船舶载运LNG罐箱技术研究硕士论文.pdf

分类号 udc 密级 单位代码 垒 主 船舶载运l n g 罐箱技术研究 吴恒涛 指导教师王建平 职称 学位授予单位 大连海事大学 教授 申请学位级别 工学硕士学科 专业 航海科学与技术 论文完成日期2 0 1 3 年6 月答辩日期2 0 1 3 年6 月 答辩委员会主席列 受 r e s e a r c ho n o p e r a t i o n so fl n g t a n kc o n t a i n e r sc a r r i e db ys e a at h e s i ss u b m i t t e dt o d a l i a nm a r i t i m eu n i v e r s i t y i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g b y w u h e n g t a o n a v i g a t i o ns c i e n c ea n dt e c h n o l o g y t h e s i ss u p e r v i s o r p r o f e s s o r w a n gj i a n p i n g j u n e 2 01 3 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 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 撰写成博 硕士学位论文竺殷舶夔重型鱼焦箍蕉莶班究 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 学位论文作者签名 墨 豆吩 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有关保留 使用研究生学 位论文的规定 即 大连海事大学有权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 同意将本学位论文收录到 中国优秀博硕士 学位论文全文数据库 中国学术期刊 光盘版 电子杂志社 中国学位论 文全文数据库 中国科学技术信息研究所 等数据库中 并以电子出版物形式 出版发行和提供信息服务 保密的论文在解密后遵守此规定 本学位论文属于 保密口在年解密后适用本授权书 不保密d 请在以上方框内打 敝作者签名为宴j 导师签名 日期 2 0 1 3 年 中文摘要 摘要 2 0 1 0 年 中国超过美国成为世界上最大的能源消费国 然而 在我国的一次 能源消费结构中 煤炭和石油是主体 约占8 8 天然气只占约4 o 远远低于 2 3 8 的世界平均水平 因此 提高天然气在我国一次能源消耗中所占的比重 对 于优化能源消费结构 保护生态环境 具有重要的经济效益和社会效益 我国每年天然气的产量相对有限且主要产 销区分布严重失衡 为了满足国 民经济发展的需要 必然需要从国外进口大量的天然气 天然气除了可通过陆上 管道从国外进口外 主要依靠l n g 专用船进口 但是 使用l n g 专用船运输需 要建造与之配套的专门码头与接气站 投资巨大 建设周期长 正是在这一背景 下 l n g 罐式集装箱 简称l n g 罐箱 运输模式解决了这一难题 对比传统的 l n g 专用船 罐箱运输模式具有投资少 机动性好 装卸效率高等优点 弥补了 l n g 专用船的不足 目前 我国在l n g 罐箱海上运输方面的试验与研究方面刚刚 起步 急需对此进行深入 系统性研究 为了阐明l n g 罐箱在海上运输的安全性 发挥罐箱运输模式在航海运输中的 优势 本文研究了罐箱从装载 海上运输一直到港口卸载的整个过程 介绍了罐 箱的基本构架及其主要参数 对于罐箱设计 建造 检验和试验涉及到的国际公 约 国内外法规 规章等进行了说明 针对罐箱在船舶舱面上的装载问题 提出 了积载 隔离的基本原则与方案 分析了罐箱在海上运输中影响维持时间的因素 并引入了标准维持时间的计算方法 结合风险模型 进行l n g 罐箱港口运输定量 风险评价 通过以上研究 为l n g 罐箱的海上安全运输提供了参考和借鉴 也为 进一步研究l n g 罐箱的多式联运打下了基础 关键词 l n g 罐式集装箱 泄漏危险 维持时间 英文摘要 a b s t r a c t i n2 0 1 0 c h i n as u r p a s s e dt h eu s a st h ew o r l d sl a r g e s te n e r g yc o n s u m e r u n t i l n o w h o w e v e r c o a la n do i li st h em a i nb o a yi no u rc o u n t r y sp r i m a r ye n e r g y c o n s u m p t i o ns t r u c t u r e n a t u r a lg a sa c c o u n t sf o ro n l ya b o u t4 0 f a rb e l o wt h e2 3 8 o ft h ew o r l d sa v e r a g el e v