LNG罐箱碼頭裝卸事故后果分析及安全對(duì)策

孫睿婷，田宏

LNG罐箱碼頭裝卸事故后果分析及安全對(duì)策

孫睿婷，田宏

（沈陽航空航天大學(xué)，遼寧 沈陽 110136）

LNG罐式集裝箱水路運(yùn)輸已經(jīng)成為一種新的LNG運(yùn)輸模式。碼頭裝卸作為LNG罐式集裝箱水運(yùn)過程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，一旦發(fā)生裝卸事故，可能造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失。本文在對(duì)LNG罐式集裝箱碼頭裝卸進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析的基礎(chǔ)上，對(duì)事故后果影響范圍進(jìn)行理論計(jì)算，并提出安全對(duì)策，對(duì)于LNG罐式集裝箱的碼頭安全管理具有實(shí)際意義。

液化天然氣；罐式集裝箱；碼頭裝卸；風(fēng)險(xiǎn)分析

我國的天然氣需求大且資源分布不均，需要通過運(yùn)輸來解決供需矛盾。目前，管道能夠直達(dá)的地區(qū)以管道運(yùn)輸為好，管道難以直達(dá)或者鋪設(shè)管道不經(jīng)濟(jì)時(shí)，以液化天然氣（LNG）方式運(yùn)送最佳。LNG的運(yùn)輸方式主要有LNG公路槽罐車陸地運(yùn)輸、LNG船舶水路運(yùn)輸?shù)取NG公路運(yùn)輸成本高，而且公路沿線環(huán)境復(fù)雜多變，導(dǎo)致近年來LNG公路運(yùn)輸事故時(shí)有發(fā)生，對(duì)生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成威脅。LNG船舶運(yùn)輸是LNG運(yùn)輸?shù)闹饕绞剑壳按斑\(yùn)輸主要通過LNG專用船進(jìn)行散裝運(yùn)輸，但LNG專用船舶的運(yùn)輸成本較高。在這種背景下，有關(guān)專家提出了LNG罐式集裝箱運(yùn)輸模式[1]。

LNG罐式集裝箱運(yùn)輸具備很多優(yōu)點(diǎn)。首先，LNG罐式集裝箱儲(chǔ)運(yùn)靈活，LNG罐式集裝箱宜水宜陸，宜儲(chǔ)宜運(yùn)，既可實(shí)現(xiàn)多式聯(lián)運(yùn)直達(dá)終端用戶，又可作為臨時(shí)儲(chǔ)存設(shè)施。其次，可輻射范圍廣，無海陸運(yùn)輸限制，可達(dá)到管道未覆蓋的偏遠(yuǎn)區(qū)域[2]，使用LNG罐式集裝箱路運(yùn)輸還可以有效降低成本。但由于水路運(yùn)輸安全涉及面廣，一旦發(fā)生事故造成的人員和財(cái)產(chǎn)損失將難以估計(jì)[3]。碼頭裝卸作業(yè)作為LNG罐式集裝箱海運(yùn)過程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，存在著較大的風(fēng)險(xiǎn)，一旦發(fā)生事故，對(duì)船舶、港口、裝卸泊位、海洋環(huán)境以及人員都將產(chǎn)生災(zāi)難性的事故后果，因此對(duì)LNG罐式集裝箱碼頭裝卸作業(yè)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析，對(duì)于加強(qiáng) LNG罐式集裝箱碼頭裝卸作業(yè)的安全管理具有重要意義。

1 LNG罐式集裝箱碼頭裝卸風(fēng)險(xiǎn)分析

對(duì)于LNG罐式集裝箱來說，LNG屬于第一類危險(xiǎn)源，其低溫、易燃易爆等特性會(huì)對(duì)人員造成傷害。在LNG罐式集裝箱碼頭裝卸過程中，罐箱及安全附件失效、人的操作失誤以及環(huán)境等因素可能導(dǎo)致的LNG意外釋放，為第二類危險(xiǎn)源。

