基于FSA的LNG燃料動(dòng)力船過(guò)閘安全性

張 帆， 周涂強(qiáng)

(1. 武漢理工大學(xué) a. 航運(yùn)學(xué)院； b. 智能交通系統(tǒng)研究中心， 武漢 430063；2. 內(nèi)河航運(yùn)技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430063; 3. 國(guó)家水運(yùn)安全工程技術(shù)研究中心， 武漢 430063)

基于FSA的LNG燃料動(dòng)力船過(guò)閘安全性

張 帆1a,2， 周涂強(qiáng)1b,3

(1. 武漢理工大學(xué) a. 航運(yùn)學(xué)院； b. 智能交通系統(tǒng)研究中心， 武漢 430063；2. 內(nèi)河航運(yùn)技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430063; 3. 國(guó)家水運(yùn)安全工程技術(shù)研究中心， 武漢 430063)

將綜合安全評(píng)估(Formal Safety Assessment, FSA)引入到液化天然氣(Liquefied Natural Gas, LNG)燃料動(dòng)力船過(guò)閘安全性研究中；從典型事故情景方面出發(fā)，對(duì)LNG燃料動(dòng)力船的過(guò)閘進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)源辨識(shí)。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合LNG儲(chǔ)罐部件基礎(chǔ)泄漏概率和事故后果模擬結(jié)果，對(duì)LNG燃料動(dòng)力船兩壩間航行、過(guò)閘、錨泊及燃料加注等典型情景進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析，并提出LNG燃料動(dòng)力船過(guò)閘安全管理建議。

LNG燃料動(dòng)力船； 三峽船閘； 安全評(píng)價(jià)； 風(fēng)險(xiǎn)管理

Abstract: Formal Safety Assessment (FSA) is introduced into the safety research of Liquefied Natural Gas (LNG) fuel ship lockage. The risk of LNG fuel ship passing through the Three Gorges Dam Lock is identified in typical accident scenarios. Based on the combination of the leakage probabilities of the LNG tank components and the accident consequence simulation, the risks in typical scenarios, such as navigation, lockage, berthing and bunkering, are analyzed. Safety management advices of LNG fuel ship passing through the Three Gorges Dam lock are provided.

Keywords: LNG fuel ship; Three Gorges Dam lock; safety assessment; risk management

隨著我國(guó)對(duì)能源的需求不斷增長(zhǎng)，引進(jìn)液化天然氣(Liquefied Natural Gas，LNG)有利于優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，有效解決能源供應(yīng)問(wèn)題，并將在諸多方面發(fā)揮重要作用。

LNG的易燃、易爆性決定了LNG燃料動(dòng)力船安全管理的特殊性和嚴(yán)格性。隨著石油資源不斷被消耗，將有越來(lái)越多的LNG燃料動(dòng)力船投入運(yùn)營(yíng)，其中長(zhǎng)江LNG燃料動(dòng)力船必將涉及到通過(guò)三峽船閘的安全管理問(wèn)題。研究LNG燃料動(dòng)力船通過(guò)三峽船閘的可行性評(píng)估，對(duì)提高我國(guó)內(nèi)河LNG燃料動(dòng)力船的安全管理水平具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1 綜合安全評(píng)估理論體系

1.1綜合安全評(píng)估簡(jiǎn)介

綜合安全評(píng)估(Formal Safety Assessment, FSA)是一種在工程技術(shù)和工程運(yùn)行管理中用于制定合理可行的規(guī)則和提供風(fēng)險(xiǎn)控制的綜合性、結(jié)構(gòu)化、系統(tǒng)性及可行性的分析辦法。[1]

FSA可在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及風(fēng)險(xiǎn)控制方案的基礎(chǔ)上對(duì)實(shí)施每個(gè)控制方案所產(chǎn)生的相關(guān)費(fèi)用和效益情況與數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算和統(tǒng)計(jì)，以及細(xì)節(jié)性的量化分析和評(píng)估；同時(shí)，能根據(jù)費(fèi)用與效益比的實(shí)際情況對(duì)安全要求作出最終的合理決策。[2]

1.2FSA步驟

FSA包括危險(xiǎn)識(shí)別、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、風(fēng)險(xiǎn)控制方案、費(fèi)用與效益評(píng)估和提供決策建議等5個(gè)規(guī)范化評(píng)估步驟。

1) 危險(xiǎn)識(shí)別：FSA的初始步驟，目的是對(duì)所界定的評(píng)估系統(tǒng)項(xiàng)目中可能存在的所有危險(xiǎn)進(jìn)行識(shí)別。

