基于風(fēng)險的LNG-Ready設(shè)計探討

嚴(yán)先銳

(上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院, 上海 200240)

基于風(fēng)險的LNG-Ready設(shè)計探討

嚴(yán)先銳

(上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院, 上海 200240)

為應(yīng)對海洋污染物排放控制規(guī)則，液化天然氣(Liquefied Natural Gas, LNG)成為可預(yù)期的最佳船用替代燃料。近年來，LNG動力船受到越來越多的關(guān)注，遠(yuǎn)洋LNG動力船的研究也成為熱點。通過分析船用LNG燃料的潛在風(fēng)險，并應(yīng)用事故樹理論對LNG動力遠(yuǎn)洋船舶的重大危險源LNG燃料艙進行危險因素識別和風(fēng)險分析，有針對性地提出控制風(fēng)險的設(shè)計建議和措施。

LNG船用燃料； LNG-Ready； 風(fēng)險分析； 事故樹

0 引 言

隨著國際海事組織(International Martime Organization, IMO)基于目標(biāo)性的規(guī)范《使用氣體或其他低閃點燃料的船舶安全規(guī)則》(IGF Code)發(fā)布實施，僅按照規(guī)范要求的設(shè)計方法已不能滿足時代要求。未來基于風(fēng)險分析和安全評價的設(shè)計才能獲得市場,風(fēng)險評估的地位將越來越突出。IMO就綜合安全評估方法(Formal Safety Assessment, FSA)，于2002年正式推出FSA應(yīng)用指南，并將FSA作為一項戰(zhàn)略在國際公約、規(guī)則和規(guī)范的制定過程中推廣。為完善FSA，IMO 2007年發(fā)布FSA導(dǎo)則修訂，并在2013年批準(zhǔn)《經(jīng)修訂的在IMO規(guī)則制定中使用綜合安全評估指南》。在IMO的推動下，對FSA的研究與應(yīng)用在規(guī)則制定、船舶設(shè)計和船舶營運管理中取得不斷發(fā)展。在FSA的研究上：方泉根等[1]、趙佳妮[2]和秦庭榮等[3]分別對FSA應(yīng)用的方法及工具進行論述；樊紅[4]對同時包含定量屬性和定性屬性的不確定性多屬性決策應(yīng)用引入概率影響圖與證據(jù)理論；蔡土垚[5]系統(tǒng)地討論FSA的總體框架、理論、方法和模型，引入二元決策圖的風(fēng)險貢獻樹方法。在船舶設(shè)計方面，最廣泛的應(yīng)用體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)設(shè)計上：BITNER-GREGERSEN等[6]利用FSA的第二步在結(jié)構(gòu)的可靠性設(shè)計進行應(yīng)用；KOBYLI[7]對FSA在船舶穩(wěn)性規(guī)則發(fā)展上的應(yīng)用進行闡述；王成飛等[8]將FSA方法應(yīng)用到潛艇設(shè)計建造和服役管理領(lǐng)域中。通過加強一線設(shè)計技術(shù)人員的FSA理念，實現(xiàn)等效(替代)設(shè)計、新穎設(shè)計方面的研究工作與FSA結(jié)合使用，對新項目的風(fēng)險分析和評估有重要意義。針對液化天然氣(Liquefied Natural Gas, LNG)動力船的特殊性和新穎性，采用科學(xué)合理的方法對其設(shè)計進行風(fēng)險評估研究，對減輕和降低LNG燃料應(yīng)用的風(fēng)險具有重要的現(xiàn)實意義。

