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2013年安全评价师考试《综合运用》考点九
引言
目前，国际石油价格仍处于高位，各国将能源消费纷纷转向天然气，不少国家准备大量进口天然气。因此，对天然气的海上运输工具--液化天然气(LNG)船的需求量将显著增加，对液化天然气船舶管理的要求也越来越高。天然气液态储存是将经过脱水、脱烃和脱酸等净化处理的天然气，在常压下通过制冷降温至-162℃左右进行液态储存。液态储存天然气可以将天然气的体积缩小600多倍。【1】LNG在充注和储存过程中，由于其中组分密度的不同，就有可能出现翻滚(rollover现象。发生翻滚现象时，根据现有设备能力，应该可以将汽化气输出，而事实上，由于这种汽化是在瞬间产生的，并且量极大，很难将其及时排出，这样就会造成储罐瞬间超压，对设备造成损害，影响其使用寿命。所以，预防翻滚现象的发生，对保障船舶安全营运具有很大的意义。
1 翻滚现象及产生的原因
1.1 翻滚现象分析及分类
翻滚现象是指两层不同密度的LNG在储罐内迅速上下翻动混合，瞬间产生大量的汽化气的现象。在发生翻滚现象时，罐内LNG的汽化量为平时自然蒸发量的10～50倍，这样将会导致储罐内的气压迅速上升并超过设定的安全压力，使储罐出现超压现象。如果不及时通过安全释放阀排放，就有可能造成贮槽的机械损伤，对设备造成损坏，同时大量排放蒸发气，不仅造成经济上的损失，对环境也造成污染。【2】
一般LNG的组分为氮气、甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷、异丁烷、正戊烷、异戊烷。因产地不同，其成分可能略有变化。
翻滚从现象来看分成两类：①LNG贮罐在长期贮存中，因其中较轻的组分(主要是N2和CH4)优先蒸发，而自发形成翻滚现象。②LNG贮罐中原来留有液化天然气，在充装密度不同、温度不同的新LNG一段时同(几个小时甚至几十天)后，突然产生翻滚的现象。【3～4】
翻滚是一种热不稳定性现象，这种热不稳定性是由密度变化引起的，其产生的必要条件是分层界面受到扰动。界面扰动既包括“边界层穿透”，也包括界面的“涡旋混合”。分层界面的破坏首先出现在流动边界层，因为此处的流动最为活跃，但是由于边界层流动只局限在分界面附近，因此它对分层界面的直接破坏仅仅发生在流动边界层内。除边界层穿透破坏之外，上层液体的射流作用也会破坏分层循环流动，因为上层液体的射流冲击作用既可以直接破坏分层界面，又可通过“涡漩混合”不断扩大其破坏范围。
也就是说，LNG的翻滚实际上是一种剧烈蒸发的过程。在储罐中，密度小的液体会集聚在密度大的液体之上，抑制了下层液体的挥发。当储罐内的LNG出现明显的分层现象时，由于上层LNG静压的抑制作用，使得外界传人的热量无法通过下层的LNG液体的蒸发而散失，导致下层LNG处于过饱和状态，下层液体就会温度升高，少量的N2就会首先汽化，破坏两层液体的界面，使得LNG储罐内出现扰动，也就是翻滚现象。如果储罐内上层的LNG密度大于下层，下层LNG突然上升，导致边界层破坏，液体挥发，产生剧烈扰动，储罐内的温度上升，压力也急剧上升，使翻滚现象进一步加剧。
1.2 翻滚现象产生的原因
(1)储罐内LNG由于各组分密度不同，导致密度大的组分在下，密度小的组分在上，密度差会形成分层，有时即使仅差1 kg/m3也会分层，而分层是引发翻滚的第一步。有关资料介绍，如果储罐内LNG有两层，当其密度差为6.9kg/m3时，存放72h后就会产生翻滚现象。【1】
(2)LNG进储罐的温度有细微变化，引起LNG的密度稍有变化，温度高的LNG密度较小，温度低的LNG密度较大，密度小的液体上浮，密度大的液体在下，产生分层的现象。一般的，当温差为0.79 K时，存放72 h后将产生翻滚现象。
(3)由于不同阶段添加的LNG的组分不同，导致新日LNG的两层液体密度不同，罐内液体存在密度差，产生分层现象，在存储和运输过程中就会有扰动现象，剧烈的扰动就是翻滚现象。
