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系列文章每天10分鐘學習LNG廠站安全系列上一篇介紹了LNG裝置事故泄漏后發(fā)生閃火、池火或是噴射火后熱輻射造成的燒傷及結(jié)構(gòu)損壞等事故危害，以下則簡要介紹一下LNG事故危害中封閉或是半封閉空間內(nèi)的蒸氣云爆炸（VCE）造成的沖擊及超壓；快速相變（RPT）所引起的蒸發(fā)氣超壓。

 （2）蒸氣云爆炸（VCE）

LNG裝置中的擁堵空間，如布置有管道、泵及其他工藝設(shè)備的受限空間中的蒸氣云、封閉或是半封閉空間內(nèi)的蒸氣云遇點燃會發(fā)生蒸氣云爆炸（VCE）。嚴格說來，VCE有兩種類型：即爆炸（detonation）及爆燃（deflagration）。其中爆炸危害性嚴重得多，其發(fā)生過程為超音速，其壓力波以激波形式發(fā)生（幾乎是瞬時的壓力升高），速度通常為1500m/s或是更高，反應波前鋒伴隨整個反應，燃燒盡整個蒸氣云。爆炸需要很強的點火源，且混合物組分一旦確定，則爆炸屬性即唯一確定，通常發(fā)生于高反應性物質(zhì)，如乙炔、氫氣及乙烯。甲烷及LNG混合物屬于中低反應性物質(zhì)，因而不會發(fā)生爆炸（detonation）。

爆燃的壓力脈沖在達到峰值前有一段時間的壓力升高，且以亞音速（通常低于250m/s）傳播，其壓力波領(lǐng)先于反應波一小段間隔。爆燃的情況更加復雜，因為火焰速度和超壓并不單獨由組分確定，而取決于使火焰加速的因素，如擁堵的程度、密閉程度及物料的反應活性。通常認為LNG蒸氣的爆燃只發(fā)生在當中火焰有條件被加速的區(qū)域，如模塊內(nèi)部或部分封閉的空間內(nèi)。

甲烷燃燒的整體方程式可以表示為以下：

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

上述反應的放熱量會造成顯著的溫度上升，因而亦導致體積增加（高達8倍）。一個簡化的近似為：即使沒有火焰加速的發(fā)生，對于完全封閉的空間，僅燃燒的反應熱也會產(chǎn)生8bar的壓力。描述爆燃的一個參數(shù)為動壓，其由燃燒產(chǎn)生的空氣運動形成，其量值與空氣速度的平方成正比，及與沖擊波后空氣的密度成正比。爆燃可以被相對弱的點火源引爆，其超壓也低于爆炸（detonation）產(chǎn)生的超壓，其主要后果為：輻射性超壓波、可產(chǎn)生相當大的火球、火焰產(chǎn)生的上升氣流及引發(fā)二次火災。LNG的VCE事故最為慘重的事故即克利夫蘭LNG事故，我們在本系列第（1）部分即做了介紹；此外，LNG項目的早期還發(fā)生過在接收站港口的VCE事故，即1976年在南美某港，一艘LNG船在泄漏操作中發(fā)生短路事故而引燃了LNG蒸氣云，之后發(fā)生了一系列的VCE事故損壞了5個天然氣儲罐，大火在港口的棧橋上肆虐超過3個小時后，當?shù)叵啦块T終于在降雨的協(xié)助下控制住了火勢。該事故造成超過50人受傷，且發(fā)生了LNG噴濺泄漏[1]。

（3）快速相變（RPT）

RPT爆炸為一物理爆炸，是由于液體忽然沸騰及相變而導致的，通常是LNG于水面泄漏且與水充分混合時發(fā)生。尚未有LNG的RPT爆炸造成人員傷亡的報道，但曾發(fā)生過設(shè)備損壞。RPT導致的超壓迄今未有很好的測量，目前的觀察顯示其超壓不足以導致人員受傷[2]。以下介紹2例海外LNG項目的RPT案例以供國內(nèi)同仁學習借鑒。