1 遠(yuǎn)洋船舶的LNG燃料風(fēng)險分析

LNG燃料早在1964年就開始應(yīng)用到LNG運輸船上，但直到2000年才開始在其他類型船舶(如車(客)渡船、PSV、巡邏艇、拖船、雜貨船、ROPAX和LPG(LEG)運輸船等)上應(yīng)用[9]。當(dāng)前LNG動力船舶的發(fā)展仍存在區(qū)域差異性，歐洲國家處于領(lǐng)先地位，而我國在法規(guī)制度的完善和配套設(shè)施的建設(shè)方面已取得大發(fā)展，但實船應(yīng)用仍主要集中在內(nèi)河船?？傮w來看，自2010年以來，除使用LNG燃料的船型迅速多樣化以外，出現(xiàn)很多大型雙燃料動力船舶的概念設(shè)計，相關(guān)技術(shù)和配套設(shè)備不斷發(fā)展。但是，隨著國際油價下跌，LNG的經(jīng)濟收益率下降，同時，由于LNG動力船的建造投資成本巨大，導(dǎo)致實船訂單較少。近年來，隨著工業(yè)界推出 “LNG-Ready”的概念后，大型遠(yuǎn)洋船舶的LNG-Ready設(shè)計成為焦點，對LNG雙燃料新船型進行研究與開發(fā)成為行業(yè)熱點。

在開發(fā)LNG-HFO雙燃料遠(yuǎn)洋船舶時，不僅要考慮船舶的總體性能，還要考慮如何安全使用LNG燃料。由于LNG燃料具有易燃、易爆、低溫的特殊危險性，特別是LNG燃料的大量泄漏將會造成人員傷亡、財產(chǎn)損失或環(huán)境損害，為此LNG燃料系統(tǒng)的布置(特別是存儲位置)受到嚴(yán)格的限制。

1.1大型遠(yuǎn)洋船舶與小型船舶LNG燃料風(fēng)險的區(qū)別

大型遠(yuǎn)洋船舶除了在LNG燃料的儲存、使用、運輸和補給等方面與普通燃油船舶有很大不同之外，在防火、防爆和安全操作等方面同樣存在很大不同。根據(jù)研究，雖然LNG燃料系統(tǒng)的構(gòu)成在大型船和小型船上類似，但安全風(fēng)險的大小存在很大差別(見表1)。當(dāng)前在遠(yuǎn)洋船舶上應(yīng)用LNG燃料的技術(shù)經(jīng)驗和管理經(jīng)驗較少，使得該類船舶在營運中存在潛在的安全隱患。LNG燃料系統(tǒng)整體的布置、布局是保證船員安全操作的基礎(chǔ)和前提條件。從LNG燃料系統(tǒng)的組成看，涉及的LNG存儲、LNG供氣系統(tǒng)、燃?xì)獍l(fā)動機和加注方式等屬于船舶設(shè)計的重點考慮要素。因此，對整個LNG燃料系統(tǒng)和整個船舶系統(tǒng)進行風(fēng)險評估研究是必要的。限于研究周期，這里主要對LNG燃料系統(tǒng)中的存儲安全進行風(fēng)險分析。由表1可知，大型遠(yuǎn)洋LNG動力船的風(fēng)險遠(yuǎn)大于小型LNG動力船舶。針對LNG遠(yuǎn)洋動力船的特殊性，需進一步研究如何控制和降低風(fēng)險。

表1 LNG燃料在小型定線船舶和大型遠(yuǎn)洋船舶的風(fēng)險對比

1.2遠(yuǎn)洋船舶LNG燃料艙的重大風(fēng)險

目前國內(nèi)相關(guān)研究人員仍主要基于內(nèi)河LNG動力船舶展開研究，關(guān)注的風(fēng)險多集中在小型儲罐、管路及機器處所的LNG泄露風(fēng)險上。然而，對于大型遠(yuǎn)洋船舶，由于續(xù)航力要求及加注能力(次數(shù))限制，使得其LNG燃料艙的容積遠(yuǎn)大于內(nèi)河船舶。根據(jù)相關(guān)文獻[10]關(guān)于蒸氣云爆炸(VCE)、沸騰液體擴展蒸氣云爆炸(BLEVE)及池火(Pool Fire)的定量評價模型分析，大型LNG燃料艙泄漏的后果嚴(yán)重，危害范圍極大，不僅會對船舶本身的安全造成嚴(yán)重危害，還會對船舶周圍的環(huán)境造成嚴(yán)重的影響。

根據(jù)相關(guān)文獻[11]統(tǒng)計，LNG的重大事故類型主要有3類：

(1) LNG燃料艙發(fā)生事故性破損，導(dǎo)致大量過熱氣化的LNG瞬間泄放到空中，形成蒸氣云，處于爆炸極限的蒸氣云遇到火源會發(fā)生蒸氣云爆炸(VCE)；

