(中國船級社 武漢規(guī)范研究所，武漢 430022)

我國已有多艘船舶已經(jīng)或正在進(jìn)行LNG作為動力燃料的改建，LNG在船上的廣泛使用，促進(jìn)了LNG加注站點的部署，LNG加注站的部署需要結(jié)合加注效率考慮。以長江上500 m3的加注躉船為例，如果為20 m3的燃料罐加氣，假設(shè)加注時間為1 h，1 d只能加10～15艘船。如每艘船滿功率運行6 d，1座加注站可以供應(yīng)的船舶為60～90艘。如若長江水系船舶總數(shù)的10%完成改造(1.3萬條)，則需要建立約140座500 m3規(guī)模的加注躉船?？梢?，加注時間的長短影響著水上LNG應(yīng)用的供求關(guān)系。在管道內(nèi)徑一定的情況下，提高加注效率就必須從管道流速入手。但是，諸如靜電和壓力等多種因素決定了管道流速不可能無限制提高，特別是靜電的影響尤為關(guān)鍵。因此，研究在預(yù)防靜電危害發(fā)生的前提下確定安全的流速上限，不僅是提高加注效率的有效途徑，而且反過來又影響著管道內(nèi)徑大小的設(shè)計。為此，從靜電防護(hù)的角度出發(fā)，分析輸送管道的內(nèi)徑、長度和管內(nèi)流速在LNG加注過程中對靜電生成的影響，得出管道內(nèi)徑和流速的限制條件。通過對國內(nèi)外關(guān)于燃油類產(chǎn)品安全流速的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行研究分析，提出適合LNG加注需求的輸送管道內(nèi)徑和流速的約束條件。

1 LNG輸送管道內(nèi)靜電的形成

影響靜電產(chǎn)生的因素有很多，如物體周圍的溫度和濕度、摩擦力大小、物體的電阻率等。LNG富含甲烷(CH4)，屬于烴類液體，影響其帶電量的因素如下[1]。

1)流速。管道內(nèi)靜電量與流速的1.75次方成正比。

2)管道內(nèi)徑和長度。管道內(nèi)靜電量與管道內(nèi)徑的0.75次方成正比，且隨著管道長度增加而增加。

3)電導(dǎo)率。實驗證明，電導(dǎo)率在100 pS/m左右的液體，液體最易產(chǎn)生并積累靜電，而LNG的電導(dǎo)率在1～100 pS/m[2]。

4)雜質(zhì)。實驗證明，少量雜質(zhì)的存在會顯著增加靜電量，但是過多雜質(zhì)會不利于電荷的積累。

5)管道工藝。絕緣材料的管道，顯然容易聚積靜電，即使接地也無明顯效果；粗糙的管道內(nèi)壁，使LNG與管道的接觸面積增大，也易于聚積靜電。

2 基于靜電防護(hù)的LNG管道條件限定

導(dǎo)致靜電危險的3個基本進(jìn)程有①電荷分離；②電荷儲集；③靜電放電。液體流過管道、油類裝入油艙的初始擾動等都會產(chǎn)生液體電荷分離過程；液體電導(dǎo)率低于50 pS/m時被認(rèn)為是靜電儲集體，實際上，只要電導(dǎo)率足夠低，就會有電荷儲集；過強的靜電場在其周圍電阻突降時，儲集的電荷突發(fā)重組，就會產(chǎn)生“電暈”“刷形放電”和“火花”等靜電放電現(xiàn)象。

LNG流通管道就會產(chǎn)生電荷分離，其電導(dǎo)率在1～100 pS/m之間，足夠儲集可能引起靜電危害的電荷，若儲集了足夠的電荷，靜電放電現(xiàn)象又無法絕對避免?？紤]LNG液化過程中雜質(zhì)分離較好，而管道材料和內(nèi)壁平滑度等工藝也是固定的，因此，可以控制的預(yù)防靜電危害的因素只有管道長度、LNG流速以及管道內(nèi)徑。

