天然氣和LNG泄漏及發(fā)生火災時(shí)消防處置方式

摘 要

當LNG泄漏(或已著(zhù)火)時(shí),嚴禁噴灑水(或用水滅火)。因為L(cháng)NG與水接觸時(shí),會(huì )發(fā)生快速相變現象。水與LNG之間的熱傳遞速率非常高,LNG將激烈地沸騰,伴隨大的響聲并形成水霧,導致LNG發(fā)生蒸氣爆炸,有時(shí)也稱(chēng)之為冷爆炸。
當LNG大規模泄漏時(shí),采用水槍噴水方式稀釋、驅散和吸收天然氣,是極其錯誤的處置手段和方式,必將導致災難性的嚴重后果。

1   概述

燃氣引發(fā)的火災與爆炸均始于燃氣泄漏。燃氣泄漏會(huì )帶來(lái)財物和環(huán)境的損失以及人員窒息的潛在危險,而燃氣泄漏處置不當引發(fā)的火災與爆炸將對人員、財物和環(huán)境造成令人難以承受的災難。燃氣一旦泄漏,將按以下目的對燃氣設施及現場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行有效管控。

①?lài)栏窨刂埔磺锌赡艽嬖诨虍a(chǎn)生的點(diǎn)火源,使泄漏的燃氣不發(fā)生火災與爆炸,消防搶險時(shí)不發(fā)生人身傷害。

②提高最小點(diǎn)火能量以及使爆炸極限范圍收窄,使其難以發(fā)生火災與爆炸。

③降低燃氣泄漏強度或泄漏速率,掌控燃氣擴散范圍及方向,使火災與爆炸造成的損失最小化。

④一旦發(fā)生火災,控制火勢的發(fā)展,并采取安全有效的滅火方式。

從《中華人民共和國消防法實(shí)施細則》和相關(guān)消防管理規定中可知,消防機構的技術(shù)手段、消防器材和工作流程主要是針對撲滅火災制定。針對燃氣泄漏缺少必要和有效的消防處置技術(shù)手段,存在一些不合理、不科學(xué)的技術(shù)手段和消防理念,若處置不當,不但不能削弱潛在的危險,反而大幅度增加搶險過(guò)程危險性。本文將以天然氣和LNG泄漏以及火災現象為研究對象,探討消防處置的科學(xué)性和有效性。

2   天然氣和LNG泄漏時(shí)的消防處置現狀

①管道天然氣泄漏消防處置方式

一旦天然氣設施受損發(fā)生大規模泄漏,目前公安消防機構和燃氣經(jīng)營(yíng)企業(yè)通常采用對泄漏點(diǎn)和已形成的易燃易爆氣團進(jìn)行水槍噴灑,稀釋、驅散及吸收天然氣,然后由燃氣經(jīng)營(yíng)企業(yè)關(guān)閉相關(guān)閥門(mén),切斷天然氣供應,逐步減少天然氣外泄直至停止。同時(shí)設置警戒區,并指派專(zhuān)人進(jìn)行安全監護。警戒區內嚴禁一切可能的點(diǎn)火源進(jìn)入,嚴防火災和爆炸事故意外發(fā)生。非防爆車(chē)輛、工具以及非工作人員嚴禁進(jìn)入警戒區。

②LNG泄漏消防處置方式

近年來(lái),我國沒(méi)有發(fā)生大規模LNG泄漏,在此我們根據消防應急救援演練過(guò)程分析LNG泄漏處置。

國內一些大型燃氣運營(yíng)商與消防官兵聯(lián)合開(kāi)展LNG站消防應急救援演練時(shí),均采用水槍對液化天然氣(LNG)泄漏點(diǎn)(LNG儲罐根部閥門(mén)發(fā)生泄漏)及周?chē)鷰鈪^進(jìn)行噴射,驅散稀釋泄漏的天然氣,很快泄漏得到控制。

3   當前天然氣和LNG泄漏時(shí)消防處置方式

3.1  管道天然氣泄漏消防處置方式探討

①?lài)娝欠窨梢韵♂?、驅散天然?/p>

水槍對天然氣泄漏點(diǎn)及周?chē)鷰鈪^進(jìn)行噴射形成的mm級水滴,對呈氣態(tài)狀分子的氣相天然氣的稀釋能力和驅散效果微乎其微。局部的稀釋和驅散對小規模泄漏點(diǎn)短時(shí)間會(huì )有一定的積極作用。

