因为操作失误、控制系统失灵或设备损坏，可能造成LNG的溢出。溢出可以理解为LNG的大量泄漏，而且基本上是处于难以控制的状态，只能靠外部的集液池控制其扩散。
溢出可分为溢出到地面和水面两种情况。LNG溢出到地面主要是指陆地上的LNG系统；LNG流淌到地面。LNG溢出到水面通常是指LNG船装卸货过程中产生的溢出。
1.集液池内LNG的汽化速率
LNG溢出到地时，由于LNG与地面之间存在很大的温差，LNG被地面加热后迅速汽化。初始的汽化速率非常高，只有当土壤中的水分被冻结以后，汽化速率才会逐渐下降。但是周围空气与LNG的热交换，以及太阳辐射，仍然会使LNG维持一定速率汽化。也就是说，发生LNG溢出后，LNG蒸汽将会持续产生，对当地和周边的安全带来危险。通常在LNG可能发生漏泄的地方，一般都设计有集液池，收集溢出的LNG，使其限制在集液池内。集液池内的LNG在土壤和空气的加热作用下，会产生大量蒸汽。集液池内LNG的蒸发速度计算如下：
式中，m是液体蒸发的速度kg/（m2·s）；k是扩散传质系数；ps是LNG的饱和蒸汽压Pa；M是摩尔质量kg/mol。
传质系数的计算式如下：
k=0.0292S2/3cμ0.78ρ-0.11 （9-8）
式中，μ是空气的粘度[kg/（m·h）]；Sc是Schmidt数，Sc=μ/ρD；ρ是空气的密度（kg/m3）；D是LNG的扩散系数（m2/h）。
传质系数的简易计算如下：
k=0.02u （9-9）
式中，u是10m高处的平均风速（m/h）。
2.LNG在水面的汽化速率
LNG溢出到水面主要是指LNG船在装卸时产生的溢出。LNG溢出到水面上，由于流体直接接触，热量交换速率剧增，会产生强烈的扰动。与LNG溢出到地面相比，LNG溢出到水面的蒸发速度要快得多。无论是海面还是江河，海水和河水都是一个无限大的热源，水的流动性使LNG的汽化速率能一直保持很高的状态，基本上不受时间的影响。LNG在水面的汽化速率通常可维持在0.181kg/（m2·s）左右。
LNG溢出后产生的蒸发气体沿地面或水面形成一个层流，从环境中吸收热量逐渐上升和扩散，同时将周围的环境空气冷却至露点以下，形成一个可见的云团，即蒸汽云团。移动的蒸汽云团是容易产生燃烧的区域，比较危险的是蒸汽云团在漂移的过程中，可能遇到点火源，然后产生燃烧，火焰沿着蒸汽云往回蔓延到溢出点，此时会对设施存在严重的毁坏作用。此外，溢出产生的危害还包括低温灼烧、冻伤、体温降低、肺部伤害以及窒息等。希望能够预测LNG蒸汽量与溢出距离和溢出时间的函数关系，这样可以通过溢出的流量和时间来预测可能产生危险的区域。对于危险性气体泄漏和扩散，国内外科研者都依据很多模型来进行研究，例如高斯模型、BM模型和FEM3模型等。LNG溢出或泄漏后形成气云的比较复杂，它和LNG的物理、化学性质、储存方式和泄漏状态密切相关。
3.LNG蒸汽云团的形成和扩散现象
（1）LNG蒸汽云团的形成 根据LNG的性质可以知道，LNG溢出后，无论和地面还是和水面接触，都会从环境和接触物大量吸热，急剧汽化，并导致周围空气温度迅速降低，形成可见的蒸汽云团。剩下的部分液相LNG以液滴形式悬浮在气团中，从而形成含有液滴夹带的混合蒸汽云团，虽然甲烷的相对分子质量很小，但很显然气液两相云团密度要比空气大得多，从而形成冷而重的低温云团。蒸汽云团不断被空气加热，体积会逐渐膨胀，随空气气流漂移并扩散。
（2）蒸汽云团扩散的物理过程LNG云团扩散的物理过程变化规律是由两种主要作用引发的：LNG云团与周围空气密度差导致的重力效应；大气湍流效应在扩散过程中主导地位的变化。大气湍流会导致各部分剧烈混合，LNG云团由高浓度向低浓度扩散、稀释，扩散速率比分子扩散大几个数量级。LNG云团的扩散过程可以分为以下四个过程：
