（船舶与海洋工程专业论文）液化天然气海上运输装卸作业的安全性研究.pdf

中文摘要 摘要 液化天然气海上运输是一种高风险的行业，液化天然气的装卸作业是海上运 输起始和终止的关键环节，其安全性直接影响液化天然气海上运输事业的健康发 展，对于液化天然气的安全利用起着决定性作用。针对液化天然气装卸作业中存 在的安全影响因素，提出合理的危险应对措藏以及解决方案，指导装卸作业的安 全进行，具有重要的现实意义 液化天然气装卸作业中存在的危险性主要是由于液化天然气本身的低温、高 压、易燃易爆等潜在特性所致。本文对液化天然气装卸作业的安全性进行了深入 的分析和研究。利用安全评价中危险因素识别的方法，从装卸作业的关键环节、 船舶、装卸码头、人员、自然环境以及安全管理等多个因素分析了对装卸作业安 全性的影响。通过定量化分析惰化、预冷、装载三个关键环节所涉及到的惰气用 量、预冷时间以及充装极限等参数，给出计算公式，为保障安全操作提供了依据。 装卸作业是一个动态过程，通过研究装卸过程中船舶船体结构强度、稳性、浮性 的数学计算模型，为船舶装卸作业的合理配载、压载提供了理论依据，从而指导 装卸作业的安全进行。针对液化天然气装卸作业过程中可能发生的危险性以及装 卸作业的安全影响因素，提出了危险应对措施以及加强装卸作业安全管理的建议。 关键词：液化天然气；装卸；作业；安全管理 英文摘要 s t u d y o nt h es a f e t yo fs t e v e d o r i n go p e r a t i o no fs e a b o r n e l i q u e f i e dn a t u r a lg a s a b s t r a c t s e 如o m el i q u e f i e dn a t u r a lg a s ( l n o ) i sa ni n d u s t r yo fh i g hr i s k s t e v e d o r i n g o p e r a t i o no fl n gi s t h ek e yt a c h et h a tb e i n ga tt h eb e g n i n ga n dt h ee n do f t r a n s p o r t a t i o na t s e a i t s s a f e t yw h i c hh a v ea f f e c t e dt h eh e a l t h yd e v e l o p m e n to f t r a n s p o r t a t i o na ts e a a l s oh a sc r u c i a le f f e c tt ot h es a f eu s eo f l n g a i m e da tt h ee x i s t e d f a c t o r so fs a f e t yd u r i n gs t e v e d o r i n go p e r a t i o no fl n g ，i t si m p o r t a n tf o ru st og i v eo u t s o m e 娜g g e s t i o n sa n dm e a s u r c aw h i c hc a nh e l pu ss t e v e d o r i n gs a f e l y b e c a u s eo ft h el n g so w nc h a r a c t e r i s t i c ，s u c ha sl o wt e m p e r a t u r e ，h i g hp r e s s u r e , i n f l a m m a b i l i t ya n de x p l o s i b i l i t y ，t h e r ea r em a n yl f i d d o nd a n g e r sd u r i n gt h ep r o c e s so f s t e v e d o r i n g t h i s t h e s i ss t u d i e d d e e p l y o nt h e s a f c t y o fl n gs t e v e d o r i n g p r o c e s s a c c o r d i n g t ot h e w a yo fd i s t i n g u i s h i n gd a n g e r o u s f a c t o r si n s a f e t y a s s e s s m e n t , w ea n a l y z e dt h ef a c t o r st h a ta f f e c tt h es t e v e d o r i n go p e r a t i o nf r o mv a r i o u s a s p e c t s ，s u c h 髂t h ek e yt a c h e e so fs t e v e d o r i n g , t h es h i p s ，t h et e r m i n a