e l t h e r e f o r e i n c r e a s i n gt h es h a r eo fn a t u r a lg a si ne n e r g y c o n s u m p t i o nw i l lp r o d u c et r e m e n d o u sb e n e f i t sf o r0 1 2 1 c o u n t r yn o to n l yi ne c o n o m i cb u t a l s o s o c i e t y d u et ol i m i t e dd o m e s t i co u t p u ta n du n b a l a n c e dd i s t r i b u t i o no fn a t u r a lg a si nm a i n p r o d u c t i v er e g i o n sa n dm a i ns a l er e g i o n s i ti sb o u n dt on e e dt oi m p o r tl a r g ea m o u n t so f n a t u r a lg a sf r o ma b r o a d l n gc a r r i e r s a r et h em a i nt o o lf o ri m p o r t i n gn a t u r a lg a s b e s i d e s p i p e l i n ei m p o r t a t i o n b u tt h el n gt e r m i n a la n ds p e c i a lw h a r f m u s tb e c o n s t r u c t e dt om e e tl n gc a r r i e r s i tw i l lc o s tal o to f t i m ea n de n o r m o u s i n v e s t m e n t t h el n gt a n kc o n t a i n e rt r a n s p o r t a t i o nm o d es o l v e dt h i sd i f f i c u l tp r o b l e m w i t hl e s s e ri n v e s t m e n t h i g he f f i c i e n c ya n dg o o dm o b i l i t y a tp r e s e n t l n gt a n k c o n t a i n e rm a r i n et r a n s p o r t a t i o nh a sm a d ep r e l i m i n a r yp r o g r e s si no u rc o u n t r y a n di ti s e s s e n t i a lt ob es p e c i a l i z e d j i mm o r ed e e p e ra n d s y s t e m a t i cr e s e a r c h i no r d e rt oc l a r i f yt h es a f e t yo fl n gt a n kc o n t a i n e rt r a n s p o r t a t i o no nt h es e a t h i s t h e s i ss t u d i e dt h ew h o l et r a n s p o r t a t i o np r o c e s so nl n gt a n kc o n t a i n e r s i n t r o d u c e dt h e b a s i cs t r u c t u r ea n di t ss t a n d a r d sr e f e r r i n gt oi n t e r n a t i o n a lc o n v e n t i o n s d o m e s t i ca n d i n t e r n a t i o n a l l a w s r e g u l a t i o n s e t c a n a l y z e df a c t o r si n f l u e n c i n gt h eh o l d i n g t i m e c o m b i n i n g 谢t 1 1t h er i s km o d e l c a r r i e do u tq u a n t i t a t i v er i s ka s s e s s m e n tf o rl n g t a n kc o n t a i n e rp o r tt r a n s p o r t a t i o n t h r o u g ht h ea b o v e r e s e a r c h i tp r o v i d e dar e f e r e n c e a n de x p e r i e n c e f o rl n gt a n kc o n t a i n e rm a r i n et r a