1）初始时刻的泄放过程。泄放模式对气体扩散过程往往具有决定性影响，泄放状态不同，导致LNG云团扩散过程出现显著的不同。对于液相泄漏而言，爆炸式泄放的LNG一次性释放到大气中，当作瞬时源处理；具有初始动量的喷射过程当作连续源处理。如果液态LNG泄放后留在水面，会形成液池蒸发源。由于初始闪蒸和湍流的复合作用，在LNG云团内会形成较大的浓度梯度，以致在较短的距离内，云团内浓度急剧减小。
2）重力沉降阶段。由于LNG云团与周围空气在密度差的作用下，导致其发生重力塌陷，向地表沉降，云团向外扩展，即LNG重气扩散过程中横风向扩散特别快，而垂直风向扩散非常缓慢。空气混入云团中，云团被稀释，同时和环境进行热量交换。此时，以LNG重气效应为主，它对空气混入云团起抑制作用，空气的夹带速率较小。因此这个阶段LNG云团的外形尺寸、空气卷吸及分布起支配作用的是重力塌陷引起的湍流，大气湍流起辅助作用。
3）重力效应和大气机械湍流共同作用阶段。在此阶段因为空气的大量进入，将LNG云团稀释冲淡，使得重力效应减弱，逐步让位于大气湍流作用。LNG云团向外扩展速率减小，大气湍流效应使云团高度增大，空气卷吸速率增大，在热量交换和空气卷吸作用下，云团密度和温度逐步和环境趋同。
4）大气湍流扩散阶段。LNG云团密度和温度与环境基本相同，扩散过程完全受大气湍流特性控制，气团的稀释取决于大气的紊乱状况，相对于前面的扩散行为又可称为被动扩散。
（3）环境因素对蒸汽云团扩散的影响LNG云团泄放到大气中，自然受到环境因素的影响。受不同环境因素的影响，LNG云团扩散过程差别很大，主要影响LNG云团扩散的环境因素有风、气温、稳定度、地形条件、天气形式等。
1）风的影响。风对LNG云团扩散表现在两方面：对湍流强度的影响和平流输送作用。大气的不规则运动称为湍流。LNG云团在湍流漩涡的作用下稀释开来，而稀释速率和湍流强度有关。风速越大，湍流扩散越强烈，LNG云团的扩散速率更快，风速对气体的平流输送作用更为显著。在主导风向上，平均风速比脉动风速大得多。在海平面平静的条件下，风速越大，单位时间内LNG云团被输送的距离越远，混入的空气越多，浓度越低；反之风速较小，LNG云团扩散距离变小，气体浓度较高。因此风速越大，越有利于LNG云团的扩散，但同时也将LNG输送到更远的地方。
2）气温和大气稳定度的影响。大气稳定度是指在垂直方向上大气稳定的程度。它可以分为三种情况：①当外力去除后，气团减速并有返回原来高度的趋势，则称这种大气是稳定的；②当外力去除后，气团加速上升和下降，称这种大气是不稳定的；③当外力去除后，气团停留不动或作等速运动，称这种大气是中性的。由此可以看出，大气湍流结构和大气层温度分布有密切关系：不稳定大气对流强烈，会促使湍流运动的发展，使大气扩散稀释能力加强；而稳定大气则对湍流起抑制作用，减弱大气的稀释能力。
大气是否稳定和气温的垂直分布有关，通过气温的垂直递减率和干绝热递减率的比较可以简单的判断气层的稳定性。一般来说，对于近地源，不稳定条件下可以把LNG云团扩散开，减小向地面的扩散，比较有利；而稳定条件下，则抑制LNG云团的扩散，使LNG云团集中在地面附近，是不利的。对于高架源，不稳定条件扩散快，容易扩散到地面附近是不利的；反之稳定条件则是有利的。因此在逆温条件下，一旦发生LNG泄漏事故，由于泄漏源较低，LNG云团可紧贴地面向下风向扩散，危害纵深较远，是极端不利的天气条件。
3）海面、地形、地势的影响。海面、地形以及下垫面的非均匀性，对气流运动和气象条件会产生动力和热力的影响，局部改变风场，从而改变LNG云团的扩散条件，甚至改变LNG云团的方向。例如在大气边界层内大气在地表移动时，LNG云团流动属性受到下垫面的强烈影响。海面或地表面粗糙度越大，越有利于机械湍流的发生，从而有利于LNG云团的稀释扩散。大的地形起伏会改变LNG云团路径和局地风场，一些障碍物的背风处，局地分流和滞留会使LNG云团积聚。下垫面性质上的差异和起伏会引起热力情况的变化，影响大气温度场，进而影响大气的扩散能力和LNG气团的浓度分布。因此受地表粗糙度的影响，在城市和乡村，丘陵和平原地区的大气扩散过程是有差别的。
4.蒸汽云团扩散的数学模型