(2) LNG燃料艙泄漏形成液池，液池被點火源或蒸氣云回火點燃，發(fā)生池火火災(zāi)；

(3) LNG燃料艙突然發(fā)生災(zāi)難性破裂(如LNG燃料艙受到劇烈的機械或火災(zāi)熱作用導(dǎo)致的突然破裂)，壓力平衡被破壞，導(dǎo)致LNG急劇氣化并隨即被點燃爆炸(BLEVE)。

2 事故樹(FTA)分析[12]

2.1LNG燃料艙火災(zāi)、爆炸事故樹的建立

采用事故樹分析法，根據(jù)事故樹的頂事件確定原則，選擇最不希望發(fā)生的失效事件“LNG燃料艙火災(zāi)、爆炸”作為頂事件。該事件既是事故分析的起點，也是分析事故發(fā)生原因、發(fā)生概率及可能產(chǎn)生的影響的最終事件。LNG燃料艙火災(zāi)、爆炸有2類，即：因LNG泄漏(連續(xù)泄漏)引起的火災(zāi)、爆炸,主要事故形式是蒸氣云爆炸和池火火災(zāi);燃料艙的物理爆炸導(dǎo)致LNG瞬時泄漏，罐內(nèi)的壓力急劇升高，超出罐體限值，發(fā)生沸騰液體擴展蒸氣爆炸(BLEVE)[13]。將引起頂事件發(fā)生的原因分別作為下一層的頂事件，依次類推，建立LNG燃料艙火災(zāi)、爆炸事故樹(見圖1)。該事故樹共找出31種不同的底事件[14](見表2)。

2.2 LNG燃料艙火災(zāi)爆炸事故樹定性分析

由于缺少相關(guān)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，這里對各底事件的概率暫不進行定量分析，而是通過事故樹求取最小割集和各基本事件的結(jié)構(gòu)重要度，對風(fēng)險的輕重緩急進行定性分析。

最小割集是指如果割集中的任意一個基本原因事件不發(fā)生，那么頂事件就決不發(fā)生。每個割集都是頂上事件的一種可能發(fā)生渠道。因而最小割集的數(shù)目越多，系統(tǒng)越危險。

根據(jù)圖1的事故樹，寫出布爾代數(shù)運算式為

T01=P·X0·(X1+X2+X3+X4+X5+X6+X7+X8+X9+X10+X11+X12·X13)·(X14+X15+ (X24+X25)·(X16+X17+X18+X19+X20+X21+X22+X23))+X31+X30+X29+fCN·X26· (X27+X28)

可得事故樹的最小割集為

結(jié)構(gòu)重要度分析是不考慮基本事件發(fā)生的概率，僅從事故樹結(jié)構(gòu)上分析各基本事件的重要影響程度。由最小割集排列結(jié)構(gòu)重要度方法的基本原則和結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)近似判別式可知：

I31=I30=I29為單事件最小割集，所以結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)最大；

I26(三階最小割集出現(xiàn)2次)

I28=I27(三階最小割集出現(xiàn)1次)

I0=1

I25=I24=0.997

I15=I14=0.784

I11=I10=I9=I8=I7=I6=I5=I4=I3=I2=I1=0.727

I23=I22=I21=I20=I19=I18=I17=I16=0.773

I13=I12=0.471

因此，各底事件的結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)排序為

I31=I30=I29>I26>I28=I27>I0>I25=I24>I15=I14>I23=I22=I21=I20=I19=I18=I17=I16>I11=I10=I9=I8=I7=I6=I5=I4=I3=I2=I1>I13=I12

2.3LNG燃料艙火災(zāi)爆炸事故樹分析

根據(jù)結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)的排序，控制LNG燃料艙的火災(zāi)爆炸應(yīng)根據(jù)底事件影響程度的重要度系數(shù)進行重點控制。這些底事件包括燃料艙處所及相鄰處所的火災(zāi)控制、燃料艙布置的安全距離、船舶操縱安全、危險處所的通風(fēng)、安全閥的選型與設(shè)置、燃料艙的物理防護、有關(guān)LNG加注操作和各類火源的控制管理等，對LNG燃料存儲系統(tǒng)的安全影響重大。

