當(dāng)不同密度的分層存在時(shí)，上部較輕的層可正常對(duì)流，并通過向氣相空間的蒸發(fā)釋放熱量。但是，如果在下層由浮升力驅(qū)動(dòng)的對(duì)流太弱，不能使較重的下層液體穿透分界面達(dá)到上層的話，下層就只能處于一種內(nèi)部對(duì)流模式。上下兩層對(duì)流獨(dú)立進(jìn)行，直到兩層間密度足夠接近時(shí)發(fā)生快速混合，下層被抑制的蒸發(fā)量釋放出來(lái)。這時(shí)，往往伴隨有表面蒸發(fā)率的驟增，大約可達(dá)正常情況下蒸發(fā)率的250倍。
低溫液體儲(chǔ)存時(shí)常處于過熱狀態(tài)，翻滾時(shí)液層的迅速混合加快了罐內(nèi)液體的流動(dòng)，為液體內(nèi)積聚能量通過表面蒸發(fā)提供了條件，因而蒸發(fā)率驟增，儲(chǔ)罐壓力驟增，蒸氣通過安全閥釋放。若安全閥容量不足，可能損壞儲(chǔ)罐。
分析表明，很小的密度差就可導(dǎo)致渦旋的發(fā)生。LNG成分改變對(duì)其密度的影響比液體溫度改變的影響大。一般來(lái)說，儲(chǔ)槽底部較薄的一層重液體不會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重問題，即儲(chǔ)槽壓力不會(huì)因翻滾而有大的變化。反之，儲(chǔ)槽上部較薄的一層輕液體會(huì)導(dǎo)致翻滾的后果非常嚴(yán)重。形成翻滾的機(jī)理比較復(fù)雜，綜合如下：
(1) 儲(chǔ)罐周壁形成邊界層，下層邊界層密度降低后上升，穿透分界面與上邊界層混合并上升至液面蒸發(fā)。
(2) 分層面之間受到的擾動(dòng)形成液體波，促進(jìn)液層的混合與蒸發(fā)。
(3) 分層液體之間存在能量和物質(zhì)的交換，下層液體通過分界面進(jìn)入上層，上層液體進(jìn)入下層。下層液體進(jìn)入上層后又卷攜上層液體進(jìn)入下層，上層液體進(jìn)入下層后又卷攜下層液體進(jìn)入上層等，總的效果是使上層液體量增加，分界面下移并受到擾動(dòng)。
(4) 影響兩層液體密度達(dá)到相等的時(shí)間因素有：上層液體因蒸發(fā)發(fā)生的成分變化、層間熱質(zhì)傳遞、底層的漏熱。蒸發(fā)氣體的組成與上層LNG不一樣，除非液體是純甲烷。如果LNG由飽和甲烷和某些重碳?xì)浠衔锝M成，蒸發(fā)氣體基本上是純甲烷。這樣，上層液體的密度會(huì)隨時(shí)間增大，導(dǎo)致兩層液體密度相等。如果LNG中含有較多的氮，則這一過程會(huì)被推遲，因氮將先于甲烷蒸發(fā)，而氮的蒸發(fā)導(dǎo)致液體密度減小。層間的質(zhì)量傳遞較熱量傳遞更為緩慢，但由于甲烷向上層及重?zé)N向下層的擴(kuò)散，這一過程也有助于兩層的密度均勻等。
(5) 對(duì)于溫度的影響，下部更重的層比上層更熱且富含重?zé)N。從這層向上層的傳熱，加快上層的蒸發(fā)并使其密度增大。從與下層液體接觸的罐壁傳入的熱量在該層聚集。如果這一熱量大于其向上層的傳熱量，則該層的溫度會(huì)逐漸升高，密度也因熱膨脹而減小。如果這一熱量小于其向上層的傳熱量，則該層將趨于變冷，這將使分層更為穩(wěn)定，并推遲翻滾的發(fā)生。
(四) 間歇泉和水錘現(xiàn)象
如果儲(chǔ)罐底部有很長(zhǎng)的而且充滿LNG的豎直管路，由于管內(nèi)流體受熱，管內(nèi)的蒸發(fā)氣體可能會(huì)定期地產(chǎn)生LNG突然噴發(fā)。產(chǎn)生這種突然噴發(fā)的原因，是由于管路蒸發(fā)的氣體不能及時(shí)地上升到液面，溫度不斷升高，氣體的密度減小，當(dāng)氣體產(chǎn)生浮力足以克服LNG液柱高度產(chǎn)生的壓力時(shí)，氣體會(huì)突然噴發(fā)。氣體上升時(shí)，將管路中的液體也推到儲(chǔ)罐內(nèi)，由于這部分氣體溫度比較高，上升時(shí)與液體進(jìn)行熱交換，液體大量的閃蒸，使儲(chǔ)罐內(nèi)的壓力迅速升高。如果豎直管路的底部又是比較長(zhǎng)的水平管路，這種現(xiàn)象更為嚴(yán)重。在管內(nèi)液體被推到儲(chǔ)罐的過程中，管內(nèi)部分空間被排空，儲(chǔ)罐中的液體迅速補(bǔ)充到管內(nèi)，又重新開始?xì)馀莸姆e聚，過一段時(shí)間以后，再次形成噴發(fā)。這種間歇式的噴發(fā)，稱之為間歇泉現(xiàn)象。儲(chǔ)罐內(nèi)的壓力驟然上升，有可能導(dǎo)致全閥的開啟。因此，儲(chǔ)罐底部豎直管路比較長(zhǎng)時(shí)，有可能出現(xiàn)間歇泉。