与液化天然气泄漏后形成的重气相关的数值模型有BM模型、高斯模型、箱板模型、三维CFD数值方法和浅层理论等。
（1）BM模型BM模型是Briter和McQuaid在他们的重气扩散手册中推荐的一套简单而实用的方程式和列线图。Briter和McQuaid收集了许多重气扩散的实验室和现场实验研究的结果，以量纲为1的形式将数据连线，并绘制成与数据匹配的曲线或列线图。这些关系式能够很好地用于重气的瞬时或连续释放的地面面源或体源。连续和瞬时释放的浓度关系式分别为
式中，Cm是气云横截面上的平均浓度（kg/m3）；C0是气云横截面上的初始浓度（kg/m3）；qV∞是连续烟流释放的初始气云体积流量（m3/s）；Vc0是瞬时烟团释放的初始气云体积（m3）；u是10m高处的风速（m/s）；g0是初始的折算重力项，g0=g（ρ0-ρa）/ρa；ρ0、ρa是初始气云密度和空气外界密度；fc、fi是普遍化无因次函数。
式（9-10）和式（9-11）中，右边第一项为无因次距离，第二项为源理查逊数。BM模型以源理查逊数为横轴，以因次距离为纵轴，将各种Cm/C0实验数据绘制成图。该列线图不能解决所有类型的地形与外界条件、所有距离处的所有重气扩散问题，而是提供了一个指南，即可确定工厂警戒线处所发生的主要影响的基本物理要素。BM模型只能用作基准的筛选模型，而不能适用于超出范围之外的情形，比如城市或工业区，因为这些地方的表面粗糙度大。
（2）高斯模型 高斯模型的基础是湍流扩散梯度理论。梯度理论采用欧拉法，讨论空间固定点上，由于湍流运动引起的质量通量的变化。湍流通量正比于该点上的浓度梯度，比例系数称为湍流扩散系数，用常数K表示。以此理论推导出的高斯模型，认为气体云服从正态分布，在许多试验中被认为是合理的。
高斯模型主要有高斯烟絮模型、烟团模型及它们的系列衍生公式。烟絮模型适用于风速大于1m/s的点源的连续扩散；高斯烟团模型适用于小风（风速小于1m/s）或静风时，点源的连续扩散和瞬时源扩散。
人们最早研究的是中性气体连续扩散，在此基础上最早提出的烟絮模型应用比较成熟。烟絮模型在应用中有如下假设：①定常态，基本参数不随时间变化；②不考虑重力或浮力的作用，在扩散过程中气体不发生化学转化；③扩散质到达地面后，完全反射，没有任何吸收；④地表水平；⑤坐标系的x轴与流动方向重合，气体的横向和垂直速度分量均为零。连续扩散模型表达式如下：
式中，Q为源强；u为风速；H为有效源高；σy、σz分别为横风向和垂直风向的扩散系数。(www.xing528.com)
瞬时烟团模型表达如下：
高斯模型为解析模式，模型简单、易于理解、计算方便，提出时间早，实验数据多，较为成熟。但是高斯烟絮和烟团模型没有考虑冷重气体扩散中的重力影响，只适用于气体密度和空气差不多中性，或正浮性气体的被动扩散。在高斯模式基础上，人们提出了许多改进的高斯模型。尽管高斯模型受到许多条件的限制，但在实际操作中仍得到广泛的应用。
（3）箱板模型1970年，Van Ulden的重气云实验，使人们认识到应该采用不同的方法，因为他所观察到的重气云在侧风方向和垂直方向的扩散系数，与中性气云的完全不同。侧风向扩散系数是中性气云的4倍，而垂向扩散系数仅为中性气云的1/4，这是重力下沉现象的特征。针对瞬时重气释放，他最先提出了箱模型的概念。瞬时气团释放后，假设云团呈圆筒状，在圆筒内部密度、浓度、温度处处分布均匀。气团在重力作用下下落，以它的中心为基准径向扩散，垂直方向高度减小，同时气团也随风飘动。与被动气体高斯扩散模型相比，主要改进是考虑了气云的重力下沉现象，即在重力作用下，气云下沉，半径增加同时高度减小。该过程由如下方程描述：
式中，Uf是蒸汽云径向扩展速度；k是常数，不同的模型开发者，k取值也略有不同；ρ是蒸汽云/空气混合物密度；ρa是空气密度；ρr是蒸汽云的“参考”密度。
