基于FSA的LNG燃料動力船過閘安全性

張 帆， 周涂強

(1. 武漢理工大學 a. 航運學院； b. 智能交通系統研究中心， 武漢 430063；2. 內河航運技術湖北省重點實驗室， 武漢 430063; 3. 國家水運安全工程技術研究中心， 武漢 430063)

基于FSA的LNG燃料動力船過閘安全性

張 帆1a,2， 周涂強1b,3

(1. 武漢理工大學 a. 航運學院； b. 智能交通系統研究中心， 武漢 430063；2. 內河航運技術湖北省重點實驗室， 武漢 430063; 3. 國家水運安全工程技術研究中心， 武漢 430063)

將綜合安全評估(Formal Safety Assessment, FSA)引入到液化天然氣(Liquefied Natural Gas, LNG)燃料動力船過閘安全性研究中；從典型事故情景方面出發，對LNG燃料動力船的過閘進行風險源辨識。在此基礎上，結合LNG儲罐部件基礎泄漏概率和事故后果模擬結果，對LNG燃料動力船兩壩間航行、過閘、錨泊及燃料加注等典型情景進行風險分析，并提出LNG燃料動力船過閘安全管理建議。

LNG燃料動力船； 三峽船閘； 安全評價； 風險管理

Abstract: Formal Safety Assessment (FSA) is introduced into the safety research of Liquefied Natural Gas (LNG) fuel ship lockage. The risk of LNG fuel ship passing through the Three Gorges Dam Lock is identified in typical accident scenarios. Based on the combination of the leakage probabilities of the LNG tank components and the accident consequence simulation, the risks in typical scenarios, such as navigation, lockage, berthing and bunkering, are analyzed. Safety management advices of LNG fuel ship passing through the Three Gorges Dam lock are provided.

Keywords: LNG fuel ship; Three Gorges Dam lock; safety assessment; risk management

隨著我國對能源的需求不斷增長，引進液化天然氣(Liquefied Natural Gas，LNG)有利于優化能源結構，有效解決能源供應問題，并將在諸多方面發揮重要作用。

LNG的易燃、易爆性決定了LNG燃料動力船安全管理的特殊性和嚴格性。隨著石油資源不斷被消耗，將有越來越多的LNG燃料動力船投入運營，其中長江LNG燃料動力船必將涉及到通過三峽船閘的安全管理問題。研究LNG燃料動力船通過三峽船閘的可行性評估，對提高我國內河LNG燃料動力船的安全管理水平具有一定的現實意義。

1 綜合安全評估理論體系

1.1綜合安全評估簡介

綜合安全評估(Formal Safety Assessment, FSA)是一種在工程技術和工程運行管理中用于制定合理可行的規則和提供風險控制的綜合性、結構化、系統性及可行性的分析辦法。[1]

FSA可在風險評估及風險控制方案的基礎上對實施每個控制方案所產生的相關費用和效益情況與數據進行詳細的計算和統計，以及細節性的量化分析和評估；同時，能根據費用與效益比的實際情況對安全要求作出最終的合理決策。[2]

1.2FSA步驟

FSA包括危險識別、風險評估、風險控制方案、費用與效益評估和提供決策建議等5個規范化評估步驟。

1) 危險識別：FSA的初始步驟，目的是對所界定的評估系統項目中可能存在的所有危險進行識別。

2) 風險評估：分析影響風險程度的各種因素及事故發生與事故后果之間的關系。

3) 風險控制方案：在危險識別和風險評估的基礎上，有針對性地提出相應的降低風險的措施，并根據這些措施制定具體切實可行的風險控制方案。

4) 費用和效益評估：估算和評價“風險控制方案”中每種風險控制方案所產生的費用及受益費用。

5) 提供決策建議：在對危險和潛在原因的比較和排序及對風險控制方案的費用和效益評估的比較和排序的基礎上，提出相應的合理決策建議。

FSA目前主要采取的流程是1)—2)—5)[3]，省略步驟3)和4)。因為通常情況下，步驟3)可在步驟5)中實現，步驟4)也是在步驟3)結束后實施的，而這里所研究的焦點是LNG燃料動力船通過三峽船閘的風險與安全評價，風險控制和費用與效益評價可在后續重點研究，因此只采用1)—2)—5)流程。