n s p o r t a t i o n a l s ol a i dt h ef o u n d a t i o n f o rt h em u l t i m o d a lt r a n s p o r t a t i o n o fl n gt a n kc o n t a i n e r k e yw o r d s l n g t a n kc o n t a i n e r s p h a z a r d s h o l d i n gt i m e 目录 目录 第1 章绪论 1 1 1 液化天然气运输中的基本概念 1 1 1 1 液化天然气 1 1 1 2 货物单元 j 1 1 2 罐箱发展史 3 1 3 研究背景 4 1 4 我国l n g 罐箱发展现状 6 1 5 主要研究内容 8 第2 章l n g 性质及l n g 罐箱结构 9 2 1 液化天然气的性质及对人体的危害 9 2 1 1 液化天然气的成分 9 2 1 2l n g 的物理性质 9 2 1 3l n g 的化学性质 1 2 2 1 4l n g 的生物性质 13 2 1 5l n g 的危险性 1 4 2 2 可移动罐柜的分类 1 7 2 3 可移动罐柜导则和特殊规定 2 0 2 4l n g 罐箱的结构和标准 2 0 2 4 1l n g 罐箱结构图解 2 0 2 4 2l n g 罐箱主要技术参数 2 1 2 4 3l n g 罐箱主要设计及制造标准 2 3 2 5 罐箱的试验 2 5 第3 章l n g 罐箱在船舶上的积载与隔离 2 8 3 1l n g 罐箱的积载 2 8 3 1 1 积载类的划分 2 8 3 1 2 舱面积载原则 k 2 8 3 2l n g 罐箱的隔离 3 0 3 2 1 包装危险货物间的隔离 3 0 3 2 2 包装危险货物问的隔离要求 3 2 3 2 3 危险货物集装箱之间的隔离 3 4 3 3l n g 罐箱适运船舶 3 5 3 4l n g 罐箱堆载层数的确定 3 7 第4 章l n g 罐箱船舶的运输管理 4 1 4 1l n g 罐箱的适运证书及安全检查 4 1 4 1 1 罐箱海上适运证书 4 l 4 1 2 罐箱安全检查及故障排除 4 2 4 2 标准维持时间 4 4 4 2 1 测试蒸发率的计算 4 5 4 2 2 静态蒸发率的计算 4 6 4 2 3 标准维持时间的确定 4 8 4 3l n g 罐箱超压后的安全排空保障 4 9 4 4l n g 罐箱的装卸作业及运输中的检查 5 0 4 4 1l n g 罐箱的装卸作业 5 0 4 4 2 海上运输中的安全管理 5 1 4 5l n g 港口水域风险评估 5 2 4 6l n g 罐箱在运输途中的应急处理 5 6 4 6 1 常见伤害应急处理 5 6 4 6 2 泄露处置 5 7 4 6 3 火灾事故处理 5 8 第5 章结论与展望 5 9 5 1 结 念 5 9 5 2 展望 5 9 参考文献 6 0 致谓 6 4 研究生履历 6 5 船舶载运l n g 罐箱技术研究 第1 章绪论 1 1 液化天然气运输中的基本概念 1 1 1 液化天然气 国际海事组织 i m o 制定的 散装运输液化气体船舶构造与设备规范 i g c 规则 明确规定了液化气货物的定义g 在温度3 7 8 时 饱和蒸汽压力超过 0 2 8 m p a 绝对压力 的液态物质和这些液体气体相近的其他货物 天然气无色 无味 无毒且无腐蚀性 主要成分为甲烷 其临界温度是 8 2 5 临界压力是4 4 7 m p a 天然气在大气压下 经过净化 除去其中的重质碳氢化合物 脱水 脱氮 脱二氧化硫 脱二氧化碳等 冷冻至 1 6 2 c 时 液化而成为液化天 然气 l i q u e f i e dn a t u r a lg a s l n g 1 1 液化天然气在 国际海运危险货物规则 i m d gc o d e d 的标准运输名称定义 为 甲烷 冷冻液体 m e t h a n e i 也f g e r a t e dl i q u i d 或 天然气 含 大量甲烷的冷冻液体 n a t u r a lg a s i 也f g e r a t e dl i q u i dw i t hh i g h m e t h a n ec o n t e n t 2 1 1 1 2 货物单元 1 货物单元 货物单元 c a r g ot r a n s p o r tu n i t 系指一个集装化货物单元 其中包括集装 箱 公路车辆 铁路车辆 公路罐车 铁路罐车或可移动罐柜 有时称为货件 2 集装箱 集装箱 c o n t a i n e r 在经修订的 1 9 7 2 年国际集装箱安全公约 中的定义 3 在本公约内 除另有明确规定者外 集装箱 是指一种运输设备 具有耐久性 因而其相应的强度足能适合于重复使用 经专门设计 便于以一种或多种运输方式运输货物而无需中途重装 为了系固和 或 便于装卸 设有角配件 四个外底角所围闭的面积至少为1 4 m 2 或 若装有项角配件则至少应为7 m 2 第1 章绪论 集装箱 一词既不包括车辆 也不包括包装 但是 集装箱在底盘车上运 输时 则连同底盘车包括在内 3 罐式集装箱 罐式集装箱 t a n kc o n t a i n e