l s ，p e o p l e , n a t u r a l e n c x r o n m e n ta n ds a f e t y m a n a g e m e n t ，t h r o u g h o fq u a n t i f i c a t i o n a l a n a l y z i n g 0 n i n e r 幽g ，c o o l i n ga n dl o a d i n g , w eh a v eg o t t e nf o r m u l at oc a l c u l a t et h eq u a n t i t yo fi n e r t g a st h a th a v eb e e nu s e d , t h et i m eo fc o o l i n gd o w na n dt h es a f el o a d i n gc a p a c i t y s t e v e d o r i n g i sav a r i a b l ep r o c e s s w ea l s os t u d i e dt h ee f f e c t i o no fs h i p s i n t e n s i t y ， s t a b n i t ya n db u o y a n c yi nm a t h e m a t i c a lm o d e l a n dt h u sw ec a nl o a da n db a l l a s t r a t i o n a l l y t h e s er e s u l t sw i l lo f f e ru st h e o r e l d cf o u n d a t i o nf o rt h es a f es t e v e d o r i n g o p e r a t i o n a tt h ee n do ft h i st h e s i s ，s o m em e a s u r e sa n ds u g g e s t i o nh a v eb e e ng i v e no u t t ot h es a f e t ym a n a g e m e n t k e yw o r d s ：l i q u e f i e dn a t 1 r a lg a s 皿n g ) ；s t e v e d o r i n go p e r a t i o n s a l t y ； s a f e t ym a n a g e m e n t 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原刨性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文：遗焦云丛鱼逛土运捡整鲤佳些笪塞全丝砑究：。除论文中 已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开 发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于：保密口 不保密口( 请在以上方框内打“”) 论文作者签名：导师签名： 日期：年月日 液化天然气海上运输装卸作业的安全性研究 第1 章引言 1 1 液化天然气海上运输链 天然气是洁净、高效、方便、安全的能源，近几十年得到快速发展。开发、 利用天然气己成为许多国家实施能源结构调整和可持续发展的重点战略。将天然 气从产地运往市场的方法有两种；1 用长距离输气管将天然气送往用户，但管道 长度在1 6 5 0 3 3 0 0 i ( m 范围内才有经济效益；2 将天然气在- 1 6 0 c 的低温下使其变 成液态天然气( l i q u e f i e dn a t u r a lg a s ，以下简称l n g ) ，体积缩小到约六百分之 一，用船将l n g 运往使用地区，为此，需在使用地区建设接收终端，将l n g 再度气 化使其重返气体状态，然后通过管道将气态的天然气送往用户，使天然气产地与 市场连接起来。由此形成，包括天然气预处理、液化、储存、运输、接收站、再 气化装置等环节的l n g t 业链。“1 由于目前已发现的天然气田和主要消费市场距离 遥远，这使得天然气的海上运输在近几十年来得到快速应用和发展，天然气的海 上运输已经成为世界各个国家天然气进出口的主要实现方式。从第一艘l n g 船舶 “甲烷先锋号”投入商业营运以来，世界各国都在大力发展自已的l n g 船队。到1 9 9 9 年底，世界上共有1 1 3 艘l n g 船；2 0 0 0 年底，船队总数增长到了1 2 7 艘，总容积为 1 3 ，5 6 0 ，0 4 9 m 3 。根据权威机构评估，增长的l n g 贸易需要建造l n g 新船，预计2 0 1 0 年l n g 船将达到1 4 8 2 4 7 艘。 液化天然气的海上运输包括液化站、海上运输和接收站( 再气化) ，3 个环节 密切相连、相互影响，相互协同建设、同步投产，称为液化天然气海上运输链。 