基于事故樹理論的LNG動力船風險分析

崔振威++謝澄++孔祥琦

摘 要：在全球變暖和節(jié)能減排的背景下，液化天然氣（LNG）作為一種清潔能源，在船舶上的應(yīng)用越來越廣泛。分析了LNG動力船的潛在風險，然后應(yīng)用事故樹理論對LNG動力船進行風險評價，分析出LNG動力船主要風險因素，針對因素具體分析產(chǎn)生的原因，依據(jù)產(chǎn)生原因針對性給予風險控制方案。

關(guān)鍵詞：LNG動力船 風險分析 事故樹

近年來，隨著我國內(nèi)河航運的快速發(fā)展和對環(huán)境保護的日益重視，“氣化長江”、“長江綠色物流創(chuàng)新工程”等內(nèi)河船舶“油改氣”項目不斷推進。作為推進LNG燃料動力船舶發(fā)展的重要前提，LNG燃料動力船舶的安全保障是需要首先解決的重要問題。由于液化天然氣（LNG）的主要成份是可壓縮、易燃氣體甲烷，其可能產(chǎn)生燃燒、爆炸、凍傷、窒息等事故危害，將其作為船舶燃料，其所存在的安全風險仍然是需要解決的首要問題。但LNG動力船在國內(nèi)的研究還處于初級階段，很多規(guī)范措施均還處于研究階段。LNG動力船風險評價研究的較少，因此，LNG動力船風險評價方面存在研究不夠深入、評價體系不健全、評價方法空缺等問題。而良好的LNG動力船風險評價是動力船安全運營的根本前提與保障，因此，針對此種矛盾，本文將針對國內(nèi)LNG動力船風險評價進行相應(yīng)的研究。

LNG動力船風險分析

1、LNG風險分析

1.1 LNG 火災(zāi)類型

LNG 的風險性來自于火災(zāi)、物理/化學(xué)爆炸以及低溫危害可能造成的傷害。其火災(zāi)類型主要有三種：

池火（Pool Fire）。當LNG從儲罐或管道泄漏時，受外界熱源和流淌面積等因素影響可能形成液池。處于液池中的LNG和液池壁面及空氣發(fā)生熱交換，一些LNG蒸發(fā)，若遇到合適的點火源著火，火焰將回燃至泄漏點，從而導(dǎo)致池火災(zāi)。

噴射火（Jet Fire）。從儲罐或管道泄漏的 LNG，通過泄漏孔口時可能形成氣體噴射物，進而卷吸并與周圍空氣混合，如果混合物中可燃域限內(nèi)遇到點火源就會發(fā)生噴射火。噴射火是柱狀噴射的燃燒火焰，由泄漏的動力主導(dǎo)，產(chǎn)生的熱輻射受很多因素的影響，包括失效類型（如泄漏、破裂）、泄漏速率、泄漏方向和風的作用等。

閃火（Flash Fire）。LNG 儲罐系統(tǒng)的設(shè)備、管道、閥門等一旦發(fā)生 LNG 泄漏，泄漏點形成的可燃 NG 經(jīng)過一定時間的擴散和與空氣的混合，一旦遇到火源極可能發(fā)生閃火危害。

1.2 LNG的爆炸風險主要有下列兩種

蒸氣云爆炸。LNG 泄漏揮發(fā)氣與空氣混合，隨空氣流動，在較為密閉的空間遇點火源，形成蒸氣云爆炸。

沸騰液體擴展蒸氣爆炸（BLEVE）。當儲罐受到火源烘烤、撞擊或機械失效時，儲罐突然開裂，大量液化氣體由罐內(nèi)噴出，伴隨劇烈相變，遇火源則會發(fā)生 爆炸，或者儲罐發(fā)生超壓物理爆炸后，大量蒸氣泄漏，遇火源發(fā)生BLEVE。

2、LNG動力船風險分析

根據(jù)液化天然氣的危險特性風險，以“內(nèi)河LNG燃料動力船危險事件”為頂事件建立事故樹。主要的危險事件包括火災(zāi)、超壓物理爆炸、化學(xué)爆炸和低溫危害，由四種主要的危險事件，建造事故樹，從頂事件起逐級分析各自的直接原因事件，直到所要求的危險因素的基本事件。事故樹共6層，基本事件9個。具體如圖1所示。

