LNG運輸船船對船過駁安全性評估

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(中國船級社武漢規(guī)范研究所，武漢 430022)

LNG運輸船船對船過駁安全性評估

程康，甘少煒，范洪軍，曹蛟龍，秦傲寒

(中國船級社武漢規(guī)范研究所，武漢 430022)

針對一艘10萬m3和一艘5萬m3的LNG運輸船過駁安全問題，分析兩船碰墊選型、過駁軟管選取、總管與軟件連接，采用FLACS對過駁期間安全距離進(jìn)行計算分析。結(jié)果表明，兩船匹配良好，具備過駁條件，過駁期間需設(shè)置大于225 m的安全距離，安全距離內(nèi)嚴(yán)禁其他船只進(jìn)入。整個評估過程充分考慮了LNG深冷易燃的特性和LNG運輸船的特點，針對性地降低了過駁中可能出現(xiàn)的風(fēng)險。

LNG運輸船；船對船過駁；兼容性分析；風(fēng)險評估；安全距離

大型LNG運輸船由于吃水等限制無法進(jìn)入內(nèi)河流域，因此,需在沿海地區(qū)過駁到小型LNG運輸船進(jìn)行分銷。LNG為深冷、易燃危險品，其過駁難度遠(yuǎn)高于普通船舶，為此國際權(quán)威組織如石油公司國際海事論壇(OCIMF)、國際船級社協(xié)會(IACS)、國際標(biāo)準(zhǔn)組織(ISO)、國際氣體船和岸站經(jīng)營者協(xié)會(SIGGTO)等紛紛出臺LNG過駁指導(dǎo)文件[1-4]，國內(nèi)交通運輸部也發(fā)布了天然氣的過駁標(biāo)準(zhǔn)。上述文件中均強(qiáng)調(diào)了過駁兼容性分析和安全距離評估在保障過駁安全中的重要作用，例如，OCIMF文件第二章2.1條、IACS文件中第三章1.4.2條和SIGTTO文件的第二節(jié)2.9條等均提出過駁前需對兩船的兼容性進(jìn)行分析。但具體如何分析兩船的兼容性沒有明確，目前多數(shù)依靠船員經(jīng)驗執(zhí)行，容易出現(xiàn)不匹配問題，例如,過駁期間出現(xiàn)軟管長度不夠、碰墊選擇不當(dāng)、BOG無法處理、壓力過高導(dǎo)致安全閥起跳等問題，增加了作業(yè)的風(fēng)險和花費。

另外為對LNG船過駁進(jìn)行安全監(jiān)管，通常會劃定最小安全距離，過駁期間嚴(yán)禁其余船只進(jìn)入。目前大多數(shù)區(qū)域直接采用500 m或1 000 m的安全距離，對港口往來船只的航行造成了很大的影響。準(zhǔn)確劃定安全距離，在保證安全的同時將影響最小化成為了過駁研究的另一個熱點和難點。目前，國內(nèi)對LNG船對船過駁的安全性研究尚處于起步階段，相關(guān)的規(guī)范和操作指南還有待補(bǔ)充和完善?；贚NG運輸船的技術(shù)特點,對過駁兼容性分析的具體項目和評估方法進(jìn)行了研究，同時利用計算流體力學(xué)(CFD)軟件對過駁中可能發(fā)生的事故后果進(jìn)行了模擬，計算了過駁安全距離，為LNG船-船過駁的實際操作和相關(guān)實施指南的發(fā)布提供必要的技術(shù)支持。

1 基本情況

某10萬m3和5萬m3的LNG運輸船主要技術(shù)參數(shù)見表1和表2[5]。兩船均按照國際散裝運輸液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)則(IGC規(guī)則)進(jìn)行設(shè)計、建造和檢驗。

表1 10萬m3 LNG運輸船的主要參數(shù)