2) 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估：分析影響風(fēng)險(xiǎn)程度的各種因素及事故發(fā)生與事故后果之間的關(guān)系。

3) 風(fēng)險(xiǎn)控制方案：在危險(xiǎn)識(shí)別和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的基礎(chǔ)上，有針對(duì)性地提出相應(yīng)的降低風(fēng)險(xiǎn)的措施，并根據(jù)這些措施制定具體切實(shí)可行的風(fēng)險(xiǎn)控制方案。

4) 費(fèi)用和效益評(píng)估：估算和評(píng)價(jià)“風(fēng)險(xiǎn)控制方案”中每種風(fēng)險(xiǎn)控制方案所產(chǎn)生的費(fèi)用及受益費(fèi)用。

5) 提供決策建議：在對(duì)危險(xiǎn)和潛在原因的比較和排序及對(duì)風(fēng)險(xiǎn)控制方案的費(fèi)用和效益評(píng)估的比較和排序的基礎(chǔ)上，提出相應(yīng)的合理決策建議。

FSA目前主要采取的流程是1)—2)—5)[3]，省略步驟3)和4)。因?yàn)橥ǔＧ闆r下，步驟3)可在步驟5)中實(shí)現(xiàn)，步驟4)也是在步驟3)結(jié)束后實(shí)施的，而這里所研究的焦點(diǎn)是LNG燃料動(dòng)力船通過(guò)三峽船閘的風(fēng)險(xiǎn)與安全評(píng)價(jià)，風(fēng)險(xiǎn)控制和費(fèi)用與效益評(píng)價(jià)可在后續(xù)重點(diǎn)研究，因此只采用1)—2)—5)流程。

2 LNG燃料動(dòng)力船過(guò)閘危險(xiǎn)識(shí)別

對(duì)LNG燃料動(dòng)力船在三峽大壩與葛洲壩之間水域(以下簡(jiǎn)稱“兩壩區(qū)”水域)航行、過(guò)閘、錨地靠離泊和燃料加注等4個(gè)典型情景進(jìn)行危險(xiǎn)識(shí)別。

2.1兩壩間航行

LNG燃料動(dòng)力船通過(guò)兩壩區(qū)水域時(shí)，影響其航行安全的因素主要是兩壩間復(fù)雜的通航環(huán)境。可能發(fā)生的事故種類主要為觸礁、觸損和碰撞事故。事故致因主要與船舶安全性、外部通航環(huán)境及船員駕駛行為有關(guān)。[3]事故后果分為普通觸碰事故和二次危害。

2.2過(guò)閘

LNG燃料動(dòng)力船過(guò)閘時(shí)航速較小，發(fā)生碰撞事故的概率不高，但BOG(Boil-Off Gas)閃蒸汽(LNG蒸發(fā)氣)排放是主要風(fēng)險(xiǎn)源。船舶過(guò)閘時(shí)采用統(tǒng)一編組通過(guò)模式，閘室內(nèi)船舶間的間距較小，LNG燃料動(dòng)力船一旦發(fā)生火災(zāi)將有可能造成其他船舶連鎖失火，故LNG燃料動(dòng)力船過(guò)閘時(shí)的主要風(fēng)險(xiǎn)為火災(zāi)事故。該類事故的主要致因是：船舶在候閘時(shí)均需經(jīng)過(guò)一個(gè)等待周期，若遇到連續(xù)高溫天氣，LNG儲(chǔ)罐系統(tǒng)內(nèi)部的壓力將增大，需采取壓力釋放措施，LNG蒸發(fā)氣從透氣管出口排出；若此時(shí)船內(nèi)及附近危險(xiǎn)地帶有人員吸煙，產(chǎn)生明火，則可能導(dǎo)致船舶發(fā)生火災(zāi)[4]；由于閘室具有密閉性，火勢(shì)將迅速蔓延，對(duì)閘室和其他船舶的安全造成嚴(yán)重威脅。

2.3進(jìn)出錨地

由于三峽大壩壩上和葛洲壩壩下錨地水域作業(yè)繁忙，因此LNG燃料動(dòng)力船在進(jìn)入錨地水域的過(guò)程中可能會(huì)與正常航行的船舶、其他錨泊船舶及水下礙航物發(fā)生碰撞、觸損等，對(duì)相關(guān)作業(yè)人員、被碰撞船舶和水上水下建筑物造成較大危害。[5]LNG燃料動(dòng)力船在錨地的風(fēng)險(xiǎn)主要是船舶碰撞和觸損事故。