LNG動力船風險致因分析

結(jié)合圖1可知，在LNG燃料動力船中，9種基礎(chǔ)事件最容易發(fā)生風險即事故樹中出現(xiàn)次數(shù)最多的三個事件為：P3（點火源）、 P4（LNG 泄漏）、 P2（LNG 儲罐超壓）。因此本節(jié)將從此三方面分析并找出其發(fā)生的根本原因。

1、 LNG泄漏分析

LNG泄漏分為3大部分：儲罐泄漏、管道泄漏、閥門等附件泄漏。LNG儲罐可能因表面裂紋、破損、穿孔等原因造成泄漏。LNG儲罐系統(tǒng)的閥門、法蘭、接頭和容器與管道的連接處等，是LNG最容易產(chǎn)生泄漏的地方。從人/機系統(tǒng)角度考慮，造成各種LNG泄漏主要有人員失誤、設(shè)備故障、極端環(huán)境、安全管理不當這4方面原因。

人員失誤主要表現(xiàn)為：①違章指揮、違章操作和誤操作；②作業(yè)期間，在缺乏有效的聯(lián)絡(luò)和指揮的情況下擅自操作；③思想不集中、粗心大意；④發(fā)現(xiàn)異常問題不知如何處理；⑤擅自脫離崗位。

設(shè)備故障主要包括：①設(shè)計失誤；②設(shè)備選材不當；③加工質(zhì)量差；④施工和安裝精度不高；⑤金屬部件低溫收縮和長時間的磨損、疲勞、腐蝕、老化等原因；⑥安全控制和技術(shù)措施失效。⑦LNG儲罐、管道等設(shè)備設(shè)施的保溫、隔熱等措施失效，將造成LNG的大量蒸發(fā)，系統(tǒng)壓力上升。

極端環(huán)境主要包括：①持續(xù)高溫天氣等自然災(zāi)害；②船舶觸碰事故；③船舶自沉事故。

安全管理不當主要包括：①對安裝的設(shè)備為進行嚴格的驗收；②沒有制定完善的安全操作規(guī)程；③沒有制定嚴格完整的安全管理規(guī)章制度，或執(zhí)行監(jiān)督檢查制度不嚴，管理力度不夠；④崗位工人生產(chǎn)技能和安全培訓(xùn)不夠，對危險品特性缺乏了解，經(jīng)驗不足不能判斷異常狀況；⑤檢修制度不嚴，對儲存設(shè)備/安全可靠性缺乏認真的檢驗分析和評估。

2、點火源分析

LNG燃料動力船的點火源主要包括以下幾方面：

2.1船上吸煙

少數(shù)作業(yè)人員，尤其是部分外來人員（如外來施工人員、參觀人員等），由于安全意識較差，在 LNG 燃料動力船內(nèi)及附近危險地帶吸煙的現(xiàn)象是可能出現(xiàn)的。

2.2靜電放電

LNG燃料船在航行、加注過程中，受到攪動、沖擊容易產(chǎn)生和積聚靜電荷。若管道系統(tǒng)的防靜電措施為落實或效果較差，不易及時消除則容易靜電累積產(chǎn)生火花

2.3電火花和電弧

LNG燃料動力船中的供配電系統(tǒng)、儀器儀表控制系統(tǒng)等電氣設(shè)備，由于設(shè)計不合理、安裝存在缺陷或防爆等級不匹配等，運行時會因短路、過載、接觸不良、散熱不良、漏電等，產(chǎn)生電火花、電弧或高溫表面，從而可能引發(fā)火災(zāi)、爆炸事故。endprint

