化学プラント大全 
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LNGタンクのロールオーバーという言葉は聞くが、何が危険なのか説明できない。
密度の違う液を同じタンクに入れることの、本当のリスクを知りたい。
そんな悩みを解決します。
密度の異なる2層ができ、それが反転する現象
反転の瞬間に大量のガスが一気に発生する ── これが危険の本体
1971年のラ・スペチア事故で世界的に認識された
防止策は層を作らないこと（受入方法・密度管理・撹拌）
低温貯槽を扱うなら必ず知っておくべき現象です。事故は減っていますが、原理は変わりません。
現場で、この現象はどこで問題になるか
| 設備 | リスク |
|---|---|
| LNG貯槽 | 最も典型的。産地の違うLNGを混載すると層ができる |
| LPG貯槽 | プロパン／ブタン比の違う受入 |
| 液化アンモニア貯槽 | 温度差による層 |
| 液体酸素・窒素・アルゴン | 同上 |
| 低温の反応器・分離塔 | 組成差による層 |
「密度の違う液を重ねて入れる」設備すべてに可能性があります。
LNGが最も有名なのは、産地によって組成（メタン／エタン／プロパン比、窒素含有量）が大きく違うからです。
何が起きているのか ── 3段階で理解する
段階1：層ができる（成層化）
密度の違う液を受け入れる（産地・組成が違う）
→ 混ざらずに上下2層に分かれる
→ 軽いほうが上、重いほうが下
受入方法によって、どちらの層になるかが変わります。
| 受入位置 | 入れる液が既存液より | 結果 |
|---|---|---|
| 上部から（トップフィル） | 軽い | 上に乗る → 層ができる |
| 上部から | 重い | 沈んでいく → 混ざりやすい |
| 下部から（ボトムフィル） | 重い | 下に溜まる → 層ができる |
| 下部から | 軽い | 浮き上がる → 混ざりやすい |
「重い液は下から、軽い液は上から」入れると層ができます。 逆にすれば混ざる。
だからLNG基地では、受入液の密度を測ってから注入口を選びます。
段階2：層ごとに性質が変化する
上層：液面から蒸発（ボイルオフ）できる
→ 軽い成分（メタン・窒素）が抜ける → 密度が上がる
下層：上層に押さえられて蒸発できない
→ 入熱で温度だけ上がる → 密度が下がる
上層は重くなり、下層は軽くなる。 差が縮まっていきます。
しかも下層は「過熱状態」になります。その圧力での沸点を超えているのに、上層の重みで蒸発できない。
段階3：反転する（ロールオーバー）
上層と下層の密度が等しくなる
→ わずかな擾乱で層が入れ替わる
→ 過熱状態の下層が一気に上へ
→ 上に来た瞬間、圧力が下がって一斉に蒸発
これがロールオーバーです。「転がる（roll over）」という名前どおり、層がひっくり返る。
危険なのは反転そのものではなく、その瞬間の大量蒸発です。
通常の10〜100倍のボイルオフガスが短時間で発生
→ タンク内圧が急上昇
→ 安全弁の能力を超えるとタンクが損傷
→ 大量のガスが放出される
タンクは通常のボイルオフ量で設計されています。 100倍には対応できない。
ラ・スペチア事故（1971年）── この現象が知られた経緯
イタリア・ラ・スペチアのLNG基地
既存のLNGと組成の違うLNGを受け入れた
→ 約1か月後、突然大量のガスが発生
→ タンクの安全弁から大量放出
→ 屋根に損傷
幸い着火せず、死者は出ませんでした。 しかしこの事故で現象が広く認識されました。
受入から発生まで1か月かかった点が重要です。すぐには起きない。
だから「受入時に問題なかったから大丈夫」とは言えません。
