每天10分钟学习LNG厂站安全系列（4）-LNG事故危害：VCE及RPT

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系列文章每天10分钟学习LNG厂站安全系列上一篇介绍了LNG装置事故泄漏后发生闪火、池火或是喷射火后热辐射造成的烧伤及结构损坏等事故危害，以下则简要介绍一下LNG事故危害中封闭或是半封闭空间内的蒸气云爆炸（VCE）造成的冲击及超压；快速相变（RPT）所引起的蒸发气超压。

 （2）蒸气云爆炸（VCE）

LNG装置中的拥堵空间，如布置有管道、泵及其他工艺设备的受限空间中的蒸气云、封闭或是半封闭空间内的蒸气云遇点燃会发生蒸气云爆炸（VCE）。严格说来，VCE有两种类型：即爆炸（detonation）及爆燃（deflagration）。其中爆炸危害性严重得多，其发生过程为超音速，其压力波以激波形式发生（几乎是瞬时的压力升高），速度通常为1500m/s或是更高，反应波前锋伴随整个反应，燃烧尽整个蒸气云。爆炸需要很强的点火源，且混合物组分一旦确定，则爆炸属性即唯一确定，通常发生于高反应性物质，如乙炔、氢气及乙烯。甲烷及LNG混合物属于中低反应性物质，因而不会发生爆炸（detonation）。

爆燃的压力脉冲在达到峰值前有一段时间的压力升高，且以亚音速（通常低于250m/s）传播，其压力波领先于反应波一小段间隔。爆燃的情况更加复杂，因为火焰速度和超压并不单独由组分确定，而取决于使火焰加速的因素，如拥堵的程度、密闭程度及物料的反应活性。通常认为LNG蒸气的爆燃只发生在当中火焰有条件被加速的区域，如模块内部或部分封闭的空间内。

甲烷燃烧的整体方程式可以表示为以下：

CH4 + 2( O2 + 3.76 N2) → CO2 + 2H2O + 2 (3.76 N2) + 热量

上述反应的放热量会造成显著的温度上升，因而亦导致体积增加（高达8倍）。一个简化的近似为：即使没有火焰加速的发生，对于完全封闭的空间，仅燃烧的反应热也会产生8bar的压力。描述爆燃的一个参数为动压，其由燃烧产生的空气运动形成，其量值与空气速度的平方成正比，及与冲击波后空气的密度成正比。爆燃可以被相对弱的点火源引爆，其超压也低于爆炸（detonation）产生的超压，其主要后果为：辐射性超压波、可产生相当大的火球、火焰产生的上升气流及引发二次火灾。LNG的VCE事故最为惨重的事故即克利夫兰LNG事故，我们在本系列第（1）部分即做了介绍；此外，LNG项目的早期还发生过在接收站港口的VCE事故，即1976年在南美某港，一艘LNG船在泄漏操作中发生短路事故而引燃了LNG蒸气云，之后发生了一系列的VCE事故损坏了5个天然气储罐，大火在港口的栈桥上肆虐超过3个小时后，当地消防部门终于在降雨的协助下控制住了火势。该事故造成超过50人受伤，且发生了LNG喷溅泄漏[1]。

（3）快速相变（RPT）

RPT爆炸为一物理爆炸，是由于液体忽然沸腾及相变而导致的，通常是LNG于水面泄漏且与水充分混合时发生。尚未有LNG的RPT爆炸造成人员伤亡的报道，但曾发生过设备损坏。RPT导致的超压迄今未有很好的测量，目前的观察显示其超压不足以导致人员受伤[2]。以下介绍2例海外LNG项目的RPT案例以供国内同仁学习借鉴。

1987年8月，美国内华达州的Mercury，在美国能源部（DOE）的测试现场的Falcon系列的5号试验中进行了一系列强烈的快速相变（RPT）之后，LNG蒸气云被点燃，火焰在高出地面20英尺处燃烧约30秒。事后GRI的独立调查表明可能的点火源是发生在LNG管线表面与可燃的聚氨酯泡沫保冷材料之间的富氧环境下燃烧产生的火焰。该富氧环境是LNG进行测试之前的长时间的液氮冷却形成的。无证据显示RPT点燃了LNG蒸气云，真正点燃附近处于燃烧极限内蒸气云的是在RPT作用力下飞出栅栏的一段燃烧的聚氨酯保冷材料。[3]另外一个RPT案例发生在1993年印度尼西亚Bontang的LNG出口装置的E生产线，当时该条线正在进行管线整改，其中的一LNG产品线发生泄漏，造成LNG进入地下下水道系统并造成快速蒸发膨胀（RPT）而超压，未发生点燃事故，但下水道系统和附近设备受损。[3]

比较来说，VCE的危害性要严重得多，而对此的防范并没有捷径，需要做好所有最基本的安全措施，如以下：

1）第一个基础的工作是需要及时发现任何LNG泄露（需要提醒下由于会在低温下冻结，因此不像常规的管道供气，LNG的工艺过程会去除任何加臭剂组分，因此其泄露是无味的），因此厂站的设计上需要保证有足够的可燃气体泄露探测，且安装位置合理设置），对待厂站的任何低温LNG泄露需要严肃对待，因为即使是很细微的低温泄露也可能会升级为严重的安全事故；

2）对于就地的低温LNG安全卸放（如LNG储罐）需要在第一时间查找超压源并予以排除，对于较大规模的低温就地卸放，需要采取措施保护周边设备及防止卸放介质被点燃；

3）设备或管线在低温下失效也是导致低温LNG泄露的主要事故源之一，此时第一反应应该是紧急切断泄漏源，倘若失效导致了大规模LNG泄露，如LNG罐等失效，此时则是围堰、收集池等围护结构发挥作用的时候，倘若你的厂站没有此类设施，很简单，投用装置之前严格按照规范要求添加，对此需要克服任何侥幸心理；

4）在人员培训方面需要有此类事故的应急预案，并时常演练，对应急措施需要牢记在心；

5）伴随大规模LNG泄露的还有蒸气云扩散的问题，如果发生，可以采取的措施为尽量降低LNG的接触面积（可以在设计中考虑降低热传递热流，如光滑平整的表面可以降低传热面），同时可以在收集区采取措施增强绝热。泡沫可以降低LNG的蒸发速率，而喷水将提高蒸发速率50%以上；

6）最后，再次强调一下爆炸（detonation）及爆燃（deflagration）的区别：当LNG蒸发气在敞开空间被点燃时不会发生爆炸（火焰前锋速度仅约3.5m/s左右，厂站人员奔跑速度可以超过该值），而在敞开的空间内爆燃造成的压力升高最大仅约0.3psi，不会造成结构破坏或是人员受伤；但是倘若爆燃发生在受限空间，则火焰速度及压力升高会大大被提升，到足够的度则发生爆炸，即VCE。

所以，防范VCE需要将完备的厂站安全措施设计、人员防护及应急预案（培训）做足，做到位，这些最基本的要求却正是防范VCE等安全事故，通往LNG厂站安全的平凡之路。