通过观察可以直观地看出，被释放气体云团因大量空气被卷吸进入其中而逐渐被混合稀释。于是Van Ul-den假定，初期的混合稀释效应主要是当蒸汽云向下降落并向四周扩展时，外界空气通过蒸汽云的周边进入；在后期，外界空气是在蒸汽云顶部较强的湍流作用下从顶部进入。空气卷吸速率计算式可以表示如下：
dV/dt=2πRHUe+πR2Ut （9-15）
式中，Ue、Ut是周边空气卷、吸速度。
当气团稀释的平均密度和环境很接近时，蒸汽云表现为大气湍流作用下的被动扩散，浓度分布接近高斯分布，计算模式也由重气扩散转为高斯模式。转变准则可以采用Richardson数，或者蒸汽云与空气的密度差来判断。对于转变后的扩散采用虚源技术衔接，即假设在转变点的逆风向上方存在一个虚拟源。
板模型用于模拟持续时间比较长的泄放过程，它是箱模型基础上的拓展。板模型将泄漏扩散气体沿下风向分成一个一个连续的板块，板块横截面为矩形，假定在同一板块横截面内气体的性质（密度、温度、运动速度等）呈均匀分布，蒸汽云在重力作用下横向扩展。这类模型重在考虑不同板块间的浓度和速度分布。比较简单的板模型采用同箱模型相似的方法，可以建立絮状云横向扩展速率方程和空气夹带速率方程：
式中，U是风速；B、H是云羽横向宽度、高度；Ue、Ut是絮状云侧边和顶部空气夹带速率。空气夹带速率由试验测得的经验公式给出，不同研究者给出的经验公式有所不同。
复杂一些的板模型对板块微元就动量平衡、质量平衡、能量平衡进行分析，分别列出相应的x、y、z方向动量守恒、质量守恒等控制方程。经历质量和能量交换后，蒸汽云逐步转化为湍流扩散，最终表现为一个纯粹的高斯分布。这种模型可以视为改进的二维模型，絮状云边沿分布具有高斯模型的特征。壳牌公司开发的稳态模型HEGADAS（Heavy Gas Dispersion from Area Sources）就是在此原理基础上开发的，也称为相似模型。1977年，Te Riele开发了稳态条件下面源释放的地面絮状云浓度数值模型。HEGADAS模型在此基础上，经过多次改进，成为HYSYSTEM软件包的重要部分。
箱模型和板模型的前提假设终究是理想化的，它的局限性使它不适合于复杂地形条件下的模拟。但箱和板模型具有概念清晰的特点，求解方便，计算量相对较小，对非复杂条件下的扩散预测结果和实验结果的一致性而言，并不比复杂的三维模型差。该类模型在重气云的扩散分析中得到广泛应用，主要用于危险评价方面，其结果已成为安全性预测和安全设计的重要工具。
（4）三维CFD数值方法20世纪70年代以来，随着计算机的普及和计算能力的不断提高，加上数值计算方法，如有限差分法、有限元法、有限体积法等的发展，基于数值计算的计算流体力学（Computa-tional Fluid Dynamics，CFD）方法形成并得到了蓬勃的发展。1978年，England et al.开始采用三维传递现象模型，利用CFD方法模拟重气扩散的三维非定常态湍流流动过程。这种数值方法是通过建立各种条件下的基本守恒方程，包括质量、动量、能量及组分等，结合一些初始条件和边界条件，加上数值计算理论和方法，从而实现预报真实过程各种场的分布，如流场、温度场、浓度场等，以达到对扩散过程的详细描述。大气扩散研究的一个关键的问题，是对湍流运动的模拟。不同三维计算模型对于湍流的处理方法有所不同，但是都是基于流体力学中的基本方程Navi-er-Stokse质量守恒方程的基础上，针对流体在复杂条件下的真实流动过程，建立各种条件下的动量、能量及组分等方程。例如，FEM3模型的主要公式如下：
式中，U是蒸汽运动速度；R是摩尔气体常数；T是温度；km是速度的扩散系数；kT是温度的扩散系数；kw是浓度的扩散系数；w是扩散质浓度；ρ是蒸汽体云密度；MN是扩散质的相对分子质量；MA是空气的相对分子质量；cp是混合气体的比热容。
FEM3模型是3-D Finite Element model的缩写。该模型采用三维有限元数值解法求解。以上各式依次为质量连续方程、动量守恒方程、能量守恒方程、扩散质的质量守恒方程及理想气体状态方程。FEM3模型所用的湍流扩散模型是K理论，是一种局部平衡模型，并假设kT=km。
