液化天然气(LNG)船舶安全运输管理

交通运输部水运科学研究院谢天生液化天然气（LNG）船舶安全运输管理——船舶靠离泊和装卸作业安全管理液化天然气（LNG）船舶安全运输管理——船舶靠离泊和装卸作业安全管理LNG危险有害特性LNG船舶构造及危险源识别LNG船舶靠离泊和船岸衔接过程中的危险源辨识LNG装卸作业火灾爆炸事故模拟LNG船舶靠离泊和装卸作业安全管理交通运输部水运科学研究院2二、制定目的交通运输部水运科学研究院3一、定义交通运输部水运科学研究院4指港口经营企业（单位）在港口危险货物生产活动中将危险因素、有害因素控制在安全范围内以及预防、减少、消除危害所配备的装置（设备）和采取的措施。LNG危险有害特性交通运输部水运科学研究院5液化天然气（LNG），LNG是以甲烷为主要成分的混合物，其组成如下图所示。LNG危险有害特性主要特性参数:交通运输部水运科学研究院6组成体积百分比C191.46C24.74C32.59I-C40.57n-C430.54I-C50.01n-C50.00N20.09物性参数华白指数MJ/m3(n)55.6密度（LNG）kg/m3458热值（体积）MJ/m3(n)43.7热值（质量）MJ/kg54.7LNG危险有害特性LNG危险有害特性交通运输部水运科学研究院71、易燃易爆LNG及其蒸发产生的天然气的最主要成分为甲烷。对照《原油和天然气工程设计防火规范》（GB50183-2004），LNG属于液化烃，为甲A类火灾危险物质，甲烷气体属于甲类可燃气体，它们均属于高度易燃易爆物质。LNG火灾的特点是：火焰传播速度较快；质量燃烧速率大（地上和水上燃烧速率分别达到0.106kg/m2s和0.258kg/m2s，约为汽油的2倍）；火焰温度高、辐射热强；易形成大面积火灾；具有复燃、复爆性；难于扑灭。LNG危险有害特性LNG危险有害特性交通运输部水运科学研究院82、易蒸发LNG（按甲烷考虑）的沸点为-162℃，在常温下极易蒸发，极易产生燃烧爆炸所需的蒸气量。LNG一旦从容器中泄漏出来，一小部分立即急剧气化成蒸气（即天然气），剩下的泄漏到地面或海上，沸腾气化后与周围空气混合生成冷蒸气雾，在空气中冷凝形成白烟，再稀释受热后与空气形成爆炸性混合物（或称可燃性气云）。爆炸性混合物若遇到点火源（最小点火能量为0.28mJ），将引发闪火或蒸气云爆炸等事故。LNG泄漏后形成的冷气体在初期比周围空气重，易形成云层或层流。泄漏的LNG的气化（蒸发）量取决于地面和大气的热量供给，刚泄漏时气化率很高，一段时间以后趋近于一个常数，如果泄漏的LNG数量较大，这时余留在地面的LNG就会在地面上形成一种液流。若无围护设施，则泄漏的LNG就会沿地面扩散，遇到点火源可引发池火灾。LNG危险有害特性LNG危险有害特性交通运输部水运科学研究院93、低温LNG以低温常压方式储存，工作温度为-162℃。如此低温物质一旦泄漏，如果接触到常温管材或设备，就可能发生脆裂现象；如果接触到作业人员，就会造成严重冻伤。LNG低温引起的危险性主要即指由于LNG意外泄漏等形成的低温从而造成的船舶构造、设备的损坏和对人体造成的伤害。LNG危险有害特性LNG危险有害特性交通运输部水运科学研究院103、低温（1）对船体、设备的破坏由于LNG船舶液货系统在设计时已考虑了货物的低温性，并采用了耐低温的材质与结构，因此低温LNG对船体和设备的损害总是发生在LNG货物意外泄漏、外溢时。当超低温的LNG和普通非耐低温的船体、设备接触后，会使碳钢迅速减少韧性和伸延性，材料脆化，产生龟裂、破碎。这主要是由于局部的冷却而产生了过度的热应力，造成钢板严重丧失延展性，最终形成无法控制的破裂从而危害了整个船体结构。LNG危险有害特性LNG危险有害特性交通运输部水运科学研究院113、低温（2）结冰货物系统中的水分，如潮湿的气体和露点温度较高的惰性气体中携带的水分以及溶解在货物中的水分，都会由于液化气货物的低温而结冰。