2.4LNG-Ready設(shè)計

LNG-Ready設(shè)計由于是基于將來某個時間實現(xiàn)LNG燃料并提供這種可能性的設(shè)計，因此重點是原理上的實現(xiàn)及重大風(fēng)險的防范。根據(jù)對上述事故樹的分析，對于影響重大的燃料艙布置、改造的方法和重大風(fēng)險因素等，需預(yù)先考慮如何采用技術(shù)性措施并確定設(shè)計方案。

2.4.1 LNG-Ready設(shè)計風(fēng)險分析

船舶是一個大且復(fù)雜的綜合系統(tǒng)，子系統(tǒng)層次多且相互交涉，需在有限的空間內(nèi)兼顧多方面需求，在此基礎(chǔ)上增加LNG動力系統(tǒng)，將使設(shè)計平衡的難度增加，設(shè)計潛在風(fēng)險因素也隨之增多。LNG-Ready的設(shè)計不僅要考慮對當(dāng)前船舶性能與安全的平衡，還要考慮對LNG燃料系統(tǒng)改造后船舶性能與安全的平衡，并對LNG燃料系統(tǒng)改造前后的變化進行風(fēng)險評估。具體表現(xiàn)在以下幾個方面。

(1) 船舶整體布置方面: LNG燃料艙的布置不僅有難以滿足IGF規(guī)則規(guī)定的距離要求的風(fēng)險，還有使危險區(qū)域擴大的風(fēng)險。同時LNG-Ready設(shè)計應(yīng)提前預(yù)留空間帶來的LNG圍護系統(tǒng)的選型風(fēng)險及改造前與改造后的船舶性能和裝載穩(wěn)性變化風(fēng)險。

(2) LNG燃料本身存在危險特質(zhì)：LNG燃料在船上使用時存在液態(tài)和氣態(tài)2種危險狀態(tài)，液態(tài)時主要是低溫風(fēng)險，氣態(tài)時有易泄漏風(fēng)險(特別對于高壓系統(tǒng)而言)。

(3) LNG低溫對船舶材料的影響：LNG的低溫會使結(jié)構(gòu)發(fā)生力學(xué)性能變化，直接泄漏甚至導(dǎo)致鋼板發(fā)生脆裂，從而對船體結(jié)構(gòu)帶來巨大的影響。

(4) LNG燃料系統(tǒng)的安全性:LNG安全使用的核心在于LNG的圍護，LNG-Ready設(shè)計需考慮改造后的圍護系統(tǒng)的適用性、安全性、可改裝性和經(jīng)濟性，并考慮LNG輔助系統(tǒng)的可靠性，比如監(jiān)控系統(tǒng)、緊急切斷系統(tǒng)等。

(5) 標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)則實施風(fēng)險，IGF規(guī)則框架的制定按照目標(biāo)設(shè)定，給出目標(biāo)要求、功能要求和具體要求，在留給船舶的設(shè)計和建造更大的靈活性和創(chuàng)新空間的同時，也存在風(fēng)險評估不充分導(dǎo)致的設(shè)計風(fēng)險。

(6)人為因素風(fēng)險：最新的FSA指南已將人為因素納入考量，結(jié)合LNG在工業(yè)上的使用經(jīng)驗，人為因素風(fēng)險在LNG加注操作中尤為突出。

2.4.2 LNG-Ready設(shè)計的具體措施與建議

在進行LNG-Ready設(shè)計前，需船舶所有人、船級社、配套廠家、船廠和設(shè)計單位等統(tǒng)一立場，事先對系統(tǒng)目標(biāo)、設(shè)計的深度及重要參數(shù)達成統(tǒng)一。同時，設(shè)計者應(yīng)了解和判斷船舶未來的營運環(huán)境，包括船舶營運航線、LNG燃料供應(yīng)的港口等，在經(jīng)濟上對投資回報率進行計算和評估，建造船級社認(rèn)可的LNG-Ready船舶，在風(fēng)險可控的情況下取得更好的經(jīng)濟效益。從安全的角度給出以下設(shè)計措施和建議：

