新型海洋運輸裝備事故致因分析

汪侃　周遵　陳偉炯

【摘 要】 為深入探究新型海洋運輸裝備的事故風險因素及其后果影響，基于全生命周期事故致因理論，從船舶設計、建造、運營、維護等多方面進行分析。研究發現，引起新型海洋運輸裝備事故的主要原因包括船體設計和建造不當所引起的結構失效、液貨艙晃蕩效應所引發的液化介質翻滾和泄漏、船舶裝備運行過程中的人為操作失誤以及遭遇自然災害。針對新型海洋運輸裝備在海運過程中存在的顯著風險，提出應從船體結構安全性設計、新材料使用、液貨艙的實時監控、船員對新型海洋運輸裝備的系統認知等方面加強關注以防范事故隱患。

【關鍵詞】 新型海洋運輸裝備;海運事故;致因;全周期

0 引 言

新型海洋運輸裝備的建造和運營帶來的諸多新問題，使海事管理部門在提升本質安全水平、完善海上交通安全生產體系及海上應急能力等方面面臨新考驗。新型海洋運輸裝備海上事故風險研究領域對海上交通系統的構建和事故風險影響因子數值的界定較模糊。海上事故風險為一個不確定狀態，用以描述船舶在海上交通中遭遇損害的不確定系統問題，研究的核心為確定致災因子及其相關參數。為確保新型海洋運輸裝備在海運過程中的安全可靠性，健全海上與海岸交通應急管理體系，亟待針對新型海洋運輸裝備的安全風險評估作深入研究。

1 船舶全生命周期事故致因特征

新型海洋運輸裝備在建造、營運、改造、維護等階段均存在特有的事故致因或事故隱患。

在海洋運輸裝備建造過程中，動火作業易引發火災事故。配有液貨艙的新型海洋運輸裝備在吊裝液罐后，其內部作業空間極為狹小，對通風、照明、防燃爆、逃生、應急救援等都極為不利。液罐表層絕緣材料是易燃材料，尤其要注意施工中的防火管理。

新型海洋運輸裝備建造階段的管理側重于作業人員的職業健康、作業安全和作業環境，作業人員需要不斷提升對液罐聚氨酯材料的防火安全、液貨艙內的照明安全和通風安全、高空墜落防護、逃生規劃、應急救援安全管理等的認知。

新型海洋運輸裝備結構緊湊、設備密集、通道狹窄，內部潛在火災發生源較多，且發生的火災往往具有火勢擴展快、撲滅難度大、人員逃生難等特點，易造成嚴重后果。建立新型海洋運輸裝備事故預防機制和事故處置預案，可以降低事故發生率和減少事故損失。在新型海洋運輸裝備維護過程中，易發生的事故有起重傷害、觸電、溺水、高處墜落、物體打擊、火災、爆炸等。這一階段的安全保障措施與建造階段基本一致。

2 新型海洋運輸裝備事故風險因素及其后果

2.1 超大型液化氣船

超大型液化氣船（VLGC）是為提高航運經濟性而生產的新型海洋運輸裝備。VLGC建造環節中涉及的風險因素較多。VLGC液貨艙由4個獨立的菱形液罐組成（見圖1），菱形液罐所承受的動載荷來自于VLGC航行期間的橫搖、縱搖和艏搖以及晃蕩載荷的影響，液貨艙越大產生的晃蕩效應越顯著。晃蕩效應會降低船舶穩性，同時艙內壁受到極大晃蕩沖擊壓力，易對液貨艙造成結構性破壞，甚至可能發生液態介質泄漏。在營運環節，未裝滿液貨艙的液態介質會發生晃蕩，是非常復雜的流體運動現象。

由液貨艙在橫搖、縱搖、升沉的單自由度運動工況及耦合運動工況下的晃蕩壓力研究發現，在橫搖與縱搖耦合運動工況下，液貨艙會產生更大的晃蕩壓力，而單自由度升降工況產生的液貨晃蕩很小。VLGC船體即使受到很小的外部作用也可能產生劇烈的晃蕩而致使液貨艙結構損壞，因此評估VLGC這類裝備日常作業時的晃蕩載荷和分析其液貨艙結構強度對安全管理尤為重要。

2.2 浮式儲存及再氣化裝置

浮式儲存及再氣化裝置（Floating Storage and Regasification Unit，FSRU）是一類集LNG運輸、儲存、加壓氣化、蒸發氣（Boil Off Gas，BOG）處理于一體的綜合型LNG運輸裝備（見圖2）。

FSRU采用底部進料的裝載方式，無法在保證足夠氣化外輸量的情況下進行徹底倒艙作業。在FSRU接卸作業過程中，新的LNG在進入貨艙后與貨艙剩余的LNG混合，當兩者密度和品質差別較大時會產生大量的BOG，導致FSRU艙內壓力急速上升。當氣化外輸量巨大時，FSRU低壓壓縮機處于滿負荷運行狀態，無法自行處理大量的BOG，導致艙內壓力在較長時間內維持在較高水平，存在較高事故風險。