r 简称罐箱 系指由两个基本部分即由单罐 多 罐和框架构成 并符合i s 0 1 4 9 6 相关要求的货物集装箱 4 1 罐箱上的框架是由罐体的底架 端框和所有承力构件组成的结构 用以传递 由于罐式集装箱在起吊 搬运 固缚和运输中所产生的静载和动载 罐箱可由单罐或多罐构成 由专为装载货物用的单个或多个容器和管路以及 为防止货物流动而设置的附件所组成的结构件 图1 1 是两个l n 6 罐箱 图1 1l n 6 罐箱 f i g 1 1l n gt a n kc o n t a i n e r s 4 罐柜 罐柜 t a n k 系指装载固体 液体或液化气体的可移动罐柜 包括罐式集装箱 公路罐车 铁路罐车或容器 当用于运输 国际海运危险货物规则 第2 2 1 1 定 义的气体时容量不小于4 5 0 升 2 5 可移动罐柜 可移动罐柜 p o r t a b l et a n k 系指容积大于4 5 0 升 具有用于运输冷冻液化气 体必须的辅助设备和结构设备的热绝缘多用途罐柜 可移动罐柜须在不必拆卸结 构设备的前提下充罐和卸货 另外 在其壳体外部应有稳性部件 装满货后可被 2 船舶载运l n g 罐箱技术研究 提升 罐柜的基本设计应确保其能被调运到车辆或船舶上 并配有方便机械作业 的制动装置 构件和附件 公路罐车 铁路罐车 非金属罐柜和中型散装容器不 属于可移动罐柜 2 1 1 2 罐箱发展史 1 9 6 7 年 英国工程i j i l i b o bf o s s e y 设计出第一个符合i s o 标准的罐箱 上个世纪 7 0 年代 罐箱逐步形成了现在的外形结构 5 1 1 9 8 2 年 德国林德集团 t h el i n d eg r o u p 制造出世界上首台符合i m d g c o d e l m o7 型的2 0 英尺罐箱 1 9 8 3 年6 月 我国首次采用罐箱把化工液体货 苯二甲酸二辛脂 从上海经海 上运输到香港 取得了成功 获得了良好的开端 为其他液体货物 特别是危险 货物 的中 小批量的散装运输开辟了新的途径 6 1 19 8 4 年 德国学者h o y e r 通过对航运市场的观察和研究 指出在世界航运市场 船舶吨位过剩和贸易量减少的情况下 货运商对罐箱运输的兴趣越来越大 它不 仅将取代桶装货 而且也有取代散装化学品船的趋势 刀 2 0 0 0 年4 月 杨立民在 罐式集装箱在运输散装化工品上的应用 一文中阐明 了罐箱在散装运输方面的优越性 并且针对性提出了利用罐箱运输对苯二甲酸 p t a 散料的方案 8 1 2 0 0 2 年1 0 月 张家港中集圣达因低温装备有限公司制造出我国第一台高真空 多层绝热l n g 罐箱 2 0 0 5 年 弓燕舞 江金华研究了国内的液化天然气集装箱规格 运输距离和 运输量等因素对运输费用和价格的影响 从而总结得出了l n g 罐箱公路运输经济 性的相应规律 并展望了其具有的巨大应用前景 9 2 0 0 7 年 我国开展了首次l n g 罐箱水路运输试验 l n g 罐箱在广西涠州岛完 成l n g 充装后 经滚装船 公路运输到达广州黄埔新港码头 直接吊装上船 然 后经水路 公路运输到到达浙江海宁进行卸货 1 0 2 0 0 8 年4 月6 日至4 p j 2 0 日 中集集团智能罐箱顺利完成海陆多式联运商业应用 第1 章绪论 测试 通过本次测试 取得智能罐箱多式联运应用的宝贵经验 为智能罐箱的商 业应用从技术方面扫清最后的障碍 1 1 1 2 0 0 9 年 马群星分析了罐箱在化工物流领域的应用前景 强调了罐箱的优越 性决定了其在化工物流中的份额将逐步加大 并逐步取代公路槽车 包装桶零散运 输 发展成为化工物流的主要方式之一 1 2 2 0 1 2 年4 月1 3 日在南通海事局的现场监管下 两个l n g 罐箱吊装上集装箱海轮 金银达2 1 7 日 金银达2 轮在东莞虎门港成功将其卸下 这一航次是大连 海事大学的l n g 罐箱水路运输技术研究项目的试验航次 1 3 在我国 南通中集罐式储运设备制造有限公司是全球最大的罐箱运营商 是 专门设计 制造各式罐箱和压力容器的企业 生产符合i s o 标准的i m 0 1 i m 0 2 i m 0 5 i m 0 6 i m 0 7 和i m 0 8 型罐箱及罐车 1 4 1 3 研究背景 2 0 1 3 年 国家统计局发布了 1 9 7 8 2 0 11 年中国能源生产总量和消费总量及构 成 报告 相关数据表明以煤炭和石油为主的化石燃料依然占据我国能源消耗的 主导地位 以天然气为代表的清洁能源所占比重还依然很小 图1 2 是该报告中我 国2 0 0 7 2 0 11 年能源消费构成 5 1 一其他 糍天然气 一原油 一原煤 年份 2 0 0 72 0 0 82 0 0 92 0 1 02 0 1 1 图1 22 0 0 7 2 0 1l 中国年能源消费构成 f i g 1 2p e r c e n t a g eo f t o t a le n e r g yc o n s u m p t i o nf r o m 2 0 0 7t o2 0 11i nc h i n a 4 蚰 加 加加d 船舶载运l n g 罐箱技术研究 b p 2 0 11 世界能源统计报告显示 中国2 0 1 0 