2.4LNG燃料加注

人為操作失誤、設(shè)備品質(zhì)不過(guò)關(guān)和失效磨損等因素可能會(huì)引起加注軟件破損、法蘭連接處失效等，造成LNG泄漏擴(kuò)散。LNG在加注過(guò)程中的主要風(fēng)險(xiǎn)是管道破裂和過(guò)充。事故致因主要是：加注管路法蘭連接處泄漏；回氣管法蘭連接處泄漏；LNG槽車的接地線與固定線連接不當(dāng)產(chǎn)生電火花和電??；LNG柔性軟管破裂；LNG加注臂斷裂；加注罐與受注罐溫度不同及緊急情況下快速斷開(kāi)的裝置失效或缺失。[6]

分析LNG燃料動(dòng)力船在過(guò)閘過(guò)程中發(fā)生事故的可能性、造成的人員死亡及經(jīng)濟(jì)損失。LNG燃料動(dòng)力船的機(jī)艙和生活區(qū)發(fā)生火災(zāi)可能會(huì)造成LNG儲(chǔ)罐保溫層失效、LNG泄漏，進(jìn)而導(dǎo)致火災(zāi)或爆炸事故發(fā)生。根據(jù)上述分析，得到LNG燃料動(dòng)力船在兩壩間航行及過(guò)閘面臨的事故風(fēng)險(xiǎn)(見(jiàn)表1)。

3 LNG燃料動(dòng)力船過(guò)閘風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

基于風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別結(jié)果，LNG燃料動(dòng)力船在兩壩間水域航行及過(guò)閘過(guò)程中面臨的事故風(fēng)險(xiǎn)很大程度上與LNG儲(chǔ)罐泄漏有關(guān)，因此重點(diǎn)分析涉及LNG儲(chǔ)罐泄漏的相關(guān)因素。LNG儲(chǔ)罐可能發(fā)生的典型泄漏模式主要有瞬時(shí)泄漏和連續(xù)泄漏兩種。影響泄漏強(qiáng)度的主要因素是泄漏口的尺寸和形狀；泄漏口主要分為小孔、中孔和大孔等3種[7-10]；泄漏口徑分別為5 mm，50 mm和100 mm。該研究中所設(shè)定的風(fēng)速均是與船舶相對(duì)的速度，取3 m/s；設(shè)定的外部溫度為20 ℃。

根據(jù)LNG的泄漏模式和泄漏場(chǎng)景，結(jié)合LNG的危險(xiǎn)特性及LNG燃料動(dòng)力船的儲(chǔ)存、氣化和混氣等過(guò)程的操作條件及狀態(tài)等，分析LNG泄漏后可能發(fā)生的事故場(chǎng)景。

3.1定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估理論和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)也稱概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)(Probabilistic Risk Assessment, PRA)，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)或設(shè)備的失效概率及失效后果的嚴(yán)重程度進(jìn)行量化分析，定量描述系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)，從數(shù)量上評(píng)價(jià)對(duì)象的危險(xiǎn)等級(jí)。這里擬采用個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)值計(jì)算方法，該方法為所有潛在的事故對(duì)某一位置點(diǎn)的無(wú)防護(hù)措施個(gè)人死亡發(fā)生的年概率，見(jiàn)式(1)。

(1)

式(1)中：R(x，y)為位置(x,y)處的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)；ft為第t個(gè)事故情景發(fā)生的概率；Vt(x，y)為第t個(gè)事故在位置(x,y)處引起個(gè)體死亡的概率；n為事故數(shù)量。

根據(jù)國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局令第40號(hào)，有關(guān)危險(xiǎn)化學(xué)品單位周邊重要目標(biāo)和敏感場(chǎng)所所承受的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)滿足的可容許風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2。

3.2LNG泄漏概率

根據(jù)對(duì)LNG泄漏模式的分析，LNG儲(chǔ)罐系統(tǒng)泄漏主要包括儲(chǔ)罐泄漏、管道泄漏及閥門等附件泄漏。

這里參考“基于風(fēng)險(xiǎn)檢驗(yàn)的基礎(chǔ)方法(SYT 6714—2008)”給出的不同部件的基礎(chǔ)泄漏頻率計(jì)算LNG儲(chǔ)罐、管道及閥門等在不同失效模式下的LNG事故概率，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 不同失效模式下LNG事故概率