LNG在液貨艙中以高于大氣壓的自然對流沸騰狀態存在。當FSRU液貨艙底部LNG密度小于上部LNG密度時，分層平衡被破壞，形成翻滾現象。當FSRU為船舶進行對接加注作業時，接近最大流速的加注會激發更多湍流來影響分層。改進FSRU裝載管道系統（即柱頂充填系統），能使LNG通過垂直于液貨艙高度的噴嘴進入液貨艙。該方法能從液貨艙的蒸氣空間吸入和再冷凝BOG，并將BOG輸送到液貨艙底部，減少多余BOG處理流程。

2.3 液氫運輸船

隨著船舶燃料電池技術的迅速發展，包括燃燒純氫的發動機在內的氫能裝備將成為實現“雙碳”目標的創新技術。

液氫運輸船采用真空穹頂、雙層不銹鋼絕熱殼體和絕熱支撐結構等新型設計，在油電推進裝置、通風管道、甲板機械監控、艙室設備控制等系統方面對液氫運輸特性進行了優化。

低溫液態氫的流體黏度低，輕微擾動將會導致液氫運輸船液艙中的介質出現巨大變化，晃動對液態氫的儲存和應用均存在不利影響。液氫運輸船在發生泄漏事件時，泄漏的液氫在常溫下會氣化成氣體，擴散形成氫氣混合蒸氣云，一旦遇到點火源將發生災難性事故。

液氫運輸船在裝卸作業時，以較高速度大量輸送液氫會產生“空化”現象。[1] 該現象引起的噪聲、振動、沖蝕和高能耗會降低液艙和管道等結構強度、縮短輸送管道使用壽命。

液氫運輸船內的液態氫儲存環境為低溫，液氫運輸船的連接管道及其支撐結構的熱泄漏、高溫會傳遞到低溫液氫艙中，造成制冷劑的沸騰和嚴重的流體熱分層。受熱的液態氫處于分層狀態，分層后的制冷劑流經循環泵和閥門時會產生嚴重的汽蝕，從而破壞電力設備的穩定運行。

沸騰和流體熱分層都會導致液氫艙的壓力驟升，引發低溫液氫艙內熱力學過程擾動，產生極大的安全隱患。

液氫相較于LNG更易揮發。若液氫艙保溫層受損，其外部受熱導致處于艙底的液氫快速相變為氣態介質，當上層的蒸氣處于飽和狀態或者受熱變成氣態的液氫過多時，艙內壓力驟升將導致液氫艙產生裂紋或發生爆裂等。如未及時處理，會有爆炸事故風險。因此，液氫運輸船在海上作業時，要有完備的液氫艙隔熱措施和應急泄壓預案。

2.4 核動力船

相較于陸基核電站，海洋運輸船舶需考慮船舶運動狀況等對其核動力系統運行的影響。盡管船舶運動狀況對核動力強制循環的影響并不顯著，但不可忽視其對核動力自然循環的影響。在船體傾斜狀態下開展的單相自然循環試驗和通過艦載一體化反應器模型裝置完成的單相穩態試驗結果都表明，船舶傾斜狀況下艦載一體化反應器呈現流態轉捩特性。基于不同的爐芯功率、振幅周期和滾動周期等工況條件下的試驗發現，滾動周期對核動力船動力系統的自然循環流動存在顯著影響：當滾動周期減少時，流量波動范圍變大。對核動力船動力系統正常運行影響最大的因素是船的傾斜角度，其次是滾動狀態和起伏狀態，且不可忽視瞬態特性下沉浮條件引起的振蕩。這些影響因素的累積將在某一時間點觸發核動力船的災難性事故。

3 結 語

基于事故致因理論的風險識別表明，新型海洋運輸裝備在海運中發生事故的主要原因是船體設計和建造不當引起的結構失效、液貨艙晃蕩效應引發的液化介質翻滾和泄漏、船舶裝備運行過程中的人為操作失誤以及海運過程中船舶遭遇的自然災害。應著重關注船體結構安全性方面的設計考量，運用新材料以符合其液貨艙的結構安全性需求，并在運營過程中實時更新監控方案;采用新型海洋運輸裝備的航運企業應格外注重加強全流程安全培訓和船員應急演練，提高船員對新型海洋運輸裝備的系統認知和風險識別能力。

參考文獻：

[1] 汪侃，李丹陽，時婷婷. 新型油氫合建站事故風險評價及應用[J]. 安全與環境學報，2021（1）：9-18.

收稿日期：2021-07-30

基金項目：國家自然科學基金項目（52001196）;中國交通教育研究會課題（JTYB20-60）

作者簡介：汪侃（1986―），男，博士、研究生導師，研究方向為船舶與港口危險物質致災機理

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