LNG船舶港口泄漏事故情景構(gòu)建及危害程度分析*

王海東，陳 凱 ，安廣海 ，趙 明

(1. 中海石油氣電集團有限責(zé)任公司 北京 100028; 2. 深圳中質(zhì)安股份有限公司，廣東 深圳 518107)

0 引言

隨著城市建設(shè)的深入，天然氣已成為城市運行的重要生命線之一。由于天然氣本身的理化特性，其生產(chǎn)、運輸、儲存和使用過程中具有一定風(fēng)險，這對于企業(yè)生產(chǎn)安全和城市的公共安全都帶來挑戰(zhàn)。天然氣系統(tǒng)作為城市重要的基礎(chǔ)設(shè)施，有全線性、開放性、連帶性、封閉性及擴散性等特征。由于其運輸流量較大、長輸管線運輸距離長、儲罐眾多等特點，具有運行中的危險因素較多、事前防范及救援困難大等特點。一旦發(fā)生火災(zāi)、爆炸等事故，易對人民生命財產(chǎn)造成損失，產(chǎn)生惡劣的社會影響[1-4]。國內(nèi)外相關(guān)企業(yè)都十分重視天然氣風(fēng)險的控制，天然氣運營安全一直受到企業(yè)和各級政府的高度重視和全社會的廣泛關(guān)注。

隨著液化天然氣(LNG)海上運輸行業(yè)的快速發(fā)展，并有大型化發(fā)展趨勢，企業(yè)和政府的安全管理部門提高了對LNG船舶泄漏事故的潛在威脅的關(guān)注程度，并以此編制應(yīng)急預(yù)案。在港口停泊、裝卸作業(yè)過程發(fā)生船體碰撞所引發(fā)的事故是值得重點關(guān)注的事故類型。1997—2005年共發(fā)生了7起較大的LNG船舶碰撞事故。突發(fā)事件情景構(gòu)建是對可能發(fā)生的事件進行科學(xué)假定，模擬情景的演化，分析情景發(fā)展過程與災(zāi)難后果，梳理應(yīng)對情景需要，評估既有的能力現(xiàn)狀，提出應(yīng)急準(zhǔn)備措施的一個研究方法。王永明[5]提出事故災(zāi)難類重大突發(fā)事件情景構(gòu)建概念模型，分析模型中的機會窗和準(zhǔn)備效益等重要的理論，并總結(jié)該模型的指導(dǎo)意義，通過工業(yè)園的案例開展模型的驗證研究，以證明其在災(zāi)難領(lǐng)域的實際價值。盛勇等[6]則針對突發(fā)事件，從系統(tǒng)的復(fù)雜性、開放式預(yù)想及序貫性3個原則研究事件的情景演化機理，構(gòu)建其演化系統(tǒng)模型，并給出情景網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵要素的提取方法。夏正霖等[7]將情景構(gòu)建方法和模糊規(guī)則應(yīng)用于商業(yè)綜合體火災(zāi)，構(gòu)建了火災(zāi)情景構(gòu)建的分層網(wǎng)絡(luò)模型，火災(zāi)情景發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)鏈路圖，并實現(xiàn)了火災(zāi)情景狀態(tài)的發(fā)展可視化。何守慧等[8]根據(jù)LNG泄漏的高危險性建立泄漏速率模型，分別計算了海平面上和海平面下的泄漏行為，得出泄漏口和不同距離的泄漏規(guī)律，對事故的后果進行了預(yù)測。

重大突發(fā)事件“情景構(gòu)建”理論為船舶在港口碰撞發(fā)生泄漏事故的應(yīng)急管理提供一個有效的技術(shù)手段[9-11]。通過對天然氣突發(fā)事件分析發(fā)現(xiàn)，事件原因、演化過程、應(yīng)急處置環(huán)節(jié)等存在著許多共性和規(guī)律，由此可進一步思考，分析探索事件的共性規(guī)律，采用統(tǒng)一化、結(jié)構(gòu)化的方法對該類事件進行系統(tǒng)化研究，基于“情景-任務(wù)-能力”開發(fā)事件情景，以指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化的安全管理和應(yīng)急準(zhǔn)備，將是企業(yè)、政府相關(guān)部門和應(yīng)急管理學(xué)界面臨的重要共同課題。

本文針對薄膜型、雙殼LNG運輸船在卸船期間因碰撞造成船艙泄漏事件，用實際數(shù)據(jù)和情景構(gòu)建方法進行建模，分析發(fā)生的可能性、發(fā)生發(fā)展方式和過程、可能產(chǎn)生的后果，制作與實際情況接近的情景數(shù)據(jù)，為安全管理部門編制應(yīng)急預(yù)案提供可參考的依據(jù)。

