引言

　　目前，國際石油價(jià)格仍處于高位，各國將能源消費紛紛轉向天然氣，不少?lài)�家準備大量進(jìn)口天然氣。因此，對天然氣的海上運輸工具——液化天然氣（LNG）船的需求量將顯著(zhù)增加，對液化天然氣船舶管理的要求也越來(lái)越高。天然氣液態(tài)儲存是將經(jīng)過(guò)脫水、脫烴和脫酸等凈化處理的天然氣，在常壓下通過(guò)制冷降溫至-162℃左右進(jìn)行液態(tài)儲存。液態(tài)儲存天然氣可以將天然氣的體積縮小600多倍�！�1】LNG在充注和儲存過(guò)程中，由于其中組分密度的不同，就有可能出現翻滾（rollover現象。發(fā)生翻滾現象時(shí)，根據現有設備能力，應該可以將汽化氣輸出，而事實(shí)上，由于這種汽化是在瞬間產(chǎn)生的，并且量極大，很難將其及時(shí)排出，這樣就會(huì )造成儲罐瞬間超壓，對設備造成損害，影響其使用壽命。所以，預防翻滾現象的發(fā)生，對保障船舶安全營(yíng)運具有很大的意義。

　　1 翻滾現象及產(chǎn)生的原因

　　1.1 翻滾現象分析及分類(lèi)

　　翻滾現象是指兩層不同密度的LNG在儲罐內迅速上下翻動(dòng)混合，瞬間產(chǎn)生大量的汽化氣的現象。在發(fā)生翻滾現象時(shí)，罐內LNG的汽化量為平時(shí)自然蒸發(fā)量的10～50倍，這樣將會(huì )導致儲罐內的氣壓迅速上升并超過(guò)設定的安全壓力，使儲罐出現超壓現象。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械損傷，對設備造成損壞，同時(shí)大量排放蒸發(fā)氣，不僅造成經(jīng)濟上的損失，對環(huán)境也造成污染�！�2】

　　一般LNG的組分為氮氣、甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷、異丁烷、正戊烷、異戊烷。因產(chǎn)地不同，其成分可能略有變化。

　　翻滾從現象來(lái)看分成兩類(lèi)：①LNG貯罐在長(cháng)期貯存中，因其中較輕的組分（主要是N2和CH4）優(yōu)先蒸發(fā)，而自發(fā)形成翻滾現象。②LNG貯罐中原來(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)同（幾個(gè)小時(shí)甚至幾十天）后，突然產(chǎn)生翻滾的現象�！�3～4】

　　翻滾是一種熱不穩定性現象，這種熱不穩定性是由密度變化引起的，其產(chǎn)生的必要條件是分層界面受到擾動(dòng)。界面擾動(dòng)既包括“邊界層穿透”，也包括界面的“渦旋混合”。分層界面的破壞首先出現在流動(dòng)邊界層，因為此處的流動(dòng)最為活躍，但是由于邊界層流動(dòng)只局限在分界面附近，因此它對分層界面的直接破壞僅僅發(fā)生在流動(dòng)邊界層內。除邊界層穿透破壞之外，上層液體的射流作用也會(huì )破壞分層循環(huán)流動(dòng)，因為上層液體的射流沖擊作用既可以直接破壞分層界面，又可通過(guò)“渦漩混合”不斷擴大其破壞范圍。

　　也就是說(shuō)，LNG的翻滾實(shí)際上是一種劇烈蒸發(fā)的過(guò)程。在儲罐中，密度小的液體會(huì )集聚在密度大的液體之上，抑制了下層液體的揮發(fā)。當儲罐內的LNG出現明顯的分層現象時(shí)，由于上層LNG靜壓的抑制作用，使得外界傳人的熱量無(wú)法通過(guò)下層的LNG液體的蒸發(fā)而散失，導致下層LNG處于過(guò)飽和狀態(tài)，下層液體就會(huì )溫度升高，少量的N2就會(huì )首先汽化，破壞兩層液體的界面，使得LNG儲罐內出現擾動(dòng)，也就是翻滾現象。如果儲罐內上層的LNG密度大于下層，下層LNG突然上升，導致邊界層破壞，液體揮發(fā)，產(chǎn)生劇烈擾動(dòng)，儲罐內的溫度上升，壓力也急劇上升，使翻滾現象進(jìn)一步加劇。

　　1.2 翻滾現象產(chǎn)生的原因

　�。�1）儲罐內LNG由于各組分密度不同，導致密度大的組分在下，密度小的組分在上，密度差會(huì )形成分層，有時(shí)即使僅差1 kg/m3也會(huì )分層，而分層是引發(fā)翻滾的第一步。有關(guān)資料介紹，如果儲罐內LNG有兩層，當其密度差為6.9kg/m3時(shí)，存放72h后就會(huì )產(chǎn)生翻滾現象�！�1】