年天然气产量为9 6 8 亿立方米 占世界总产量的3 消费量为1 0 9 0 亿立方米 占世界份额的3 4 占中国总消 费能源的4 o 远远低于2 3 8 的世界平均水平 1 6 图1 3 显示我国近年来进口 l n g 的数量以及天然气总消耗量 亿 立1 4 0 0 方 米1 2 0 0 1 0 0 0 8 0 0 6 0 0 4 0 0 2 0 0 0 7 8 1 3 l n g 进口量 天然气消耗总量 1 q 1 6 6 4 4 4 b 3 1 年份 第1 章绪论 1 4 我国l n g 罐箱发展现状 目前 我国天然气的运输主要有三种方式 天然气管道 专用l n g 船舶和专 用l n g 罐槽车 1 天然气管道投资巨大 建设周期长 维护成本高 仅适用于管道源头及 沿线附近天然气资源丰富的区域 表1 1 是我国西气东输工程数据概要 表1 1 西气东输工程汇总 2 0 t a b 1 1t h es u m m a r yo fw e s t e a s tn a t u r a lg a st r a n s m i s s i o np r o j e c t 2 建造l n g 运输船专用码头 接气站等设施建造工期长且投入巨大 满 足不了国内日益增长的进口液化天然气的需要 截止2 0 1 2 年年底 我国己建成l n g 接气站9 座 其中台湾2 座 筹划及在建2 8 座 2 0 1 5 年液化天然气接收能力将达 到年6 5 0 0 万吨 表1 2 所示为截止2 0 1 2 年底我国大陆己建成的l n g 接收站 2 1 表1 2 中国大陆己投产运营l n g 接气站 2 0 1 2 年 t a b 1 2l i s to fm a i n l a n dc h i n a sl n gt e r m i n a l s b yt h ee n do f2 0 12 6 船舶载运l n g 罐箱技术研究 3 公路槽车运输成本高 运量非常有限 沿线环境复杂多变 导致近年来 l n g 公路运输事故频繁发生 正是在这种背景下 有关专家提出了l n g 罐箱水路运输模式 按照这种运输 模式 在整个罐箱运输过程中 只需要 一装一卸 且 全程密封 一罐到 底 实现了 门到门服务 图1 4 为罐箱物流模式图 化工厂 化工厂 甬 勰 蹙一 搦滋溺舅謦缓缀珑霜琵毯露蕴獭瓣 离周稀 然徽黼运 罐箱铁路运输 目标客户 豳警 罐箱铁路运输 目标客户 图1 4 罐箱物流模式 f i g 1 4l o g i s t i c sm o d eo ft a n kc o n t a i n e r l n g 罐箱作为一种创新型的载运工具 相比传统的运输方式 具有以下鲜明 的特点 成本适中 长期使用可大幅度降低成本 经济性极佳 运输方式灵活 能够实现 一罐到底 和 门到门 运输 既能作载运工具使用 又能作液态物品的暂存贮槽 全程在全密封状态下进行装卸 安全 高效 可靠 适应当前液态货物多品种 小批量运输的发展趋势 能实现多式联运一体化的现代化运输方式 正如顾安忠教授在 迎向 十二五 中国l n g 的新发展 中所指明的 采用 l n g 罐箱用于铁路 公路 海上运输的联运 可以充分发挥各种方式的优点 与 低温液体槽车相比 罐箱具有更好的机动性 同时罐箱具有结实可靠的框架结构 黑一 第1 章绪论 对低温液体具有良好的保护作用 使储罐避免受到直接的撞击而发生意外 提高 了低温液体运输的可靠性 2 2 1 5 主要研究内容 为了实现l n g 罐箱海上常态化运输 积累海上运输l n g 罐箱的经验 本文 拟从以下几个方面进行研究 提出可行性解决办法 给出保障l n g 安全运营的合 理化建议 1 根据l n g 罐箱结构 介绍其适用的i m o 罐柜类型 并就与其对应的可 移动罐柜导则进行说明 2 遵照i m d g 规则及国内外规范的要求 研究l n g 罐箱在船舶上的积载 与隔离 对能够装载运输l n g 罐箱的船舶进行探讨 3 维持时间的长短直接决定l n g 罐箱在海上运输的时间 对影响维持时 间的主要因素进行研究 提供相关实验模型与参数 4 针对l n g 罐箱在运输中的风险与事故 给出合理的预防对策与应急措 施 尽最大可能降低事故发生所造成的影响 8 船舶载运l n g 罐箱技术研究 第2 章l n g 性质及l n g 罐箱结构 2 1 液化天然气的性质及对人体的危害 2 1 1 液化天然气的成分 液化天然气主要成分是甲烷 也包括一定量的乙烷 丙烷和重质碳氢化合物 还有少量的氮气 氧气 二氧化碳和硫化物 被公认为是世界上最干净的能源 其制造过程是先将气田生产的天然气净化处理 除去其中的氧气 二氧化碳 硫 化物和水 然后经一连串超低温液化后生成 世界主要油气产区的天然气成分见 表2 1 液化天然气成分 2 3 1 表2 1 液化天然气成分 t a b 2 1c o m p o n e n t sc o n t e n to fl n o 2 1 2l n g 的物理性质 纯净的l n g 是无色 无味 无毒且无腐蚀性的透明液体 其体积约为同量气 态天然气体积的1 6 0 0 液化天然气的重量仅为同体积水的4 5 左右 液化天然气 密度比水小 不溶于水 液化天然气只有在蒸汽温度高于 1 1 0 时 才比空气轻 