3.3LNG燃料動(dòng)力船事故后果模擬

對(duì)于泄漏后氣體擴(kuò)散和蒸發(fā)氣爆炸的模擬,選擇FLACS軟件進(jìn)行計(jì)算。FLACS是三維CFD軟件，能較好地模擬出氣體的擴(kuò)散狀態(tài)和爆炸沖擊波的傳播。利用FLACS軟件的計(jì)算過(guò)程見(jiàn)圖1。

圖1 計(jì)算過(guò)程

考慮到“紅日166”輪是我國(guó)營(yíng)運(yùn)的首艘LNG燃料動(dòng)力船，改造技術(shù)合格，營(yíng)運(yùn)時(shí)間較長(zhǎng)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)豐富，在現(xiàn)階段的LNG燃料動(dòng)力船中具有典型的代表性，因此以該船為例進(jìn)行模擬和計(jì)算。

根據(jù)專家討論的結(jié)果，“紅日166”可能出現(xiàn)的故障是DN40管道泄漏和DN10管道泄漏。事故主要類型為閃火和蒸發(fā)氣爆炸(VCE)。LNG蒸發(fā)時(shí)間取世界銀行推薦的典型連續(xù)泄漏擴(kuò)散時(shí)間10 min，LNG蒸發(fā)率取0.049 kg/(m2·s)。根據(jù)相關(guān)報(bào)告中閃火危害半徑和船舶尺寸，經(jīng)專家討論,可進(jìn)一步估算發(fā)生閃火及蒸發(fā)氣爆炸事故可能造成的人員傷亡情況(見(jiàn)表4和表5)。

表4 不同失效模式下閃火事故后果

由表4可知，LNG儲(chǔ)罐系統(tǒng)泄漏孔徑越大，危害范圍就越大。采取適當(dāng)措施控制LNG儲(chǔ)罐系統(tǒng)的失效模式，避免中/大孔泄漏、完全破裂事故發(fā)生，有利于降低閃火事故的危害。

表5 不同失效模式下蒸發(fā)氣爆炸事故后果

3.4LNG燃料動(dòng)力船泄漏事故風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算

根據(jù)式(1)，結(jié)合各項(xiàng)概率及事故模擬結(jié)果，最終可求得LNG泄漏的綜合風(fēng)險(xiǎn)總值(見(jiàn)表6)。

表6 不同失效模式下閃火/云爆事故綜合風(fēng)險(xiǎn)值

3.5計(jì)算結(jié)果及對(duì)比

由個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算結(jié)果可知，由LNG泄漏引發(fā)的閃火和云爆事故的綜合風(fēng)險(xiǎn)總值為1.63×10-6，意味著上述風(fēng)險(xiǎn)會(huì)導(dǎo)致每年1.63×10-6起人員傷亡事故發(fā)生，LNG泄漏的綜合風(fēng)險(xiǎn)總值高于“高敏感或特殊高密度場(chǎng)所”對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)值3×10-7。因此，LNG燃料動(dòng)力船對(duì)三峽船閘區(qū)域人員所面臨的風(fēng)險(xiǎn)是不能接受的，現(xiàn)階段LNG燃料動(dòng)力船不宜通過(guò)三峽船閘。

4 LNG燃料動(dòng)力船過(guò)閘安全管理建議

降低事故風(fēng)險(xiǎn)主要有降低事故發(fā)生的頻率和控制事故造成的后果2種途徑。這里充分考慮LNG燃料動(dòng)力船過(guò)閘的特殊性，針對(duì)LNG燃料動(dòng)力船的典型情景，從兩壩間航行、船舶過(guò)閘和錨地作業(yè)等方面提出安全管理建議。

4.1兩壩間航行

1) 船舶必須嚴(yán)格按照中國(guó)船級(jí)社《天然氣燃料動(dòng)力船舶規(guī)范》的要求安裝、布置LNG儲(chǔ)罐，采取相關(guān)措施嚴(yán)格控制BOG釋放。

2) 船舶在確保油氣管路正常后方可將燃料模式轉(zhuǎn)換到油氣混合模式。

3) 當(dāng)發(fā)現(xiàn)LNG燃料動(dòng)力船主機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，應(yīng)及時(shí)向船舶交通管理(Vessel Traffic Service, VTS)中心報(bào)告，并選擇合適的水域拋錨。

4) 船舶在壩區(qū)水域航行時(shí)，必須嚴(yán)格遵守兩壩間通航管理規(guī)定，加強(qiáng)瞭望，謹(jǐn)慎駕駛，保持安全航速，嚴(yán)禁冒險(xiǎn)、違章航行。

5) 船舶進(jìn)入臨壩水域之后,應(yīng)根據(jù)當(dāng)時(shí)的風(fēng)流情況合理調(diào)整船位，確保與水上、水下的建筑物保持安全富余距離，防止發(fā)生碰撞事故。