首先，LNG罐式集裝箱由于自身問題，可能發(fā)生泄漏、變形、內(nèi)容器壓力增高等情況。裝卸過程中人員的操作、配合等人為因素對(duì)裝卸作業(yè)的安全也有直接的影響。在碼頭裝卸過程中，由于LNG罐式集裝箱碼頭裝卸作業(yè)在露天進(jìn)行，受到雷電、大風(fēng)、大霧、照明等自然天氣的影響明顯[4]。另外，在LNG罐式集裝箱裝卸的過程中可能出現(xiàn)吊鉤斷裂、鋼絲繩斷裂等情況。這些危險(xiǎn)有害因素可能導(dǎo)致LNG罐式集裝箱發(fā)生碰撞、墜落造成罐箱泄漏，對(duì)人員造成凍傷、中毒、窒息等傷害，泄漏的LNG遇火源會(huì)引發(fā)火災(zāi)、爆炸等事故，如果LNG泄漏到船上會(huì)造成船體結(jié)構(gòu)冷脆斷裂[5]。

本文采用事件樹的方法對(duì)LNG罐式集裝箱泄漏可能發(fā)生的火災(zāi)爆炸的事故類型和后果進(jìn)行分析，分析結(jié)果見圖1。

圖1 LNG罐式集裝箱泄漏事件樹分析

2 事故后果計(jì)算

根據(jù)事件樹分析得到的事故類型，本文選取沸騰液體擴(kuò)展蒸氣爆炸（BLEVE）模型、蒸氣云爆炸模型和噴射火模型對(duì)LNG罐式集裝箱泄漏的事故后果進(jìn)行計(jì)算。以40 ft的LNG罐式集裝箱為例，罐箱容積42.5 m3，最高工作壓力0.76 MPa，充裝率90%。LNG的密度為430 kg·m-3，LNG的燃燒熱為56 000 kJ·kg-1。

2.1 沸騰液體擴(kuò)展蒸氣爆炸（BLEVE）模型

BLEVE是一種危險(xiǎn)性極大的物理性爆炸。容器充裝過量、機(jī)械碰撞或處于火災(zāi)環(huán)境中等情況，會(huì)導(dǎo)致容器失效破裂，此時(shí)容器內(nèi)壓力平衡破壞，LNG急劇汽化，液化氣體大量泄放，遇點(diǎn)火源發(fā)生劇烈燃燒，形成巨大火球[6]。

火球半徑的計(jì)算：

式中：—火球直徑，m；

—火球中消耗的可燃物質(zhì)量，kg，對(duì)于單罐儲(chǔ)存，取罐容量的50%。

火球持續(xù)時(shí)間的計(jì)算：

式中：—火球持續(xù)時(shí)間，s。

經(jīng)計(jì)算得，BLEVE形成的火球半徑為60.63 m，火球持續(xù)的時(shí)間為9.41 s。

有衣服保護(hù)時(shí)，人的死亡概率：

有衣服保護(hù)時(shí)，人員二度燒傷的概率：

有衣服保護(hù)時(shí)，人員一度燒傷的概率：

式中：—熱輻射，W·m-2。

傷害半徑按50%的傷害概率計(jì)算，取r=5，代入式（3）中，得出導(dǎo)致人死亡的熱輻射=43 947 W·m-2。

式中：—燃燒輻射分?jǐn)?shù)，取0.35；

c—LNG的燃燒熱，J·kg-1。

將得到的熱輻射代入公式（6）中，解得死亡半徑1=156.37 m。同理計(jì)算可得人員二度燒傷和一度燒傷的熱輻射和傷害半徑，計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 BLEVE事故危險(xiǎn)區(qū)域

2.2 蒸氣云爆炸模型

LNG罐式集裝箱泄漏后，處于爆炸極限的 LNG 蒸氣云遇到點(diǎn)火源會(huì)發(fā)生蒸氣云爆炸事故，其后果采用TNT當(dāng)量法和超壓準(zhǔn)則來計(jì)算，方法如下：

