基于FSA的LNG燃料动力船过闸安全性

张 帆， 周涂强

(1. 武汉理工大学 a. 航运学院； b. 智能交通系统研究中心， 武汉 430063；2. 内河航运技术湖北省重点实验室， 武汉 430063; 3. 国家水运安全工程技术研究中心， 武汉 430063)

基于FSA的LNG燃料动力船过闸安全性

张 帆1a,2， 周涂强1b,3

(1. 武汉理工大学 a. 航运学院； b. 智能交通系统研究中心， 武汉 430063；2. 内河航运技术湖北省重点实验室， 武汉 430063; 3. 国家水运安全工程技术研究中心， 武汉 430063)

将综合安全评估(Formal Safety Assessment, FSA)引入到液化天然气(Liquefied Natural Gas, LNG)燃料动力船过闸安全性研究中；从典型事故情景方面出发，对LNG燃料动力船的过闸进行风险源辨识。在此基础上，结合LNG储罐部件基础泄漏概率和事故后果模拟结果，对LNG燃料动力船两坝间航行、过闸、锚泊及燃料加注等典型情景进行风险分析，并提出LNG燃料动力船过闸安全管理建议。

LNG燃料动力船； 三峡船闸； 安全评价； 风险管理

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

随着我国对能源的需求不断增长，引进液化天然气(Liquefied Natural Gas，LNG)有利于优化能源结构，有效解决能源供应问题，并将在诸多方面发挥重要作用。

LNG的易燃、易爆性决定了LNG燃料动力船安全管理的特殊性和严格性。随着石油资源不断被消耗，将有越来越多的LNG燃料动力船投入运营，其中长江LNG燃料动力船必将涉及到通过三峡船闸的安全管理问题。研究LNG燃料动力船通过三峡船闸的可行性评估，对提高我国内河LNG燃料动力船的安全管理水平具有一定的现实意义。

1 综合安全评估理论体系

1.1综合安全评估简介

综合安全评估(Formal Safety Assessment, FSA)是一种在工程技术和工程运行管理中用于制定合理可行的规则和提供风险控制的综合性、结构化、系统性及可行性的分析办法。[1]

FSA可在风险评估及风险控制方案的基础上对实施每个控制方案所产生的相关费用和效益情况与数据进行详细的计算和统计，以及细节性的量化分析和评估；同时，能根据费用与效益比的实际情况对安全要求作出最终的合理决策。[2]

1.2FSA步骤

FSA包括危险识别、风险评估、风险控制方案、费用与效益评估和提供决策建议等5个规范化评估步骤。

1) 危险识别：FSA的初始步骤，目的是对所界定的评估系统项目中可能存在的所有危险进行识别。

2) 风险评估：分析影响风险程度的各种因素及事故发生与事故后果之间的关系。

3) 风险控制方案：在危险识别和风险评估的基础上，有针对性地提出相应的降低风险的措施，并根据这些措施制定具体切实可行的风险控制方案。

4) 费用和效益评估：估算和评价“风险控制方案”中每种风险控制方案所产生的费用及受益费用。

5) 提供决策建议：在对危险和潜在原因的比较和排序及对风险控制方案的费用和效益评估的比较和排序的基础上，提出相应的合理决策建议。

FSA目前主要采取的流程是1)—2)—5)[3]，省略步骤3)和4)。因为通常情况下，步骤3)可在步骤5)中实现，步骤4)也是在步骤3)结束后实施的，而这里所研究的焦点是LNG燃料动力船通过三峡船闸的风险与安全评价，风险控制和费用与效益评价可在后续重点研究，因此只采用1)—2)—5)流程。

2 LNG燃料动力船过闸危险识别

对LNG燃料动力船在三峡大坝与葛洲坝之间水域(以下简称“两坝区”水域)航行、过闸、锚地靠离泊和燃料加注等4个典型情景进行危险识别。

2.1两坝间航行

LNG燃料动力船通过两坝区水域时，影响其航行安全的因素主要是两坝间复杂的通航环境。可能发生的事故种类主要为触礁、触损和碰撞事故。事故致因主要与船舶安全性、外部通航环境及船员驾驶行为有关。[3]事故后果分为普通触碰事故和二次危害。

2.2过闸

LNG燃料动力船过闸时航速较小，发生碰撞事故的概率不高，但BOG(Boil-Off Gas)闪蒸汽(LNG蒸发气)排放是主要风险源。船舶过闸时采用统一编组通过模式，闸室内船舶间的间距较小，LNG燃料动力船一旦发生火灾将有可能造成其他船舶连锁失火，故LNG燃料动力船过闸时的主要风险为火灾事故。该类事故的主要致因是：船舶在候闸时均需经过一个等待周期，若遇到连续高温天气，LNG储罐系统内部的压力将增大，需采取压力释放措施，LNG蒸发气从透气管出口排出；若此时船内及附近危险地带有人员吸烟，产生明火，则可能导致船舶发生火灾[4]；由于闸室具有密闭性，火势将迅速蔓延，对闸室和其他船舶的安全造成严重威胁。