2.1 靜電對管道長度的限制

管道長度對靜電的影響，根據(jù)文獻(xiàn)[3]中觀點，完全不帶電的液體在管道中流通時，起電和泄放電是同時存在的，初始時由于電荷少，起電快，泄放電慢，隨著管路電荷的增加，起電量和泄放電量趨于平衡，管路中形成穩(wěn)定的沖擊電流。

該沖擊電流I與管道長度L的近似數(shù)學(xué)關(guān)系滿足

(1)

式中：Js——起電電流密度，在平均流速及一定條件下為常量;

D——管道內(nèi)徑;

τ——液體的時間常數(shù);

v——液體平均流速。

不同τv下的沖擊電流I與管道長度L的近似關(guān)系曲線，見圖1。圖中各量只表示數(shù)值關(guān)系，不代表實際物理意義。

圖1 不同τv對應(yīng)的沖擊電流I與管道長度L的近似關(guān)系曲線

由沖擊電流I與管長L的數(shù)學(xué)關(guān)系來看，在起電過程中，沖擊電流隨著管道長度以指數(shù)形式增加，趨于飽和，且飽和值與管長無關(guān)。當(dāng)L=3τv時，電流可達(dá)飽和值的95%，此時的L稱為飽和距離。因此，實際中的管道長度，限于實際距離等條件不可能無限短，當(dāng)其接近或者超過飽和距離后，沖擊電流趨近飽和，調(diào)節(jié)靜電量的能力非常有限。

2.2 靜電對管道流速的限制

參照表1、表2目前國際、國內(nèi)對于各種油類防靜電的標(biāo)準(zhǔn)，LNG的管道流速應(yīng)該至少應(yīng)符合以下限制。

表1 國內(nèi)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于燃油類產(chǎn)品安全流速的有關(guān)規(guī)定

表2 國外有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于燃油類產(chǎn)品安全流速的有關(guān)規(guī)定

1)初始流速低于1 m/s。這主要從以下三方面考慮①液艙開始裝載時，水與油類的混合存在最大的可能性，油水混合物構(gòu)成最大的潛在靜電來源；②初始的進(jìn)油口低油速可以將油類進(jìn)入液艙造成的攪動和激濺降到最低，有助于減少靜電荷的產(chǎn)生；③初始的進(jìn)油口低油速可以使油霧的形成降到最低，油霧極易儲集電荷，導(dǎo)致可燃性大氣。

2)管徑條件允許時，最大流速低于7 m/s。油船靜電防范的既往操作和經(jīng)驗表明，只要流速低于7 m/s，潛在的危險發(fā)生可能性就極小。雖然也有相當(dāng)數(shù)量的行業(yè)文件認(rèn)為7 m/s的速度只是預(yù)防性的限制值，但是實際各種因素復(fù)雜，無法精確得到安全的更高流速，因此，出于LNG燃料的安全考慮，在管徑允許的條件下，最大流速不得超過7 m/s的安全經(jīng)驗流速。

根據(jù)以上分析，可以確定LNG加注過程的安全流速控制方案，見圖2。

圖2 LNG加注過程的安全流速控制方案

2.3 靜電對管道內(nèi)徑設(shè)計的影響

設(shè)計管道內(nèi)徑，必須綜合考慮流速和加注LNG的容積速率。容積速率就是單位時間內(nèi)加注的LNG液體體積。

根據(jù)表2中《API2003—1991防止靜電、閃電和雜散電流引燃的措施》《GB12158—1990防止靜電事故通用導(dǎo)則》和《SH/T3108—2000煉油廠全廠性工藝及熱力管道設(shè)計規(guī)范》規(guī)定的流速限制。

鐵路槽車為

v≤0.8/D

(2)

式中：v——流速，m/s；

D——管徑(直徑)，m。

汽車罐車為

v≤0.5/D

(3)

根據(jù)表2中《AS1020—1970南澳大利亞靜電規(guī)范》對于非導(dǎo)電烴的帶電安全水平的流速限制：

v2≤0.64/D

(4)

