LNG的儲存安全

　　評論：　更新日期：2013年02月03日

當不同密度的分層存在時，上部較輕的層可正常對流，并通過向氣相空間的蒸發(fā)釋放熱量。但是，如果在下層由浮升力驅動的對流太弱，不能使較重的下層液體穿透分界面達到上層的話，下層就只能處于一種內部對流模式。上下兩層對流獨立進行，直到兩層間密度足夠接近時發(fā)生快速混合，下層被抑制的蒸發(fā)量釋放出來。這時，往往伴隨有表面蒸發(fā)率的驟增，大約可達正常情況下蒸發(fā)率的250倍。

低溫液體儲存時常處于過熱狀態(tài)，翻滾時液層的迅速混合加快了罐內液體的流動，為液體內積聚能量通過表面蒸發(fā)提供了條件，因而蒸發(fā)率驟增，儲罐壓力驟增，蒸氣通過安全閥釋放。若安全閥容量不足，可能損壞儲罐。

分析表明，很小的密度差就可導致渦旋的發(fā)生。LNG成分改變對其密度的影響比液體溫度改變的影響大。一般來說，儲槽底部較薄的一層重液體不會導致嚴重問題，即儲槽壓力不會因翻滾而有大的變化。反之，儲槽上部較薄的一層輕液體會導致翻滾的后果非常嚴重。形成翻滾的機理比較復雜，綜合如下：

(1) 儲罐周壁形成邊界層，下層邊界層密度降低后上升，穿透分界面與上邊界層混合并上升至液面蒸發(fā)。

(2) 分層面之間受到的擾動形成液體波，促進液層的混合與蒸發(fā)。

(3) 分層液體之間存在能量和物質的交換，下層液體通過分界面進入上層，上層液體進入下層。下層液體進入上層后又卷攜上層液體進入下層，上層液體進入下層后又卷攜下層液體進入上層等，總的效果是使上層液體量增加，分界面下移并受到擾動。

(4) 影響兩層液體密度達到相等的時間因素有：上層液體因蒸發(fā)發(fā)生的成分變化、層間熱質傳遞、底層的漏熱。蒸發(fā)氣體的組成與上層LNG不一樣，除非液體是純甲烷。如果LNG由飽和甲烷和某些重碳氫化合物組成，蒸發(fā)氣體基本上是純甲烷。這樣，上層液體的密度會隨時間增大，導致兩層液體密度相等。如果LNG中含有較多的氮，則這一過程會被推遲，因氮將先于甲烷蒸發(fā)，而氮的蒸發(fā)導致液體密度減小。層間的質量傳遞較熱量傳遞更為緩慢，但由于甲烷向上層及重烴向下層的擴散，這一過程也有助于兩層的密度均勻等。

(5) 對于溫度的影響，下部更重的層比上層更熱且富含重烴。從這層向上層的傳熱，加快上層的蒸發(fā)并使其密度增大。從與下層液體接觸的罐壁傳入的熱量在該層聚集。如果這一熱量大于其向上層的傳熱量，則該層的溫度會逐漸升高，密度也因熱膨脹而減小。如果這一熱量小于其向上層的傳熱量，則該層將趨于變冷，這將使分層更為穩(wěn)定，并推遲翻滾的發(fā)生。

(四) 間歇泉和水錘現(xiàn)象

如果儲罐底部有很長的而且充滿LNG的豎直管路，由于管內流體受熱，管內的蒸發(fā)氣體可能會定期地產(chǎn)生LNG突然噴發(fā)。產(chǎn)生這種突然噴發(fā)的原因，是由于管路蒸發(fā)的氣體不能及時地上升到液面，溫度不斷升高，氣體的密度減小，當氣體產(chǎn)生浮力足以克服LNG液柱高度產(chǎn)生的壓力時，氣體會突然噴發(fā)。氣體上升時，將管路中的液體也推到儲罐內，由于這部分氣體溫度比較高，上升時與液體進行熱交換，液體大量的閃蒸，使儲罐內的壓力迅速升高。如果豎直管路的底部又是比較長的水平管路，這種現(xiàn)象更為嚴重。在管內液體被推到儲罐的過程中，管內部分空間被排空，儲罐中的液體迅速補充到管內，又重新開始氣泡的積聚，過一段時間以后，再次形成噴發(fā)。這種間歇式的噴發(fā)，稱之為間歇泉現(xiàn)象。儲罐內的壓力驟然上升，有可能導致全閥的開啟。因此，儲罐底部豎直管路比較長時，有可能出現(xiàn)間歇泉。