　�。�2）LNG進(jìn)儲罐的溫度有細微變化，引起LNG的密度稍有變化，溫度高的LNG密度較小，溫度低的LNG密度較大，密度小的液體上浮，密度大的液體在下，產(chǎn)生分層的現象。一般的，當溫差為0.79 K時(shí)，存放72 h后將產(chǎn)生翻滾現象。

　�。�3）由于不同階段添加的LNG的組分不同，導致新日LNG的兩層液體密度不同，罐內液體存在密度差，產(chǎn)生分層現象，在存儲和運輸過(guò)程中就會(huì )有擾動(dòng)現象，劇烈的擾動(dòng)就是翻滾現象。

　　2 翻滾現象的預防

　　2.1 LNG分層的檢測

　　由于LNG分層是引發(fā)翻滾的前提，因此，在實(shí)際操作過(guò)程中如何檢測LNG分層非常重要。一般可以采取下列方法檢測LNG分層情況：

　�。�1）沿LNG儲罐高度設置測溫點(diǎn)，間距可為2.8 m左右，一般當溫差高達-14℃左右時(shí)，就有可能出現翻滾現象。這時(shí)為防止翻滾事故，就應該對儲罐進(jìn)行冷卻。

　�。�2）監測新灌入的LNG與儲罐內剩余LNG的密度差，也可以通過(guò)兩者的熱值差來(lái)監測。如果差值較大，應考慮出現翻滾的可能性。一般當密度差達5 kg/m3時(shí)，就要引起注意，應該采用進(jìn)行循環(huán)的方法來(lái)消除密度差。

　�。�3）監測LNG的蒸發(fā)速度。LNG分層會(huì )抑制LNG的蒸發(fā)速度，使得出現翻滾前的蒸發(fā)速度比通常情況下的蒸發(fā)速度低。采用壓力表監測罐內壓力時(shí)，大氣壓的變化會(huì )影響對LNG蒸發(fā)速度時(shí)監測，可以采用絕對壓力監測或記錄大氣壓的變化。

　　2.2 LNG分層和翻滾的預防

　　根據翻滾產(chǎn)生的機理，可以采取以下方法防止LNG分層和翻滾：

　�。�1）分別貯存。這是防止分層的較好方法，即將密度不同的LNG儲存于不同的儲罐中。但這需要多個(gè)儲罐，使營(yíng)運不僅經(jīng)濟，而且操作方便。

　�。�2）充分攪拌所有灌入儲罐的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泵由儲罐下部到上部打回流）的方法來(lái)使儲罐中的組分充分混合。

　�。�3）控制灌入儲罐LNG組成成分的密度變化范圍，盡可能減小組分的密度差。

　　對于大型LNG儲罐，充分攪和比較困難。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，設置安全釋放閥、放散火炬、回收壓縮系統等，防止LNG蒸發(fā)、翻滾造成儲罐超壓。一般同時(shí)采用上述兩個(gè)措施，并且盡量使一個(gè)儲罐僅用來(lái)儲存同一產(chǎn)地的LNG，控制其組分的變化范圍，從而防止LNG的翻滾現象。一般灌入儲罐的LNG的密度差盡量控制在15 kg/m3以?xún)取?/p>

　�。�4）選擇正確的充注方法。根據需要裝載的LNG與貨艙內原有的LNG密度有差異，正確選擇充注方法，可有效地防止分層。充注方法的選擇一般應遵循以下原則①密度相近時(shí)，一般底部充注。②將密度小的LNG充注到密度大的LNG貨艙中時(shí)，應該采用底部充注的辦法。③將密度大的LNG充注到密度小的LNG貨艙中時(shí)，應該采用頂部充注的辦法。④采用多孔管充注。多孔管即在充液管上開(kāi)有一定數目的小孔，使用多孔管充注可使充注的新LNG和原有的LNG充分混合，從而壁面分層。

　　根據經(jīng)驗，為了避免分層現象，在液化過(guò)程中，應注意分析進(jìn)料天然氣組分，不要有較大的密度差（密度差應盡量小于15 kg/m3）。否則采取LNG不進(jìn)儲罐，直接進(jìn)入汽化器。汽化后再輸到外界管網(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從罐頂部灌入。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，避免翻滾現象的產(chǎn)生。

　　3 結束語(yǔ)

　　LNG罐船營(yíng)運實(shí)踐表明，LNG在貨艙內因液體組分的密度不同，造成LNG的劇烈混合蒸發(fā)，即“翻滾”的非穩性現象。發(fā)生翻滾時(shí)，伴隨LNG大量蒸發(fā)，艙內壓力迅速升高，對LNG船舶的安全產(chǎn)生很大的威脅。如果在發(fā)生翻滾現象時(shí)將儲罐的安全釋放閥打開(kāi)，就會(huì )造成大量天然氣放空，污染環(huán)境，影響LNG船營(yíng)運的經(jīng)濟性。因此對翻滾現象必須引起足夠重視，采取積極有效的方法加以防范。

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