小型LNG加注船通航橫向風險距離定量計算

孟曉東， 袁章新(上海船舶運輸科學研究所 航運技術與安全國家重點實驗室， 上海 200135)

小型LNG加注船通航橫向風險距離定量計算

孟曉東， 袁章新
(上海船舶運輸科學研究所 航運技術與安全國家重點實驗室， 上海 200135)

為保障小型內河液化天然氣(Liquefied Natural Gas, LNG)加注船的通航安全，提出一種定量計算LNG加注船通航過程中橫向風險距離的方法。采用國際定量風險評價(Quantitative Risk Analysis, QRA) 的通用理念進行小型LNG加注船通航過程危險源識別，建立LNG儲罐不同孔徑泄漏(包括自身疲勞所致泄漏和外力所致泄漏)概率數據庫;通過計算LNG火災發生概率及后果所致個人風險，并依據個人風險可接受標準，最終確定LNG 加注船通航過程中的橫向風險距離。利用該方法對某小型內河LNG加注船通航過程橫向風險距離進行定量計算。結果表明：該距離與LNG 加注船通航次數及通航水域交通流密度等因素有關，在交通流密度較大水域設置橫向安全距離是有必要的。

水路運輸; 液化天然氣； 加注船； 定量風險分析； 風險距離

隨著我國內河液化天然氣(Liquefied Natural Gas, LNG)燃料動力船逐漸增多，內河LNG加注作業需求不斷增長，LNG加注船在航行過程中的通航安全逐漸引起人們的關注，通航風險控制逐漸成為業界的研究熱點。在LNG加注船通航過程中，確保其與他船之間的橫向安全距離(見圖1)是保障LNG加注船通航安全、降低其與通航水域環境之間的火災風險的有效措施。

目前，國內外尚無對內河小型LNG加注船通航過程中與他船的風險距離進行定量計算的統一標準。2010年國際標準化組織(International Standardization Organization, ISO)[1]只是在 28460:2010(E)細則中對大型LNG運輸船(LNG Carrier, LNGC)的通航安全提出明確要求：“LNGC通航前須根據航道、氣象條件等因素評估通航可行性”，同時“通航過程中須確定風險距離，風險距離大小由目標水域管理細則或利用風險評估方法具體確定，或二者共同確定”，而對小型LNG運輸船和小型LNG加注船并沒有強制作用。隨著LNG加注船逐漸興起，美國船級社(American Bureau of Shipping,ABS)[2]在評估北美LNG加注風險時提出:“雖然LNG加注設施LNG運量相對LNG輸出/入碼頭要少很多，仍可能需要水路適用性評估(Waterway Suitability Assessment,WSA)或至少簡化的WSA，特別是通過LNG運輸船或泵船加注時，評估內容須包括與他船保持適當安全距離”；德國勞氏船級社(Germanischer Lloyd,GL)[3]在對漢堡港LNG加注船通航過程中危險源的辨識及安全評估進行研究時發現，LNG加注船與他船碰撞時可能出現的LNG泄漏風險將導致嚴重后果；丹麥海事局[4]在對北歐國家LNG加注船作業的可行性進行研究時提出：“雖然LNG加注船相對LNG運輸船危險品運量較小，但仍須滿足相應風險準則并須對其進入公共水域通航過程所涉風險按評估LNGC通航安全的方法評估”,并認為“LNG加注船取消風險距離的設置是沒有必要的”。

圖1 風險距離示意圖

綜上，已對LNG加注作業進行研究的北歐、西歐和北美各國均要求對LNG加注船的通航過程進行風險評估，但通航安全評估中風險距離大小的設置并無統一標準，也缺乏相應的實踐經驗。在國內，文元橋等[5]提出一種基于LNG 船舶碰撞事故概率和風險的適用于我國沿海大型LNG運輸船風險距離界定的方法。但是，小型內河LNG加注船具有船型靈活、航行水道狹窄和通航頻繁等專屬特性，因此大型LNG運輸船橫向風險距離定量研究模型中的火災點燃概率和池火模型均不再適用;此外,碰撞事故發生概率模型破空尺寸模型也因缺乏基礎統計資料或相關計算條件設置過高而導致風險距離測定結果過大;加上內河航道寬度普遍較窄，這就意味著小型LNG加注船內河航行是不可行的。因此，有必要為小型內河LNG加注船橫向風險距離的界定尋找具體可行的安全評價思路。