10萬m3LNG運輸船采用雙燃料發(fā)動機(jī)，可用貨物作為燃料。全船配備4個NO.96型薄膜艙，設(shè)計溫度-163 ℃，安全閥起跳壓力設(shè)定為25 kPa，貨艙總?cè)莘e10萬m3，充裝率98.5%，每個貨艙配有2個貨泵，1個噴淋泵和1個備用泵，備用泵同時兼作燃料泵使用。該輪配有BOG處理系統(tǒng)，可在發(fā)動機(jī)完全停止時，處理貨艙在最大蒸發(fā)量下的多余BOG氣體。ESD系統(tǒng)有光纖、電纜和氣動連接3種連接形式，船舷配有5根總管，其中4根液相、1根氣相，管徑及布置滿足OCIMF的要求[6]，氣相和液相管徑均為16 in，間距3 m，布置見圖1。

圖1 10萬m3 LNG運輸船總管布置示意

船長 195.0m最大排水量47860t船寬 30.9m貨艙數(shù) 4型深 19.26m總?cè)莘e 50000.158m3夏季吃水8.52m貨艙類型 薄膜(No.96)

5萬m3LNG運輸船采用雙燃料發(fā)動機(jī)。全船配備4個NO.96型薄膜艙，設(shè)計溫度-163 ℃，安全閥起跳壓力設(shè)定為24 kPa，貨艙總?cè)莘e5萬m3，充裝率98.5%，每個貨艙配有2個貨泵，1個噴淋泵和1個備用泵，備用泵同時兼作燃料泵使用。該船配有BOG處理系統(tǒng)，可在發(fā)動機(jī)完全停止時處理貨艙在最大蒸發(fā)量下的多余BOG氣體。ESD系統(tǒng)有光纖、電纜和氣動連接3種連接形式，船舷配有5根總管，其中4根液相1根氣相，管徑及布置滿足OCIMF的要求，氣、液相管徑均為16 in，間距3 m，布置見圖2。

圖2 5萬m3 LNG運輸船的總管布置示意

2 兼容性分析

按照IGC規(guī)則，LNG運輸船的設(shè)計依照LNG的特點，主要在貨物圍護(hù)系統(tǒng)、BOG氣體的處理、溫度壓力控制和應(yīng)急切斷系統(tǒng)(ESD)等方面作出了特別規(guī)定，然后過駁又涉及軟管和總管的匹配連接，由此確定兼容性分析包含兩船匹配度檢查、碰墊選型、軟管選型等內(nèi)容，其中兩船匹配度檢查又包含貨物圍護(hù)系統(tǒng)、BOG氣體的處理、溫度壓力控制和應(yīng)急切斷系統(tǒng)的匹配性分析。

2.1 兩船匹配度檢查

兩船均采用No.96型薄膜艙，見圖3，貨艙保冷效果接近，因而在過駁過程中不會發(fā)生類似C型艙對薄膜艙過駁時熱液進(jìn)入冷液的閃蒸現(xiàn)象[7]。且安全閥起跳壓力設(shè)定基本相同，在過駁中可有效保障氣相空間連通的安全性。

圖3 兩船貨物圍護(hù)系統(tǒng)示意

如圖1和圖2所示，兩船均采用4液1氣的總管布置，布置方式、間距及管徑均一致，且兩船所安裝的ESD系統(tǒng)均有光纖、電纜和氣動3種連接方式。

5萬m3運輸船的艙容正好為過駁船艙容的一半，采用隔艙裝載運輸?shù)姆绞椒?次卸完，可有效避免10萬m3運輸船出現(xiàn)半艙裝載的問題。LNG運輸船通常沒有半艙裝載的工況設(shè)定，主要是避免由于LNG粘度非常小導(dǎo)致產(chǎn)生晃蕩問題。

兩船均配備BOG處理系統(tǒng)，可在發(fā)動機(jī)完全停止時，處理貨艙在最大蒸發(fā)量下的多余BOG氣體，控制艙內(nèi)壓力，防止過駁過程中安全閥起跳。

