大型雙燃料集裝箱船LNG船對船加注關鍵技術及安全管理

陳 海 丁寶喜 楊萬博 楊恒兵

由于大型雙燃料集裝箱船具有LNG燃料加注量大、作業頻次高的特點，船東更愿意選擇加注效率高、作業靈活的船對船加注方式。

近年來，LNG作為船舶燃料在內河干散貨船、渡輪、集裝箱船等船型的陸續成功應用為大型遠洋雙燃料船舶LNG燃料加注的安全性和可操作性夯實了基礎，但航運業仍然對LNG燃料加注過程中可能存在的燃氣泄漏、燃氣聚集、火災爆炸等不確定因素存在顧慮。本文以大型雙燃料集裝箱船為對象，研究船船加注風險、加注系統設計規范以及加注安全管理等問題。

LNG船對船加注風險分析

由于大型雙燃料集裝箱船在營運期間具有LNG燃料加注量大，作業頻次高的特點，船東更愿意選擇加注效率高、作業靈活的船-船加注方式。船-船加注類似于LNG運輸船海上過駁，兩者基本作業流程相似。假定受注船為首次加注，主要流程包括如下：

1、加注系統干燥惰化：燃料艙及加注管路分別通過惰性氣體發生裝置（PSA）產生的干燥氮氣進行干燥、惰化，直至達到設計指標；

2、船船安全靠泊：在完成加注船與受注船的兼容性評估的前提下，加注船和受注船在既定海域進行靠泊，并完成錨泊等加注準備工作；

3、加注管路對接：將加注船上的加注軟管與受注船管路對接，利用惰性氣體對連接處的加注管路進行吹掃，并按要求進行密性試驗；

4、監測及報警系統連接：加注作業安全分別由加注船和受注船各自的獨立安全監測系統保障，且信息交互。在加注前，完成ESD系統冷、熱態試驗等物理連接和調試。在所有物理連接和調試完成后，進行正式加注前檢查確認；

5、受注船燃料艙及加注管路預冷：首先利用加注船上的低溫液體將加注管路預冷至設計溫度，再進行燃料艙預冷，在預冷作業的同時，完成LNG氣體置換。作業過程中，燃料艙的溫降不超過每小時10℃；

6、受注船燃料艙加注：當受注船燃料艙預冷達到加注要求后，可進行正式加注作業。加注過程中，需持續監測燃料艙的壓力和溫度，直至加注完成；

7、解除加注管路和監測系統：加注完成后，按程序解除船船連接。加注管路解除前需進行吹掃和惰化，達到要求后，再進行拆除作業。若加注管路接頭處因低溫被凍住，可利用船上消防水沖洗解凍；

8、船-船解纜離泊：當加注船和受注船加注連接解除后，按要求完成船-船加注后檢查和加注交付單交接，雙方確認無誤后，加注船與受注船解纜離泊，加注作業完成。

作業風險影響因素

分析船-船LNG加注的全作業流程，可以看出加注作業中受影響的基本因素可分為設計因素、人為因素、管理因素以及環境因素。上述因素之間也相互聯系、相互作用，使加注作業過程中風險防控更加復雜化。

1、設計因素在加注作業風險防控中起決定性作用。加注和監測系統設計應充分考慮安全性、可靠性和冗余度，可避免作業過程中可能產生的系統組件失效、破損、泄漏等風險。例如，貨物控制系統故障、ESD系統失效、加注管路或閥件破損貨泄漏等；

2、人為因素是最不可控也最為核心的因素。由于船岸操作人員的錯誤行為、失誤行為、技能水平低等不利因素，可能會導致船船靠泊失敗碰撞、加注臂或加注軟管拉斷、流程轉換作業時閥件誤操作等；

3、管理因素在加注作業過程中起主導作用。操作人員的定期知識培訓、應急演練以及對加注相關設備的維護保養，將能夠高效的處置作業中的突發狀況。例如，燃料艙超壓、貨物泄露發生火災或爆炸、人員凍傷或窒息等；