天然气液化站是液化天然气的场所，通常包括液化站和l n g 装船码头。海上运输l n g 的第一阶段就是天然气的液化，气体从气田沿管线输送到附近的液化站，在这里 气体首先被净化，然后冷却到稍低于凝点的温度使其体积缩小到约六百分之 正是这种物理性质才能使得它有可能经济地运往遥远的地方。净化和冷却后的l n g 由管道通过l n g 装船码头装到专用l n g 运输船。l n g 运输船是l n g 海上运输的主要载 体，是实现天然气远距离运输的专用海上运输工具。l n g 海上运输链的最后一个环 节是l n g 接收站，在这里，f h l n g 船舶运输至的l n g 经过升温、再气化后，经输气管 道送至各用户终端。因此，接收站是接卸、储存和再输送天然气的场所，通常由 第1 章 瞎 一个专用接卸码头和后方站区组成嘲，如 i - 1 所示： 图1 - 1l s c , t t 收站示意图 f i g 1 1s k e t c hm a po f l n g m n n h , a l 接卸码头是为l n g 船舶提供锚泊、进出港，靠离泊和装卸作业的港口设施。码 头上设置有l n g 装卸臂，船舶上装载的l n g 利用船泵由装卸臂经管道输送至后方站 区的储罐储存。后方站区由工艺部分、公用工程部分及辅助部分组成。工艺部分 主要包括气化器、再冷凝器、加压泵、火炬和燃料系统等；公用工程部分主要包 括工艺海水、生产淡水、生活水、仪表压缩、污水处理、供配电等系统；辅助部 分主要包括行政办公、控制、仓储、消防和食堂等。 1 2 我国海上运输l n g 现状及前景展望 近十年来，我国天然气开发稳步发展，东南沿海各省都不同程度的加快了l n g 用于工业( 包括发电) 和民用的建设进程。2 0 0 3 年，我国天然气产量为3 4 0 亿3 。分 析认为，蛰j 2 0 2 0 年，我国天然气年产量将增加至u 1 2 0 0 亿m 3 ，但需求量将增加n 2 0 0 0 亿矗，缺口8 0 0 亿皿3 ，需由进i ：i l n g 来弥补，主要通过海运进口。海运进口l n g 量， 2 0 0 6 年将达至i j 3 2 0 万吨，2 0 1 0 年将达到1 9 0 0 万吨，2 0 1 5 年将达到3 3 0 0 万吨。对l n g 船舶的需求，2 0 1 0 年将达n 1 5 艘，2 0 1 5 年将达至e j 3 0 艘。广东l n g 项目委托上海沪东 液化天然气海上运输装卸作业的安全性研究 中华造船厂正在建造两艘l n g 船舶，每艘船造价2 亿美元，液货舱舱容1 4 7 2 万一， 船长2 9 2 m ，宽4 3 3 5 m ，设计航速1 9 5 k n ，均为薄膜型，是目前世界上最先进的l n g 船，单船一年能运输l n g1 4 2 万t 。两艘船将于2 0 0 7 年1 0 月和2 0 0 8 年初交付使用。 沪东中华也已获得福建l n g 总体项目i 艘l n g 船的建造任务，但离2 0 1 0 年1 5 艘船舶的 需求还有很大缺口啪。 l n g 接收站是海上运输相辅相成的组成部分，为了适应上述需求，我国初步规 划在2 0 1 0 年之前在国内沿海建设7 处l n g 接收站，l n g 建设已获得相当的进展：旧 作为国家l n g 试点项目的广东，在深圳大鹏湾平洲岛陆侧秤头角建设接收站， 一期工程设计规模为l n g 3 7 0 万t 年，其管网安排伸往香港，= 期输往澳门接收站 已开始旌工，港内建设可停靠1 4 5 万寸l n g 运输船的码头一座，2 0 0 6 年6 月建成投 产： 福建省的l n g 项目中，接收站和码头已选定在莆田秀屿，燃气电厂亦已选址。 接收站陆域形成正大规模施工中，一期工程规模为l n g 2 5 0 万t 年，建设可停靠 1 6 5 万m 3l n g 运输船的码头一座，计划2 0 0 7 年上半年建成投产； 山东省的l n g 项目，接受站已选定在胶州湾口外西侧的灵山卫，其项目建议书 正在审批中； 上海市的l n g 项目，接收站和码头已选定在洋山港东部中、西门堂岛附近，其 项目建议书亦在审批中； 浙江省的l n g 项目，接收站已选定在宁波北仑港东侧穿山半岛中宅； 其他沿海诸省、市的l n g 项目都在前期拟议中。 毫无疑问，如此巨大的迸e 3 l n g 市场，必将给造船业、航运业、港口业、建港 业带来无限商机，也对海上安全运输l n g 带来了挑战。 1 3 课题研究的背景 l n g 的海上运输为我们提供了长距离、大批量运输l n g 的手段。然而，由于l n g 的化学物理特性，l n g 海上运输链中任何环节的敌障都将影响整个链的正常运作， 最终给用户带来麻烦和损失。在整个l n g 海上运输作业( 包括装卸作业) 中具有以 下的潜在危险性： ( 1 ) 易燃易爆性； 第1 章引言 ( 2 ) 毒害性； ( 3 ) 化学反应性： ( 4 ) 腐蚀性； ( 5 ) 低温和压力危险性。 l n g 是高危险性的货物，若发生泄漏、碰撞、火灾、爆炸等事故，后果必然是 触目惊心的，造成污染及损失会相当严重。l n g 船与其它船舶相比，在防火、防爆、 防污染等方面更具有特殊性。