組成の違うLNGを混載すると層ができる
層は時間をかけて不安定化する
受入方法（上部／下部）の選択が重要
密度の監視が必要
以後、LNG基地では密度管理と受入方法の選択が標準的な運用になりました。
大規模なロールオーバー事故は、その後ほとんど起きていません。 対策が確立したためです。
数値で確かめる ── どれくらいのガスが出るのか
通常のボイルオフ率
1日あたり0.05〜0.1%（BOR：Boil Off Rate）
→ 10万m³のタンクなら1日50〜100 m³（液）
→ ガス換算で 1日3〜6万Nm³
安全弁とBOG圧縮機は、この量に余裕を見て設計されています。
ロールオーバー時の発生量
下層が飽和温度より ΔT だけ過熱されているとする
→ 反転時に その過熱分の熱がすべて蒸発に使われる
→ 蒸発量 ＝ m × cp × ΔT / ΔH_vap
下層1万トンのLNGが2 K過熱されていたとき、反転で何トン蒸発するか。
（LNGの比熱 cp ≒ 3.5 kJ/(kg·K)、蒸発潜熱 ΔH_vap ≒ 510 kJ/kg）
〔解答〕
蒸発量 ＝ 10,000,000 kg × 3.5 × 2 / 510
＝ 70,000,000 / 510 ＝ 約137,000 kg ＝ 137トン
ガス換算（メタン、22.4 L/mol）で 約19万 Nm³
1日分のボイルオフ（3〜6万Nm³）の3〜6倍が、数十分で発生する計算になります。
しかも過熱度が2 Kというのは控えめな想定です。実際にはもっと大きくなりうる。
安全弁の能力を大きく超えます。 これがタンク損傷につながる。
なぜ過熱状態になれるのか
深さ h の位置での圧力 ＝ 気相圧力 ＋ ρgh
→ その圧力での飽和温度は高くなる
→ 下層はその温度まで加熱されても沸騰しない
液深30 m、LNGの密度450 kg/m³ のとき、底部の圧力上昇は？
〔解答〕
Δp ＝ ρgh ＝ 450 × 9.8 × 30 ＝ 132,300 Pa ≒ 0.13 MPa
→ 気相圧が0.1 MPaAなら、底部は0.23 MPaA
→ メタンの飽和温度は −162℃ から 約−148℃へ上昇
底部では14 Kも沸点が高いのです。だから過熱状態を蓄えられる。
反転して上に来ると、圧力が0.1 MPaAに下がる → 14 K分の過熱が一気に蒸発に変わる。
防止策 ── 層を作らないことが第一
① 受入方法の選択（最も基本）
受入液が既存液より重い → 上部から注入（沈みながら混ざる）
受入液が既存液より軽い → 下部から注入（浮きながら混ざる）
「密度差を打ち消す向きに入れる」のが原則です。
LNG基地のタンクには上部・下部の両方に注入ノズルがあります。この使い分けのため。
受入前に船側の密度データを取得し、タンク内の液と比べて注入口を決めます。
② 密度・温度のプロファイル監視
タンク内の複数の高さで密度・温度を測る
→ 層ができていないかを監視する
→ 層が検知されたら対策を打つ
LTD（Level-Temperature-Density）計という専用の計器があります。
層があると、密度プロファイルに段差が現れます。
③ 撹拌・循環
タンク内循環ポンプで液を回す
ジェットノズルで撹拌する
→ 層を強制的に混合する
層が検知されたら、早めに混ぜる。 密度差が大きいうちのほうが安全です。
密度差が縮まってからでは、混ぜること自体が反転の引き金になりかねません。
④ ボイルオフの管理
BOG（ボイルオフガス）を安定して抜く
→ 上層の組成変化を緩やかにする
BOG圧縮機を止めるとタンク圧が上がり、蒸発が抑制されて過熱が進みます。
⑤ 組成管理
組成の近いLNGだけを同じタンクに入れる
タンクを使い分ける（産地別）