结冰的危害同水合物一样，都会对货泵、阀门、传感器管路、喷淋管路和液位测量设备等造成损坏或堵塞。（3）对人体的危害低温LNG与人员的身体相接触，会从皮肤上吸收显热，并且由于汽化而吸收潜热，因此裸露的皮肤会被冻伤。并且，当人体暴露在0℃以下的环境中，持续工作一段时间后，将造成永久性的伤害。LNG危险有害特性LNG危险有害特性交通运输部水运科学研究院124、快速相变特性温度不同的两种液体在一定条件下接触时可产生爆炸力，称为快速相变现象，LNG与水接触时，尽管不发生燃烧，但具有爆炸的所有其他特征。LNG危险有害特性LNG危险有害特性交通运输部水运科学研究院135、热膨胀性与热外溢LNG具有较大的热膨胀系数，以液态的甲烷为例，假如在-40℃时的体积为1，当温度上升至0℃时其体积即膨胀至1.094，体积增大了9.4%；温升至40℃时其体积将膨胀至1.236，体积增大了23.6%。对于一个装满液化气的密闭容器来讲，它将难以承受这种由液体热膨胀而产生的压力。另外，在新装LNG注入液货舱之后，如果与舱中残留的密度不同的残留液化气没有很好的混合，即会导致冷而轻的液化气在上层，热而重的在下层，热量以热波的形式自下而上传递，从而导致上层的液化气体积膨胀并大量蒸发，液货舱内压力迅速升高，最终造成大量液化气外排。这种现象称为“热外溢”，也是造成液化气事故的一个重要原因。LNG危险有害特性LNG危险有害特性交通运输部水运科学研究院146、压力特性及危害（1）高压危害LNG船舶在载货运输过程中，由于外界热量的传递，处于封闭的液货系统温度会升高，货舱蒸气压力变大，一旦压力高于设计许可值，就会对系统造成损坏或形成危险。因此在操作时，如打开阀门、盲板等设备前，应利用仪表等观察、判断系统内部是否存在高压蒸气或液体，以免对人员、设备造成损害。LNG危险有害特性LNG危险有害特性交通运输部水运科学研究院156、压力特性及危害（2）压力叠加与翻滚对于LNG船舶或岸站储罐，在装货过程中，如果装入的液货与舱内原液货的温度不同，则两种密度不同的液体在混合过程中，由于温度差会导致货物翻滚，同时会有大量蒸气剧烈释放并伴有压力上升现象。（3）液货舱负压正常情况下，无论载货与否，LNG船舶货舱内为低正压。当在某些特殊情况下货舱内出现负压时，除可能会吸入空气外，还可能会破坏货舱结构。对于屏蔽材料很薄的薄膜式液货舱要尤为注意，因为较小的负压或压力差就极易损坏货舱结构。LNG危险有害特性LNG危险有害特性交通运输部水运科学研究院167、LNG的毒理特性天然气为无毒窒息性气体，但常因其成分中含有一定的水等杂质，对设备和管道有一定的腐蚀性，空气中LNG含量过高或氧含量不足时，对人体产生窒息作用。LNG船舶构造及危险源识别LNG船舶的发展历史交通运输部水运科学研究院171951年，第一个提出天然气液化运输的是美国实业家威廉·伍德，其理念是对天然气进行液化，并储存在陆地上的罐中，然后用驳船进行运输。1954年，英国设计了14000吨圆柱型舱的甲烷运输船。1959年1月25日，“甲烷先锋号”开始了第一次历史性航行，并获得了成功。1960年，英国与阿尔及利亚签订了为期15年的100万SCF/d的LNG运输合同，同时开始建造商业船“甲烷公主”和“甲烷进步”。1961年，法国试验船开始改建，于1962年完工，经试验成功。1965年，法国建造了25500m3的“朱丽沃”号，并签订了为期15年5000万SCF/d的LNG运输合同。LNG船舶构造及危险源识别LNG船舶的结构设计交通运输部水运科学研究院18八十年代，LNG船舶货舱容积12.5万立方米为主流船型；九十年代，13.5～13.8万立方米为主流船型；21世纪初则以14.5万立方米为主流船型。目前新造船舶已出现16万立方米以上的新船型，某些主要从事LNG船舶建造的厂家正在设计和开发20万立方米的超大型LNG船舶。LNG船舶的货物围护系统主要有三种类型，分别为薄膜型、球型和棱柱型（如图3.2所示）。