现代l n g 正趋于大型化、巨型化，液货系统也趋于复 杂化、自动化和智能化，船员的液货装卸操作则趋于高强度化和知识化。然而由 此引起的事故也在明显地增加，液货装卸操作的失误可能导致危及船员和船舶安 全的海难事故，还会给附近船只、港口以及陆地设备等带来巨大的危害，对周围 环境造成无可估量的损失。 液货的装卸作业发生在l n g 海上运输链的第一站：l n g 装船码头和最后一站： 接收站。其装卸作业中的安全和风险问题对于l n g 的安全利用有决定性的影响。因 此，对l n g 装卸作业进行安全性研究尤为重要。不仅对于l n g 的安全利用有重大意 义，而且具有重要的经济和社会意义。本文将从基于液货装卸作业这个角度出发， 深入分析l n g 装卸作业中存在的安全性问题，针对l n g 装卸作业的危险性，提出行 之有效的避免危险的方法和建议。 1 4 课题研究的主要内容及意义 本文在广泛阅读现有文献的基础上，分析了l n g 装卸系统、液货装卸流程以 及在装卸过程中由于l n g 所具有的潜在危险特性可能产生的危害，进而深入分析 l n g 装卸作业中影响安全的相关因素。其中包括：装卸关键环节的操作因素、船舶 因素、装卸码头因素、人为因素、自然环境因素以及安全管理因素。通过分析研 究惰化、预冷、装载三个关键环节中惰气用量、预冷时间以及充装极限等主要参 数的计算方法，对l n g 装卸作业的安全进行提供了指导。另外，随着装卸作业的 不断进行，船舶船体结构强度、浮性、稳性等都受到影响，进而也成为影响装卸 安全的重要因素，通过建立的船体结构强度、浮性、稳性数学模型分析，为装卸 作业的合理配载以及压载提供了理论依据。最后，针对存在的装卸作业安全影响 因素，提出了在海上运输l n g 装卸作业中风险预防对策与措施。 液化天然气海上运输装卸作业的安全性研究 由于本文已经在定程度上辨识出l n g 装卸作业中的安全影响因素，因而， 可以以此作为基础，深入进行研究，展开对海上运输l n g 装卸作业的安全评价， 利用安全评价的结果作出决策，避免装卸作业中安全事故的发生，为安全管理提 供合理的建议，同时提高安全管理水平，促进l n g 海上运输事业向着健康的方向 发展。 第2 章l n g 及l n g 运输船简介 第2 章l n g 及l n g 运输船简介 2 1l n g 简介 天然气是从地底油气田开采获得的炭氢化合物和非炭氢化合物的混合气体。 其中从油田开采中获得的天然气叫伴生天然气，从单独气田开采中获得的叫非伴 生天然气。非伴生天然气比较纯净，热值较高。从气田中生产是获得天然气的主 要途径。 不同的气田生产的天然气成分不同。一般而言，甲烷占主要成分，占体积的 7 0 9 5 ( 有的甚至高达9 9 ) ，另外含有少量的乙烷、丙烷、丁烷和统称为 天然气液的重质烃，少量非烃物如水、二氧化碳、氮、硫化氢以及其它非烃杂志。 不同的产地l n g 主要成分见下表2 - - i 所示嘲： 表2 - - 1 不同产地的l n g 主要成分 t a b2 - 1m a i nc o m p o n e n t so f l n gi nd i f f e r e n tp r o d u c i n ga r e a 文莱( l u 删t )印尼( b a d a l c )印尼( a r u n )阿布达比( d a s 岛)阿拉斯加( k e n a i ) 甲烷8 9 88 9 9 8 7 08 2 1 9 9 8 乙烷 5 95 48 41 5 90 1 丙烷 2 93 23 71 9 丁烷 1 31 40 90 1 l n g 是将天然气在常压下冷却到- 1 6 0 c 的低温液化制成的，其液态体积约为气 态时的六百分之一，大气压下比重大约为0 4 5 ，主要成分是甲烷它本身是一种无 毒可燃气体，它的主要物性和特性如表2 - - 2 所示嘲。 表2 2 甲烷主要物性 t a b2 1c h a r a c t e ro f t h em e t h a n e 分子量 1 6 0 4 3 正常沸点 1 1 1 8 k 三相点温度 9 0 6 k 汽化潜热1 2 1 7 5 k c a l k g 临界点温度 1 9 0 7 k 临界压力4 5 6 m p a 临界密度 t 6 2 k g 3 液体密度4 2 8 k g m 纯净的l n g 是无色、无味、无毒和透明的液体，l n g 比水轻，不溶于水。l n g 蒸气在温度高于一1 1 0 c 时，比空气轻，货物漏泄时蒸气往上升，易于扩散，因此 液化天然气海上运输装卸作业的安全性研究 发生爆炸的危险性相对液化石油气较轻。 l n 6 化学性质稳定，不活泼。与空气、水及其它液化气货品在化学上相容，不 会起反应( 与氯可能有危险反应) 结构材料方面，由于l n g 是非腐蚀性货品，所以只要求能耐低温的金属材料， 如不锈钢、铝、铜、含9 或3 6 全镍的合金钢等。 l n g 液体会使眼睛和皮肤严重冻伤，其高浓度的蒸气会使人晕眩但没有持久的 影响。另外高浓度的蒸气也可能造成空间缺氧而使人窒息。 由于l n g 的临界温度远远低于环境温度，所以只能采取全冷冻的方式运输或 储存，即在常压沸点温度下运输。 