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液化天然氣儲(chǔ)運(yùn)中的翻滾現(xiàn)象及預(yù)防措施

文檔作者：伍穎劉武張曉琳駱輝吳杰文檔來(lái)源： 1．西南石油大學(xué)石油工程學(xué)院 2．川慶鉆探公司科宏設(shè)計(jì)院 3．西南油氣田川中氣礦			點(diǎn) 擊數(shù)：
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2008鉦
第6期
麓 適 技 木
Pipeline Technique
彳曼 舌
Equipment
2008
No．6
液化天然氣儲(chǔ)運(yùn)中的翻滾現(xiàn)象及預(yù)防措施
伍穎 ，劉 武 ，張曉琳 ，駱輝 ，吳杰
(1．西南石油大學(xué)石油工程學(xué)院，四川成都610500；
2．川慶鉆探公司科宏設(shè)計(jì)院，四川成都610000；3．西南油氣田川中氣礦，四川遂寧629000)
摘要：介紹了液化天然氣儲(chǔ)運(yùn)中的翻滾(渦旋)現(xiàn)象及預(yù)防措施，著重分析了液化天然氣在儲(chǔ)運(yùn)中
的翻滾機(jī)理，提出了相應(yīng)的預(yù)防措施，以減少和消除翻滾現(xiàn)象，提高液化天然氣在儲(chǔ)運(yùn)中的安全性。
關(guān)鍵詞：液化天然氣；翻滾現(xiàn)象；儲(chǔ)運(yùn)；預(yù)防措施
中圖分類(lèi)號(hào)：TE82 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004—9614(2008)06—0009—04
Rollover Phenomenon and Preventive M easure of
Liquefied Natural Gas(LNG)in Storage and Transportation
WU Ying ，LIU Wu ，ZHANG Xiao—Lin ，LUO Hui ，WU Jie
(1．School of Petroleum Engineering，Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，China；
2．Chuan-Qing Dring Corp．，Chengdu 610000，China；
3．Central Sichuan Oil-gas Field of Southwest Oil-gas Field Company，Suining 629000，China)
Abstract：Introduced the rollover phenomenon and preventive measure of LNG in storage and transportation，and the roll—
over principle of LNG in storage and transportation are emphatically analyzed．Finally，this work proposes a correspo nding preven—
tive measure to reduee and eliminate the rollover phenomenon and enhance the LNG’S security in storage and transportation．
Key words：liquefied natural gas；rollover phenomenon；storage and transportation；preventive measure
1 液化天然氣儲(chǔ)運(yùn)中的翻滾(渦旋)現(xiàn)象及其分析
液化天然氣(LNG)在儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中，會(huì)發(fā)生一種被
稱(chēng)為“渦旋”(rollover)的非穩(wěn)性現(xiàn)象，渦旋即翻滾現(xiàn)
象。渦旋是由于向已裝有LNG的低溫儲(chǔ)槽中充注新
的LNG液體，或由于LNG中的氮優(yōu)先蒸發(fā)而使儲(chǔ)槽
內(nèi)的液體發(fā)生分層(stratification)。分層后的各層液
體在儲(chǔ)槽周壁漏熱的加熱下，形成獨(dú)立的自然對(duì)流循
環(huán)。該循環(huán)使各層液體的密度不斷發(fā)生變化，當(dāng)相鄰
兩層液體的密度近似相等時(shí)，兩個(gè)液層就會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈
的混合，瞬間產(chǎn)生大量的汽化氣。由于大量液體在短