竖直方向扩散系数为
Kv=k[（u∗z）2+（w∗h）]/ϕ （9-23）
水平方向的扩散系数为
Kh=βku∗z/ϕh （9-24）
式中，z、h是高度和气体云内的高度；u∗是摩擦速度；w∗是蒸汽云内部的摩擦速度；ϕ是Monin-Obuk-hov函数。
采用计算流体力学的方法模拟重气扩散的三维湍流流动过程的优点是：它能更好地描述蒸汽在大气湍流运动中的物理现象；更本质地反映实际流动中浓度场、流场变化规律。但缺点是模拟方法复杂，在多数情况下方程是不可解的，所需要的输入数据通常不可得到。为简化计算，常利用稳态假设经验数据封闭方程组，但数值计算较为困难，要花费大量的计算机时，在多数应用情况下是不切实际的。
（5）浅层模型 由于三维流体力学模型需要大量的计算时间，在工程应用中受到很大的限制，而箱模型又存在过多的假设，因此就需要一种折中的方法，即对重气扩散的控制方程加以简化来描述其物理过程。由于垂直方向上重气的抑制作用以及近似均一的速度，因此可采用浅水方程来描述重气扩散，即重气扩散的浅层模型，它是基于浅层理论（浅水近似）推广得到的。
浅层理论常用于非互溶的流体中，Wheatley和Webber对带卷吸和热量传递的浅层模型进行了推导。早在1982年，Zema就推荐采用浅层模型；后来由Ermak等发展为SLAB模型；Wutrz等开发了一维和二维两种浅层模型，运用于不同复杂程度的泄漏情形。
对于危险性气体泄漏和扩散，国内外科研者都依据很多模式来进行研究，例如高斯模型、BM模型和FEM3模型等。但这些模式中都采用了大量的数学假设，由于假设条件与实际情况可能不符，所建立的模式势必有些不确定性。此外，模型中许多参数的选取也具有不确定性，例如对模式影响较大的气象因素，因为所采用的气象历史资料与实际状况的差异，也造成了评价和预测的不确定性。
5.LNG溢出时的汽化
围堰内或蓄液区的空间，应该足够能容纳最大的数量的液态天然气。为了减少LNG溢出后的汽化速率，在某些设计中，蓄液区用低热导率的材料（如具有隔热作用的水泥）建造，以减少蒸发的速率。另一种减少蒸发速率的安全措施是围绕围堰，安装有固定的泡沫发生器，在发生LNG溢出时，用泡沫覆盖围堰中LNG的表面，使LNG表面不能和空气直接接触，从而降低LNG的蒸发速率。最近设计的一些储罐，根据双控制原理，储管周围没有围堰。内罐通常使用9Ni钢制造，如果发生溢出或泄漏，溢出的液体包含在水泥外壳的内部，液体表面暴露于空气的面积减少到最小，汽化速率比在围堰内要小得多，这种LNG储罐称之为双容罐。
LNG在水面上产生溢出时，在水面会产生强烈的扰动，并形成少量的冰。汽化的情况与LNG溢出到地面差不多，当然，溢出到水面蒸发的速度要更快。水可以看成是一个无限大的热源，水的流动为LNG的汽化提供了稳定的热量。有关的LNG工业机构和航运安全代理机构对LNG在水上溢出的情况，进行了深入的研究。根据有关的报道，LNG溢出到水面的蒸发速率是0.181kg/（m2·s），基本上不受时间的影响。
对于LNG在水面溢出，最重要安全问题是蒸汽云的形成和引起火灾的可能性。在空旷的地方，LNG产生的蒸汽云一般不会产生爆炸，但有可能引起燃烧和快速蔓延的火灾。蒸汽云产生以后，主要有两个方面的问题：第一个是蒸汽云随着风向的扩散，如果在下风方向存在高温热源或火源，就有可能点着这些可燃气体的云团；第二个是天然气云团被点燃后，火焰的扩散及火焰产生的热流影响。点燃飘逸的天然气云团，可能发生在云团的前面或边上。
云团在大气中的扩散是个令人关注的问题，一旦发生类似的事故以后，如何利用气象学方面的技术，对可能扩散到区域提前进行预报，预先做好防火和防空气污染的措施。表9-11列出LNG和液氮在水面的蒸发率和热流范围。
表9-11 LNG和液氮在水面的蒸发率和热流范围
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