由于l n g 属于混合物，货品的成分不同会影响它的理化性质，运输时需要向 货主索取有关数据和建议。以下是典型的商业l n g 的部分数据； ( 1 ) l n g 的沸点在标准大气压条件下约为一1 5 7 到一1 6 3 ，而纯甲烷的沸 点为一1 6 1 5 c 。 ( 2 ) l n g 在大气沸点温度下的密度：4 7 0 - - 5 3 0 k g m 3 ，甲烷在大气压沸点下的 密度为4 2 7 k g m 。 ( 3 ) l n g 蒸气的相对密度为0 5 8 一o 6 7 ，纯甲烷蒸气的相对密度为0 5 5 。当 温度降低时，蒸气的相对密度增大。当温度低于一1 1 3 时，甲烷蒸气比空气重： 当温度高于- - 1 1 0 时，甲烷蒸气比空气轻。 ( 4 ) 爆炸极限：纯甲烷是5 3 一1 4 。 ( 5 ) 自然温度：纯甲烷是5 9 5 ( 2 ，闪点：纯甲烷一】7 5 。 ( 6 ) 体积膨胀系数：纯甲烷为0 0 0 2 6 l ( 在温度为一1 6 5 时) 2 2l n g 运输船 2 2 1l n g 运输船分类 l n g 运输船，是指载运l n g 的专用船舶。这类船舶目前的标准载货量在1 2 1 5 万 立方米之间。一些国家己经能设计1 6 万立方米、2 0 万立方米、甚至3 0 万立方米的 l n g 船舶a 但是由于受到港口码头和接收站条件的限制，l n g 船舱容量可能会稳定在 1 0 多万立方米的水平。 第2 章l n g 及l n g 运输船简介 该类船舶的设计，考虑的主要因素是能适应低温介质的材料，和对易挥发、易 燃物质的处理。l n g 船舶是高技术、高附加值的船种之一，它的使用寿命一般为3 5 4 0 年。这种船舶依液货舱结构的不同，主要分为3 种m 。 1 m o s s 型船舶( 独立球型液货舱) 此型船舶由挪威首创，1 9 7 3 年首次推出，其后依次为美国、德国、日本和芬兰所采 用。日本航行的液化天然气船大部分都是此种类型。球罐采用铝合金或9 镍钢制成，板 厚按不同部位在3 0 1 6 9 哪之间；隔热采用3 0 0 皿n 的多层聚苯乙烯板，如图2 - 1 所示。 压载舱 图2 1 独立球型液货舱示意图 f i g2 - is k e t c hm a po f m o s st a n k 该类型液货舱完全由自身支持，并不够成船体的一部分，也不分担船体强度。 船体和液货舱的结构是分别独立的，独立舱设置在船体的中央区，这样液货舱的 热膨胀变形不会直接影响船体。液货舱的载重全部由舱的支撑结构承受，不需要 完整的第二道保护，但是需要装一个油滴盘，防止任何与货舱顶接触的小的泄漏卿。 m o s s 型船舶的优点是m ： ( 1 ) 结构简单，应力分析容易； ( 2 ) 铝合金结构牢固，只要不发生直接碰撞，不会损伤： ( 3 ) 安装也简单，内部没有扶强材，能单独建造并缩短旌工周期，检查质量容 易，安全性好； 液化天然气海上运输装卸作业的安全性研究 ( 4 ) 液面晃动效应少，不受装载限制初期投资较少。 缺点是： ( 1 ) 船舶有较大的尺寸，甲板有大开口，甲板结构不连续，应力集中点多； ( 2 ) 液货重心高； ( 3 ) 操纵困难，特别是在甲板上部受风面积大，在大船上，尽管尾楼比油船要 高出好几层，但驾驶台视线仍不理想。 2 m e m b r a n e 型船舶( 薄膜型液货舱) 薄膜液货舱不是靠自身支持的，它由邻接的船体结构通过绝热层支持的一层 薄膜组成。薄膜起到保证液舱密性、热伸缩性作用，而液货舱的强度则要由隔热 绝缘层和船体结构来保证。 m e m b r a n e 型技术，首先由法国开发，分为薄膜g t ( g a zt r a n s p o r t ) 型和薄膜 t g ( t e c h n i g a z ) 型两种。但随着g a st r a n s p o r t 公司和t e c h n i g a z 公司于1 9 9 4 年合并 为g a z tr a n s p o r t & t e c h n i g a z ( 简称g t t ) ，液舱形式被统称为g t f 薄膜型，分别用 m a r k 和n o 标示其区别。 目前，薄膜型l n g 船的液货舱，按其采用绝热材料和施工方式的不同，分为g t t n 0 9 6 型和m a r k 型等两种。 为了确保船舶材质在- 1 6 2 5 的低温下不会脆裂，此种液化天然气船的槽边 均由铝或不锈钢制成。为防止液化天然气蒸发产生高压，槽体设置隔热层，使外界 热量不能进入槽内，如图2 - 2 。 图2 - 2 薄膜型液货舱示意图 f 塘2 - 1s k e t c hm a po f m e m b r a n et a n k 第2 章l n g 及l n g 运输船简介 m e m b r a n e 型船舶的主要优点是叫： ( 1 ) 由于内壁用薄膜做成，薄膜内壁比传统的舱壁要薄的多，消耗的镍钢材料 少( 这里用镍铜并非防腐蚀，而是防止低温脆裂) ，减轻液舱的结构重量； ( 2 ) 预冷的时间缩短； ( 3 ) 驾驶台祝角广； ( 4 ) 船型瘦削，受风面积小，推进效率较高。 