時(shí)間內(nèi)汽化，儲(chǔ)罐內(nèi)壓力急劇增大，使壓力安全閥頻
繁開(kāi)閉，并且在周?chē)目臻g形成可爆炸性混合云團(tuán)，
或引發(fā)沸騰液蒸汽膨脹爆炸(BLEVE)。如果不及時(shí)
通過(guò)安全釋放閥排放，就有可能造成貯槽的機(jī)械損傷
和一些設(shè)備損壞，同時(shí)排放大量的蒸發(fā)氣。這不僅對(duì)
LNG的儲(chǔ)運(yùn)安全構(gòu)成重大威脅，還會(huì)造成經(jīng)濟(jì)上的損
失和環(huán)境污染。
1971年和1993年，意大利和英國(guó)先后出現(xiàn)兩次
因LNG翻滾導(dǎo)致的大事故 J。為此，LNG儲(chǔ)運(yùn)的安
收稿日期：2008—05—05 收修改稿日期：2008—06—15
全性受到高度重視，對(duì)LNG翻滾現(xiàn)象展開(kāi)了積極的研
究。2O世紀(jì)70年代中期，Ghatterjee和Germeles先后
提出分層界面靜止不動(dòng)的翻滾模型，但這些模型預(yù)測(cè)
翻滾出現(xiàn)的時(shí)間比實(shí)際時(shí)間更長(zhǎng)，偏差較大 I3 。
1983年，Heestand等人精練了Ghatterjee和Germeles
模型，將LNG看作甲烷、乙烷、丙烷、丁烷和氮5種組
分的混合液，并編制了ROLLO計(jì)算程序。給定初始
溫度和組成，ROLLO程序可用數(shù)值方法計(jì)算出LNG
分層的演化過(guò)程，但該模型同樣保留著靜止界面假設(shè)
帶來(lái)的不足 。Muro等人對(duì)LNG在真空絕熱不銹鋼
槽中進(jìn)行了試驗(yàn)，并根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理出LNG蒸發(fā)率
與過(guò)熱度的關(guān)系_5 。20世紀(jì)80年代中后期，Kamiya
等通過(guò)實(shí)驗(yàn)揭示出在翻滾發(fā)生前的階段里，分界面的
移動(dòng)占主導(dǎo)地位 。Morrison使用液化石油氣試驗(yàn)證
實(shí)了Kamiya等的實(shí)驗(yàn)結(jié)果 ；法國(guó)煤氣公司進(jìn)行的
試驗(yàn)也復(fù)現(xiàn)了這個(gè)結(jié)果，并且顯示了分界面從固定到
開(kāi)始移動(dòng)的過(guò)程 。1997年，英國(guó)燃?xì)夤?British
Gas)的Bates和Morrison提出了三階段的Bates—Morri—
son模型 J。該模型比較簡(jiǎn)單，準(zhǔn)確合理，但也有一些
缺陷。因此，上海交通大學(xué)顧安忠課題組對(duì)Bates-
Morrison模型作了改進(jìn)，將其發(fā)展為一個(gè)四階段模型，
10 Pipeline Technique and Equipment NOV．2008
更加符合實(shí)際情況? 。
2 翻滾現(xiàn)象的分類(lèi)及其產(chǎn)生原因
2．1 翻滾現(xiàn)象的分類(lèi)
(1)液化天然氣貯罐在長(zhǎng)期貯存中，因其較輕的
組分(主要是氮?dú)夂图淄?優(yōu)先蒸發(fā)，而自發(fā)形成的翻
滾現(xiàn)象。
(2)液化天然氣貯罐原來(lái)留有液化天然氣，在充
裝密度不同、溫度不同的新LNG一段時(shí)間(幾小時(shí)甚
至幾十天)后，突然產(chǎn)生翻滾的現(xiàn)象。
2．2 分層現(xiàn)象產(chǎn)生的原因
(1)儲(chǔ)罐內(nèi)液化天然氣由于各組分密度不同，導(dǎo)
致密度大的組分在下，密度小的組分在上，形成分層。
分析表明，很小的密度差就可導(dǎo)致分層的發(fā)生。
(2)液化天然氣進(jìn)儲(chǔ)罐溫度的細(xì)微變化會(huì)引起液
體密度的細(xì)微變化。溫度高的液體的密度較小，溫度
低的液體的密度較大，因此，密度小的液體上浮，密度
大的液體下沉，產(chǎn)生分層現(xiàn)象。
(3)由于不同階段添加的液化天然氣的組分不
同，導(dǎo)致新舊液化天然氣兩層液體的密度不同，因此
罐內(nèi)液體就會(huì)存在密度差，產(chǎn)生分層現(xiàn)象。
2．3 翻滾現(xiàn)象產(chǎn)生的原因
槽內(nèi)液化天然氣在分層的情況下，由于儲(chǔ)槽周壁
及下部受熱較多，導(dǎo)致靠近周壁及下部的液體受熱向
上運(yùn)動(dòng)，在兩層內(nèi)均產(chǎn)生對(duì)流狀態(tài)(見(jiàn)圖1)。當(dāng)對(duì)流
進(jìn)行至一定時(shí)期，由于液化天然氣中的氮?dú)馐紫热菀?