上面提及的系統(tǒng)被周期性的減壓和增壓，則該處形成液體不斷地排空和充注。管路中產(chǎn)生的甲烷蒸氣被重新注入的液體冷凝，形成水錘現(xiàn)象，產(chǎn)生很大的瞬間高壓。這種高壓有可能造成管路中的墊圈和閥門損壞。
二、LNG的儲(chǔ)存安全
液化天然氣在儲(chǔ)存期間，無(wú)論隔熱效果如何好，總要產(chǎn)生一定數(shù)量的蒸發(fā)氣體。儲(chǔ)罐容納這些氣體的數(shù)量是有限的，當(dāng)儲(chǔ)罐內(nèi)的工作壓力達(dá)到允許最大值時(shí)，蒸發(fā)的氣體繼續(xù)增加，會(huì)使儲(chǔ)罐內(nèi)的壓力上升。LNG儲(chǔ)罐的壓力控制對(duì)安全儲(chǔ)存有非常重要的意義。這要涉及到LNG的安全充注數(shù)量、壓力控制與保護(hù)系統(tǒng)和儲(chǔ)存的穩(wěn)定性等諸多因素。
液化天然氣儲(chǔ)存安全技術(shù)主要有以下幾方面：
(1) 儲(chǔ)罐材料。材料的物理特性應(yīng)適應(yīng)在低溫條件下工作，如材料在低溫工作狀態(tài)下的抗拉和抗壓等機(jī)械強(qiáng)度、低溫沖擊韌性和熱膨脹系數(shù)等。
(2) LNG充注。儲(chǔ)罐的充注管路設(shè)計(jì)應(yīng)考慮在頂部和底部均能充灌，這樣能防止LNG產(chǎn)生分層，或消除已經(jīng)產(chǎn)生的分層現(xiàn)象。
(3) 儲(chǔ)罐的地基。應(yīng)能經(jīng)受得起與LNG直接接觸的低溫，在意外情況下萬(wàn)一LNG產(chǎn)生漏泄或溢出，LNG與地基直接接觸，地基應(yīng)不會(huì)損壞。
(4) 儲(chǔ)罐的隔熱。隔熱材料必須是不可燃的，并有足夠的牢度，能承受消防水的沖擊力。當(dāng)火蔓延到容器外殼時(shí)，隔熱層不應(yīng)出現(xiàn)熔化或沉降，隔熱效果不應(yīng)迅速下降。
(5) 安全保護(hù)系統(tǒng)。儲(chǔ)罐的安全防護(hù)系統(tǒng)必須可靠，能實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)罐液位、壓力的控制和報(bào)警，必要時(shí)應(yīng)該有多級(jí)保護(hù)。
(一) 儲(chǔ)罐材料
LNG儲(chǔ)罐中內(nèi)罐材料的選擇是設(shè)計(jì)中一個(gè)很重要的技術(shù)經(jīng)濟(jì)問題。LNG儲(chǔ)罐內(nèi)罐直接與LNG接觸，工作在低溫環(huán)境下，為了滿足較高的安全要求，所用鋼材必須具有良好的低溫韌性、抗裂紋能力；并具有較高的強(qiáng)度，以適應(yīng)建造大容量罐減小壁厚的需要；同時(shí)應(yīng)具有良好的焊接性能。適宜用于建造LNG儲(chǔ)罐的材料有9%鎳鋼、鋁合金、珠光體不銹鋼。9%鎳鋼強(qiáng)度高，熱膨脹系數(shù)小，日本大型平底圓筒形LNG儲(chǔ)罐約有60%采用9%鎳鋼建造；鋁合金不會(huì)產(chǎn)生低溫脆化，材料質(zhì)量小，加工性和可焊性好，應(yīng)用也很廣泛；珠光體不銹鋼在低溫條件下不會(huì)脆化，其延性和可焊性都很好，但由于含鎳和鈷高，價(jià)格較貴，目前多用作地下儲(chǔ)罐內(nèi)壁金屬薄膜材料。推薦直接接觸LNG的材料見表4-8[4]，用于低溫狀態(tài)但不與LNG直接接觸的主要材料見表4-9。
表4-8 用于直接接觸LNG的主要材料
材料 | 用途 |
不銹鋼 | 儲(chǔ)罐、卸料管、換熱器、泵、管線、管件 |
鎳合金鋼 | 儲(chǔ)罐、螺栓、螺帽 |
鋁合金 | 儲(chǔ)罐、換熱器 |
| 預(yù)應(yīng)力混凝土 | 儲(chǔ)罐 |
環(huán)氧樹脂 | 泵套管 |
玻璃纖維 | 泵套管 |
鎢鈷合金(淵%，Cr33&，W10%，C2%) | 磨損面 |
聚三氟乙烯(Kel F) | 磨損面 |
石墨 | 密封件，填充料 |
氟化丙烯聚合物(FEP) | 電絕緣材料 |
聚四氟乙烯 | 密封件，磨損面 |
表4-9 用于低溫狀態(tài)但不與LNG直接接觸的主要材料
材料 | 一般應(yīng)用 |
低合金不銹鋼 | 滾珠軸承 |
預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土 | 儲(chǔ)罐 |
木材(輕木、膠合板) | 熱絕緣? |
合成橡膠 | 涂料、膠黏劑 |
玻璃棉 | 熱絕緣 |
玻璃纖維 | 熱絕緣 |
分層云母 | 熱絕緣 |
聚胺醣 | 熱絕緣 |
聚異氰脲酸酯 | 熱絕緣 |
砂 | 圍堰 |
硅酸鈣 | 熱絕緣 |
泡沫玻璃 | 熱絕緣，圍堰 |
珍珠巖 | 熱絕緣 |