2.4其它火源

LNG 燃料動力船舶及泊位附近水域的其他船只上生活設(shè)施用火不當，或排煙口夾帶火焰，都有可能引發(fā)火災(zāi)爆炸事故。

3、儲罐超壓分析

LNG 儲罐超壓由以下原因引起：

船舶航行、LNG充裝作業(yè)中，人為操作失誤。

LNG燃料加注過程中，當充裝的LNG與罐內(nèi)原有LNG存在密度差、組分差異時，有可能導(dǎo)致LNG分層翻滾，從而導(dǎo)致LNG儲罐超壓。

船上發(fā)生碰撞、擱淺、高空物體墜落等突發(fā)事件時，LNG儲罐受到?jīng)_擊，也可能導(dǎo)致儲罐內(nèi)部壓力增大。

在極端高溫情況下，LNG儲罐保溫裝置失效，也可能引發(fā)LNG儲罐內(nèi)部壓力增大。

風險控制方案

1、LNG泄漏控制方案

對LNG泄漏控制主要要從設(shè)備的設(shè)計、制造、管理等方面采取控制方案，具體如下：①儲罐按GB150等壓力容器標準設(shè)計，同時考慮船舶的附加動態(tài)載荷；②罐內(nèi)設(shè)置防波板，以防晃蕩對儲罐造成損傷；③對鞍座、內(nèi)外罐支撐結(jié)構(gòu)評估時，應(yīng)建立詳細的計算模型，開展應(yīng)力分析，確保支撐結(jié)構(gòu)安全；④儲罐與船體采用非剛性連接，則可降低船體的變形對燃料罐的影響；⑤燃氣管路上應(yīng)盡量避免使用法蘭接頭，如確不可行，應(yīng)將其置于閥箱內(nèi)；⑥儲罐連接接頭空間需氣密、保壓或通風，采用低溫材料，并對船舶鋼板隔熱處理；⑦儲罐主閥探測到氣體泄露時能自動關(guān)閉，深冷閥件設(shè)置在“冷箱”內(nèi)，并在可能泄漏位置設(shè)置集液盤；⑧為防止加注時的意外對儲罐造成損傷，應(yīng)在加注管上設(shè)置緊急脫離裝置或拉斷閥。

2、點火源控制方案

從避免可燃氣體、氧氣和點火源在同一場所的角度，提出以下控制方案：①機艙周圍艙室是沒有特殊要求的普通機器處所；②用于推進和操控的電站必須分開布置在 2 個或以上的相互獨立的機艙；③燃氣艙安全泄放閥出口布置在遠離工作區(qū)域和走道的處所；④合理布置機艙內(nèi)的燃氣管路，盡量使其接頭、閥件處于相對較高的位置；⑤船上盡可能采用不燃材料。

3、儲罐超壓控制方案

從儲罐及其控壓安全附件的設(shè)計、布置等方面，提出以下控制措施：①應(yīng)設(shè)定船用燃料罐的合理充裝極限，并設(shè)施高液位報警和關(guān)閉裝置；②以正確的頻率檢查測試安全閥等安全設(shè)備；③首次充裝應(yīng)使用液氮作為介質(zhì)，其目的是用于儲罐降溫，并測試相關(guān)報警和安全控制的功能；④為防止軟管布置不利造成燃料罐加注時壓力不穩(wěn)定，應(yīng)采用合理的軟管布置方案；⑤為減少燃料加注時由于溫度不對等，導(dǎo)致 LNG 迅速蒸發(fā)超壓的現(xiàn)象，應(yīng)設(shè)定溫度測量裝置以控制充裝程序；⑥氣罐壓力釋放閥的位置，應(yīng)當在國內(nèi)相關(guān)范圍的充裝極限下，當船舶處于橫傾15°和縱傾 5°情況下，壓力釋放閥的位置仍處于氣相空間內(nèi)。

結(jié)論

結(jié)合事故樹理論分析可知，在我國LNG動力燃料船運營過程中，最容易發(fā)生事故的因素為LNG泄漏、點火源和儲罐超壓三種基礎(chǔ)事件。

造成各種LNG泄漏主要有人員失誤、設(shè)備故障、極端環(huán)境、安全管理不當這4方面原因；點火源主要來自于線路的老化或外來火種；儲罐超壓主要來自加注過程中密度組分不同或外力的沖擊。

針對三種基礎(chǔ)事件給予了風險控制方案，可為LNG燃料動力船的安全營運提供參考及借鑒。

參考文獻：

[1]曹德勝.長江航運水道對沿江經(jīng)濟社會發(fā)展的貢獻研究[D].大連海事大學(xué) 2010

[2]付姍姍.LNG罐式集裝箱內(nèi)河運輸泄漏擴散模擬研究[D].武漢理工大學(xué)，2013

[3]Singer D.A fuzzy set approach to fault tree and reliability analysis. Fuzzy Sets and Systems . 1990

[4]Misra K B，Weber G G.A new method for fuzzy fault tree analysis. Microelectronics and Reliability . 1989

[5]黃維新，于庭安，楊立兵，賈明濤.液態(tài)天然氣（LNG）儲運安全因素分析[J].中國公共安全，2008（12）：71-74.

[6]黃鵬程，黃劍明.液化天然氣船舶監(jiān)督管理的思考[J].珠江水運，2008（4）：33-35.

項目支持：交通運輸部建設(shè)科技項目（2013 328811530）“內(nèi)河LNG燃料動力船及配套水上加氣站安全保障關(guān)鍵技術(shù)研究”

（作者單位：武漢理工大學(xué)航運學(xué)院）endprint