汽化，將促使下層LNG沖破層面，而與迅速上層LNG
混合，產(chǎn)生大量的汽化氣(見(jiàn)圖2)。
圉1 分層后LNG 的對(duì)流圖
從圖1所示分層分析可知，頂層的液體從周壁和
底層液體吸收的熱量一部分通過(guò)氣液界面的蒸發(fā)作
用散發(fā)到貨艙上部的氣態(tài)空間，另一部分則被該層液
體吸收，使該層液體的溫度升高；而底層液體從周壁
和底壁吸收的熱量則只能通過(guò)與頂層之間的液液界
面?zhèn)鹘o頂層液體。當(dāng)兩個(gè)液層之間的溫度差異較小
時(shí)，通過(guò)界面?zhèn)鬟f的熱量就小于液體從周壁和底壁吸
收的熱量，底層液體被加熱，其溫度升高；反之，當(dāng)兩
層液體溫度差異較大時(shí)，通過(guò)界面?zhèn)鬟f的熱量大于液
體從周壁和底壁吸收的熱量，底層液體被冷卻，其溫
度降低。
圖2 上F層LNG的混合圖
圖3、圖4分別顯示了兩種情況下液層的溫度、密
度隨時(shí)間的變化。在上述兩種情況下，頂層液體的溫
度都隨時(shí)間而升高，由于輕質(zhì)組分的逐步蒸發(fā)，其密
度增大。但底層液體的變化則有所不同：在第一種情
況下，底層液體的溫度升高得較快，其密度減小，當(dāng)上
下兩層的液體密度近似相等時(shí)，分層消失，液體便發(fā)
生強(qiáng)烈混和，產(chǎn)生翻滾現(xiàn)象；在第二種情況下，底層液
體的溫度降低，其密度增大，發(fā)生液體強(qiáng)烈混合產(chǎn)生
翻滾現(xiàn)象的時(shí)間則要推遲到頂層液體的密度也增加
到與底層液體密度近似相等時(shí)。
p
匿 ： 國(guó) 翻滾 c l?li~～ tIt
(b) (b)
圖3 液層溫度和密度隨時(shí)間 圖4 液層溫度和密度隨時(shí)間
變化圖(I) 變化圖(II)
2．4 翻滾現(xiàn)象發(fā)生的可能范圍
液化天然氣貯槽可分為3種基本類(lèi)型：基本負(fù)荷
型出口暫存貯槽、高峰負(fù)荷型貯槽及終端裝置，這3種
貯槽都可能發(fā)生分層而引起渦旋，但各有特點(diǎn)。
(1)基本負(fù)荷型出口暫存貯槽，用于液體設(shè)備靠
近天然氣源。其特點(diǎn)為：液體在貯槽中貯存時(shí)間較
短，LNG組分相對(duì)穩(wěn)定，液化后至貯槽的充注速度較
快，LNG氮含量較低。
第6期 伍穎等：液化天然氣儲(chǔ)運(yùn)中的翻滾現(xiàn)象及預(yù)防措施 ll
(2)高峰負(fù)荷型貯槽，用于調(diào)節(jié)高峰負(fù)荷以及為
冬季供應(yīng)燃料。其特點(diǎn)為：液體在貯槽中停留的時(shí)間
較長(zhǎng)，LNG組分相對(duì)較穩(wěn)定，液化后至貯槽的充注速
度較慢，LNG氮含量高低不等。
(3)終端裝置一般用于接受槽船等運(yùn)輸?shù)腖NG，
亦可用于調(diào)峰目的。其特點(diǎn)為：液體在貯槽中停留的
時(shí)間長(zhǎng)短不一，LNG組分變化范圍較大，充注速度或
高或低，LNG中氮含量高低不等。
3 翻滾現(xiàn)象的預(yù)防
液化天然氣翻滾是由分層引起的，因此防止分層
即可預(yù)防翻滾。
3．1 防止分層的方法
(1)不同產(chǎn)地、不同氣源的液化天然氣分開(kāi)儲(chǔ)存，
可避免因密度差而引起的分層。
(2)根據(jù)需儲(chǔ)存的液化天然氣與儲(chǔ)槽內(nèi)原有的液
化天然氣密度的差異，選擇正確的充注方法，可有效
防止分層。充注方法的選擇一般應(yīng)遵循以下的原則：
密度相近時(shí)一般底部充注；將輕質(zhì)LNG充注到重質(zhì)
LNG儲(chǔ)槽中時(shí)，宜底部充注；將重質(zhì)LNG充注到輕質(zhì)
LNG儲(chǔ)槽中時(shí)，宜頂部充注。當(dāng)充注量少于1．5 X 10
m 或貯槽中原有LNG少于10 m 時(shí)，可采取底部充