蒸氣云爆炸的TNT當(dāng)量：

式中：TNT—LNG蒸氣云的TNT當(dāng)量，kg；

—LNG蒸氣云的TNT當(dāng)量系數(shù)，取4%；

—常數(shù)，在地面爆炸時(shí)取值為1.8；

f—LNG蒸氣云的總質(zhì)量，kg；

f—LNG蒸氣中的燃燒熱，kJ·kg-1；

TNT—爆熱，kJ/kg，取45 00 kJ·kg-1。

如果儲(chǔ)罐內(nèi)的液化天然氣全部泄漏，則：

式中：—單罐充裝系數(shù)，取90%；

—液化天然氣的密度，kg·m-3；

—儲(chǔ)罐的體積，m3。

經(jīng)計(jì)算可得，f=16 447.5 kg，TNT=14 726.96 kg。蒸氣云爆炸的死亡半徑：

利用沖擊波超壓計(jì)算重傷和輕傷的范圍：

式中：△—沖擊波超壓，Pa；

—中間因子；

—蒸氣云爆炸能量值，J；

0—環(huán)境壓力，取101 325 Pa。

人員受重傷時(shí)，取△=44 kPa，人員受輕傷時(shí)，取△=17 kPa。將數(shù)據(jù)代入公式（11）和公式（12）中，得出的蒸氣云爆炸事故危險(xiǎn)區(qū)域見表2。

表2 蒸氣云爆炸事故危險(xiǎn)區(qū)域

2.3 噴射火事故模型

假設(shè)LNG連續(xù)釋放時(shí)發(fā)生大孔泄漏，泄漏孔直徑0.1 m，泄漏口到液面距離1 m，此時(shí)質(zhì)量流速如下：

式中：m—質(zhì)量流率，kg·s-1；

—儲(chǔ)罐內(nèi)液體壓力，Pa；

0—液體泄漏系數(shù)，取0.65；

—泄漏孔面積，m2；

L—泄漏孔上方液體高度，m。

將數(shù)值代入式（14）中，可得質(zhì)量流速m=121.64 kg·s-1。噴射火的火焰長度計(jì)算：

式中：—火焰長度，m。

得出火焰長度=143.67 m。距離火焰點(diǎn)源為(m)處接收到的熱輻射通量可用下式表示：

式中：—距離處接收的熱輻射的通量，W·m-2。

當(dāng)輻射強(qiáng)度達(dá)到為37.5 kW·m-2時(shí)，會(huì)造成設(shè)備損壞，1 min內(nèi)會(huì)造成100%人員死亡；當(dāng)輻射強(qiáng)度為25 kW·m-2時(shí)，10 s內(nèi)會(huì)讓人重度燒傷；當(dāng)輻射強(qiáng)度為12.5 kW·m-2時(shí)，會(huì)造成人員一度燒傷。將數(shù)據(jù)代入式（16）中，可得噴射火危險(xiǎn)區(qū)域，見表3。

表3 噴射火事故危險(xiǎn)區(qū)域

3 安全對(duì)策

鑒于LNG泄漏事故后果比較嚴(yán)重，LNG 罐式集裝箱碼頭裝卸過程中應(yīng)滿足《水路危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸規(guī)則》《集裝箱港口裝卸作業(yè)安全規(guī)程》（GB 11602-2007）、《危險(xiǎn)貨物集裝箱港口作業(yè)安全規(guī)程》（JT397-2007）等法律法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的有關(guān)要求。根據(jù)LNG罐式集裝箱碼頭裝卸風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果和相關(guān)法律法規(guī)，從人、設(shè)備、環(huán)境、管理幾方面提出安全對(duì)策如下：

1）選擇裝卸作業(yè)的人員時(shí)，應(yīng)選派經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn)與考核的、具有豐富裝卸經(jīng)驗(yàn)的裝卸人員，裝卸人員應(yīng)詳細(xì)了解LNG的危險(xiǎn)特性和事故應(yīng)急反應(yīng)措施，并嚴(yán)格按照操作規(guī)程作業(yè)。裝卸人員應(yīng)按規(guī)定穿戴必要的防護(hù)用品，如防靜電工作服、工作鞋等，碼頭應(yīng)備有應(yīng)急防護(hù)裝備。裝卸LNG罐式集裝箱時(shí)，原則上應(yīng)最后裝最先卸，裝卸過程中應(yīng)穩(wěn)拿輕放，防止撞擊、滑跌、摔落以及因液體晃動(dòng)而產(chǎn)生靜電等不安全因素的產(chǎn)生。