1 情景結(jié)構(gòu)描述和主要危害描述

1.1 情景結(jié)構(gòu)描述

LNG船舶較大風(fēng)險是在航運過程中由于船舶碰撞、擱淺、撞擊以及操作失誤等原因造成的液貨泄漏，由此而引發(fā)燃燒、爆炸等事故。確定船舶碰撞造成船體破損尺度以此估算LNG泄漏量是進行LNG船舶重大事故后果分析的首要條件。

1)決定裂口尺寸的主要因素

LNG船舶重大事故后，船艙破損的嚴重程度取決于船舶設(shè)計、相對速度、碰撞角度、位置等因素。

雙殼LNG船舶與大型船舶碰撞時，當(dāng)船舶的速度超過5～6 kn時，會造成船體內(nèi)殼的破裂。LNG船舶存在主、次屏蔽，因此預(yù)測的最小破艙船速(90°碰撞)約為6～7 kn。在實際船舶碰撞事故中，當(dāng)發(fā)生嚴重穿透性碰撞后，2船會保持幾個小時的結(jié)合狀態(tài)。因此，僅5%～10%的破損尺寸會造成LNG泄漏。

2)船舶碰撞破損尺度范圍

船舶碰撞是指由于人為操作失誤，以高船速和接近90°的碰撞角度與海面上的其他船舶或建筑物發(fā)生的碰撞事故。破口尺寸按照IMO/MARPOL規(guī)定的船舶建造標(biāo)準(zhǔn)進行計算，可得出最大的人為碰撞破損尺度。

碰撞引起的損害尺度與船舶縱深比的極值為0.3，該數(shù)據(jù)適用于所有船舶。對于LNG船舶的雙殼結(jié)構(gòu)來說，內(nèi)側(cè)船殼的破口尺寸小于外側(cè)船殼的破口尺寸，最大只能達到外側(cè)破口尺寸的50%或者更小。內(nèi)側(cè)船殼最大破口尺寸可達到1.5 m。因此，LNG船舶的穿透型裂口尺寸為0～1.5 m。取最大破口尺寸的算術(shù)平均值0.75 m作為人為碰撞破損尺度。

1.2 主要危害描述

LNG泄漏后，主要的危害是火災(zāi)、爆炸。

1)火災(zāi)危害

當(dāng)LNG泄漏后，重氣云在船上、海面、地面漂浮。當(dāng)重氣云與空氣混合換熱后，再向大氣中擴散。如果未被點燃，可燃蒸氣云將向下風(fēng)方向擴散，直至稀釋到蒸氣濃度低于可燃下限。如果天然氣遇到火源，將發(fā)生燃燒，燃燒主要有池火、噴射火和閃火。

2)爆炸危害

如果燃燒發(fā)生在限制空間，或是擴散到限制空間中的甲烷被點燃，則可能產(chǎn)生過壓破壞，即形成“爆炸”，將會嚴重毀壞建筑物。

2 事故后果及危害程度分析

設(shè)定1艘船以接近90°的碰撞角度高速沖向正在卸貨的LNG船，造成1個液貨艙破裂，引發(fā)LNG大量泄漏。根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀髼l件及場景模擬，選取3個天氣參數(shù)作為計算的典型工況(風(fēng)速1，4.8，22 m/s)；LNG船卸貨期間最大泄漏量為4 000 m3/h,時間10 min；物料參數(shù)為甲烷(溫度：-162 ℃，壓力：24 Kp)，熱輻射的毀壞標(biāo)準(zhǔn)和選定的氣象條件分別見表1。

表1 選定的氣象條件Table 1 The cases of weather conditions selected

采用挪威船級社的DNV Phast軟件，對LNG船舶港口泄漏事故所產(chǎn)生的泄漏、爆炸(超壓)、火災(zāi)等危害進行計算分析。

2.1 泄漏

LNG泄漏后，模擬多云天氣，在3種風(fēng)速條件下的安全距離，見圖1～2；LNG的釋放時間為3 373.4 s，LNG的釋放速度為1 840.58 kg/s 。計算結(jié)果表明，風(fēng)速的大小是影響擴散的主要因素，在下風(fēng)向，不同風(fēng)速的擴散距離分別為500，1 100，4 950 m。