货物泄漏时蒸汽往上升 易于扩散 因此发生爆炸的危险性相对液化石油气 l p g 较小 9 第2 章l n g 性质及l n g 罐箱结构 液化天然气属于混合物 货品的成分不同会影响它的物理性质 运输时须向 货主索取有关数据和建议 液化天然气组成成分的物理性质详见表2 2 表2 2 液化天然气组成成分的物理性质 2 4 t a b 2 2p h y s i c a lp r o p e r t i e so fl n gc o m p o n e n t s 翻滚 r o l l o v e r 系指由于向已经装有液化气品货的低温贮槽中注入新的液 化气品货 贮槽内的液体会分成两层 分层后的各层液体在贮槽周壁吸收热量而 受到加热的情况下 形成各自的自然对流循环 该循环使各层液体的密度不断发 生变化 当相邻两层液体的密度近似相等时 两液体会发生强烈混合 从而引起 贮槽内热的液化气大量蒸发 2 5 1 如图2 1 所示 热 i 蠹 图2 1 低温储罐内l n g 的自然对流和分层对流 f i g 2 1n a t u r a lc o n v e c t i o n l a m i n a rc o n v e c t i o n o fl n gi nc r y o g e n i ct a n k 1 0 船舶载运l n g 罐箱技术研究 自然对流时 罐内l n g 的气化量为平时自然蒸发量的1 0 5 0 倍 将导致 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 及时通过安全阀排放 就可能造成贮槽的机械损伤 带来经济上的损失及环境 污染 分层对流时 l n g 表面蒸发率骤增 蒸发率几乎可达到正常情况下的2 5 0 倍 蒸发产生的大量气体 引起储罐内压力突然增大 导致大量天然气排空 造成严重浪费 甚至破坏储罐的安全设施 还可能毁坏储罐及工艺系统 导致 喷射低温液体 引起爆炸或火灾 严重威胁人员和财产安全 快速相变 r a p i dp h a s et r a n s i t i o n s r p t s 系指l n g 在与周围环境进行充 分换热的过程中 物质状态从液相瞬间转变为气相 由于体积的快速膨胀而造成周 围环境的压力突变 形成所谓的物理爆炸 这种快速的相变会使泄漏源局部发生过 压破坏 但不会造成大范围的结构损坏 2 6 1 泡点温度 b u b b l i n gp o i n tt e m p e r a t u r e 液体混合物在温度一定的情况下 从液相中开始分离出第一批气泡的压力 或在压力一定的情况下 从液相中开始 分离出第一批气泡的温度 2 7 1 泡点温度也就是混合蒸汽冷凝成液体的温度 在天 然气液化过程中 冷凝温度越接近泡点温度 天然气液化速率越快 逆蒸发 r e t r o g r a d ee v a p o r a t i o n 系指在温度一定的情况下 对气相混合物 增加压力 随着压力上升 液相比例不断提高 当达到某一压力值时 液相比例 达到最大 此后 继续升高压力 液相比例不但不升高 反而下降 直到液相比 例将至为零 2 8 1 由此可见 对于贮存液化天然气的舱柜或罐箱 减小舱内压力有时其内的气 相成分会减少 而液相成分会增加 增加舱内温度有时其内的气相成分会减少 而液相成分会增加 这一现象在运输生产必须加以注意 2 9 闪蒸 f l a s h 当l n g 绝热储罐中l n g 压力降到沸点压力以下时 将有一 定量的液体蒸发转化为气体 而此时液体温度也会随之降低到此时该压力下的新 沸点 这就是l n g 的闪蒸现象 3 0 第2 章l n g 性质及l n g 罐箱结构 蒸发 b o i lo f f 对于储存在绝热储罐中的液化天然气 外界任何热量的传 入都会导致一部分液体蒸发成气体 这既是蒸发气 简称b o g 它会直接导致 绝热储罐的内部压力上升 严重时将影响储罐的安全储存及载运 必要时须加以 排放或再利用 3 l l n g 的蒸发与许多因素有关 如温度 压力 扰动等 l n g 的挥发一般是 一个缓慢过程 但有时也会比较激烈而产生危险 2 1 3l n g 的化学性质 在天然气液化之前 一般要对其净化处理 目的是将原料天然气成分中水分 硫化氢 二氧化碳 重烃和汞等杂质除去 以免这些杂质腐蚀设备或者在低温下 冻结而堵塞设备和管道 同时也可以防止天然气在后续使用中对环境造成污染 含氮气过高的天然气不仅热值低 在集输过程中能耗大 而且不能直接用作 天然气汽车 n g v 燃料和某些化工原料 天然气中绝大部分含有酸性气体 h 2 s c 0 2 r s h 等 如果不加以脱除 极易造成运输 储存及下游加工过程中设备与管道的腐蚀 造成环境污染 也严 重危害人体的健康 天然气脱除酸气后的原料气 一定要脱水 一是可防止天然气中的水分析出 在液化时结冰 使管道和仪表阀门出现冰堵 发生事故 二是因液态水的存在 使未脱除的酸性成分对压力管道和容器的腐蚀加剧 可能导致应力腐蚀 汞的存在会严重腐蚀l n g 装置中的铝制设备 在潮湿环境中 铝腐蚀非常迅 速 严重时会导致铝合金构件产生脆化裂纹 造成天然气泄漏事故 重质碳氢化合物同样会在天然气液化过程中结冰 使管道和仪表阀门堵塞 严重时会引发事故 液化后的天然气化学性质稳定 与水 