注(經(jīng)驗(yàn)表明：在這兩種情況下均不會(huì)形成穩(wěn)定的分
層)。
(3)使用混合噴嘴和多孑L管充注，可使充注的新
LNG和原有的LNG充分混合，從而避免分層。
(4)充分?jǐn)嚢杷泄嗳藘?chǔ)罐的LNG，消除密度差，
防止LNG的分層。一般采用循環(huán)泵進(jìn)行循環(huán)(即用
LNG泵由儲(chǔ)罐下部到上部打回流)的方法來(lái)使儲(chǔ)罐中
的組分充分混合。
(5)控制灌入儲(chǔ)罐LNG組分的密度變化范圍，盡
可能減小組分的密度差。
對(duì)于大型液化天然氣儲(chǔ)罐，充分?jǐn)嚭捅容^困難。
一旦發(fā)生LNG翻滾，汽化后的大量天然氣難以及時(shí)
通過(guò)安全釋放閥排放。為了防止發(fā)生事故，設(shè)置安
全釋放閥、放散火炬、回收壓縮系統(tǒng)等，防止LNG蒸
發(fā)、翻滾造成儲(chǔ)罐超壓。一般同時(shí)采用上述兩個(gè)措
施，并且盡量使一個(gè)儲(chǔ)罐僅用來(lái)儲(chǔ)存同一產(chǎn)地的
LNG，控制其組分的變化范圍，從而防止LNG的翻滾
現(xiàn)象。一般灌入儲(chǔ)罐的LNG的密度差盡量控制在
15 kg／m 以?xún)?nèi)。
根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，為了避免分層現(xiàn)象，在液化過(guò)程中應(yīng)
注意分析進(jìn)料天然氣組分，不要有較大的密度差。否
則采取LNG直接進(jìn)入汽化器，汽化后再輸?shù)酵饨绻芫W(wǎng)
進(jìn)行循環(huán)的方式。進(jìn)液過(guò)程中，選擇將溫度較低的
LNG從罐頂部灌人，將溫度較高的LNG從罐底部灌
入，使充液過(guò)程也成為不同密度的LNG混合的過(guò)程，
從而防止LNG分層，避免翻滾現(xiàn)象的產(chǎn)生。
3．2 分層的檢測(cè)與消除
3．2．1 分層的檢測(cè)
(1)可以通過(guò)測(cè)量LNG儲(chǔ)槽內(nèi)垂直方向上的溫
度和密度來(lái)確定是否存在分層。一般情況下，當(dāng)分層
液體之間的溫差大于0．2 K，密度差大于0．5 kg／m
時(shí)，即認(rèn)為發(fā)生了分層。
(2)監(jiān)測(cè)LNG的蒸發(fā)速度。LNG分層會(huì)抑制
LNG的蒸發(fā)速度，使得翻滾前的蒸發(fā)速度比通常情況
下低。采用壓力表監(jiān)測(cè)罐內(nèi)壓力時(shí)，大氣壓的變化會(huì)
影響對(duì)LNG蒸發(fā)速度的監(jiān)測(cè)，可以采用絕對(duì)壓力監(jiān)測(cè)
或記錄大氣壓的變化。
為了探測(cè)分層，還研制了用于LNG貯槽的分層探
測(cè)器，如美國(guó)科學(xué)儀器公司研制的Madel 6280 LTD—
MP型，可測(cè)量液面高度、溫度、密度等，測(cè)量由微機(jī)控
制，并能進(jìn)行指定的數(shù)據(jù)處理，微機(jī)通過(guò)步進(jìn)電機(jī)控
制測(cè)量高度，并分別測(cè)量該處的溫度和密度，進(jìn)行數(shù)
據(jù)處理后可判斷是否存在分層。
3．2．2 分層的消除
探測(cè)到確已形成分層以后，可采用內(nèi)部攪拌或輸
出部分液體的方法來(lái)消除分層。內(nèi)部攪拌會(huì)引起蒸
發(fā)量增加，而快速輸出部分液體是一種較好消除分層
的方法。
一旦儲(chǔ)罐內(nèi)發(fā)生翻滾現(xiàn)象，汽化后的大量天然氣
將難以及時(shí)通過(guò)泄放裝置排放。為防止發(fā)生事故，需
設(shè)置安全排放口、排放火炬、回收壓縮系統(tǒng)等。儲(chǔ)罐
內(nèi)的LNG蒸汽產(chǎn)生后，通過(guò)蒸發(fā)氣總管排出，可以返
回船上(卸船時(shí))，也可以進(jìn)BOG壓縮機(jī)升壓，準(zhǔn)備冷