圖1 LNG泄漏后下風(fēng)向水平擴散距離Fig.1 Flow chart of trajectory generation algorithm

圖2 LNG泄漏后垂直方向的擴散距離Fig.2 Flow chart of trajectory generation algorithm

發(fā)生上述事故1 h后會形成3個泄漏源下風(fēng)向(以最壞天氣描述)長約5.5 km、寬約1.3 km、高約20 m的貼水面(地面)可能爆炸云團，如圖3所示；泄漏有關(guān)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)如表2所示。

圖3 軌跡生成算法協(xié)調(diào)邏輯Fig.3 Flow chart of trajectory generation algorithm

表2 天然氣濃度與距離的關(guān)系Table 2 Relationship between natural gas concentration and distance

2.2 爆炸

天然氣云爆炸的距離與破壞強度的關(guān)系見圖4～圖6。

圖4 距離與破壞強度的關(guān)系Fig.4 Flow chart of trajectory generation algorithm

圖5 延遲爆炸的超壓半徑Fig.5 Flow chart of trajectory generation algorithm

圖6 特定距離(440 m)的爆炸范圍Fig.6 Flow chart of trajectory generation algorithm

2.3 池火

通過模擬初期池火，其輻射強度與距離的關(guān)系見圖7，輻射范圍見圖8。

圖8 初期池火的輻射范圍Fig.8 Flow chart of trajectory generation algorithm

如圖7～8所示，雖然風(fēng)速條件不同，但均在距離與火源中心60～70 m處輻射強度最大，且非常穩(wěn)定(220 kW/m2左右)，然后迅速下降，有關(guān)數(shù)據(jù)見表3～5。

通過模擬延遲池火，其輻射強度與距離的關(guān)系見圖9，輻射范圍見圖10。

圖9 延遲池火輻射強度與距離的關(guān)系Fig.9 Flow chart of trajectory generation algorithm

圖10 延遲池火的輻射范圍Fig.10 Flow chart of trajectory generation algorithm

延遲與初期池火有些類似，但是其影響范圍大，具體數(shù)據(jù)見表6～8。

表3 初期火災(zāi)輻射強度與距離的關(guān)系(條件風(fēng)速:1 m/s)Table 3 Relation between radiation intensity and distance of initial fire (conditional wind velocity: 1 m/s)

表4 初期火災(zāi)輻射強度與距離的關(guān)系(條件風(fēng)速:4.8 m/s)Table 4 Relation between radiation intensity and distance of initial fire (conditional wind velocity: 4.8 m/s)

3 結(jié)論

通過對LNG船舶港口泄漏事故情景構(gòu)建，計算結(jié)果分析，可以得到以下結(jié)論：

1)在低風(fēng)速(1 m/s)條件時，氣云密度大，擴散距離更遠，下風(fēng)向可達5 000 m。與著火上限體積濃度(UFL)的距離217.855 m，與著火下限體積濃度(LFL)的距離1 400.76 m，安全距離(著火下限體積濃度50%LFL)8 243.06 m。

2)事故發(fā)生約1 h后，會形成下風(fēng)向長約5.5 km、寬約1.3 km、高約20 m的貼水面(地面)可能爆炸云團。通過對LNG船舶發(fā)生碰撞事故的后果模擬計算，碰撞后LNG釋放速度為1 840.58 kg/s，LNG的釋放時間為3 373.4 s，尚不足1 h。

表5 初期火災(zāi)輻射強度與距離的關(guān)系(條件風(fēng)速:22 m/s)Table 5 Relation between radiation intensity and distance of initial fire (conditional wind velocity: 22 m/s)

表6 延遲火災(zāi)輻射強度與距離的關(guān)系(條件風(fēng)速: 1 m/s)Table 6 Relation between radiation intensity of delayed fire and distance (conditional wind velocity: 1 m/s)

表7 延遲火災(zāi)輻射強度與距離的關(guān)系(條件風(fēng)速:4.8 m/s)Table 7 Relation between radiation intensity of delayed fire and distance (conditional wind velocity: 4.8 m/s)

表8 延遲火災(zāi)輻射強度與距離的關(guān)系(條件風(fēng)速:22 m/s)Table 8 Relation between radiation intensity of delayed fire and distance (conditional wind velocity: 22 m/s)

3)初期池火均在距離與火源中心60～70 m處輻射強度最大，延遲池火范圍可達200 m處，且非常穩(wěn)定(約220 kW/m2左右)，涵蓋整個碼頭，對碼頭作業(yè)人員、碼頭建構(gòu)筑物和生產(chǎn)設(shè)施影響較大。