空气及其他液化气货品在化学上彼此 相容 不会发生危险反应 与氯气可能有危险反应 液化天然气的主要成分是甲烷 在空气充足时 气体充分燃烧的产物主要是 二氧化碳和水 在空气不足时 不完全燃烧的情况下 会产生有毒的一氧化碳 最终会导致使用者中毒 化学反应式见 2 1 2 2 1 2 船舶载运l n g 罐箱技术研究 c h 4 2 0 c o 2 凰0 2 1 2 c h 4 3 0 2 2 c 0 4 h 2 0 2 2 与其他化工原料相比 天然气燃烧时仅产生少量的二氧化碳和微量的一氧化 碳 氮氧化物和碳氢化合物 因此 天然气是一种非常清洁的能源 1 1 2 1 4l n g 的生物性质 大多数的液化气品货 具有以下几种或全部的特性 腐蚀性 刺激性 窒息 性 毒性等 他们对人体造成各种不同的危害 轻则危害人体健康 重则危及人 的生命 液化天然气由于其自身的特性 对人的危害主要表现在以下几个方面 1 中毒 一般而言 有毒物是指那些人体摄入 吸入或接触后会造成伤害 甚至死亡的物质 烃类液化气 l p g l n g 等 因氧气不足 燃烧不充分时会产生 有毒的一氧化碳气体 它会直接或间接地危害人体健康 常用的天然气含甲烷8 5 以上 还含有少量的硫化氢 二氧化碳 氢 氮等气体 常在诸如火灾 漏气 爆炸等事故中而使人中毒 中毒主要表现为窒息 若天然气同时含有硫化氢则毒性增加 早期有头晕 恶心 呕吐 乏力等 严重者出现直视 昏迷 呼吸困难等 通常情况下 应使 中毒人员迅速脱离中毒现场 吸氧或新鲜空气 然后等待专业人员的救助 2 窒息 当空气中的含氧量降低 呼吸获得的氧气不足时 人体血液就不 能向大脑供应充足的氧气 这样就会发生缺氧和窒息 随后便失去知觉 如救治 不及时 就会危及人的生命 l n g 是在液态下贮存运输的 一旦液货泄露就会汽化 产生大量的蒸汽 l m 3 的l n g 液体泄露会产生约6 0 0 m 3 的蒸汽 当空气中天然气的体积分数大于4 0 时 如果吸入过量这种混合气体 就会缺氧窒息 当空气中氧气含量体积分数低于1 0 天然气的体积分数高5 0 时 对人体会产生永久性伤害 3 2 窒息过程可分为四个 阶段 见表2 3 示例 第2 章l n g 性质及l n g 罐箱结构 表2 3 窒息生理特征的四个阶段 3 3 t a b 2 3 p h y s i o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c s o fa s p h y x i a t i o n 3 冻伤 以全冷冻方式运输的液化天然气 其液体温度等于或接近它在大 气压下的沸点温度 而液化天然气的沸点温度都是很低的 如其主要成分甲烷是 1 6 1 5 乙烷是 8 8 6 等 当人体直接与低温液化气体液体或其蒸汽接触 或者 直接与未包扎绝热材料的低温管道和设备接触时 很容易造成人体冻伤 在检查低温管线 设备和液化品作业期间 必须按规定穿戴手套 护目镜 防护服等劳保用品 避免液体泄露喷溅到人身和眼睛上造成冻伤 2 1 5l n g 的危险性 不管是在陆上存储过程中还是在海上运输过程中 许多原因可能导致l n g 的 泄漏 但是 最可能发生l n g 泄露的情况是在正常压力运输和蒸发过程中 较小 危险性事件来自于包括低压贮存 高压泵输送 蒸发器故障 管道输送等 较严 重的事件包括l n g 船舶泄漏或故障 紧急排放 输送设备故障或泄漏等 大事件 包括蓄意攻击和破坏 l n g 船舶和其他大型船舶之间发生的碰撞等 3 4 1 作为一种液体 l n g 不溶于水 不会燃烧也不会爆炸 因此发生泄漏时不会 污染当地的水面环境 当载运l n g 的船舶发生泄漏时 将会在水面形成一个液化 天然气池 如图2 2 所示 3 5 1 4 船舶载运l n g 罐箱技术研究 图2 2l n g 泄漏后事件发生的顺序 f i g 2 2s e q u e n c eo f e v e n t sf o l l o w i n gl n gs p i l l 最初的泄漏会在水表面生成冷蒸汽云 它比空气的密度重 紧贴在水表面 当蒸汽云和空气接触时 泄露的液体会蒸发变成气云扩散到空中 并随着水面的 海风漂移 在漂移过程中 云气很可能遇到点火源 如果空气中所含的天然气成 分在燃烧范围时 气体会被点燃并且会被快速地传递到液化天然气池 由于这一 过程非常迅速 因此可称为闪燃 由于天然气燃烧影响范围较广 最严重的危害来自于池火或者蒸气云燃烧所 产生的热辐射 单位面积的热辐射量也称为热流量 k w m 2 从太阳到地球表面的 平均热流量为1 4 k w m 2 而在池火的边缘 热辐射可超过2 2 0k w m 2 热辐射对 人体的伤害取决于热辐射的强度和辐射时间 s s 如图2 3 示例 j j j j 瞧 缓 缓霪髦蘸絷簧 f丽l 缀兢澎缀蕴藏墓i i 臻 j 纛i 麓j 缓 下 黝缫戮缀编纛芸l l i 缫垂鬻荔 戮熬 黝黝戮黝貔黝 币 第2 章l n g 性质及l n g 罐箱结构 d n v 船级社的相关报告介绍了3 个量级的辐射等级 而美国s a n d i a 实验室介 绍了2 个量级的辐射等级 热辐射损害等级的一般规定如下 3 7 3 7 5 k w m 2 即刻生效 假定暴露在热辐射范围内的人立即死亡和可能对仪器设备可能造成损坏 