4、環境因素是實施加注作業的前提，可分為通航環境和自然環境。通航環境主要考慮加注作業區域船舶流量、水深條件、通航秩序等。自然環境主要考慮加注作業時風浪、潮汐、雷爆等氣象條件。

LNG燃料加注作業的風險控制，可分別從規范加注系統和監測系統的設計衡準、加注作業分階段實施安全管理等方面，提高船對船加注作業的安全性和穩定性。

加注站系統和安全監控系統設計

1、受注船參數

大型雙燃料集裝箱船的LNG燃氣用戶主要有主機、發電機、鍋爐。其中，鍋爐可兼做燃氣燃燒器（GCU），且供氣模式為自由供氣，供氣壓力約為0.2barg。各燃氣用戶參數如見表1：

為滿足燃氣用戶的需求，該船型設有艙容為14000m的MARK III燃料艙，并通過燃氣系統供應。燃料系統為低壓燃氣供氣系統，由BOG壓縮機和強制蒸發兩種供氣模式組成。其中，BOG壓縮機供氣主要作用是控制燃料艙因吸熱引起的壓力上升，避免燃料艙超壓。而強制蒸發供氣是船舶雙燃料模式的主要供氣方式。

2、加注站系統設計

（1）加注站系統組成

大型雙燃料集裝箱船作為受注船，其加注站系統由氣相管、液相管、吹掃管路、各類閥件以及儀表組成，見圖1。系統配置主要包括：

①加注管應設置惰性氣體吹掃管路，以便在加注準備階段對加注管路進行惰化，在加注完成后吹掃加注管內的殘液；

②加注管路靠近快速接頭處應串聯設置兩個截止閥。其中，1個為手動截止閥，1個為遙控截止閥，兩個閥之間的管路需配置安全閥，以免憋液導致管路破裂。或安裝1個手動和遙控組合閥；

③配置相關儀表，監測液相管液貨溫度、壓力和氣相管壓力。

（2）加注管路管徑計算

船對船加注時，首先選擇管徑一致的目標加注船，減少變徑引起壓力損失，現今營運和在建的加注船加注管徑多為8英寸。如暫無目標加注船需根據加注時間、加注流速要求進行管徑計算，通常加注時間控制10h以內，液相管流速控制10m/s，氣相管流速控制在40m/s以內。

以該船型為例：燃料速率為1400m/h，加注系統包括2根8英寸液相管和1根8英寸氣相管，2根液相管合并成一根10英寸加注總管。經過計算，液相管內介質流速為：

①8英寸支管為6.60m/s，見圖2；

②10英寸支管為8.07m/s，見圖3，均在10m/s安全范圍內；

③氣相管內介質流速為32.99m/s，見圖4，在40m/s安全范圍內。

圖2 8英寸加注液相總管速率

圖3 10英寸加注液相總管速率

圖4 加注氣相總管速率

（3）加注站布置工藝

加注站布置主要分為開敞式和半敞開式。雙燃料液化氣船/散貨船等具有平直開敞甲板的船型一般采用開敞式裝卸站。雙燃料集裝箱船、滾裝船、公務船等一般采用半敞開式裝卸站。由于集裝箱船的貨艙或者上建區域空間狹小，半敞開式裝卸站嵌入時，布置難度較大。本文以半敞開式裝卸站布置為研究對象，布置工藝見圖5。根據SGMF規范推薦，雙燃料集裝箱船加注站基本的工藝布置原則如下：