1987年8月，美國內(nèi)華達州的Mercury，在美國能源部（DOE）的測試現(xiàn)場的Falcon系列的5號試驗中進行了一系列強烈的快速相變（RPT）之后，LNG蒸氣云被點燃，火焰在高出地面20英尺處燃燒約30秒。事后GRI的獨立調(diào)查表明可能的點火源是發(fā)生在LNG管線表面與可燃的聚氨酯泡沫保冷材料之間的富氧環(huán)境下燃燒產(chǎn)生的火焰。該富氧環(huán)境是LNG進行測試之前的長時間的液氮冷卻形成的。無證據(jù)顯示RPT點燃了LNG蒸氣云，真正點燃附近處于燃燒極限內(nèi)蒸氣云的是在RPT作用力下飛出柵欄的一段燃燒的聚氨酯保冷材料。[3]另外一個RPT案例發(fā)生在1993年印度尼西亞Bontang的LNG出口裝置的E生產(chǎn)線，當時該條線正在進行管線整改，其中的一LNG產(chǎn)品線發(fā)生泄漏，造成LNG進入地下下水道系統(tǒng)并造成快速蒸發(fā)膨脹（RPT）而超壓，未發(fā)生點燃事故，但下水道系統(tǒng)和附近設(shè)備受損。[3]

比較來說，VCE的危害性要嚴重得多，而對此的防范并沒有捷徑，需要做好所有最基本的安全措施，如以下：

1）第一個基礎(chǔ)的工作是需要及時發(fā)現(xiàn)任何LNG泄露（需要提醒下由于會在低溫下凍結(jié)，因此不像常規(guī)的管道供氣，LNG的工藝過程會去除任何加臭劑組分，因此其泄露是無味的），因此廠站的設(shè)計上需要保證有足夠的可燃氣體泄露探測，且安裝位置合理設(shè)置），對待廠站的任何低溫LNG泄露需要嚴肅對待，因為即使是很細微的低溫泄露也可能會升級為嚴重的安全事故；

2）對于就地的低溫LNG安全卸放（如LNG儲罐）需要在第一時間查找超壓源并予以排除，對于較大規(guī)模的低溫就地卸放，需要采取措施保護周邊設(shè)備及防止卸放介質(zhì)被點燃；

3）設(shè)備或管線在低溫下失效也是導致低溫LNG泄露的主要事故源之一，此時第一反應應該是緊急切斷泄漏源，倘若失效導致了大規(guī)模LNG泄露，如LNG罐等失效，此時則是圍堰、收集池等圍護結(jié)構(gòu)發(fā)揮作用的時候，倘若你的廠站沒有此類設(shè)施，很簡單，投用裝置之前嚴格按照規(guī)范要求添加，對此需要克服任何僥幸心理；

4）在人員培訓方面需要有此類事故的應急預案，并時常演練，對應急措施需要牢記在心；

5）伴隨大規(guī)模LNG泄露的還有蒸氣云擴散的問題，如果發(fā)生，可以采取的措施為盡量降低LNG的接觸面積（可以在設(shè)計中考慮降低熱傳遞熱流，如光滑平整的表面可以降低傳熱面），同時可以在收集區(qū)采取措施增強絕熱。泡沫可以降低LNG的蒸發(fā)速率，而噴水將提高蒸發(fā)速率50%以上；

6）最后，再次強調(diào)一下爆炸（detonation）及爆燃（deflagration）的區(qū)別：當LNG蒸發(fā)氣在敞開空間被點燃時不會發(fā)生爆炸（火焰前鋒速度僅約3.5m/s左右，廠站人員奔跑速度可以超過該值），而在敞開的空間內(nèi)爆燃造成的壓力升高最大僅約0.3psi，不會造成結(jié)構(gòu)破壞或是人員受傷；但是倘若爆燃發(fā)生在受限空間，則火焰速度及壓力升高會大大被提升，到足夠的度則發(fā)生爆炸，即VCE。

所以，防范VCE需要將完備的廠站安全措施設(shè)計、人員防護及應急預案（培訓）做足，做到位，這些最基本的要求卻正是防范VCE等安全事故，通往LNG廠站安全的平凡之路。