2 LNG燃料動力船過閘危險識別

對LNG燃料動力船在三峽大壩與葛洲壩之間水域(以下簡稱“兩壩區”水域)航行、過閘、錨地靠離泊和燃料加注等4個典型情景進行危險識別。

2.1兩壩間航行

LNG燃料動力船通過兩壩區水域時，影響其航行安全的因素主要是兩壩間復雜的通航環境。可能發生的事故種類主要為觸礁、觸損和碰撞事故。事故致因主要與船舶安全性、外部通航環境及船員駕駛行為有關。[3]事故后果分為普通觸碰事故和二次危害。

2.2過閘

LNG燃料動力船過閘時航速較小，發生碰撞事故的概率不高，但BOG(Boil-Off Gas)閃蒸汽(LNG蒸發氣)排放是主要風險源。船舶過閘時采用統一編組通過模式，閘室內船舶間的間距較小，LNG燃料動力船一旦發生火災將有可能造成其他船舶連鎖失火，故LNG燃料動力船過閘時的主要風險為火災事故。該類事故的主要致因是：船舶在候閘時均需經過一個等待周期，若遇到連續高溫天氣，LNG儲罐系統內部的壓力將增大，需采取壓力釋放措施，LNG蒸發氣從透氣管出口排出；若此時船內及附近危險地帶有人員吸煙，產生明火，則可能導致船舶發生火災[4]；由于閘室具有密閉性，火勢將迅速蔓延，對閘室和其他船舶的安全造成嚴重威脅。

2.3進出錨地

由于三峽大壩壩上和葛洲壩壩下錨地水域作業繁忙，因此LNG燃料動力船在進入錨地水域的過程中可能會與正常航行的船舶、其他錨泊船舶及水下礙航物發生碰撞、觸損等，對相關作業人員、被碰撞船舶和水上水下建筑物造成較大危害。[5]LNG燃料動力船在錨地的風險主要是船舶碰撞和觸損事故。

2.4LNG燃料加注

人為操作失誤、設備品質不過關和失效磨損等因素可能會引起加注軟件破損、法蘭連接處失效等，造成LNG泄漏擴散。LNG在加注過程中的主要風險是管道破裂和過充。事故致因主要是：加注管路法蘭連接處泄漏；回氣管法蘭連接處泄漏；LNG槽車的接地線與固定線連接不當產生電火花和電弧；LNG柔性軟管破裂；LNG加注臂斷裂；加注罐與受注罐溫度不同及緊急情況下快速斷開的裝置失效或缺失。[6]

分析LNG燃料動力船在過閘過程中發生事故的可能性、造成的人員死亡及經濟損失。LNG燃料動力船的機艙和生活區發生火災可能會造成LNG儲罐保溫層失效、LNG泄漏，進而導致火災或爆炸事故發生。根據上述分析，得到LNG燃料動力船在兩壩間航行及過閘面臨的事故風險(見表1)。

3 LNG燃料動力船過閘風險評估

基于風險識別結果，LNG燃料動力船在兩壩間水域航行及過閘過程中面臨的事故風險很大程度上與LNG儲罐泄漏有關，因此重點分析涉及LNG儲罐泄漏的相關因素。LNG儲罐可能發生的典型泄漏模式主要有瞬時泄漏和連續泄漏兩種。影響泄漏強度的主要因素是泄漏口的尺寸和形狀；泄漏口主要分為小孔、中孔和大孔等3種[7-10]；泄漏口徑分別為5 mm，50 mm和100 mm。該研究中所設定的風速均是與船舶相對的速度，取3 m/s；設定的外部溫度為20 ℃。