LNG船舶构造及危险源识别LNG船舶的结构设计交通运输部水运科学研究院19薄膜型液货舱薄膜型液货舱主要有两种型式，分别为GazTransport和HTechnigazH。两者较为相似，均采用具有良好弹性的薄钢“薄膜”围护货舱。LNG船舶构造及危险源识别LNG船舶的结构设计交通运输部水运科学研究院20薄膜型液货舱GazTransport和HTechnigazH薄膜型货舱内部LNG船舶构造及危险源识别LNG船舶的结构设计交通运输部水运科学研究院21薄膜型LNG船舶LNG船舶构造及危险源识别LNG船舶的结构设计交通运输部水运科学研究院22Moss球型液货舱Moss球型液货舱由铝球罐、绝缘层、外壳、支撑罐裙以及管塔组成。该型液货舱由于设计良好，因此迄今具有良好的安全纪录。船舶从没有因为货舱系统的不足或损伤而停止运营。LNG船舶构造及危险源识别LNG船舶的结构设计交通运输部水运科学研究院23Moss球型液货舱LNG船舶构造及危险源识别LNG船舶的结构设计交通运输部水运科学研究院24Moss型LNG船舶LNG船舶构造及危险源识别LNG船舶的结构设计交通运输部水运科学研究院25Moss型LNG船舶LNG船舶构造及危险源识别LNG船舶的结构设计交通运输部水运科学研究院26棱型液货舱棱型液货舱货物围护系统和球型液货舱相似，但在形状上不同，货舱结构类似“B”型。LNG船舶构造及危险源识别LNG船舶的结构设计交通运输部水运科学研究院27棱型LNG船舶LNG船舶构造及危险源识别LNG船舶LNG船舶在营运过程中安全影响因素LNG船舶系统安全船员因素船舶因素航行与作业环境因素营运管理因素交通运输部水运科学研究院28LNG船舶系统安全船员因素船舶因素航行与作业环境因素营运管理因素图3-16：LNG船舶系统安全影响因素LNG船舶靠离泊和船岸衔接过程中的危险源辨识LNG船及接收站全球事故案例分析交通运输部水运科学研究院29根据LNG船船型的不同，在158个LNG船事故案例中，有58个案例中的LNG船为薄膜型，80个案例中的LNG船为球型，18个案例中的LNG船为其它类型，另外2个案例的船型未知。球型LNG船发生事故的比例最高，薄膜型次之，其他类型LNG船最低。但进一步分析可知，占目前全部LNG船只数量仅5%的其它类型LNG船的事故却占了全部事故数量的11%，这意味着该类船型有相对较高的事故发生率。LNG船舶靠离泊和船岸衔接过程中的危险源辨识LNG船及接收站全球事故案例分析交通运输部水运科学研究院30自1985年以后，球型LNG船的事故数占全部事故数的比例有较大下降，占33%;对应的薄膜型LNG船则占61%，事故数比例有较大的增加。1985年以后不同LNG船型在事故中所占比例LNG船舶靠离泊和船岸衔接过程中的危险源辨识LNG船及接收站全球事故案例分析交通运输部水运科学研究院31根据事故的不同性质，可将LNG船事故案例划分为八个大类:Col——碰撞:撞击或被别的船只撞击Gul——触礁/搁浅:触到海底或搁浅Cnt——与其他物体/船舶触碰:与其他物体或船只发生触碰FE——火灾/爆炸EM——装备/机械失灵；引擎失灵，推力丧失，操舵失灵等HW——恶劣天气L/U——装载/卸载事故：泄漏，溢出，翻转等CCS——货物控制系统事故:货物损失，液货摇晃严重，液氮泄漏等。LNG船舶靠离泊和船岸衔接过程中的危险源辨识LNG船及接收站全球事故案例分析交通运输部水运科学研究院32LNG船历史事故年均发生频率AccidentCategory／事故分类Numberofaccidents／事故数FrequencyofAccidents(pershipyear)事故发生频率(每船年)Collision／碰撞190.67%Grounding／触礁/搁浅80.28%Contact／触碰80.28%Fireorexplosion／火灾或爆炸l00.35%Equipmentormachineryfailure／装