2）碼頭應(yīng)按有關(guān)規(guī)定、標(biāo)準(zhǔn)要求，進(jìn)行LNG罐式集裝箱裝卸作業(yè)時(shí)，現(xiàn)場應(yīng)配備消防、應(yīng)急設(shè)備，條件許可時(shí)可以安排一艘消拖兩用船進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)護(hù)。作業(yè)前應(yīng)檢查所使的用集裝箱裝卸設(shè)備，確保其裝卸能力與集裝箱狀態(tài)相適應(yīng)。在裝卸作業(yè)前和進(jìn)行作業(yè)時(shí)，對(duì)集裝箱外形結(jié)構(gòu)、可活動(dòng)零件、罐箱栓固情況進(jìn)行檢查，確保集裝箱狀況良好。

3）夜間裝卸時(shí)應(yīng)有良好的照明，碼頭所用的燈具應(yīng)選擇防塵防潮的燈具。裝卸作業(yè)中遇有雷鳴、閃電等惡劣天氣或附近發(fā)生火災(zāi)等危險(xiǎn)情況時(shí)，應(yīng)立即停止作業(yè)，并將LNG罐式集裝箱妥善處理。在高溫季節(jié)，港口應(yīng)根據(jù)所在地區(qū)的氣候條件確定合適的作業(yè)時(shí)間，避免陽光暴曬對(duì)LNG罐式集裝箱產(chǎn)生不良影響。

4）從事LNG罐式集裝箱裝卸作業(yè)的港口， 應(yīng)得到所在地港口行政管理部門的批準(zhǔn)，具備危險(xiǎn)貨物港口作業(yè)資質(zhì)。港口的安全管理人員應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行安全管理制度、安全操作規(guī)程及事故應(yīng)急預(yù)案。裝卸作業(yè)開始前，應(yīng)在船岸之間設(shè)置安全網(wǎng)。裝卸作業(yè)時(shí)，應(yīng)使用防爆型對(duì)講機(jī)進(jìn)行聯(lián)絡(luò)，作業(yè)區(qū)內(nèi)手機(jī)必須關(guān)閉。在距裝卸地點(diǎn)應(yīng)劃定合適的禁火區(qū)，作業(yè)人員不得攜帶火種進(jìn)入作業(yè)現(xiàn)場，無關(guān)人員不得進(jìn)入，無關(guān)船舶不得停靠。裝卸LNG罐式集裝箱時(shí)，船舶不得進(jìn)行加油、加水（岸上管道除外）、拷鏟等作業(yè)。

4 結(jié)束語

本文采用事件樹的方法分析了LNG罐式集裝箱碼頭裝卸泄漏可能的事故類型和后果，選取了BLEVE、蒸氣云爆炸、噴射火3種事故模型進(jìn)行后果分析，計(jì)算出了各事故模型的傷害半徑，為應(yīng)急救援預(yù)案的編制提供理論依據(jù)。

根據(jù)港口裝卸相關(guān)法律法規(guī)，從人、設(shè)備、環(huán)境、管理幾個(gè)方面提出安全對(duì)策，為LNG罐式集裝箱碼頭裝卸的安全管理提供理論依據(jù)和指導(dǎo)。

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LNG Tank Container Terminal Loading and Unloading Accident Consequence Analysis and Safety Countermeasures

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（Shenyang Aerospace University, Shenyang Liaoning 110136, China）

Waterway transportation of LNG tank container has become a new mode of LNG transportation. Once a loading and unloading accident occursin terminal, it may cause serious economic and property losses. Based on the risk analysis of LNG tank container terminal handling, the range of accident consequences was calculated, and some safety countermeasures were put forward. The paper is of practical significance for the terminal safety management of LNG tank containers.

LNG; Tank container; Terminal handling; Risk analysis

2020-03-18

孫睿婷（1996-），女，碩士研究生，遼寧省盤錦市人，研究方向：系統(tǒng)安全及理論應(yīng)用。

田宏（1964-），男，教授，博士，研究方向：系統(tǒng)安全及理論應(yīng)用。

X937

A

1004-0935（2020）07-0893-04