2.3进出锚地

由于三峡大坝坝上和葛洲坝坝下锚地水域作业繁忙，因此LNG燃料动力船在进入锚地水域的过程中可能会与正常航行的船舶、其他锚泊船舶及水下碍航物发生碰撞、触损等，对相关作业人员、被碰撞船舶和水上水下建筑物造成较大危害。[5]LNG燃料动力船在锚地的风险主要是船舶碰撞和触损事故。

2.4LNG燃料加注

人为操作失误、设备品质不过关和失效磨损等因素可能会引起加注软件破损、法兰连接处失效等，造成LNG泄漏扩散。LNG在加注过程中的主要风险是管道破裂和过充。事故致因主要是：加注管路法兰连接处泄漏；回气管法兰连接处泄漏；LNG槽车的接地线与固定线连接不当产生电火花和电弧；LNG柔性软管破裂；LNG加注臂断裂；加注罐与受注罐温度不同及紧急情况下快速断开的装置失效或缺失。[6]

分析LNG燃料动力船在过闸过程中发生事故的可能性、造成的人员死亡及经济损失。LNG燃料动力船的机舱和生活区发生火灾可能会造成LNG储罐保温层失效、LNG泄漏，进而导致火灾或爆炸事故发生。根据上述分析，得到LNG燃料动力船在两坝间航行及过闸面临的事故风险(见表1)。

3 LNG燃料动力船过闸风险评估

基于风险识别结果，LNG燃料动力船在两坝间水域航行及过闸过程中面临的事故风险很大程度上与LNG储罐泄漏有关，因此重点分析涉及LNG储罐泄漏的相关因素。LNG储罐可能发生的典型泄漏模式主要有瞬时泄漏和连续泄漏两种。影响泄漏强度的主要因素是泄漏口的尺寸和形状；泄漏口主要分为小孔、中孔和大孔等3种[7-10]；泄漏口径分别为5 mm，50 mm和100 mm。该研究中所设定的风速均是与船舶相对的速度，取3 m/s；设定的外部温度为20 ℃。

根据LNG的泄漏模式和泄漏场景，结合LNG的危险特性及LNG燃料动力船的储存、气化和混气等过程的操作条件及状态等，分析LNG泄漏后可能发生的事故场景。

3.1定量风险评估理论和相关标准

定量风险评价也称概率风险评价(Probabilistic Risk Assessment, PRA)，通过对系统或设备的失效概率及失效后果的严重程度进行量化分析，定量描述系统风险，从数量上评价对象的危险等级。这里拟采用个人风险值计算方法，该方法为所有潜在的事故对某一位置点的无防护措施个人死亡发生的年概率，见式(1)。

(1)

式(1)中：R(x，y)为位置(x,y)处的个人风险；ft为第t个事故情景发生的概率；Vt(x，y)为第t个事故在位置(x,y)处引起个体死亡的概率；n为事故数量。

根据国家安全生产监督管理总局令第40号，有关危险化学品单位周边重要目标和敏感场所所承受的个人风险应满足的可容许风险标准见表2。

3.2LNG泄漏概率

根据对LNG泄漏模式的分析，LNG储罐系统泄漏主要包括储罐泄漏、管道泄漏及阀门等附件泄漏。

这里参考“基于风险检验的基础方法(SYT 6714—2008)”给出的不同部件的基础泄漏频率计算LNG储罐、管道及阀门等在不同失效模式下的LNG事故概率，计算结果见表3。

表3 不同失效模式下LNG事故概率

3.3LNG燃料动力船事故后果模拟

对于泄漏后气体扩散和蒸发气爆炸的模拟,选择FLACS软件进行计算。FLACS是三维CFD软件，能较好地模拟出气体的扩散状态和爆炸冲击波的传播。利用FLACS软件的计算过程见图1。

图1 计算过程

考虑到“红日166”轮是我国营运的首艘LNG燃料动力船，改造技术合格，营运时间较长，试验数据丰富，在现阶段的LNG燃料动力船中具有典型的代表性，因此以该船为例进行模拟和计算。

根据专家讨论的结果，“红日166”可能出现的故障是DN40管道泄漏和DN10管道泄漏。事故主要类型为闪火和蒸发气爆炸(VCE)。LNG蒸发时间取世界银行推荐的典型连续泄漏扩散时间10 min，LNG蒸发率取0.049 kg/(m2·s)。根据相关报告中闪火危害半径和船舶尺寸，经专家讨论,可进一步估算发生闪火及蒸发气爆炸事故可能造成的人员伤亡情况(见表4和表5)。