對于天然氣高中壓管道或儲存容器受損而發(fā)生的泄漏事故,從泄漏到接警再抵達事故現場(chǎng)需要經(jīng)歷一段時(shí)間,此時(shí)現場(chǎng)環(huán)境中已形成較大體積的天然氣和空氣混合而成的易爆氣團。由于天然氣無(wú)色透明,天然氣擴散邊界難以通過(guò)目測迅速框定,局部的稀釋和驅散對整個(gè)危險區域無(wú)積極意義,還可能因此威脅到近處操作的消防人員人身安全。

②噴水是否可以吸收天然氣

天然氣非常難以溶于水。常溫常壓(壓力為103.36 kPa,溫度為20 ℃)下溶解度(質(zhì)量分數)約為0.002 8%,即1 t水中可以溶解甲烷約為28 g[1]。

向天然氣噴水時(shí),散射的水滴瞬間吸收天然氣能力應遠小于天然氣在水中的溶解度。從宏觀(guān)上來(lái)看,采用消防水槍噴水幾乎不吸收天然氣,因此,天然氣泄漏時(shí)采取以水吸收天然氣的做法既無(wú)效也不科學(xué)。

③噴水是否可降低發(fā)生火災爆炸的危險性

a.噴水是否可提高最小點(diǎn)火能量

點(diǎn)火是著(zhù)火在局部發(fā)生并向外部傳播而引發(fā)燃燒或爆炸的重要步驟。最小點(diǎn)火能量,是指能引起一定濃度可燃物燃燒或爆炸所需要的最小能量。所以最小點(diǎn)火能量的高低也是衡量可燃氣體、粉塵燃燒爆炸危險性的重要參數。對于釋放能量很小的撞擊摩擦火花、靜電火花,其能量是否大于最小點(diǎn)火能量,是判定其能否作為火源引發(fā)火災和爆炸事故的重要條件。適當提高最小點(diǎn)火能量,有利于降低發(fā)生火災和爆炸的危險性。液相水氣化成為水蒸氣時(shí)吸收大量汽化潛熱而降低了環(huán)境溫度,同時(shí)也降低了含氧量,最終導致最小點(diǎn)火能量提高。

水蒸氣可使天然氣分子和氧分子隔離,在它們之間形成一層阻礙相互化合的有效屏障。這層屏障可以降低天然氣分子和氧分子運動(dòng)速度,使游離基消失,反應中斷,抑制氧化、燃燒的持續性,大大降低點(diǎn)火成功率。提高最小點(diǎn)火能量的關(guān)鍵是水快速氣化成為水蒸氣,融入泄漏點(diǎn)周邊環(huán)境中,而不是直接向泄漏點(diǎn)噴水或灑水。

b.噴水是否降低搶險過(guò)程中的點(diǎn)火可能性

通過(guò)氣化器廠(chǎng)家分析可知,噴水不能從根本上起到防范泄漏天然氣燃燒或爆炸的作用,但能起到防止搶險工具碰撞或跌落產(chǎn)生火花而意外點(diǎn)火。

不利的是噴水或灑水過(guò)多會(huì )使得有些地面過(guò)于泥濘,妨礙搶險工作進(jìn)行。

c.噴水是否使爆炸極限范圍收窄

倘若在天然氣與空氣的混合氣體中加入水蒸氣等惰性氣體(通常指不參與氧化、燃燒反應的常見(jiàn)氣體),當氧分子沖擊惰性氣體時(shí),活化分子失去活化能量,使反應鍵中斷。若在某處已經(jīng)著(zhù)火,則放出熱量被惰性氣體吸收,熱量不能積聚,火焰不能蔓延到可燃氣體分子上去,可起到抑制作用?;旌蠚怏w中增加惰性氣體含量,可有效地降低燃燒速度,會(huì )使爆炸上限顯著(zhù)降低,爆炸范圍收窄。惰性氣體增到一定濃度時(shí),可使爆炸范圍為零,即爆炸上下限重疊,使混合氣體不發(fā)生爆炸。