缺点是： ( 1 ) 结构复杂： ( 2 ) 对管理要求较高； ( 3 ) 舾装周期较长； 全部液舱的薄膜和绝热装置都要进行全面试验，包括在低温条件下周期性载 荷的疲劳试验。 3 s p b 型船舶( 自立方型液货舱) s p b 型l n g 船，液舱与船内壁留有较大空间，液舱中部设有防止液体流动的隔 壁，是日本石川岛播磨重工独立开发的技术。因为可用于2 0 万立方米的大型l n g 船 自自，备受关注。 s p b 型船舶的优点是帆： ( 1 ) 液舱与船内壁留有较大空间，便于检查液舱外部，维修容易，也易于安装； ( 2 ) 液舱中部设有防止液体流动的隔壁，不存在晃动问题，船舶也比较好操 纵： ( 3 ) 设计时，其安全性由准确的有限元分析及实验确认，是它的最大优点。 目前，全球营运中的大约1 4 0 艘l n g 船舶，主要是m e m b r a n e ( 薄膜型货舱) 和 m o s s 型( 球形货舱) 等两种。其中，m o s s 型船舶，由于在早期的l n g 海运中占有较大优 势，而且具有货物装载限制较少等使用操作上的优点，目前处于优势地位，总数居 第一位，占副一半以上。根据美国船级枉统计，至2 0 0 2 年，世界现有l n g 船队中m o s s 型为7 0 艘占船队的5 3 ，薄膜型( g t 9 6 ) 3 9 艘占船队的2 9 ，其他类型占1 8 。但是，目前，薄膜型船舶正在成为l n g 船舶发展的主要方向，新的l n g 船舶订 单，薄膜型占据了三分之二强，从总体上看，薄膜型l n g 船舶，在船型性能方面优于 液化天然气海上运输装卸作业的安全性研究 m o s s 型，形成这种趋势的主要原因圆： ( 1 ) 薄膜型船舶的建造技术日趋成熟，货物维持系统的可靠性得到进一步提 高； ( 2 ) 以韩国为主建造的薄膜型船舶的价格比球型船舶更具有竞争力； ( 3 ) 船舶的大型化使薄膜型船舶更容易增大船舶主尺度和船舶操作灵活性。 但是薄膜型船舶的建造周期长。 2 2 2l n g 液货装卸系统 l n g 船液货装卸系统由卸货泵、管道、压缩机、加热器、控制系统以及各种阀 门构成，这些设备均应满足相应的规范要求脚。 1 卸货泵 l n g 船的全部卸货泵一般采用深井泵和浸没式泵。一般将深井泵装于液货舱底 都，由液货舱舱外的电动机来驱动。根据英国劳氏船级社( l r ) 以及国际海事组织 ( i m o ) 规则的要求，每个液货舱必须配备两台完全一致的深井泵作为卸货泵。浸没 式泵的流量为深井泵的1 4 0 1 8 0 ，其作用是当液货舱需要修理时，为减少复温时 间再抽掉一部分液货。 2 管道 ( 1 ) 结构 低温液体的输送管道一般使用绝热管绝热。绝热管的绝热方式从原理上分四 大类，即真空绝热、真空粉末绝热、多层绝热以及堆积绝热。在l n g 船舶液货管道 上，大多数采用最简单方便、价廉的堆积绝热方法，绝热材料一般使用聚苯乙烯橡 胶或聚氨基甲酸乙脂泡沫。 ( 2 ) 要求 根据石油公司国际海事论坛( 0 c i 肝) 规范要求，l n g 船液货装卸系统f h 两条跨 接输液管和一条货物回气管组成，以便与岸上输液系统相一致。 3 阀门 ( 1 ) 截止阀：装于液货舱引出液货及货物蒸汽管路上，这类阀门采用手动和远 距离气动操作。 ( 2 ) 液货舱安全阀：当液货舱舱内压力达到设计压力1 2 倍时，此阀自动开启卸 第2 章l n g 及i , n g 运输船简介 压。 ( 3 ) 紧急切断阀：在液货舱出口管至岸上液货总管上必须装设该阀，它同时具 备气控和液压控制紧急关闭功能。通常要求在3 0 s 内完全关闭，同时使输液设备全 部停止工作。 4 蒸发气压缩机 l n g 船上有两种压缩机，一种是低容量压缩机，用于航行时将蒸发气供给锅炉 作燃料，或将蒸发气排至再液化装置再液化，一般要求配备两台；另一种是高容量 压缩机，用于卸货时将蒸发气排至回气管，到岸上再液化。 5 空气加热器 航行时，当蒸发气用作燃料时，需将低容量压缩机排出的气体用空气加热器加 热至常温。 6 控制系统 用惰性气源远距离控制各种阀门操作，液位控制输液流量以及关闭所有设备。 图2 3 表示了实际液位信号控制装载时液位与装载速率之间的关系。 2 3l n g 装卸流程 2 ，3 1 装货前的准备 1 惰化 图2 - 3 液位与装载速率 f 培2 - 3v e k 姆w i _ md i f f e r e n tl i q u i dl e v e l 液化天然气海上运输装卸作业的安全性研究 对液货舱和工作管路惰化主要是为了保证随后充入装载货物的蒸汽驱气时舱 内不可能形成可燃气体。l n g 船一般使用船上设置的惰性气体发生器能迅速而准确 地完成此项工作。甲烷的爆炸浓度为5 3 1 4 。按照标准，惰化后要求舱内氧 气含量为零。通常只要用惰性气体置换掉7 5 的空气，因为此时氧气浓度将低于7 ， 不足以支持燃烧。 由于蒸汽比空气重，应从下部充入货舱，惰性气体和惰性气体与蒸汽的混合物 则从顶部排出。有时可由岸上供应蒸汽或液货蒸发产生蒸汽，排出的蒸汽和惰性气 体混合物可排到岸上烧掉。若岸上没有这种设备，可将混合物导入其他适当的货 舱。在缓冲货舱内，由于惰性气体较轻，静置后就会覆盖在蒸汽的上面。