上面提及的系統(tǒng)被周期性的減壓和增壓，則該處形成液體不斷地排空和充注。管路中產(chǎn)生的甲烷蒸氣被重新注入的液體冷凝，形成水錘現(xiàn)象，產(chǎn)生很大的瞬間高壓。這種高壓有可能造成管路中的墊圈和閥門損壞。

二、LNG的儲存安全

液化天然氣在儲存期間，無論隔熱效果如何好，總要產(chǎn)生一定數(shù)量的蒸發(fā)氣體。儲罐容納這些氣體的數(shù)量是有限的，當儲罐內的工作壓力達到允許最大值時，蒸發(fā)的氣體繼續(xù)增加，會使儲罐內的壓力上升。LNG儲罐的壓力控制對安全儲存有非常重要的意義。這要涉及到LNG的安全充注數(shù)量、壓力控制與保護系統(tǒng)和儲存的穩(wěn)定性等諸多因素。

液化天然氣儲存安全技術主要有以下幾方面：

(1) 儲罐材料。材料的物理特性應適應在低溫條件下工作，如材料在低溫工作狀態(tài)下的抗拉和抗壓等機械強度、低溫沖擊韌性和熱膨脹系數(shù)等。

(2) LNG充注。儲罐的充注管路設計應考慮在頂部和底部均能充灌，這樣能防止LNG產(chǎn)生分層，或消除已經(jīng)產(chǎn)生的分層現(xiàn)象。

(3) 儲罐的地基。應能經(jīng)受得起與LNG直接接觸的低溫，在意外情況下萬一LNG產(chǎn)生漏泄或溢出，LNG與地基直接接觸，地基應不會損壞。

(4) 儲罐的隔熱。隔熱材料必須是不可燃的，并有足夠的牢度，能承受消防水的沖擊力。當火蔓延到容器外殼時，隔熱層不應出現(xiàn)熔化或沉降，隔熱效果不應迅速下降。

(5) 安全保護系統(tǒng)。儲罐的安全防護系統(tǒng)必須可靠，能實現(xiàn)對儲罐液位、壓力的控制和報警，必要時應該有多級保護。

(一) 儲罐材料

LNG儲罐中內罐材料的選擇是設計中一個很重要的技術經(jīng)濟問題。LNG儲罐內罐直接與LNG接觸，工作在低溫環(huán)境下，為了滿足較高的安全要求，所用鋼材必須具有良好的低溫韌性、抗裂紋能力；并具有較高的強度，以適應建造大容量罐減小壁厚的需要；同時應具有良好的焊接性能。適宜用于建造LNG儲罐的材料有9%鎳鋼、鋁合金、珠光體不銹鋼。9%鎳鋼強度高，熱膨脹系數(shù)小，日本大型平底圓筒形LNG儲罐約有60%采用9%鎳鋼建造；鋁合金不會產(chǎn)生低溫脆化，材料質量小，加工性和可焊性好，應用也很廣泛；珠光體不銹鋼在低溫條件下不會脆化，其延性和可焊性都很好，但由于含鎳和鈷高，價格較貴，目前多用作地下儲罐內壁金屬薄膜材料。推薦直接接觸LNG的材料見表4-8^[4]，用于低溫狀態(tài)但不與LNG直接接觸的主要材料見表4-9。

表4-8 用于直接接觸LNG的主要材料

材料	用途
不銹鋼	儲罐、卸料管、換熱器、泵、管線、管件
鎳合金鋼	儲罐、螺栓、螺帽
鋁合金	儲罐、換熱器
預應力混凝土	儲罐
環(huán)氧樹脂	泵套管
玻璃纖維	泵套管
鎢鈷合金(淵%，Cr33&，W10%，C2%)	磨損面
聚三氟乙烯(Kel F)	磨損面
石墨	密封件，填充料
氟化丙烯聚合物(FEP)	電絕緣材料
聚四氟乙烯	密封件，磨損面

表4-9 用于低溫狀態(tài)但不與LNG直接接觸的主要材料

材料	一般應用
低合金不銹鋼	滾珠軸承
預應力鋼筋混凝土	儲罐
木材(輕木、膠合板)	熱絕緣?
合成橡膠	涂料、膠黏劑
玻璃棉	熱絕緣
玻璃纖維	熱絕緣
分層云母	熱絕緣
聚胺醣	熱絕緣
聚異氰脲酸酯	熱絕緣
砂	圍堰
硅酸鈣	熱絕緣
泡沫玻璃	熱絕緣，圍堰
珍珠巖	熱絕緣