在一般情況下,爆炸性混合物中惰性氣體含量增加,對其爆炸上限的影響比對爆炸下限的影響更為顯著(zhù)。

只有泄漏環(huán)境中加入大量的水蒸氣而不是噴水或灑水,才能使爆炸極限范圍有效收窄。

d.噴水是否影響泄漏燃氣的擴散范圍

目前我國主要城市的天然氣在標準狀態(tài)(壓力為101 325 Pa,溫度為0 ℃)下,密度為0.74~0.78 kg/m3,低于空氣密度。在地面上泄漏后受到大氣夾帶進(jìn)行被動(dòng)擴散并得到稀釋?zhuān)瑪U散過(guò)程中表現出上升的趨勢,適用于高斯擴散模型。

影響泄漏擴散范圍的主要因素很多,與天然氣壓力、泄漏孔面積、地面風(fēng)速、大氣穩定度、風(fēng)向等主要參數有關(guān)。風(fēng)向決定泄漏氣體的擴散方向,風(fēng)速決定泄漏氣體擴散速度。

直接用水槍向泄漏點(diǎn)及周邊環(huán)境中噴灑出的水的體積與泄漏天然氣的體積相比極小,對一般規模的天然氣泄漏擴散范圍的影響不大,只有對天然氣泄漏規模極小時(shí),方可產(chǎn)生較有利的影響。

e.以噴水稀釋和吸收天然氣的錯誤理念由來(lái)

推測該理念應該是受到氨氣(或氯氣)泄漏處置流程的影響。氨氣具有毒性和燃燒、爆炸能力,與空氣形成的混合氣體爆炸極限范圍以體積分數計為15.7%~27.4%,在常溫常壓下,1 m3水能溶解約500 m3氨氣。氨氣一旦溶于水成為氨水,不再具有燃燒和爆炸能力,毒性也大大降低。當氨氣泄漏時(shí),采用水吸收為最佳選擇。同樣水對氯氣也有極高的吸收率。

3.2  LNG泄漏消防處置方式

LNG儲罐或管道泄漏時(shí),液體從泄漏點(diǎn)噴射而出,起初會(huì )發(fā)生猛烈沸騰蒸發(fā),隨后蒸發(fā)率迅速衰減至一個(gè)固定值,蒸氣沿地面形成層流,從環(huán)境中吸收熱量并逐漸上升和擴散,同時(shí)將周?chē)目諝饫鋮s至露點(diǎn)以下,形成一個(gè)可見(jiàn)云團。

①是否可用噴水方式來(lái)稀釋和吸收LNG

當LNG泄漏(或已著(zhù)火)時(shí),嚴禁噴灑水(或用水滅火)。因為L(cháng)NG與水接觸時(shí),會(huì )發(fā)生快速相變現象。水與LNG之間的熱傳遞速率非常高,LNG將激烈地沸騰,伴隨大的響聲并形成水霧,導致LNG發(fā)生蒸氣爆炸,有時(shí)也稱(chēng)之為冷爆炸。

當LNG大規模泄漏時(shí),采用水槍噴水方式稀釋、驅散和吸收天然氣,是極其錯誤的處置手段和方式,必將導致災難性的嚴重后果。

②為何演練LNG泄漏處置常用噴水方式

a.未設定真實(shí)的事故狀態(tài)

目前消防應急救援演練并沒(méi)有人為制造真實(shí)的LNG大規模泄漏實(shí)戰狀況,而是模擬泄漏,缺乏真實(shí)性和科學(xué)性。大多數消防處置是為演練應急預案流程,只為“看”不為“戰”,過(guò)多追求場(chǎng)面氣勢和表演效果。

b.編制應急預案時(shí)存在思維慣性

LNG泄漏消防應急救援演練只是錯誤地拷貝了常溫儲存液化石油氣(LPG)儲罐發(fā)生泄漏的消防應急預案的處置辦法。完全忽略了常溫儲存的LPG與低溫儲存的LNG理化特性有著(zhù)巨大的差異。