纯的惰性 气体可以从缓冲舱的顶部放出。有些码头不允许将混合气排入大气中，在这种情况 下，船舶只能在海上进行充气，然后再返回装货港。 2 干燥“” 惰化后，必须完全排除液货舱和管路中的水和水蒸汽，否则整个系统可能引 起结冰和产生水合物。l n g 船一般采用冷冻干燥法，即将低温l n g 气体由液货舱上 方引入，由于甲烷较空气轻而不会沉于底部，在舱项形成一层云雾，当更多的l n g 蒸汽进入后，气体甲烷层的厚度逐渐增加，从而可以由上而下的把舱内的水蒸汽 排除，达到干燥的目的。 3 预冷 在大量的l n g 充装之前，必须对液货舱和管路进行预冷，以降低他们的温度， 避免在装货时产生巨大的热应力而使舱壁破裂，冷却速度应控制在每小时5 c 左 右。在预冷时，当少量l n g 喷入液货舱撞击舱壁后，部分l n g 被气化而冷却舱壁。 将被气化了的l n g 排放至大气，或用泵回收打入岸上的液化装置。预冷工作需要 待舱壁内衬和绝热层的温度接近一1 6 2 c 时才算完成。一般当货舱底部出现冷凝液 时，说明已达到装货温度，可以开始装货。 4 装货 在l n g 充装液货舱时，因蒸发而长生的l n g 气体处于舱顶。为了顺利充装l n g ， 必须排出这些气体，且排出的速率必须保证舱内形成的压力低于液货舱安全阀的 释放压力。在装载最后阶段，当高位警告已达9 5 容积时，就要减低装载速度。在卸 第2 章l n g 及l n g 运输船简介 去装货软管前，还要将软管和甲板管线中的液货扫入货舱，因此装满最后一个舱时 应留有余地，通常仅装至货舱容积的9 8 。如果过载时，过载警报将在达到9 8 。5 时 发出警告，并且由一个过载开关自动关闭主液货管的阀门。关闭的时间约需1 5 s ， 以免引起压力波动。 在实际操作时，l n g 船都留有少量的l n g 在货舱内，这样可以省去装货前的惰 化、干燥和预冷步骤。但在这种情况下，有两点值得考虑： ( 1 ) 新装的l n g 和舱内原有的l n g 在温度上可能有差异： ( 2 ) 新装入的l n g 在成分上和原有的可能不同。温度上的差异可以通过对流 而达到平衡，而成分上的不同则会产生物理上的混合作用而释放热量。因而对此 问题应该引起重视。 2 3 2 卸货前的准备 1 输送管路的惰化 卸货开始前，必须接上两条管路：一条是将l n g 从船舱送到岸上，另一条是 将l n g 气体送回舱顶，以维持舱内的压力平衡和一定的蒸发率。当这两条管路连 接好以后，操作人员应该对它们先进行惰化，以确保安全。 2 管路的预冷 在正式卸货前，应该先打入少量的l n g 以预冷管路。同样预冷过程中会有部 分l n g 气化，这些气体可由管路系统回收。 3 卸货 当管路预冷后，且l n g 气体也从岸上输回舱顶时，即开始正式卸货。如果码 头无法提供l n g 气体，可以借助船上设备来气化l n g ，再将其打入舱顶。 为避免货泵空转，l n g 船一般装有自动液面高度测量装置。该装置可以与货泵 动力系统连接，当液面达到预定高度时则发出信号停泵。 2 3 3 驱气作业 驱气作业分3 个步骤，即蒸发残留在货舱内的液体，加热货舱，惰化以及用空气 置换。 卸货后，残留在货舱内的液体用蒸汽加热的方法迸行蒸发。蒸汽加热盘管位于 货舱底部，且埋没在液货之中。开动压缩机抽出货舱顶部的货物蒸汽，压缩后通入 液化天然气海上运输装卸作业的安全性研究 加热盘管。蒸汽在盘管内受到外界液体的冷却而凝结成液体；同时，放出的蒸发潜 热使周围的液体加热而蒸发。加热盘管内的冷凝液通过冷凝液管输送到岸上或送 入甲板储液柜。 舱内液体全部蒸发后，停止蒸汽加热系统。然后，用压缩机将蒸汽从顶部抽出， 经气体加热器加热，再从货舱底部排入。加热一直进行到货舱温度达到环境温度为 止。 货舱加热后，从顶部通入惰性气体，蒸汽则从底部吹洗管或液货管排出。货舱 惰化后，可用空气进行置换，直到舱内空气含氧量为2 1 $ 。 2 3 。4 装卸实例 1 装载作业嗍 船舶靠岸后，首先搭接地线，然后连接船岸的装载联接管和排气管。装载联接 管中的空气需用惰性气体置换。对货舱充气后，可慢慢地使货舱降温。先用丁烷循 环可使货舱温度降至o c 左右，再用丙烷循环，可降至一4 2 c 。当达到货物温度时， 可开始慢慢地装货。压力稳定后，可进行正常装货，逐步提高装货速度。l 临近满载 时，又要降低速度，以免发生超载。各个货舱都一一达到预定的装载线时，通知岸上 关闭阀门，然后用惰性气体将联接管中的液体扫入货舱，关闭船上的阀门，卸下装 载联接软管、蒸汽返回管和接地线。至此，装载作业结束。 2 卸载作业 抵达卸货港前，甲板上的液体管线必须逐渐预冷。抵达卸货港后，连接好卸货 联接管，并由船岸双方共同检查货物的压力、温度和液面高度。 一切准备工作就绪后，将第一个卸货舱的阀门打开i 4 ，启动卸货泵，可利用调 节阀门维持所需的背压。通常的经验是稍微打开一点装载阀，使货物循环一下，当 主液货管上的卸货阀一经打开后，立即将其关闭，检查各处管线确保无泄漏现象。 开始卸货时，应维持一定的速度，使得通往储罐的管线能适当地冷却下来。正常后， 就可提高卸货速度，但不能超过艰定的速度。一旦卸货开始，就要按次序逐舱进行。 