1 2 5 k w m 2 辐射时间达1 分钟 辐射热量使人在4 秒内感到疼痛 在2 0 秒内感到剧烈疼痛 经热辐射4 0 秒 后 一度烧伤和二度烧伤可能导致死亡事件 一般用在对人群影响的风险分析上 5k w m 乙 辐射时间达1 0 分钟 辐射热量使人在1 6 秒后感到疼痛 正常的工作服能够防护几十分钟 一般情 况下 假定人可以逃脱 通过池火模型实验可以得到热辐射的作用距离与强度的关系 如表2 4 所示 表2 4l n g 船舶池火模型结论 t a b 2 4l n gc a r d e rp o o lf i r em o d e l i n gr e s u l t s l n gc a r r i e rf i r em o d e l i n g s a n d i ad i s t a n c et od i s t a n c e1ds a n d i ad i s t a n c et o h o l e m 5 k w m 2 m 12 5 k w m 2 m m 3 7 5 k w m 2 m s l z e ffddfddf2 3 3 m sfdd m m 2 3 3 m s2 m s3 5 m s7 m s2 m s3 5 m s7 m s 3 7 5 k v m 2 2 m s3 5 m j s 7 m s 5 k w m 2 8 0 0 4 6 64 8 25 0 43 0 13 2 93 5 61 4 71 7 12 0 9 0 5 m 2 11 2 0 5 5 46 0 26 2 46 5 03 8 94 2 34 5 91 7 71 9 l2 2 12 6 9 1 m 2 1 6 0 0 7 8 47 9 l8 2 08 5 25 l15 5 36 0 0 2 5 0 2 5 32 9 03 5 2 2m 2 2 5 2 3 1 3 0 51 1 2 011 6 01 2 0 27 2 57 8 08 4 63 9 l3 6 34 1 14 9 5 5m 2 注 天气状态等级f 一平均风速2 m s 占全年天数的1 5 温度2 0 相对湿度7 0 表面租糙厦0 3 m m 天气状态等级d 一平均风速3 5 m s 占全年天数的4 9 温度2 0 c 相对湿度7 0 表面粗糙度0 3 m m 天气状态等级d 一平均风速7 m s 占全年天数的2 1 温度2 0 c 相对湿度7 0 表面粗糙度0 3 r a m 当泄露的l n g 与水接触时会发生快速相变 r t f s 现象 l n g 瞬时发生剧 烈气化 这种快速蒸发会使泄漏源局部发生超压现象 可能对l n g 船舶的某些结 构造成损坏 尽管快速相变本身并不会引发火灾 但是它能加速l n g 池火的传播 速率 扩大蒸汽云生成的范围 而在扩展范围内的混合气体可能被点燃 3 8 1 6 船舶载运l n g 罐箱技术研究 沸腾液体膨胀蒸汽爆炸 b l e v e b o i l i n gl i q u i de x p a n d i n gv a p o re x p l o s i v e s 当发生火灾 l n g 贮存罐内的压力急剧升高 蒸发气不能快速地从安全泄气阀排 出时 b l e v e 现象就可能发生 在这种情况下 大量的加压过热液体突然释放到 大气中 这种突然释放是由于被火吞噬 碎片打击 腐蚀 制造缺陷 内部过热 等因素导致容器失效而产生的1 3 9 它常常可以把贮存l n g 的容器击成碎片 并伴 随着强烈的冲击波 是一种危害极大的物理爆炸 如果蒸发的混合气体被点燃 可能产生巨大的火球 引发火焰冲击和强烈的热辐射伤害 4 0 1 l n g 一旦发生泄漏 低温液体会对泄漏区域的船体构件 设备等造成损坏 导致较为严重的脆性破裂 船体局部强度随之降低 当l n g 泄漏面积较大或者渗 漏到船底板时 甚至可能影响船体的总纵强度 从而危及船舶本身的安全 2 2 可移动罐柜的分类 国际海运危险货物规则 是国际海事组织 i m o 制定的强制性规定 最 新版本为2 0 1 0 版 并于2 0 1 2 年1 月1 日起强制生效 根据罐柜所装运物质的种 类 性质等的不同 国际危规 把可移动罐柜划分为以下几类 2 i m o1 型罐柜指装有减压装置 最大允许工作压力等于或高于1 7 5 b a r 可以 用于第3 类到第9 类物质运输的可移动罐柜 i m o2 型罐柜指装有减压装置 最大允许工作压力等于或高于1 0 b a r 但低于 1 7 5 b a r 可以用来装运某些危险性小的液体危险货物或固体危险货物 i m o4 型罐柜指用于第3 类到第9 类危险物质运输的公路罐车 并包括带永 久性配装罐柜或罐柜加附在带有至少四个铰链的底盘上的半挂车 该铰链应符合 国际标准化组织的标准 i s o11 6 1 1 9 8 4 i m o5 型罐柜指装有减压装置 用于第2 类非冷冻液化气体的可移动罐柜 i m o6 型罐柜指用于第2 类非冷冻液化气体运输的公路罐车 并包括带永久 性配装罐柜或罐柜加附在底盘上的半挂车 该底盘配有装运气体所必须的各项附 属和结构设备 1 7 第2 章l n g 性质及l n g 罐箱结构 i m o7 型罐柜指配有装运冷冻液化气体运输所必须的各项附属和结构设备的 隔热型可移