圖5 加注站布置工藝圖

①裝卸總管的布置可以選擇三根，其中液相管2根，氣相管1根；也可以選擇2根，其中液相管1根，氣相管1根；

②加注站ESD閥一般采用液壓式或電液式帶位置反饋；

③為盡可能減少軟管拆卸引起的LNG泄漏量，需要配置干式快速接頭；

④為避免泄漏的LNG直接低落在甲板上，導致鋼板脆化，因此在法蘭連接下方設置集液盤保護；

⑤加注軟管為特殊材料制成，對彎曲半徑要求嚴格，需要用專用軟管鞍座進行引導；

⑥為避免軟管破裂后LNG拋灑到船體外板上，在加注站外緣設計船體外板水幕保護。

加注安全監測系統設計

安全監測系統主要包括船岸聯接系統和ESD應急切斷系統。根據IGF規范要求，雙燃料液化氣船應配備1套船岸聯接系統（SSL）或等效設施，用于與加注方進行自動和手自動應急切斷（ESD）。

船岸聯接系統主要有三種連接方式：光纖、電氣和氣動軟管。新造加注船和受注船更多選用光纖和電氣兩種連接方式。除非船東有特殊要求，光纖和電氣可作為船岸聯接的標準配置進行推廣。光纖和電氣船岸聯接示意圖，見圖7。

加注作業安全管理對策分析

圖6 船岸聯接系統圖

圖7 光纖和電氣船岸聯接示意圖

當雙燃料船舶的加注系統和安全監測系統設計完善且規范時，加注作業風險控制主要依賴于作業過程中逐階段的安全管理。可參照國內外成熟的做法，將針對不同關鍵風險點的安全管理分為加注前安全性評估、加注作業前檢查、加注作業合規操作、加注作業后檢查四個階段相應落實。

1、加注前安全性評估

船船靠泊前可由岸基支持和船員進行加注雙方作業兼容性和安全性評估。兼容性評估主要包括加注作業設備及其接頭尺寸、通訊系統以及ESD系統等參數匹配。安全性評估主要包括作業區域水文氣象信息確認、雙方船舶危險區域、以及兩船系泊程序及等信息交流。

2、加注作業前檢查

(1)加注作業前，加注雙方應對消防系統、ESD系統連接、生活區開口關閉、通訊系統連接等開展自檢和互查，并且應對部分系統的可靠性做必要的測試；

(2)作業前會議及作業計劃商定。雙方召開作業前會議，確認檢查中不符合項整改完成后，商定加注作業計劃和安全保障措施，如確認加注系統連接、ESD緊急關閉程序、泄漏應急操作程序等。

3、加注作業操作

加注作業操作的泄漏風險主要集中于加注管路連接、惰化以及吹掃操作。

(1)加注管路連接。不同的加注連接設備，例如使用機械加注臂和低溫擾撓性軟管加注時，應分別按照相應操作程序和作業安全要求連接管路；

(2)管路惰化和含氧量監測。根據天然氣爆炸極限范圍及IGC規則的要求，加注系統經惰化至氧氣體積含量應不超過1%后，惰化操作停止。

(3)NG吹掃操作。加注結束后，其液相和氣相管路內還留存液化天然氣殘液，需NG吹掃，避免殘夜氣化聚集或排放至大氣。

4、加注作業完成后檢查

作業后檢查。加注作業完成后，可參考《液化天然氣船對船傳輸作業指南》行業協會標準制定加注管路連接斷開前進行的檢查項目表。

結論

本文以大型雙燃料集裝箱船為研究對象，分析LNG燃料船對船加注流程和作業風險產生的基本因素，提出一種適用于此類船型的加注系統和安全監測系統設計方案以及加注作業的安全管理措施，得出以下結論：

1、規范和完善加注站系統設計、布置以及配備安全監測系統，可以有效的將船對船加注作業危害發生的概率和后果限制到最小；

2、半敞開式裝卸站布置工藝適用于集裝箱船等空間有限的船型，其系統的組成可參照SGMF規范配置；

3、安全監測系統主要包括船岸聯接系統和ESD應急切斷系統。為確保船岸聯接系統較好的維護性和操作的便利性，首選光纖和電氣連接；

4、船對船加注的安全管理應分別在作業前、作業中以及作業后按照相應的規范的操作程序執行，并應達到相應的安全標準。