2 翻滚现象的预防
2.1 LNG分层的检测
由于LNG分层是引发翻滚的前提，因此，在实际操作过程中如何检测LNG分层非常重要。一般可以采取下列方法检测LNG分层情况：
(1)沿LNG储罐高度设置测温点，间距可为2.8 m左右，一般当温差高达-14℃左右时，就有可能出现翻滚现象。这时为防止翻滚事故，就应该对储罐进行冷却。
(2)监测新灌入的LNG与储罐内剩余LNG的密度差，也可以通过两者的热值差来监测。如果差值较大，应考虑出现翻滚的可能性。一般当密度差达5 kg/m3时，就要引起注意，应该采用进行循环的方法来消除密度差。
(3)监测LNG的蒸发速度。LNG分层会抑制LNG的蒸发速度，使得出现翻滚前的蒸发速度比通常情况下的蒸发速度低。采用压力表监测罐内压力时，大气压的变化会影响对LNG蒸发速度时监测，可以采用绝对压力监测或记录大气压的变化。
2.2 LNG分层和翻滚的预防
根据翻滚产生的机理，可以采取以下方法防止LNG分层和翻滚：
(1)分别贮存。这是防止分层的较好方法，即将密度不同的LNG储存于不同的储罐中。但这需要多个储罐，使营运不仅经济，而且操作方便。
(2)充分搅拌所有灌入储罐的LNG，消除密度差，防止LNG的分层。一般采用循环泵进行循环(即用LNG泵由储罐下部到上部打回流)的方法来使储罐中的组分充分混合。
(3)控制灌入储罐LNG组成成分的密度变化范围，尽可能减小组分的密度差。
对于大型LNG储罐，充分搅和比较困难。一旦发生LNG翻滚，汽化后的大量天然气难以及时通过安全释放阀排放。为了防止发生事故，设置安全释放阀、放散火炬、回收压缩系统等，防止LNG蒸发、翻滚造成储罐超压。一般同时采用上述两个措施，并且尽量使一个储罐仅用来储存同一产地的LNG，控制其组分的变化范围，从而防止LNG的翻滚现象。一般灌入储罐的LNG的密度差尽量控制在15 kg/m3以内。
(4)选择正确的充注方法。根据需要装载的LNG与货舱内原有的LNG密度有差异，正确选择充注方法，可有效地防止分层。充注方法的选择一般应遵循以下原则①密度相近时，一般底部充注。②将密度小的LNG充注到密度大的LNG货舱中时，应该采用底部充注的办法。③将密度大的LNG充注到密度小的LNG货舱中时，应该采用顶部充注的办法。④采用多孔管充注。多孔管即在充液管上开有一定数目的小孔，使用多孔管充注可使充注的新LNG和原有的LNG充分混合，从而壁面分层。
根据经验，为了避免分层现象，在液化过程中，应注意分析进料天然气组分，不要有较大的密度差(密度差应尽量小于15 kg/m3)。否则采取LNG不进储罐，直接进入汽化器。汽化后再输到外界管网进行循环的方式。进液过程中，选择将温度较低的LNG从罐顶部灌入。将温度较高的LNG从罐底部灌入，使充液过程也成为不同密度的LNG混合的过程，从而防止LNG分层，避免翻滚现象的产生。
3 结束语
LNG罐船营运实践表明，LNG在货舱内因液体组分的密度不同，造成LNG的剧烈混合蒸发，即“翻滚”的非稳性现象。发生翻滚时，伴随LNG大量蒸发，舱内压力迅速升高，对LNG船舶的安全产生很大的威胁。如果在发生翻滚现象时将储罐的安全释放阀打开，就会造成大量天然气放空，污染环境，影响LNG船营运的经济性。因此对翻滚现象必须引起足够重视，采取积极有效的方法加以防范。
参考文献：
[1]游立新.液化天然气的分层和祸旋及防止措施[J].石油与天热气化工，1999，20(3)：21-25 .
[2]姚峰.浅谈LNG在长期储存中的翻滚现象[J].上海煤气，2001(3)：16-18 .
[3]周伟国，阮应君，藤记颖.液化天然气储罐中的翻滚现象及预防措施[J].煤气与热力，2002，22(4)：294-296 .
[4]李品友，顾安忠.液化天然气船液货翻滚及其预防[J].上海海运学院学报，1999，20(2)：
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