6) 相關(guān)安全管理機(jī)構(gòu)需重點(diǎn)跟蹤兩壩間航行的LNG燃料動(dòng)力船，強(qiáng)化安全信息服務(wù)和預(yù)警服務(wù)，必要時(shí)調(diào)派海巡艇實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)護(hù)航。

4.2船舶過(guò)閘

1) 考慮到BOG釋放聚集問(wèn)題，建議避免兩艘以上的LNG燃料動(dòng)力船處于同一閘室中，降低BOG釋放的濃度。

2) 建議LNG燃料動(dòng)力船使用燃油模式，降低LNG燃料的使用率。

3) 加大LNG燃料動(dòng)力船過(guò)閘期間的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)管力度，確保船閘管理部門與船舶駕引人員之間的聯(lián)系渠道暢通，以便提前發(fā)現(xiàn)隱患并及時(shí)處理。

4) 禁止LNG燃料動(dòng)力船與危險(xiǎn)品船和客船同時(shí)過(guò)閘。

4.3進(jìn)出錨地

1) LNG燃料動(dòng)力船在進(jìn)出錨地時(shí)應(yīng)采用燃油模式，降低因LNG燃料系統(tǒng)不穩(wěn)定而造成事故的概率。

2) LNG燃料動(dòng)力船嚴(yán)格遵守三峽大壩壩上和葛洲壩壩下的錨地管理規(guī)定及通航管理規(guī)定，降低水上交通事故的發(fā)生率。

3) 建議LNG燃料動(dòng)力船在兩壩間航行、錨泊時(shí)作為危險(xiǎn)品船管理，并考慮到三峽壩區(qū)通航環(huán)境的特殊性和加注LNG燃料作業(yè)的危險(xiǎn)性，禁止LNG燃料動(dòng)力船在壩區(qū)水域進(jìn)行LNG加注作業(yè)。

4.4LNG燃料動(dòng)力船安全管理

1) 在LNG燃料動(dòng)力船的儲(chǔ)罐系統(tǒng)設(shè)計(jì)布置、船舶管理和船員培訓(xùn)等還未在整個(gè)內(nèi)河推廣應(yīng)用的情況下，建議將內(nèi)河LNG燃料動(dòng)力船作為危險(xiǎn)品船管理。

2) 建議有關(guān)部門在該研究給出的相關(guān)安全管理建議的基礎(chǔ)上，從船舶安全設(shè)施配備、船舶日常安全管理、LNG燃料加注安全管理、特定區(qū)域安全管理、海事安全監(jiān)管、突發(fā)事件應(yīng)急管理及LNG燃料船船員管理等方面進(jìn)一步開(kāi)展LNG燃料動(dòng)力船過(guò)閘安全保障措施研究，確保在全面推廣使用LNG燃料動(dòng)力船時(shí)有效降低LNG燃料動(dòng)力船的險(xiǎn)情事故率和對(duì)周圍環(huán)境設(shè)施造成的影響。

5 結(jié)束語(yǔ)

在FSA框架下辨識(shí)LNG燃料動(dòng)力船通過(guò)三峽船閘過(guò)程中的主要風(fēng)險(xiǎn)源，結(jié)合LNG儲(chǔ)罐部件基礎(chǔ)泄漏概率和事故后果模擬結(jié)果，對(duì)LNG燃料動(dòng)力船在兩壩間水域航行、過(guò)閘、錨泊和LNG燃料加注等典型情景進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析和評(píng)價(jià)，得到現(xiàn)階段LNG燃料動(dòng)力船不宜通過(guò)三峽船閘的結(jié)論，可為下一步制定LNG燃料動(dòng)力船過(guò)閘安全管理規(guī)定提供科學(xué)的參考和依據(jù)。

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SafetyAssessmentofLNGFuelShipPassingThroughThreeGorgesDamLock

ZHANGFan1a,2,ZHOUTuqiang1b,3

(1. a. School of Navigation; b. Intelligent Transportation System Research Center, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China; 2. Hubei Key Laboratory of Inland Shipping Technology, Wuhan 430063, China; 3. National Engineering Research Center for Water Transport Safety，Wuhan 430063, China)

U676.1； U674.92

A

2016-04-21

張 帆(1982—)，男，湖北武漢人，講師，博士，主要研究方向?yàn)樗辖煌üこ碳按拔廴痉乐闻c控制。 E-mail:michael_zf@qq.com

1000-4653(2016)02-0082-05