根據LNG的泄漏模式和泄漏場景，結合LNG的危險特性及LNG燃料動力船的儲存、氣化和混氣等過程的操作條件及狀態等，分析LNG泄漏后可能發生的事故場景。

3.1定量風險評估理論和相關標準

定量風險評價也稱概率風險評價(Probabilistic Risk Assessment, PRA)，通過對系統或設備的失效概率及失效后果的嚴重程度進行量化分析，定量描述系統風險，從數量上評價對象的危險等級。這里擬采用個人風險值計算方法，該方法為所有潛在的事故對某一位置點的無防護措施個人死亡發生的年概率，見式(1)。

(1)

式(1)中：R(x，y)為位置(x,y)處的個人風險；ft為第t個事故情景發生的概率；Vt(x，y)為第t個事故在位置(x,y)處引起個體死亡的概率；n為事故數量。

根據國家安全生產監督管理總局令第40號，有關危險化學品單位周邊重要目標和敏感場所所承受的個人風險應滿足的可容許風險標準見表2。

3.2LNG泄漏概率

根據對LNG泄漏模式的分析，LNG儲罐系統泄漏主要包括儲罐泄漏、管道泄漏及閥門等附件泄漏。

這里參考“基于風險檢驗的基礎方法(SYT 6714—2008)”給出的不同部件的基礎泄漏頻率計算LNG儲罐、管道及閥門等在不同失效模式下的LNG事故概率，計算結果見表3。

表3 不同失效模式下LNG事故概率

3.3LNG燃料動力船事故后果模擬

對于泄漏后氣體擴散和蒸發氣爆炸的模擬,選擇FLACS軟件進行計算。FLACS是三維CFD軟件，能較好地模擬出氣體的擴散狀態和爆炸沖擊波的傳播。利用FLACS軟件的計算過程見圖1。

圖1 計算過程

考慮到“紅日166”輪是我國營運的首艘LNG燃料動力船，改造技術合格，營運時間較長，試驗數據豐富，在現階段的LNG燃料動力船中具有典型的代表性，因此以該船為例進行模擬和計算。

根據專家討論的結果，“紅日166”可能出現的故障是DN40管道泄漏和DN10管道泄漏。事故主要類型為閃火和蒸發氣爆炸(VCE)。LNG蒸發時間取世界銀行推薦的典型連續泄漏擴散時間10 min，LNG蒸發率取0.049 kg/(m2·s)。根據相關報告中閃火危害半徑和船舶尺寸，經專家討論,可進一步估算發生閃火及蒸發氣爆炸事故可能造成的人員傷亡情況(見表4和表5)。

表4 不同失效模式下閃火事故后果

由表4可知，LNG儲罐系統泄漏孔徑越大，危害范圍就越大。采取適當措施控制LNG儲罐系統的失效模式，避免中/大孔泄漏、完全破裂事故發生，有利于降低閃火事故的危害。

表5 不同失效模式下蒸發氣爆炸事故后果

3.4LNG燃料動力船泄漏事故風險計算

根據式(1)，結合各項概率及事故模擬結果，最終可求得LNG泄漏的綜合風險總值(見表6)。

表6 不同失效模式下閃火/云爆事故綜合風險值

3.5計算結果及對比

由個人風險計算結果可知，由LNG泄漏引發的閃火和云爆事故的綜合風險總值為1.63×10-6，意味著上述風險會導致每年1.63×10-6起人員傷亡事故發生，LNG泄漏的綜合風險總值高于“高敏感或特殊高密度場所”對應的風險標準值3×10-7。因此，LNG燃料動力船對三峽船閘區域人員所面臨的風險是不能接受的，現階段LNG燃料動力船不宜通過三峽船閘。

4 LNG燃料動力船過閘安全管理建議

降低事故風險主要有降低事故發生的頻率和控制事故造成的后果2種途徑。這里充分考慮LNG燃料動力船過閘的特殊性，針對LNG燃料動力船的典型情景，從兩壩間航行、船舶過閘和錨地作業等方面提出安全管理建議。