(1) 選擇有資質(zhì)且有一定經(jīng)驗的配套廠家進行聯(lián)合設(shè)計，從設(shè)計源頭上保證LNG燃料系統(tǒng)的安全性。

(2) 明確LNG-Ready設(shè)計圖樣的范圍，就審查圖樣目錄和內(nèi)容與船級社及主管機關(guān)進行澄清和確認(rèn)。

(3) 加強對標(biāo)準(zhǔn)規(guī)則和規(guī)范的研究，特別是對IGF規(guī)則的應(yīng)用。推進綜合優(yōu)化、等效(替代)設(shè)計和新穎設(shè)計等方面的技術(shù)創(chuàng)新。

(4) 應(yīng)用風(fēng)險評估與分析工具識別潛在的風(fēng)險控制措施，通過采用結(jié)構(gòu)化的評審技術(shù)對現(xiàn)有的措施進行風(fēng)險評估，尋找更為合適的設(shè)計方案。

(5) LNG燃料艙的布置要滿足IGF規(guī)則規(guī)定的距離要求，并對船舶危險區(qū)域的劃分進行優(yōu)化設(shè)計，控制改造前與改造后帶來的船舶性能及裝載穩(wěn)性的變化。

(6) 在任何情況下，要避免同時出現(xiàn)LNG泄漏導(dǎo)致可燃?xì)怏w與點火源共存的可能性；LNG-Ready設(shè)計應(yīng)做好整體布置和通風(fēng)設(shè)計方案，例如通風(fēng)的出口和入口的布置及相關(guān)的距離要求。

(7) 充分考慮LNG圍護系統(tǒng)對周圍船體結(jié)構(gòu)的影響，進行溫度場的計算和分析，做好船體低溫鋼材料的選取工作；同時，對于低于一定溫度的管道需進行應(yīng)力分析，保證管路的可靠性。

(8) 對LNG加注方式和程序進行提前研究，降低人為操作因素的風(fēng)險。

3 結(jié) 語

FSA方法已應(yīng)用于IGF規(guī)則，使得LNG燃料動力船舶的設(shè)計與傳統(tǒng)船舶有很大的不同。本文基于FSA方法的基本理論，采用事故樹方法分析可能引起LNG燃料艙火災(zāi)爆炸的原因及引起這些原因的底事件。從事故樹的最小割集看，割集數(shù)量多，LNG燃料儲罐發(fā)生火災(zāi)爆炸事故的可能性渠道較多，需多種預(yù)防的途徑和措施；從事故樹的結(jié)構(gòu)重要度上看，不僅有單事件的最小割集，而且某些底事件的結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)很大。同時，“或門”比較多，說明點火源和LNG泄漏的發(fā)生概率相對較大，LNG燃料儲罐的安全風(fēng)險遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)燃油的使用風(fēng)險。通過分析指出需重點進行風(fēng)險控制的基本事件，并結(jié)合LNG-Ready對相關(guān)設(shè)計風(fēng)險進行了闡述和分析，進一步給出可采取的設(shè)計措施和建議。

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Risk-OrientedInvestigationAboutLNG-ReadyDesign

YANXianrui
(Ocean and Civil Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

The shipping industry is facing the challenge of the global trend of emissions limitation. To cope with the maritime pollution emissions control rules, shipping companies have been looking for alternative fuels. Liquefied Natural Gas(LNG) is considered promising. While certain type of LNG fueled ships have been in operation for years, there are questions to be answered for LNG to fuel large ocean-going ships. This paper analyzes the risks associated with marine LNG fueling by means of the FTA theory. The risk factors associated with the LNG fuel tank, which is the major source of hazards on an LNG fueled ocean going ship, is identified and evaluated. A number of suggestions for risk control are put forward which will hopefully provide a reference for the design of the LNG-Ready ocean-going ships.

LNG marine fuel; LNG-Ready; risk analysis; FTA

2016-10-31

嚴(yán)先銳(1980—)，男，江蘇徐州人，高級工程師，碩士，從事船舶設(shè)計與制造工作。

1674-5949(2017)02-0030-06

U674.13+3.3

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