引言

　　目前，國(guó)際石油價(jià)格仍處于高位，各國(guó)將能源消費(fèi)紛紛轉(zhuǎn)向天然氣，不少國(guó)家準(zhǔn)備大量進(jìn)口天然氣。因此，對(duì)天然氣的海上運(yùn)輸工具--液化天然氣(LNG)船的需求量將顯著增加，對(duì)液化天然氣船舶管理的要求也越來越高。天然氣液態(tài)儲(chǔ)存是將經(jīng)過脫水、脫烴和脫酸等凈化處理的天然氣，在常壓下通過制冷降溫至-162℃左右進(jìn)行液態(tài)儲(chǔ)存。液態(tài)儲(chǔ)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(chǔ)存過程中，由于其中組分密度的不同，就有可能出現(xiàn)翻滾(rollover現(xiàn)象。發(fā)生翻滾現(xiàn)象時(shí)，根據(jù)現(xiàn)有設(shè)備能力，應(yīng)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(chǔ)罐瞬間超壓，對(duì)設(shè)備造成損害，影響其使用壽命。所以，預(yù)防翻滾現(xiàn)象的發(fā)生，對(duì)保障船舶安全營(yíng)運(yùn)具有很大的意義。

　　1 翻滾現(xiàn)象及產(chǎn)生的原因

　　1.1 翻滾現(xiàn)象分析及分類

　　翻滾現(xiàn)象是指兩層不同密度的LNG在儲(chǔ)罐內(nèi)迅速上下翻動(dòng)混合，瞬間產(chǎn)生大量的汽化氣的現(xiàn)象。在發(fā)生翻滾現(xiàn)象時(shí)，罐內(nèi)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(dǎo)致儲(chǔ)罐內(nèi)的氣壓迅速上升并超過設(shè)定的安全壓力，使儲(chǔ)罐出現(xiàn)超壓現(xiàn)象。如果不及時(shí)通過安全釋放閥排放，就有可能造成貯槽的機(jī)械損傷，對(duì)設(shè)備造成損壞，同時(shí)大量排放蒸發(fā)氣，不僅造成經(jīng)濟(jì)上的損失，對(duì)環(huán)境也造成污染。【2】

　　一般LNG的組分為氮?dú)狻⒓淄椤⒁彝椤⒈椤⒄⊥椤惗⊥椤⒄焱椤愇焱椤Ｒ虍a(chǎn)地不同，其成分可能略有變化。

　　翻滾從現(xiàn)象來看分成兩類：①LNG貯罐在長(zhǎng)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(xiàn)象。②LNG貯罐中原來留有液化天然氣，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(xiàn)象。【3～4】

　　翻滾是一種熱不穩(wěn)定性現(xiàn)象，這種熱不穩(wěn)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(xiàn)在流動(dòng)邊界層，因?yàn)榇颂幍牧鲃?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(duì)分層界面的直接破壞僅僅發(fā)生在流動(dòng)邊界層內(nèi)。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?yàn)樯蠈右后w的射流沖擊作用既可以直接破壞分層界面，又可通過“渦漩混合”不斷擴(kuò)大其破壞范圍。

　　也就是說，LNG的翻滾實(shí)際上是一種劇烈蒸發(fā)的過程。在儲(chǔ)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(dāng)儲(chǔ)罐內(nèi)的LNG出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)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法通過下層的LNG液體的蒸發(fā)而散失，導(dǎo)致下層LNG處于過飽和狀態(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(chǔ)罐內(nèi)出現(xiàn)擾動(dòng)，也就是翻滾現(xiàn)象。如果儲(chǔ)罐內(nèi)上層的LNG密度大于下層，下層LNG突然上升，導(dǎo)致邊界層破壞，液體揮發(fā)，產(chǎn)生劇烈擾動(dòng)，儲(chǔ)罐內(nèi)的溫度上升，壓力也急劇上升，使翻滾現(xiàn)象進(jìn)一步加劇。

　　1.2 翻滾現(xiàn)象產(chǎn)生的原因

　　(1)儲(chǔ)罐內(nèi)LNG由于各組分密度不同，導(dǎo)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(chǔ)罐內(nèi)LNG有兩層，當(dāng)其密度差為6.9kg/m3時(shí)，存放72h后就會(huì)產(chǎn)生翻滾現(xiàn)象。【1】

　　(2)LNG進(jìn)儲(chǔ)罐的溫度有細(xì)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(xiàn)象。一般的，當(dāng)溫差為0.79 K時(shí)，存放72 h后將產(chǎn)生翻滾現(xiàn)象。

　　(3)由于不同階段添加的LNG的組分不同，導(dǎo)致新日LNG的兩層液體密度不同，罐內(nèi)液體存在密度差，產(chǎn)生分層現(xiàn)象，在存儲(chǔ)和運(yùn)輸過程中就會(huì)有擾動(dòng)現(xiàn)象，劇烈的擾動(dòng)就是翻滾現(xiàn)象。