表4 不同失效模式下闪火事故后果

由表4可知，LNG储罐系统泄漏孔径越大，危害范围就越大。采取适当措施控制LNG储罐系统的失效模式，避免中/大孔泄漏、完全破裂事故发生，有利于降低闪火事故的危害。

表5 不同失效模式下蒸发气爆炸事故后果

3.4LNG燃料动力船泄漏事故风险计算

根据式(1)，结合各项概率及事故模拟结果，最终可求得LNG泄漏的综合风险总值(见表6)。

表6 不同失效模式下闪火/云爆事故综合风险值

3.5计算结果及对比

由个人风险计算结果可知，由LNG泄漏引发的闪火和云爆事故的综合风险总值为1.63×10-6，意味着上述风险会导致每年1.63×10-6起人员伤亡事故发生，LNG泄漏的综合风险总值高于“高敏感或特殊高密度场所”对应的风险标准值3×10-7。因此，LNG燃料动力船对三峡船闸区域人员所面临的风险是不能接受的，现阶段LNG燃料动力船不宜通过三峡船闸。

4 LNG燃料动力船过闸安全管理建议

降低事故风险主要有降低事故发生的频率和控制事故造成的后果2种途径。这里充分考虑LNG燃料动力船过闸的特殊性，针对LNG燃料动力船的典型情景，从两坝间航行、船舶过闸和锚地作业等方面提出安全管理建议。

4.1两坝间航行

1) 船舶必须严格按照中国船级社《天然气燃料动力船舶规范》的要求安装、布置LNG储罐，采取相关措施严格控制BOG释放。

2) 船舶在确保油气管路正常后方可将燃料模式转换到油气混合模式。

3) 当发现LNG燃料动力船主机出现故障时，应及时向船舶交通管理(Vessel Traffic Service, VTS)中心报告，并选择合适的水域抛锚。

4) 船舶在坝区水域航行时，必须严格遵守两坝间通航管理规定，加强瞭望，谨慎驾驶，保持安全航速，严禁冒险、违章航行。

5) 船舶进入临坝水域之后,应根据当时的风流情况合理调整船位，确保与水上、水下的建筑物保持安全富余距离，防止发生碰撞事故。

6) 相关安全管理机构需重点跟踪两坝间航行的LNG燃料动力船，强化安全信息服务和预警服务，必要时调派海巡艇实施现场护航。

4.2船舶过闸

1) 考虑到BOG释放聚集问题，建议避免两艘以上的LNG燃料动力船处于同一闸室中，降低BOG释放的浓度。

2) 建议LNG燃料动力船使用燃油模式，降低LNG燃料的使用率。

3) 加大LNG燃料动力船过闸期间的现场监管力度，确保船闸管理部门与船舶驾引人员之间的联系渠道畅通，以便提前发现隐患并及时处理。

4) 禁止LNG燃料动力船与危险品船和客船同时过闸。

4.3进出锚地

1) LNG燃料动力船在进出锚地时应采用燃油模式，降低因LNG燃料系统不稳定而造成事故的概率。

2) LNG燃料动力船严格遵守三峡大坝坝上和葛洲坝坝下的锚地管理规定及通航管理规定，降低水上交通事故的发生率。

3) 建议LNG燃料动力船在两坝间航行、锚泊时作为危险品船管理，并考虑到三峡坝区通航环境的特殊性和加注LNG燃料作业的危险性，禁止LNG燃料动力船在坝区水域进行LNG加注作业。

4.4LNG燃料动力船安全管理

1) 在LNG燃料动力船的储罐系统设计布置、船舶管理和船员培训等还未在整个内河推广应用的情况下，建议将内河LNG燃料动力船作为危险品船管理。

2) 建议有关部门在该研究给出的相关安全管理建议的基础上，从船舶安全设施配备、船舶日常安全管理、LNG燃料加注安全管理、特定区域安全管理、海事安全监管、突发事件应急管理及LNG燃料船船员管理等方面进一步开展LNG燃料动力船过闸安全保障措施研究，确保在全面推广使用LNG燃料动力船时有效降低LNG燃料动力船的险情事故率和对周围环境设施造成的影响。

5 结束语

在FSA框架下辨识LNG燃料动力船通过三峡船闸过程中的主要风险源，结合LNG储罐部件基础泄漏概率和事故后果模拟结果，对LNG燃料动力船在两坝间水域航行、过闸、锚泊和LNG燃料加注等典型情景进行风险分析和评价，得到现阶段LNG燃料动力船不宜通过三峡船闸的结论，可为下一步制定LNG燃料动力船过闸安全管理规定提供科学的参考和依据。

[1] 方泉根, 王津，DATUBO A. 综合安全评估(FSA)及其在船舶安全中的应用[J]. 中国航海, 2004, 27(1): 1-5.

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[10] SINTEF. Offshore Reliability Data (OREDA) Handbook[M]. 4th Edition. SINTEF Technology and Society on the Behalf of the OREDA Project, 2002:42-43.

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

张 帆(1982—)，男，湖北武汉人，讲师，博士，主要研究方向为水上交通工程及船舶污染防治与控制。 E-mail:michael_zf@qq.com

1000-4653(2016)02-0082-05