LNG加注趸船蒸气云爆炸危害后果分析＊

鲁盈利 吕植勇 庄学强

（武汉理工大学智能交通系统研究中心1） 武汉 430063） （国家水运安全工程技术研究中心2） 武汉 430063）（集美大学轮机工程学院3） 厦门 361021）

0 引 言

近年来，随着我国经济的快速发展，运送液体危险化学品的罐车和船舶数量陡增.运输的危化品种类包括汽油、柴油、液化天然气、硫酸、盐酸、液氨等，从危险性上看，这些介质具有易燃易爆、毒害、腐蚀等特性，在运输、储存、经营和使用中容易造成人身伤亡、财产损失和环境污染［1］.

LNG是天然气经过液化和净化处理后得到的低温液体，多储存在绝热罐体中.LNG作为一种绿色能源在长江绿色航运中发挥着重要的作用，同时LNG也是一种易燃易爆的危险化学品，使得LNG储罐发生泄漏时极易引起火灾爆炸事故，LNG加注趸船一旦发生蒸气云爆炸事故，不仅对加注趸船和周围建筑设备造成严重的破坏，还对内行航道的通航安全和周围人员的生命安全造成了严重的威胁.

国内外围绕LNG泄漏爆炸事故开展了研究工作，Juan A.Vilchez等［2－3］提出了 LNG蒸气云扩散安全系数（DSF）的定义，即可燃蒸气云达到燃烧下限浓度（LFL）的下风向距离与对应的蒸气云可见轮廓的下风向长度之比；张凡等［4］分析了国内外在水幕法控制LNG蒸气云扩散方面的研究进展，给出了不同水幕的优缺点；关丽等［5］做的受限空间爆炸试验表明在天然气浓度为7%～11%时，蒸气云爆炸的TNT当量模型与实验结果最为接近.本文对LNG加注趸船上LNG储罐的泄露源强进行了模型分析，对泄漏可能造成的蒸气云爆炸事故进行了定量计算，得到了爆炸事故的TNT当量以及可能造成的危害区域半径.

1 LNG储罐泄露导致的危害后果

1.1 LNG的危险性

常压下，LNG以大约－162℃的低温储存在储罐或船舶舱室中，其初始密度为426kg／m3，临界蒸发温度90.7K，沸腾温度111.66K.LNG泄露或者溢出时温度便会升高，由液态变为气态，气态时的体积可达液态时的600倍，因此，当其泄露至水中时它将漂浮在水面并以爆炸速度产生大量闪蒸气.当LNG闪蒸气的温度上升至高于－58℃时，其密度将小于周围空气的密度，能够自由的在空气发生扩散.

当蒸气云在空气中扩散至体积分数达到燃烧范围时，如遇明火将会发生燃烧.在燃烧发生前的这段时间里，如果LNG仍持续溢出或泄漏，则火灾将有可能蔓延到液池内，形成池火.如果蒸气云不能在空气中自由的扩散，或者蒸气云中含有大量更重的碳氢化合物，那么火焰就会加速燃烧并引起爆炸.

1.2 LNG储罐泄露的危害后果

大量的LNG蒸气在空气中扩散的过程中不仅会发生燃烧，当其体积分数稀释至5%～15%时还将发生爆炸事故——蒸气云爆炸（vapor cloud explosion，VCE）.LNG储罐在火焰的高温作用下，液化天然气的温度将迅速升高，蒸发量增大，当罐内压力升高到某一值时有可能造成储罐崩塌.如果爆炸发生在有限的空间，那么破坏力将是毁灭性的.

2 蒸气云爆炸风险评估模型

2.1 泄漏源强模型

很多权威的LNG安全评估机构（如Quest公司、MIT、DNV（挪威船级社）、ABS（美国船级社）等）都采纳由伯努力方程推导得到的泄漏源强模型，其模型如下.

式中：Chole为泄漏口的流量系数；Ahole为泄漏口的流通面积，m2；pT为LNG储罐液面上方的压力，Pa；patm为大气压力，100kPa；ρL为 LNG 液体密度，kg／m3；H 为LNG液面离泄漏孔中心距离，m；Q 为LNG液体泄漏率，kg／s.