組成が大きく違うなら受入前に既存液を減らす
窒素含有量が特に効きます。 窒素は密度を大きく変え、しかも先に蒸発する。
窒素分が多いLNGは要注意です。上層から窒素が抜けると急激に密度が上がる。
似た現象との区別
| 現象 | 何が起きるか | 違い |
|---|---|---|
| ロールオーバー | 層の反転による大量蒸発 | 密度差が原因。容器は健全 |
| BLEVE | 加熱された容器の破裂とファイヤーボール | 外部火災が原因。容器が破裂する |
| 蒸気爆発 | 高温物と低沸点液の接触による瞬間蒸発 | 接触が原因。ロールオーバーの一種とも言える |
| RPT （Rapid Phase Transition） | LNGが水に触れて瞬間蒸発 | 水との接触が原因。燃焼を伴わない物理爆発 |
すべて「急激な相変化」という点では共通しています。
RPT（急速相転移）は、LNGが海面に漏えいしたときに起きます。
LNG（−162℃）が水（＋15℃）に触れる
→ 温度差が約180 K
→ 膜沸騰から核沸騰へ遷移する瞬間に、爆発的に蒸発
→ 燃焼を伴わない物理爆発
LNG船からの漏えいで最も懸念される現象のひとつです。
→ BLEVEとファイヤーボール／学識 問6（蒸気爆発と蒸気雲爆発）
実務での判断ポイント
受入計画のチェックリスト
受入液の密度・組成（特に窒素含有量）
タンク内液の密度・組成
密度差（1 kg/m³ 以上あれば要注意とされる）
注入口の選択（上部か下部か）
受入速度（速すぎると混合が不十分）
密度差が小さければ、どちらから入れても混ざります。 問題は差が大きいとき。
層が検知されたときの対応
- 層の密度差と温度差を確認する
- 密度差が縮まっていないか（時系列で見る）
- 早めに撹拌・循環して混合する
- BOG処理能力に余裕を持たせる
- 受入を一時停止することも検討する
密度差が縮まりつつあるときが最も危険です。反転が近い。
設計側の対策
上部・下部の両方に注入ノズル
多点の密度・温度計
タンク内循環ポンプ
安全弁の容量（ロールオーバーを想定するか）
BOG圧縮機の余裕
安全弁でロールオーバーの全量に対応するのは非現実的です。
だから「起こさない」ことが設計の基本方針になります。
防護層の考え方でいえば、最上流（発生防止）に投資するということです。
甲種化学ではこう出ます
保安管理技術の運転管理・高圧装置の範囲で扱われます。
密度の異なる層が形成され、反転する現象
反転時に大量のボイルオフガスが発生する
防止策は層を作らないこと（受入方法・密度監視・撹拌）
低温貯槽の材料（9%Ni鋼・オーステナイト系ステンレス・アルミ合金）とセットで問われます。
断熱材の選定（熱伝導率が小さい・吸湿性が小さい・不燃性）も関連論点です。
類似現象（蒸気爆発・BLEVE）との区別は学識の記述でも出ています。
まとめ
- 密度の異なる2層ができ、時間とともに密度差が縮まって反転する
- 上層は蒸発して重くなり、下層は入熱で軽くなる
- 下層は液柱の重さで過熱状態を蓄えている（液深30 mで沸点が14 K上昇）
- 反転の瞬間、過熱分が一気に蒸発する
- 通常の10〜100倍のボイルオフガスが短時間で発生し、タンク内圧が急上昇
- 1971年のラ・スペチア事故で認識された（受入から1か月後に発生）
- 防止策の基本は層を作らないこと
- 重い液は上部から、軽い液は下部から入れると混ざる
- 密度・温度の多点監視と撹拌・循環
- 密度差が縮まりつつあるときが最も危険
- 安全弁で全量を逃がすのは非現実的。発生防止に投資する
低温材料は金属材料の基礎、類似現象はBLEVE・蒸気雲爆発へ。
運転管理は保安管理技術｜運転管理を参照してください。