這里認為設置LNG加注船的橫向風險距離時需考慮通航過程中LNG儲罐自身的疲勞和碰撞等外力因素對儲罐內LNG造成的火災風險。基于此，建立LNG加注船通航過程碰撞事故概率模型、火災事故概率模型和個人風險概率模型，提出一種使LNG加注船周邊易受影響目標風險滿足特定標準的界定橫向風險距離的方法。

1 LNG加注船通航定量風險分析方法

采用定量風險分析(Quantitative Risk Analysis, QRA)方法計算LNG加注船橫向風險距離，可實現對事故概率和后果的定量計算，精確描述系統風險。該方法采用的基本評價步驟見圖2。

圖2 QRA方法采用的基本評價步驟

1.1火災事故發生概率計算

LNG加注船通航過程中有關LNG的風險主要有：儲罐自身疲勞導致LNG泄漏產生火災；與他船碰撞導致儲罐LNG泄漏產生火災。具體火災事故因果關系可通過分析火災事故事件樹(見圖3)得到。

圖3 LNG火災事故事件樹

1) LNG儲罐可能因不同原因導致不同孔徑的LNG泄漏。

2) 因泄漏尺寸、點火條件等因素的不同形成多種不同的事故場景。

1.1.1LNG儲罐疲勞導致泄漏發生概率

LNG加注船通航過程中,其LNG儲罐可能因自身疲勞而發生泄漏或破裂，可參考Flemish港的儲罐疲勞泄漏或破裂概率手冊中的數據確定發生該事故的概率(見表1)。[6]

表1 Flemish港LNG儲罐泄漏概率

1.1.2過往船舶碰撞導致的LNG儲罐泄漏事故發生概率

過往船舶與加注船碰撞后可能導致LNG儲罐發生不同孔徑的LNG泄漏。由事件樹分析法可知，不同孔徑的泄漏概率F由加注船航行過程中的碰撞概率和碰撞后儲罐破孔尺寸概率共同決定，即

F=f1·L·f2

(1)

式(1)中：f1為加注船滿載狀態下每通航1 km基礎碰撞概率(見表2[7])；L為航道長度；f2為所有可能發生的碰撞事故中對小型LNG加注船儲罐造成的破孔尺寸概率(見表3[8])。

表2 加注船基礎碰撞概率

表3 儲罐破孔尺寸概率

1.1.3特定火災事故發生概率

特定火災事故發生概率由泄漏速率、點燃方式和火災類型共同決定，儲罐內LNG泄漏后LNG點燃概率的估算可參考Flemish港儲罐失效概率手冊(見表4[6])，LNG泄漏量非常大時，直接點燃概率和間接點燃概率將分別增大到30%和50%；對于因通航事故導致的LNG泄漏后直接點燃概率，均設置為50%[9]，延遲點燃概率仍參考表4。對于火災類型概率，可將需要計算的特定火災類型概率設為1。

1.2火災事故后果概率計算

LNG泄漏后可能發生的各種事故(如圖3所示)中,池火是最可能發生、事故后果最嚴重的一種火災形式。[10]下面將重點考慮LNG 泄漏后發生的池火的危害。

表4 LNG泄漏后被點燃的概率

1.2.1LNG池火直徑

LNG泄漏發生池火災的液池直徑可構建為

(2)

式(2)中：D為液池直徑；V為泄漏體積流量；H為液池厚度。

1.2.2LNG池火災熱輻射模型

小型池火熱輻射模型可采用LNGFire6模型(見圖4)，該模型對直徑在0～35 m的池火的有效性已得到驗證。[11]

圖4 池火模型6

(3)

式(3)中：q為池火中心向目標的熱輻射值；qU和qL分別為火焰上下表面熱輻射值；τU和τL分別為火焰上下表面大氣熱輻射系數；FU和FL分別為火焰上下表面幾何視角系數；EU和EL分別為火焰上下表面平均熱輻射通量。

1.2.3熱輻射對人體傷害概率模型

LNG火災事故熱輻射對人員的傷害一般由死亡率表征。暴露在火災周周的易受影響目標對熱輻射的反應一般以正常成年人的承受能力作為統一標準，皮膚裸露時的個體死亡率可由式(4)[12]計算。

(4)

式(4)中：Pr為死亡概率單位，可由式(5)[12]計算。

Pr=-36.38+2.56lnQ

(5)

式(5)中：Q為暴露在火災周周的易受影響目標逃生到熱輻射強度安全值1 kW/m2過程中所接收到的熱通量，可由式(6)[12]計算得到。

(6)

