定性因素如下。

　　(1)LNG泄漏源位置與發生泄漏的概率的不確定性

　　LNG從生產地到最終用戶的運輸過程中，經過許多裝置和管線。在海洋運輸船和接受裝置甚至再氣化過程都有可能發生泄漏，但這種泄露的概率是不能確定的。一般都是通過有經驗的工程師利用其積累的知識與經驗來進行評價。

　　(2)泄漏與擴散模式的不確定性

　　對于危險性氣體泄漏和擴散，國內外科研者都依據很多模式來進行研究，例如高斯模型、BM 模型和FEM3模型等。但這些模式中都采用了大量的數學假設，由于假設條件與實際情況可能不符，所建立的模式勢必有些不確定性。此外，模式中許多參數的選取也具有不確定性，例如對模式影響較大的氣象因素，因為所采用的氣象歷史資料與實際狀況的差異，也造成了評價和預測的不確定性。

　　三、結 論

　　（1）LNG船舶設計中附加隔離層和三級保護殼，要造成類似油輪撞擊造成相同的孔尺寸，其撞擊速度要比撞擊油輪高一到兩節的速度。對于小型船只其動能通常不足以撞穿一艘LNG船殼。LNG運輸船舶的結構設計具有防撞擊、防泄漏和具有安全可靠性。

　　（2）LNG意外溢出時具有較高的蒸氣擴散和火災危險性。溢出蒸氣擴散達到最低爆炸極限的距離保守估計為1600 m左右。一次LNG氣艙的意外損壞，其孔尺寸在1m2時，其潛在火災能源密度為37.5 kW/m2時的熱危險在距離溢出中心為177m。船體同時有三處受損壞，孔尺寸為2m2的情況下，其燃燒的熱危險距離估算將達到398m。

　　（3）LNG泄漏與擴散的風險評價中存在很多不確定性問題，需要在模式的選擇、危害區域確定和救災應急措施過程中充分考慮。

　　參考文獻

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