2.2 碰墊選型

依據(jù)當(dāng)量計算法[8]計算兩船等效排水量系數(shù)C。

式中：DSA、DSB分別為10萬和5萬m3船舶滿載排水量。

求得C=64 746.72 t。

依據(jù)等效排水量系數(shù)選出過駁作業(yè)時兩船間應(yīng)配備4個直徑3.3 m，長度為6.5 m的碰墊，單個碰墊的極限吸收能量不低于500 kJ，靠泊時的航速低于0.18 m/s，選取依據(jù)見表3。

表3 OCIMF標(biāo)準(zhǔn)液化氣體傳輸操作時碰墊選擇指南

為防止靠泊作業(yè)期間由于疏忽大意而造成兩船之間的接觸，通常在船艏和船艉會設(shè)置小尺寸的輔助碰墊，依據(jù)已有的LNG海上駁運操作統(tǒng)計[9]和兩船的基本參數(shù)，選取2個直徑2.0 m、長3.5 m的輔助碰墊，布置見圖4。

圖4 船對船過駁布置設(shè)計方案

2.3 軟管選型

兩船總管最大液位差為3.97 m，總管距舷邊距離為3.4 m，得出軟管長度不得小于3.97×2+3.4×2=14.74 m[10]。

兩船液相總管口徑為16 in，而配備軟管直徑為10 in，為保證過駁速率，建議在液相總管間配備Y形變徑接頭；在氣相總管間配備16 in/10 in的變徑接頭，同時為保證作業(yè)安全，在每條傳輸管路上配備緊急釋放系統(tǒng)。

3 過駁安全距離計算

以某地區(qū)過駁為例，環(huán)境參數(shù)見表4。

表4 蘇比克灣環(huán)境參數(shù)

采用挪威GexCon咨詢公司開發(fā)的三維計算流體力學(xué)(CFD)軟件FLACS進(jìn)行泄漏后果CFD仿真計算，按照兩船過駁的實際布置建模如圖5所示。對兩船過駁充裝站區(qū)域按實際布置建模未簡化，其余區(qū)域(如船艏、上層甲板及上層建筑等區(qū)域)按實際尺寸建模，對計算結(jié)果影響不大的設(shè)施(如舾裝件等)進(jìn)行了相應(yīng)的簡化處理。

圖5 CFD仿真計算模型

荷蘭應(yīng)用科學(xué)院(TNO)依據(jù)事故發(fā)生的概率和后果給出了LNG軟管不可接受的最大風(fēng)險泄漏場景為泄漏孔徑等于10%的軟管直徑[11],擬定擴(kuò)散最危險風(fēng)向為沿船長方向，天然氣可燃范圍設(shè)為2.5%～15%(取燃燒下限(LFL)的50%)[12]，由此算得可燃蒸氣云擴(kuò)散結(jié)果見圖6，可燃蒸氣云擴(kuò)散最遠(yuǎn)距離為150 m。

圖6 發(fā)生泄漏后可燃?xì)怏w擴(kuò)散濃度分布(標(biāo)尺為天然氣氣體摩爾分?jǐn)?shù)，范圍0.025～0.15)

圖7 兩船過駁安全距離

依據(jù)FLACS計算結(jié)果，兩船過駁時濃度為2.5%～15%的可燃蒸氣云最大擴(kuò)散距離為150 m，基于保守的考慮[13]，安全系數(shù)定為1.5，因此，設(shè)定兩船過駁安全距離為225 m，過駁期間安全距離內(nèi)嚴(yán)禁其他船只進(jìn)入，見圖7。該距離遠(yuǎn)小于一般港口規(guī)定的500 m或1 000 m的要求，在保障過駁安全的同時保證了港口船只的正常通航。

4 結(jié)論

1)結(jié)合過駁中碰墊和軟管的選型，擬定了過駁兼容性分析的具體實施內(nèi)容為兩船匹配度檢查、碰墊選型和軟件選型等內(nèi)容，其中兩船匹配度檢查包含了上述IGC規(guī)則覆蓋的LNG運輸船的主要技術(shù)方面。