式(6)中：q0為易受影響目標初始位置熱輻射通量；qx為離火焰中心x處的熱輻射通量；L為1 kW/m2熱輻射處與火焰中心的距離；x0為人員初始與火焰中心的距離；t0為人員的反應時間；v為人員奔跑的速度。

1.3個人風險計算

通常以年度個體死亡率表示特定位置處的個人風險，具體可構建為以下風險定量計算模型。[13]

(7)

式(7)中：R(x,y)為空間地理位置(x,y)處的個人風險；fs為第s個事故情景發生的概率；Vs(x,y)為第s個事故在位置(x,y)處引起個體死亡的概率；N為事故總數。

1.4個人風險標準

目前我國普遍采用的石化行業可忽略風險標準為1.0×10-6，最大可接受風險標準為1.0×10-4。[14]針對LNG加注船通航過程還沒有特定的風險標準的狀況，參考ISO發布的《LNG加注作業系統及設備安全指南》中的個人年度風險(Annual Individual Risk，AIR)標準[15]，分別計算風險值為1.0×10-4，1.0×10-5和1.0×10-6時的風險距離。

2 LNG加注船橫向風險距離計算實例

2.1計算參數

以國內某新建內河LNG加注實船為研究對象，船舶尺度見表5。根據規劃營運河段的現場實際數據，通航河段的交通流和氣象數據見表6。

表5 LNG加注船尺度

表6 通航何段交通流和氣象數據

2.2事故場景及概率計算結果

該加注船規劃每年滿載通航約500次，通航過程中碰撞事故考慮最危險情況，即碰撞發生在水線處，根據“1.1”節可計算出不同事故場景的發生概率，計算結果見表7。

表7 不同事故場景的概率計算結果

2.3風險距離計算結果分析

根據“1.4”節所述的個人風險標準，由式(7)可計算出不同個人風險值下的橫向風險距離(見表8)。

表8 LNG加注船橫向風險距離

3 結束語

針對特定小型LNG加注船通航過程提出了一種橫向風險距離的定量計算模型，通過研究得到以下結論。

1) 從通航水域交通流密度來看，LNG加注船橫向風險距離與其年通航次數及過往船舶年通航次數密切相關(見圖5和圖6)，且影響程度較大。過往船舶交通流為10萬艘次/a時，200 m3LNG加注船橫向風險距離需達到76 m。由此可見，工程實踐中，在交通繁忙水域，即使對小型LNG加注船，設置橫向安全距離也是有必要的。

圖5 交通流密度為10 000艘次/a水域風險距離隨加注船通航次數變化

圖6 加注船年通航1 000次時風險距離隨交通流密度變化

2) 提出的定量計算LNG加注船橫向風險距離的方法可為我國新興內河小型LNG 加注船提供具體可行的通航安全評價思路，以降低LNG通航過程中與過往船舶、停泊船舶和水域固定建筑物等周圍易受影響目標之間的火災風險。

在以后的研究中，需進一步提高模型的計算精度，如更加全面地考慮所有可能發生的火災類型、更加精確地計算各類型火災的發生概率等，從而使風險距離的界定更加合理；同時，各影響因素的定量敏感性分析也是下一步研究的方向。

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QuantitativeCalculationforDeterminingLateralNauticalRiskDistanceofSmallLNGBunkerVessel

MENGXiaodong,YUANZhangxin
(State Key Laboratory of Navigation and Safety Technology, Shanghai Ship and Shipping Research Institute, Shanghai 200135, China)

In order to ensure the nautical safety of Liquefied Natural Gas (LNG) bunker vessel, a calculation method for determining the lateral risk distance of LNG bunker vessel is presented. The accident scenario identification is performed according to the general idea of Quantitative Risk Analysis (QRA). The database for probabilities of different LNG spill scales from possible tank rupture sizes due to its fatigue failure or an external impact are built. The lateral risk distance from the small bunker vessel is decided according to the consequence and vulnerability estimates and the risk criteria of the industry. An example application is given, which shows that the risk distance is bound up with the LNG, number of bunker vessel transits and traffic volume of the given waterway. A lateral risk distance is necessary even for small LNG bunkering vessels.

waterway transportation; LNG; bunker vessel; quantitative risk analysis; risk distance

2015-05-08

孟曉東 (1984—), 男, 山東臨沂人，工程師，碩士，主要從事航海安全及LNG水上應用研究。E-mail:ncomplex@163.com

1000-4653(2015)03-0089-05

U674.24+4; U698

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