3.3  天然氣泄漏對人體傷害及一般處置方式

①天然氣引起的窒息傷害

實(shí)驗證明,救援人員如果吸入過(guò)量的天然氣會(huì )引起缺氧窒息。當空氣中天然氣的體積分數高于50%時(shí),氧氣的體積分數將低于10.5%,將對人體會(huì )產(chǎn)生永久性傷害。如果吸入純天然氣,很快就會(huì )失去知覺(jué)甚至死亡。即使天然氣濃度不是很高,長(cháng)時(shí)間吸入也可能發(fā)生緩慢窒息[2]。

②目前錯誤的處置方式

目前一般均要求配備一定數量的自吸過(guò)濾式防毒面具。自吸過(guò)濾式防毒面具是以高效活性炭藥劑為載體,其不能防范一氧化碳中毒。一氧化碳是燃氣燃燒惡化時(shí)煙氣中的主要有害成分,除非是針對吸收一氧化碳制作的防毒面具。

自吸過(guò)濾式防毒面具不能在空氣中含氧量低于18%環(huán)境內使用,即不能防范天然氣泄漏時(shí)引起的缺氧窒息傷害。

4   泄漏引發(fā)火災時(shí)消防處置現狀

①管道天然氣泄漏引發(fā)火災時(shí)消防處置

根據報道,部分消防人員在管道天然氣泄漏發(fā)生火災時(shí),常采用高壓噴水車(chē)和移動(dòng)水炮對著(zhù)火點(diǎn)進(jìn)行強制滅火。當燃燒的大火熄滅后,將會(huì )有大量的天然氣外泄。由于天然氣分子運動(dòng)以及與大氣較大的密度差雙重作用,在多維方向擴散能力較強,受風(fēng)向影響很大,對災難發(fā)展控制十分不利。一旦失控,極易發(fā)生爆炸,該方法具有較強的危險性。

②LNG泄漏發(fā)生火災時(shí)消防處置

目前沒(méi)有撲滅LNG大規?;馂牡膱蟮?,只有針對LNG大規?;馂牡南姥菥殘蟮?,演練模擬LNG泄漏并發(fā)生火災,處置方法是用水滅火和驅散泄漏的天然氣。

a.較小規模LNG火災撲滅

當容器或管道裂口較小時(shí),LNG發(fā)生泄漏后就會(huì )立即蒸發(fā),在壓差作用下以較高速度噴射到大氣中。如發(fā)生火災,視同天然氣著(zhù)火,此刻若錯誤地采用水槍噴水滅火,或采用噴射泡沫滅火,若火焰熄滅而泄漏沒(méi)有制止,LNG蒸氣與空氣的混合物形成“氣云”,爆炸危險性提高。

b.中等規模LNG火災撲滅

當容器或管道裂口中等時(shí),LNG將以噴射流的方式噴灑到大氣中,若被點(diǎn)燃,則發(fā)生噴射火災。此刻若采用水槍滅火,水與LNG之間劇烈地熱交換,引發(fā)LNG強烈氣化,體積迅速膨脹,產(chǎn)生爆炸性效果,火勢難以控制,必將導致更大的災難。

c.大規模LNG火災撲滅

當容器或管道裂口很大時(shí),LNG大量泄漏積聚并流向低洼處或圍堰內形成液池,若延遲點(diǎn)燃或遠處點(diǎn)燃,則回燃至液池內引起池火。

池火是LNG火災中最嚴重、最危險的類(lèi)型,其熱輻射會(huì )對遠距離的人和設施造成損害。根據某燃氣公司《危險化學(xué)品重大危險源安全評估報告》,規模為1 912.5 t LNG泄漏,火災產(chǎn)生的強烈熱輻射會(huì )導致454 m(側風(fēng)向)范圍內的人員死亡?;馂牡娜紵秶?、火焰高度及破壞性與LNG泄漏速率、泄漏總量、周邊環(huán)境及氣象條件等有關(guān)。

在火災巨大熱量與LNG的超低溫交替作用下,容易對LNG儲存、運輸低溫容器產(chǎn)生二次損害。當火災產(chǎn)生的熱輻射強度足夠大時(shí),可使周?chē)奈矬w變形或燃燒。此刻若采用水槍滅火,引發(fā)液池內的LNG更加強烈氣化,發(fā)生爆炸性體積膨脹,將引發(fā)毀滅性的大災難。

