安全评价师考试基础知识备考考点：液化天然气运输中的翻滚现象及预防

　　引言

　　目前，国际石油价格仍处于高位，各国将能源消费纷纷转向天然气，不少国家准备大量进口天然气。因此，对天然气的海上运输工具——液化天然气(LNG)船的需求量将显着增加，对液化天然气船舶管理的要求也越来越高。天然气液态储存是将经过脱水、脱烃和脱酸等净化处理的天然气，在常压下通过制冷降温至-162℃左右进行液态储存。液态储存天然气可以将天然气的体积缩小600多倍。【1】LNG在充注和储存过程中，由于其中组分密度的不同，就有可能出现翻滚(rollover现象。发生翻滚现象时，根据现有设备能力，应该可以将汽化气输出，而事实上，由于这种汽化是在瞬间产生的，并且量极大，很难将其及时排出，这样就会造成储罐瞬间超压，对设备造成损害，影响其使用寿命。所以，预防翻滚现象的发生，对保障船舶安全营运具有很大的意义。

　　1 翻滚现象及产生的原因

　　1.1 翻滚现象分析及分类

　　翻滚现象是指两层不同密度的LNG在储罐内迅速上下翻动混合，瞬间产生大量的汽化气的现象。在发生翻滚现象时，罐内LNG的汽化量为平时自然蒸发量的10～50倍，这样将会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释放阀排放，就有可能造成贮槽的机械损伤，对设备造成损坏，同时大量排放蒸发气，不仅造成经济上的损失，对环境也造成污染。【2】

　　一般LNG的组分为氮气、甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷、异丁烷、正戊烷、异戊烷。因产地不同，其成分可能略有变化。

　　翻滚从现象来看分成两类：①LNG贮罐在长期贮存中，因其中较轻的组分(主要是N2和CH4)优先蒸发，而自发形成翻滚现象。②LNG贮罐中原来留有液化天然气，在充装密度不同、温度不同的新LNG一段时同(几个小时甚至几十天)后，突然产生翻滚的现象。【3～4】

　　翻滚是一种热不稳定性现象，这种热不稳定性是由密度变化引起的，其产生的必要条件是分层界面受到扰动。界面扰动既包括“边界层穿透”，也包括界面的“涡旋混合”。分层界面的破坏首先出现在流动边界层，因为此处的流动最为活跃，但是由于边界层流动只局限在分界面附近，因此它对分层界面的直接破坏仅仅发生在流动边界层内。除边界层穿透破坏之外，上层液体的射流作用也会破坏分层循环流动，因为上层液体的射流冲击作用既可以直接破坏分层界面，又可通过“涡漩混合”不断扩大其破坏范围。

　　也就是说，LNG的翻滚实际上是一种剧烈蒸发的过程。在储罐中，密度小的液体会集聚在密度大的液体之上，抑制了下层液体的挥发。当储罐内的LNG出现明显的分层现象时，由于上层LNG静压的抑制作用，使得外界传人的热量无法通过下层的LNG液体的蒸发而散失，导致下层LNG处于过饱和状态，下层液体就会温度升高，少量的N2就会首先汽化，破坏两层液体的界面，使得LNG储罐内出现扰动，也就是翻滚现象。如果储罐内上层的LNG密度大于下层，下层LNG突然上升，导致边界层破坏，液体挥发，产生剧烈扰动，储罐内的温度上升，压力也急剧上升，使翻滚现象进一步加剧。

　　1.2 翻滚现象产生的原因

　　(1)储罐内LNG由于各组分密度不同，导致密度大的组分在下，密度小的组分在上，密度差会形成分层，有时即使仅差1 kg/m3也会分层，而分层是引发翻滚的第一步。有关资料介绍，如果储罐内LNG有两层，当其密度差为6.9kg/m3时，存放72h后就会产生翻滚现象。【1】

　　(2)LNG进储罐的温度有细微变化，引起LNG的密度稍有变化，温度高的LNG密度较小，温度低的LNG密度较大，密度小的液体上浮，密度大的液体在下，产生分层的现象。一般的，当温差为0.79 K时，存放72 h后将产生翻滚现象。

　　(3)由于不同阶段添加的LNG的组分不同，导致新日LNG的两层液体密度不同，罐内液体存在密度差，产生分层现象，在存储和运输过程中就会有扰动现象，剧烈的扰动就是翻滚现象。

　　2 翻滚现象的预防

　　2.1 LNG分层的检测

　　由于LNG分层是引发翻滚的前提，因此，在实际操作过程中如何检测LNG分层非常重要。一般可以采取下列方法检测LNG分层情况：

　　(1)沿LNG储罐高度设置测温点，间距可为2.8 m左右，一般当温差高达-14℃左右时，就有可能出现翻滚现象。这时为防止翻滚事故，就应该对储罐进行冷却。

　　(2)监测新灌入的LNG与储罐内剩余LNG的密度差，也可以通过两者的热值差来监测。如果差值较大，应考虑出现翻滚的可能性。一般当密度差达5 kg/m3时，就要引起注意，应该采用进行循环的方法来消除密度差。

　　(3)监测LNG的蒸发速度。LNG分层会抑制LNG的蒸发速度，使得出现翻滚前的蒸发速度比通常情况下的蒸发速度低。采用压力表监测罐内压力时，大气压的变化会影响对LNG蒸发速度时监测，可以采用绝对压力监测或记录大气压的变化。

　　2.2 LNG分层和翻滚的预防

　　根据翻滚产生的机理，可以采取以下方法防止LNG分层和翻滚：

　　(1)分别贮存。这是防止分层的较好方法，即将密度不同的LNG储存于不同的储罐中。但这需要多个储罐，使营运不仅经济，而且操作方便。

　　(2)充分搅拌所有灌入储罐的LNG，消除密度差，防止LNG的分层。一般采用循环泵进行循环(即用LNG泵由储罐下部到上部打回流)的方法来使储罐中的组分充分混合。