4.1兩壩間航行

1) 船舶必須嚴格按照中國船級社《天然氣燃料動力船舶規范》的要求安裝、布置LNG儲罐，采取相關措施嚴格控制BOG釋放。

2) 船舶在確保油氣管路正常后方可將燃料模式轉換到油氣混合模式。

3) 當發現LNG燃料動力船主機出現故障時，應及時向船舶交通管理(Vessel Traffic Service, VTS)中心報告，并選擇合適的水域拋錨。

4) 船舶在壩區水域航行時，必須嚴格遵守兩壩間通航管理規定，加強瞭望，謹慎駕駛，保持安全航速，嚴禁冒險、違章航行。

5) 船舶進入臨壩水域之后,應根據當時的風流情況合理調整船位，確保與水上、水下的建筑物保持安全富余距離，防止發生碰撞事故。

6) 相關安全管理機構需重點跟蹤兩壩間航行的LNG燃料動力船，強化安全信息服務和預警服務，必要時調派海巡艇實施現場護航。

4.2船舶過閘

1) 考慮到BOG釋放聚集問題，建議避免兩艘以上的LNG燃料動力船處于同一閘室中，降低BOG釋放的濃度。

2) 建議LNG燃料動力船使用燃油模式，降低LNG燃料的使用率。

3) 加大LNG燃料動力船過閘期間的現場監管力度，確保船閘管理部門與船舶駕引人員之間的聯系渠道暢通，以便提前發現隱患并及時處理。

4) 禁止LNG燃料動力船與危險品船和客船同時過閘。

4.3進出錨地

1) LNG燃料動力船在進出錨地時應采用燃油模式，降低因LNG燃料系統不穩定而造成事故的概率。

2) LNG燃料動力船嚴格遵守三峽大壩壩上和葛洲壩壩下的錨地管理規定及通航管理規定，降低水上交通事故的發生率。

3) 建議LNG燃料動力船在兩壩間航行、錨泊時作為危險品船管理，并考慮到三峽壩區通航環境的特殊性和加注LNG燃料作業的危險性，禁止LNG燃料動力船在壩區水域進行LNG加注作業。

4.4LNG燃料動力船安全管理

1) 在LNG燃料動力船的儲罐系統設計布置、船舶管理和船員培訓等還未在整個內河推廣應用的情況下，建議將內河LNG燃料動力船作為危險品船管理。

2) 建議有關部門在該研究給出的相關安全管理建議的基礎上，從船舶安全設施配備、船舶日常安全管理、LNG燃料加注安全管理、特定區域安全管理、海事安全監管、突發事件應急管理及LNG燃料船船員管理等方面進一步開展LNG燃料動力船過閘安全保障措施研究，確保在全面推廣使用LNG燃料動力船時有效降低LNG燃料動力船的險情事故率和對周圍環境設施造成的影響。

5 結束語

在FSA框架下辨識LNG燃料動力船通過三峽船閘過程中的主要風險源，結合LNG儲罐部件基礎泄漏概率和事故后果模擬結果，對LNG燃料動力船在兩壩間水域航行、過閘、錨泊和LNG燃料加注等典型情景進行風險分析和評價，得到現階段LNG燃料動力船不宜通過三峽船閘的結論，可為下一步制定LNG燃料動力船過閘安全管理規定提供科學的參考和依據。

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SafetyAssessmentofLNGFuelShipPassingThroughThreeGorgesDamLock

ZHANGFan1a,2,ZHOUTuqiang1b,3

(1. a. School of Navigation; b. Intelligent Transportation System Research Center, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China; 2. Hubei Key Laboratory of Inland Shipping Technology, Wuhan 430063, China; 3. National Engineering Research Center for Water Transport Safety，Wuhan 430063, China)

U676.1； U674.92

A

2016-04-21

張 帆(1982—)，男，湖北武漢人，講師，博士，主要研究方向為水上交通工程及船舶污染防治與控制。 E-mail:michael_zf@qq.com

1000-4653(2016)02-0082-05