由式（1）可知，在其他参量不变的情况下流量系数的取值对LNG泄漏源强的确定有着重要影响.但不同的评定机构对流量系数的取值存在着较大的差别.通常，DNV和Sandia的取值为0.6，而Fay和ABS则取值1.0［6］，因此计算得到的结果也有较大差异.

2.2 泄漏口流量系数

流体流过泄漏孔时的流动状态可分为单相流动、空穴流动和反流流动［7］，而实际情况下LNG储罐的泄漏可视为是射流流动.根据C.Soteriou等［8］对平口射流的研究可知，射流流动的流量系数取决于流体流过泄露孔时的流动状态.

根据实验数据得到的经验模型，流体流过泄露孔时的流动状态主要受泄漏孔直径d、泄漏孔长度L、泄漏孔进口倒角半径r、泄漏孔上游压力p1、泄漏孔下游压力p2、液体粘度μ、液体密度ρL和液体饱和蒸汽压pv这些参数的影响.

根据影响泄露孔内流动状态的因素，引入几个量纲一的量判断参数.将判断空穴是否发生的基本参数记为空穴参数K，其表达为［9］

空穴流发生时的临界K值定义为Kincep：Kincep＝1.9（1－r／d）2－1 000／Re式中，Re为雷诺数，

将K，Kincep，Kcrit按图1的对比方案进行比较，可判断出流体流过泄露孔时的流动状态.

图1 流动状态判断决策树

流体流过泄露孔时的流动状态确定后，流量系数Chole的求解可遵循如下方法.

对于单相流泄漏

对于空穴流泄漏

对于返流泄漏：Cd＝Cct.

Cct等于0.611的理论常数，它是从返流喷嘴的势流分析中得到的.

2.3 蒸气云爆炸的TNT当量模型

液化天然气泄漏后引发的蒸气云爆炸的破坏形式主要有爆炸产生的超压冲击波和火球热辐射，且超压冲击波对周围人员和建筑设施的破坏作用最大.本文采用TNT当量法和超压准则［11－14］来对其后果进行预测，具体如下.

1）TNT当量的计算

式中：α为地面爆炸系数，由于蒸气云爆炸是地面或近地面爆炸，爆炸总能量是实际能量的1.8倍［15］，取1.8；WTNT为LNG蒸气云的TNT当量，kg；A为LNG蒸气云的TNT当量系数；Wf为LNG蒸气云的总质量，kg；Qf为天然气的高热值，kJ／kg，为55 900kJ／kg；QTNT为TNT的爆热，kJ／kg，取4 500kJ／kg；

2）伤害分区的划分 利用超压准则对蒸气云爆炸的危害后果进行分析预测时，可以以加注趸船的LNG储存罐为源心，简单的按死亡区、重伤区、轻伤区和安全区对周围区域进行划分.各伤害分区内的人员在没有任何防护的情况下，则被视为将遭受相应分区内的伤害.

以加注趸船的LNG储存罐为中心源，死亡区的内径为0，外径是人员因冲击波作用导致肺出血而死亡的概率为0.5时距离中心源的最大距离，用R1来表示.它与TNT当量之间的关系式为

重伤区的内径就是死亡区的外径R1，外径用R2来表示.R2是人员因冲击波作用造成耳膜破裂的概率为0.5时距离中心源的最大距离.通常情况下能造成这一伤害的冲击波超压峰值至少为0.07MPa，本文按0.07MPa计算.

同样地，轻伤区的内径即为重伤区的外径R2，外径用R3来表示.R3是人员因冲击波作用造成耳膜破裂的概率为0.01时距离中心源的最大距离.通常情况下能造成这一伤害的冲击波超压峰值至少为0.025MPa，本文按0.025MPa计算.

将冲击波超压比记为Δp，其计算式如下.