5   泄漏時(shí)科學(xué)有效的消防處置方式

①管道天然氣泄漏消防處置方式

泄漏出的天然氣被稀釋、提高最小點(diǎn)火能量以及使爆炸極限范圍收窄均依賴(lài)于在天然氣與空氣形成的易燃易爆氣團中更多更迅速地加入惰性氣體。最容易獲得的惰性氣體就是水蒸氣,其相對分子質(zhì)量、密度同甲烷十分接近,與甲烷更容易融合。同時(shí)水氣化成為水蒸氣時(shí)會(huì )吸收大量汽化潛熱而降低環(huán)境溫度,也可降低搶險過(guò)程中的點(diǎn)火可能性。

水快速霧化、氣化為水蒸氣融入環(huán)境尤為重要,如何高效地發(fā)生水蒸氣成為天然氣泄漏消防處置的關(guān)鍵因素。

市場(chǎng)上常見(jiàn)的高壓氣流遠程引射噴霧器,水能夠被粉碎成粒徑僅為30 μm細小霧粒,射程逾200 m,覆蓋面積大。水被高速射出,在空氣中漂浮不易落地,其氣化為水蒸氣的能力很強。同時(shí)由于射速很高,驅散泄漏點(diǎn)及周邊環(huán)境中的天然氣能力較強。

車(chē)載移動(dòng)式高壓氣流遠程引射噴霧器被用來(lái)稀釋、驅散泄漏點(diǎn)及環(huán)境中的天然氣,可有效降低發(fā)生火災和爆炸的危險性,是一個(gè)積極可行的方案。

②LNG泄漏消防處置方式

依據CJJ 51—2016《 城鎮燃氣設施運行、維護和搶修安全技術(shù)規程》第5.3.15 條,“當LNG大量泄漏時(shí),應立即啟動(dòng)全站緊急切斷裝置,并應停止站區全部作業(yè);可使用泡沫發(fā)生設備對泄漏出的LNG進(jìn)行表面泡沫覆蓋,使其與空氣隔離;并應設置警戒范圍和快速撤離疏散人員,待LNG全部氣化擴散后再進(jìn)行檢修。”在儲罐周?chē)O置圍堰或攔蓄區,是為了降低LNG發(fā)生泄漏時(shí)產(chǎn)生的危害。其作用在于限制泄漏形成的液池發(fā)生外流和進(jìn)一步擴散。

當LNG發(fā)生泄漏時(shí),泄漏的LNG與周?chē)矬w接觸,將會(huì )強烈地氣化成為低溫天然氣(初始溫度低而密度大于空氣),如果氣化率過(guò)快,體積過(guò)大,會(huì )向周邊快速擴散和蔓延,就有可能引起火災或爆炸。為了減小這種危險性,必須降低其蒸發(fā)率。使用含水量較低、低密度的、發(fā)泡倍數為500倍的泡沫覆蓋隔絕泄漏的LNG是降低其氣化的有效手段。同時(shí)能夠對形成的沉積云團起到一定抬升作用,降低地面可燃氣體濃度,從而降低了起火爆炸的可能性。

也可以向LNG的液面通過(guò)播撒設備播撒一些密度低、熱容量小的材料,使其浮在液體表面,以減少液體表面直接與空氣接觸的面積。泡沫玻璃熱導率低、不燃燒,在這種場(chǎng)合使用具有很好的防火作用。

③防止泄漏對人體傷害的處置方式

正確的防護方式應采用隔離式呼吸器(又稱(chēng)為貯氣式防毒面具)。供消防員或搶險救護人員在濃煙、毒氣、蒸汽或缺氧等各種環(huán)境下安全有效地開(kāi)展搶險、救護和滅火工作。

隔離式空氣呼吸器以鋼瓶中盛裝的壓縮空氣為氣源,工作時(shí)間一般為30~90 min。專(zhuān)業(yè)消防員需要長(cháng)時(shí)間工作佩戴應首選隔離式氧氣呼吸器,工作時(shí)間可長(cháng)達60~240 min。天然氣經(jīng)營(yíng)企業(yè)的搶險救護人員一般使用隔離式空氣呼吸器即可滿(mǎn)足通常的搶險救護需要。