2)對現(xiàn)有的零散分析方法進(jìn)行了梳理和綜合，并結(jié)合實際的案例開展了如下分析：利用工程實際經(jīng)驗開展了兩船主要設(shè)備的對比分析，完成了兩船的匹配度檢查；采用OCIMF的當(dāng)量計算法為兩船過駁選取了合適的碰墊并提出了過駁航速的限值；結(jié)合現(xiàn)有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求選取了合適的軟管布置方式和長度。

3)依據(jù)國際權(quán)威數(shù)據(jù)庫中典型的破口尺寸，采用CFD計算軟件開展了安全距離計算，計算最小安全距離為225 m，為過駁期間保證港口其余船只的正常通航提供依據(jù)。

4)目前全球LNG船舶的總管布置均依據(jù)OCIMF的要求，即布置型式、總管間距和管徑均一致，差異僅在艙室壓力和兩船間狹長區(qū)域的長度。下一步將基于現(xiàn)有的儲罐型式對應(yīng)的最大壓力情況開展具有普適性的安全距離劃定，以避免不同船舶過駁都要進(jìn)行復(fù)雜的CFD計算。

[1] Oil Companies International Marine forum. The safe Transfer of Liquefied Gas in an Offshore Environment[M]. London: Wither by Publishing Group Ltd,2014.

[2] International Association of classification Societies. LNG bunkering guidelines[M]. London: IACS Conventions,2015.

[3] International Standardization Organization. Specification for bunkering of gas fueled ships[M]. Geneva: ISO Conventions,2015.

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[5] 張則松,王言英.LNG運輸船船型淺析[J].船舶工程,2003,25(4):25-30.

[6] Oil Companies International Marine forum. Recommendations for Manifolds for Refrigerated Liquefied Natural Gas Carriers (LNG)[M]. London: Wither by Publishing Group Ltd,1994.

[7] 丁玲,馬坤.中小型LNG運輸船液貨罐設(shè)計技術(shù)[J].船舶,2010,21(1):26-29.

[8] 顧祖旭.LNG船對船過駁作業(yè)碰墊配置研究[D].大連：大連海事大學(xué)，2015.

[9] 秦飛,王平.兩船并靠作業(yè)流載荷研究[J].船舶,2013,24(3):1-6.

[10] 張榮,程康,范洪軍.LNG運輸船作為浮式儲存裝置的適應(yīng)性評估研究[J].船舶工程,2016(9):47-51.

[11] 陳國華,成松柏.LNG泄漏事故后果模擬與定量風(fēng)險評估[J].天然氣工業(yè)，2007,27(6):133-135.

[12] 黃鄭華.LNG船火災(zāi)爆炸危險性評估與事故預(yù)防[J].油氣儲運,2011,30(5):340-342.

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Study on Safety Assessment Method of LNG Ship to Ship Transfer

CHENGKang,GANShao-wei,FANHong-jun,CAOJiao-long,QINAo-han

(Wuhan Rules and Research Institute of China Classification Society, Wuhan 430022, China)

In order to ensure the safety for LNG ship to ship (STS) transfer, a 100 000 m3LNG carrier and a 50 000 m3LNG carrier were selected to study the selection of fender and transfer hosepipe, connection of the main pipe with hospipe. The 3-dimensional CFD software FLACS was adopted to assess the safe distance during the transfer. The results showed that these two carriers have good compatibility, meet the requirements of STS transfer, the safe distance is not less than 225 m. The characteristics of LNG cryogenic cooling and inflammable were fully considered so as to reduce the possible risks during STS transfer of LNG.

LNG carrier; ship to ship (STS) transfer; compatibility analysis; risk assessment; safe distance

U674.13

A

1671-7953(2017)06-0054-04

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.06.012

2017-03-10

2017-04-14

中國海事局和國家能源局(海事[2012]509號)

程康(1986—)，男，碩士，工程師

研究方向：LNG水上運輸技術(shù)