式中：Δp为冲击波的最大正相超压ps与大气压强p0之比；Z 为中间量，表达式为：Z＝；E为蒸气云爆炸产生的能量值，J，表达式为

3 LNG加注趸船蒸气云爆炸事故分析

3.1 案例基本情况

研究考虑的LNG加注趸船是由武汉某船舶设计院设计的双燃料加注船，拟位于武汉地区某江段.全船长90.00m，型宽16.00m，型深3.20 m，吃水1.6m，预装LNG约213t、燃油190t，燃油舱位于甲板下方.LNG储存装置采用的是2个C型双层绝热真空全冷罐，储罐对称布置在船舶首尾线两侧，从岸基沿船舶横向线看去，储罐左侧是船电控制室，储罐右侧是服务大厅和船员休息室，后侧是岸基平台，非加注状态时前侧是水面，具体见表1.LNG储罐内层罐体长度约为25.1 m，直径为3.7m，外层罐体长度约为26.0m，直径为4.2m，单罐总容积250m3.罐子的最大设计充装率为95%，最大充装量为237m3，正常操作压力1MPa，LNG的储存温度－162～－140℃.罐区内有安全阀、压力表、流量计、BOG储存罐、监控报警系统、冷却系统，以及消防系统等安全设施，还有加注装置和汽化器等工艺设备.

表1 LNG储罐周围设施基本情况

3.2 蒸气云爆炸后果的定量计算分析

研究假定LNG加注趸船储罐的单罐充装率为95%且全部发生泄漏，泄露的LNG中参与蒸气云爆炸的比率按30%计算，天然气蒸气云的TNT当量系数A的取值范围为0.02%～14.9%，均值为3%～4%［16］，取4%.计算得到蒸气云的质量为60 705kg，蒸气云的TNT当量为542 95kg.

图2 超压比Δp与伤害半径R的变化关系曲线

LNG加注趸船和陆上的加注站不同，其开敞空间有限，如果发生蒸气云爆炸事故将会对周围人员、设备产生巨大的破坏.由计算可知趸船上的主要建筑半径均在蒸气云爆炸的死亡半径范围内，由图2可知距离爆炸源60m处其正相最大超压仍有0.25MPa左右，当冲击波在0.20～0.30 MPa时，它能造成的伤害是大型钢结构被破坏，绝大多数人员死亡［17］.因此，如果趸船上发生蒸气云爆炸事故其对船舶的破坏将是毁灭性的，同时其近200m的伤害半径也会对内河航道的通航安全构成严重的威胁.另外，趸船上多建有燃油舱，如果燃油舱在蒸气云爆炸事故中被破坏，也将会对周围水域造成巨大的污染.

鉴于蒸气云爆炸对趸船及其周边环境的巨大破坏性.趸船在建造完成时在罐区就安装了视频监控系统，并在管路系统上装有温度、压力、流量等各式传感器来获取罐子内外的实时数据信息，一旦发生异常声光报警系统就会立即发出报警信号通知值班人员检查故障部位.趸船上的泡沫和水消防系统也能够及时排除事故初期的小型火灾，避免事故的扩大.

4 结束语

LNG作为一种易燃易爆的危险性化学品，在储存和运输的过程中一旦发生泄露引起爆炸将造成巨大的破坏.在LNG加注趸船上单罐250m3的LNG泄露造成的蒸气云爆炸事故其死亡半径就达到了59.6m，在该致死半径内爆炸产生的最大超压波能造成大型钢结构的严重破坏，这意味着趸船上的绝大部分建筑设施都将遭到严重毁坏.同时，爆炸能造成的轻伤半径也高达196.7 m，这必会将对内河航道的通航安全造成严重的安全隐患.因此，在LNG加注趸船上除了装配有监控报警设备和安全设施外，工作人员还应加强对罐区的日常维护和保养工作，及时排除安全隐患，避免爆炸事故的发生.

LNG加注趸船作为我国内河运输中的新兴事物，目前关于其发生事故危害的评价研究工作还较少，本文关于蒸气云爆炸的评价结果也仅适用于加注船上LNG单罐体发生爆炸时的场景.当前，新设计的加注趸船多为双燃料加注，即甲板下层的燃油舱装有燃油，因此使得连锁爆炸时的情况异常复杂，经典的TNT当量模型可能已不适用于评价其危害后果，限于笔者当前研究进度，没有对多罐体爆炸进行后果评价.

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