卸货时应同时进行压载作业，任何时候船舶均应保持处于无横倾状态和维持正常 的吃水差。 在卸货时可能在货舱内造成部分的真空，对货舱结构，尤其是膜式货舱，会造 第2 章l n g 及l n g 运输船简介 成损害。因此，通常应维持在货舱内至少有2 0 t u b a 的正压。可以由岸上蒸汽返回管 提供充足的蒸汽，也可用船上的蒸发器来维持压力。 卸货将近结束时，由于压力降低和液面下降，卸货泵可能因充气而降低效率。 解决的办法是降低泵送速度，必要时可用蒸发器恢复舱内压力。当液体低于某一位 置时，低位警报器就会动作。在货舱内应保留小部分的液体，以便在驶往装载港的 压载航行中进行冷却和充气。 卸货完成后，液管和软管中的货物应扫入货舱中，然后才能卸脱软管，关闭主 液货管阀门。最后再一次测量温度、压力和液面，以便进行计算卸货量和保留在船 上的余量。 液化天然气海上运输装卸作业的安全性研究 第3 章l n g 装卸作业的危险性 3 1l n g 自身潜在危险性 3 1 1 火灾爆炸危险性 天然气，不论气态还是液态，均属于高度易燃易爆物质。天然气在空气中浓度 在5 1 5 时，遇明火可发生爆燃。l n g 闪点极低( 按甲烷考虑) ，闪点一1 7 5 ， 沸点是一1 6 0 。c ，易蒸发，爆炸下限为3 6 6 5 ，上限为3 1 7 。其引燃所需的 点火能量也极低，通常小于l m j j 相当于一根大头针从一米高处落到水泥地上所产 生的能量，而且i , n g 在燃烧时很可能会伴随着爆炸的发生当气态的烃化物与有氧 气体按一定比列混合形成爆炸性气体后，遇有明火就有可能发生爆炸，且易形成 蒸云爆炸。l n g 爆炸极限的上限还会随着压力的升高有明显的提高，使爆炸范围增 大，并且会产生“爆轰”现象。 l n g 火灾特点是： ( 1 ) 火焰传播速度较快； ( 2 ) 质量燃烧速率大，约为汽油的2 倍； ( 3 ) 火焰温度高、辐射热强，易形成大面积火灾； ( 4 ) 具有复燃、复爆性，难于扑灭。 天然气的密度比空气小，人们通常认为l n g 泄漏后可气化并向空气飘散，较为 安全，但事实并非如此。l n g - - 旦从储罐、管道或其他设备泄漏出来，会迅速蒸发， 其气体密度大于空气的密度，在地面形成一个流动层，当温度上升至一1 1 0 以上 时，天然气蒸气与空气的混合物形成了密度小于空气的“云团”。同时，由于l n g 泄漏时的温度很低，其周围大气中的水蒸汽被冷凝成“雾团”，然后，l n g 再进一 步与空气混合直至完全气化，形成可燃性气云。可燃性气云若遇到点火源，将引发 闪火或蒸气云爆炸等事故。如果泄露的l n g 数量较大，未立即蒸发的部分在地面上 形成液流，若无围护设施，就会沿地面扩散，遇到点火源便可引发池火灾。 因此若发生i , n g 火灾爆炸事故，对港口及其它设备将造成巨大的破坏，后果 不堪设想。 - 1 7 - 第3 章l n g 装卸作业的危险性 3 1 2 低温危险性 低温是l n g 主要的危险性，表现在以下两个方面； ( 1 ) 低温对人体的危险性 l n g 是低温的液化气体，当其与人体直接接触时，会大量地从皮肤上吸收显热， 并在其气化的过程中吸收潜热，因此裸露在外的皮肤会被冻伤。冻伤的程度由皮 肤的接触时间、接触面积以及人体体温散失率决定。如果皮肤与l n g 接触时间过 长，就会造成永久性的伤害，甚至可能危及生命。 ( 2 ) 低温对船体的危险性 l n g 对船体的危害主要来自于其低温，超低温的液货和普通的船体接触“”， 由于局部冷却产生过度的热应力会使船体产生自发性的脆裂，失去延展性。从而 危及整个船体的结构。 3 1 3 压力危险性 液化气受热膨胀系数很大，l n g 体积约为同量气态天然气体积的1 6 2 5 ，l n g 的 重量仅为同体积水的5 0 9 6 左右，密度约0 4 7 o 5 3 t m 3 。l n g 在常温下极易气化，不 可避免地导致液货舱内的压力和温度升高。由于l n g 存储设备及管道也因l n g 的低 温而极易吸热，随着温度升高，l n g 的蒸气压迅速增大。l n g 船在装卸作业中时，液 态的天然气处于沸腾状态，液体上方是蒸气并有相应的饱和蒸气压力。为防止空 气漏入，货物系统内都是正压。外界热量会不可避免地渗入，外界传入的能量能 引起l n g 的蒸发，使货舱温度升高，液体蒸发量增大，舱内的蒸气压力增加，l n g 贮存必须维持一个极低的日蒸发率，否则，蒸发蒸气( b o i lo f fg a s ，简称b o g ) 的过度增加将使贮存温度和压力上升过快，而过高的压力会对液货舱的结构造成 损伤，直至贮存罐破裂“”。 因此l n g 船液货舱、蒸发器及管路等设备应有足够的强度，同时应具备相应的 泄压措施，以防止温度升高时容器胀裂导致l n g 泄漏。液货舱必须有效地隔热，低 温内壁由双层外壳直撑，内壁由两层材料相同的膜和两个独立的绝热层组成，之 间用珍珠岩绝热材料填充，内壁材料为不胀钢( 3 6 n i 合金钢) 。国际海事组织( i m o ) 在国际散装运输液化气体船舶构造和设备规则( 下称i g c 规则) 第1 6 章规 定l n g 船可用液货作燃料。l