LNG液體的容積速率為

V=0.25πD2v

(5)

表3～表5為按式(1)～(4)的約束條件計算200 mm以內(nèi)的常用管徑在允許最大流速下對應(yīng)的容積速率。內(nèi)河船以鄂州的3 100 t散貨船為例，LNG儲罐容器是15 m3，目前國內(nèi)潛液泵排量最大為20 m3/h，根據(jù)表中數(shù)據(jù)，此3種限制條件下的加注均可以在30 min內(nèi)完成。

表3 v≤0.8/D時管道流速和容積速率

表4 v≤0.5/D時管道流速和容積速率

表5 v2≤0.64/ D時管道流速和容積速率

為更精確分析3個約束條件對管徑的影響，以D=100 mm，LNG加注容積速率v=100 m3/h為例，此時所需的最小流速vmin=3.54 m/s。定義約束條件下的速度裕量vP=vmax-vmin。vmax為約束條件下的最大速度。速度裕量可以轉(zhuǎn)化為更高的加注效率或相應(yīng)的管徑設(shè)計范圍。

1)根據(jù)式(2)的限制條件v≤0.8/D=8 m/s，取上限v≤7 m/s，速度裕量vP=3.46 m/s。

2)根據(jù)式(3)限制條件v≤0.5/D=5 m/s,速度裕量為vP=1.46 m/s。

3)根據(jù)式(4)限制條件,v2≤0.64/D=2.53 m/s，速度裕量為vP=1.01 m/s。

因此，在保證安全的前提下，約束條件式(2)可以提供最大的速度裕量，式(3)可以提供較好的速度裕量，式(4)所能提供的速度裕量最少。

根據(jù)以上分析，在保證LNG加注容積速率的前提下，對于管徑的設(shè)計，必要時可以以犧牲速度裕量來換取更寬廣的設(shè)計范圍。在實際設(shè)計中，考慮加注躉船LNG儲罐較大，儲罐的形狀和尺寸減弱了靜電場，躉船接受槽車充裝LNG管道的管徑范圍可依據(jù)式(2)來設(shè)計;而躉船的加注LNG管道的管徑范圍可依據(jù)式(3)來設(shè)計;在更為嚴(yán)格的靜電條件下，可參考式(4)來設(shè)計。

至此，對于確定的LNG加注量Vo，則對LNG燃料動力船的加注過程的總時間T可以大致由下式確定。

0.25πD2·v1·t1+

0.25πD2·vmax·(T-t1)=Vo

(4)

式中:t1——1 m/s流速對應(yīng)的時間;

vmax——最大流速,v1=1 m/s;

D——管徑。

3 建議

由于LNG擁有與油類物質(zhì)接近的電導(dǎo)率，LNG加注時其他針對管道防靜電對策可以參考油類防靜電標(biāo)準(zhǔn)。

1)加注時，保證加注管頭浸沒在LNG液面以下，以免發(fā)生飛濺現(xiàn)象。

2)避免使用小直徑的連接管，加注管最好使用金屬管，且保證接地。

3)當(dāng)增大泵的功率提高加注速度時，要相應(yīng)增大加注管的直徑或增加加注管根數(shù)，以避免單管流速過高。

4)實踐證明，采用T形、錐形、45°斜口形加注管頭，可以減輕從氣罐頂部加注時的沖擊，從而有效降低氣罐內(nèi)液面的靜電電位。

5)加注結(jié)束后，不能使用壓縮空氣來清除加注管內(nèi)的殘液，防止形成可燃混合氣體。

[1] 簡明學(xué).現(xiàn)代船舶消防[M].南京：廣西科學(xué)技術(shù)出版社，1992.

[2] 何茂權(quán).液化天然氣儲運系統(tǒng)風(fēng)險評價[D].上海：同濟(jì)大學(xué)，2007.

[3] 趙航宇.船-岸安全電氣連接新技術(shù)研究[D].上海：上海海運學(xué)院，2001.