凝或作為燃料氣使用；如果有大量蒸發(fā)氣產(chǎn)生，壓縮
機(jī)不能處理時(shí)，在蒸發(fā)氣總管上設(shè)置壓力調(diào)節(jié)裝置，
在LNG儲(chǔ)罐上的安全閥起跳前，蒸發(fā)氣將直接排放到
火炬總管；事故狀態(tài)下，罐內(nèi)超壓，安全閥就會(huì)起跳，
蒸發(fā)氣直接排放到火炬總管燃燒。此外，提高設(shè)計(jì)壓
力與貯槽運(yùn)行壓力之比值也可以預(yù)防，但這只適用于
初建貯槽。
參考文獻(xiàn)：
[1] 顧安忠，魯雪生，汪榮順，等．液化天然氣技術(shù)．北京：機(jī)械工業(yè)出
版社．2004．
1 2 Pipeline Technique and Equipment Nov．2008
(上接第8頁(yè))10。cm’／s，符合中國(guó)纏繞墊片標(biāo)準(zhǔn)規(guī)
定4級(jí)泄漏率指標(biāo)，但高于PVRC推薦的泄漏率指標(biāo)。
工況波動(dòng)時(shí)，該連接系統(tǒng)可能產(chǎn)生泄漏，甚至引發(fā)火
災(zāi)事故。
為確定該連接的安全操作條件，進(jìn)一步分析了不
同彎矩和軸向力組合對(duì)法蘭連接緊密性的影響，建立
了附加載荷和泄漏率之間的關(guān)系曲線，如圖5所示。
1·8
l 6
l·4
至1．2
1．0
8
暴O
．6
0 4
0．2
0
o一泄漏率為5．0×10一 cnl ／s
。一泄漏率為3．0×10—3 em：~／s
△一泄漏率為2．0×10 cma／s
☆一泄漏率為3 7×10 era ／s
＼ u
、
＼
＼ ＼
＼
0．6 1．2 1．8 2 4
彎矩／(1O~N．m)
圖5 附加載荷與泄漏率的關(guān)系曲線
依據(jù)圖5，可得到連接的最大允許泄漏率所對(duì)應(yīng)的法
蘭連接可以承受的附加彎矩和附加軸向力。反之，亦
可得到承受附加載荷法蘭連接的泄漏率。圖5中曲線
所對(duì)應(yīng)的載荷即為該法蘭連接的安全操作條件。
4 結(jié)束語(yǔ)
提出的基于緊密性和強(qiáng)度的螺栓法蘭連接安全
評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，為承受附加載荷螺栓法蘭連接的安全評(píng)價(jià)
和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了借鑒。建立了某接管法蘭連接系
統(tǒng)緊密性和附加載荷之間的關(guān)系，驗(yàn)證了安全評(píng)價(jià)方
法的可行性，確定了該連接的安全操作條件。
開(kāi)發(fā)的基于ANSYS的螺栓法蘭連接分析模塊，實(shí)
現(xiàn)了參數(shù)化建模以及各元件應(yīng)力分析和連接系統(tǒng)緊
密性分析的程序化。該模塊擴(kuò)充了ANSYS的功能，簡(jiǎn)
化了軟件操作，降低了使用難度，提高了計(jì)算效率。
建立的基于FEM的承受附加載荷的法蘭連接分
析方法，可以較好地預(yù)測(cè)法蘭連接的力學(xué)和密封行
為。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步考慮高溫作用下法蘭、墊片
和螺栓的蠕變和應(yīng)力松弛特性，可對(duì)法蘭連接的結(jié)構(gòu)
強(qiáng)度和緊密性做出更為精確的評(píng)價(jià)。
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作者簡(jiǎn)介：劉容(1981～)，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榱黧w密封與測(cè)
控技術(shù)。

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