6   發(fā)生火災時(shí)科學(xué)有效的消防處置方式

①天然氣泄漏發(fā)生火災時(shí)正確處置方法

目前針對天然氣泄漏發(fā)生火災時(shí)處置辦法,絕大多數現場(chǎng)處理科學(xué)合理。依據CJJ 51—2016第5.2.2條,主要遵循“當燃氣設施發(fā)生火災時(shí),應采取切斷氣源或降低壓力等方法控制火勢。并應防止產(chǎn)生負壓。”在燃氣設施火災事故搶修中降低壓力控制火勢時(shí),應注意維持燃氣有一定正壓,如果快速關(guān)閉閥門(mén),不僅會(huì )造成瞬間降壓,而且可能導致管道內的天然氣回流,吸入空氣,增加發(fā)生爆炸的危險性。所以,只能采取管道逐步降壓處理,當管道內壓力達到微正壓(300~800 Pa)時(shí),才能將火撲滅,燃氣公司相關(guān)技術(shù)人員隨后將對管道泄漏點(diǎn)進(jìn)行清理、堵漏。

②LNG泄漏發(fā)生火災時(shí)一般處置辦法

依據CJJ 51—2016第5.3.16條,“LNG泄漏著(zhù)火后,不得用水滅火。當LNG泄漏著(zhù)火區域周邊設施受到火焰灼熱威脅時(shí),應對未著(zhù)火的儲罐、設備和管道進(jìn)行隔熱、降溫處理。”當需要對著(zhù)火設施進(jìn)行滅火時(shí)可采用干粉滅火系統,它是撲救較大火災的最有效措施。對泄漏量較小的火災,可用二氧化碳、鹵代烷進(jìn)行撲救。滅火后應立即切斷氣源,防止復燃的發(fā)生。

此外還要對著(zhù)火設施及鄰近未著(zhù)火的儲罐、設備和管道,在不影響已泄漏的LNG時(shí)可采用水進(jìn)行隔熱、冷卻保護,固定式冷卻設備失效時(shí)應迅速采用消防水炮等移動(dòng)式設備進(jìn)行冷卻,避免儲罐受熱發(fā)生超壓爆炸,造成更大災害。

為了抑制火災的持續性,切斷LNG供應尤其重要。若是因LNG儲罐損壞泄漏引發(fā)的火災,幾乎不可能切斷供應。

當判斷火災已被有效控制不再蔓延以及不會(huì )產(chǎn)生新的破壞時(shí),應當讓液池中的LNG有序受控地燃燒殆盡。在大部分場(chǎng)合控制火焰的發(fā)展和蔓延實(shí)際效果要好于滅火,使其不再可能產(chǎn)生天然氣與空氣形成的易爆氣團。

針對由LNG設施損壞泄漏引發(fā)的火災,是選擇滅火還是受控燃燒,應根據現場(chǎng)實(shí)際狀況科學(xué)地決斷。

在這里,氣化器廠(chǎng)家要提醒大家,干粉滅火器只能用于滅火,不可采用干粉滅火器對泄漏出的LNG表面覆蓋,使其與空氣隔離。干粉只有通過(guò)與火焰接觸時(shí)產(chǎn)生物理化學(xué)作用才有抑制火焰傳播的效果。

7   結論

①為了降低天然氣泄漏后的危險性,關(guān)鍵因素是水快速霧化并氣化成為水蒸氣融入環(huán)境中,而不是直接向泄漏點(diǎn)噴水或灑水。

②當大量LNG泄漏時(shí),可用泡沫對其表面覆蓋,使其與空氣隔離。絕不可以采用水槍噴水方式稀釋、驅散和吸收天然氣,否則,必將導致災難性嚴重后果。

③自吸過(guò)濾式防毒面具不能防范天然氣泄漏時(shí)引起的缺氧窒息傷害,應選擇隔離式呼吸器。

④天然氣設施發(fā)生火災時(shí)的正確處置方式是有效控制火勢擴展與蔓延,而不是迅速滅火,更要避免滅火后天然氣外泄擴散,增加爆炸危險性。

⑤一切燃氣事故發(fā)生均由于疏于防范,一切燃氣事故擴大和升級均由于事故初期處置失當。

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