LNG船舶港口泄漏事故情景构建及危害程度分析*

王海东，陈 凯 ，安广海 ，赵 明

(1. 中海石油气电集团有限责任公司 北京 100028; 2. 深圳中质安股份有限公司，广东 深圳 518107)

0 引言

随着城市建设的深入，天然气已成为城市运行的重要生命线之一。由于天然气本身的理化特性，其生产、运输、储存和使用过程中具有一定风险，这对于企业生产安全和城市的公共安全都带来挑战。天然气系统作为城市重要的基础设施，有全线性、开放性、连带性、封闭性及扩散性等特征。由于其运输流量较大、长输管线运输距离长、储罐众多等特点，具有运行中的危险因素较多、事前防范及救援困难大等特点。一旦发生火灾、爆炸等事故，易对人民生命财产造成损失，产生恶劣的社会影响[1-4]。国内外相关企业都十分重视天然气风险的控制，天然气运营安全一直受到企业和各级政府的高度重视和全社会的广泛关注。

随着液化天然气(LNG)海上运输行业的快速发展，并有大型化发展趋势，企业和政府的安全管理部门提高了对LNG船舶泄漏事故的潜在威胁的关注程度，并以此编制应急预案。在港口停泊、装卸作业过程发生船体碰撞所引发的事故是值得重点关注的事故类型。1997—2005年共发生了7起较大的LNG船舶碰撞事故。突发事件情景构建是对可能发生的事件进行科学假定，模拟情景的演化，分析情景发展过程与灾难后果，梳理应对情景需要，评估既有的能力现状，提出应急准备措施的一个研究方法。王永明[5]提出事故灾难类重大突发事件情景构建概念模型，分析模型中的机会窗和准备效益等重要的理论，并总结该模型的指导意义，通过工业园的案例开展模型的验证研究，以证明其在灾难领域的实际价值。盛勇等[6]则针对突发事件，从系统的复杂性、开放式预想及序贯性3个原则研究事件的情景演化机理，构建其演化系统模型，并给出情景网络关键要素的提取方法。夏正霖等[7]将情景构建方法和模糊规则应用于商业综合体火灾，构建了火灾情景构建的分层网络模型，火灾情景发展的网络链路图，并实现了火灾情景状态的发展可视化。何守慧等[8]根据LNG泄漏的高危险性建立泄漏速率模型，分别计算了海平面上和海平面下的泄漏行为，得出泄漏口和不同距离的泄漏规律，对事故的后果进行了预测。

重大突发事件“情景构建”理论为船舶在港口碰撞发生泄漏事故的应急管理提供一个有效的技术手段[9-11]。通过对天然气突发事件分析发现，事件原因、演化过程、应急处置环节等存在着许多共性和规律，由此可进一步思考，分析探索事件的共性规律，采用统一化、结构化的方法对该类事件进行系统化研究，基于“情景-任务-能力”开发事件情景，以指导标准化、规范化的安全管理和应急准备，将是企业、政府相关部门和应急管理学界面临的重要共同课题。

本文针对薄膜型、双壳LNG运输船在卸船期间因碰撞造成船舱泄漏事件，用实际数据和情景构建方法进行建模，分析发生的可能性、发生发展方式和过程、可能产生的后果，制作与实际情况接近的情景数据，为安全管理部门编制应急预案提供可参考的依据。

1 情景结构描述和主要危害描述

1.1 情景结构描述

LNG船舶较大风险是在航运过程中由于船舶碰撞、搁浅、撞击以及操作失误等原因造成的液货泄漏，由此而引发燃烧、爆炸等事故。确定船舶碰撞造成船体破损尺度以此估算LNG泄漏量是进行LNG船舶重大事故后果分析的首要条件。

1)决定裂口尺寸的主要因素

LNG船舶重大事故后，船舱破损的严重程度取决于船舶设计、相对速度、碰撞角度、位置等因素。

双壳LNG船舶与大型船舶碰撞时，当船舶的速度超过5～6 kn时，会造成船体内壳的破裂。LNG船舶存在主、次屏蔽，因此预测的最小破舱船速(90°碰撞)约为6～7 kn。在实际船舶碰撞事故中，当发生严重穿透性碰撞后，2船会保持几个小时的结合状态。因此，仅5%～10%的破损尺寸会造成LNG泄漏。

2)船舶碰撞破损尺度范围

船舶碰撞是指由于人为操作失误，以高船速和接近90°的碰撞角度与海面上的其他船舶或建筑物发生的碰撞事故。破口尺寸按照IMO/MARPOL规定的船舶建造标准进行计算，可得出最大的人为碰撞破损尺度。

碰撞引起的损害尺度与船舶纵深比的极值为0.3，该数据适用于所有船舶。对于LNG船舶的双壳结构来说，内侧船壳的破口尺寸小于外侧船壳的破口尺寸，最大只能达到外侧破口尺寸的50%或者更小。内侧船壳最大破口尺寸可达到1.5 m。因此，LNG船舶的穿透型裂口尺寸为0～1.5 m。取最大破口尺寸的算术平均值0.75 m作为人为碰撞破损尺度。

1.2 主要危害描述

LNG泄漏后，主要的危害是火灾、爆炸。

1)火灾危害

当LNG泄漏后，重气云在船上、海面、地面漂浮。当重气云与空气混合换热后，再向大气中扩散。如果未被点燃，可燃蒸气云将向下风方向扩散，直至稀释到蒸气浓度低于可燃下限。如果天然气遇到火源，将发生燃烧，燃烧主要有池火、喷射火和闪火。

2)爆炸危害

如果燃烧发生在限制空间，或是扩散到限制空间中的甲烷被点燃，则可能产生过压破坏，即形成“爆炸”，将会严重毁坏建筑物。

2 事故后果及危害程度分析

设定1艘船以接近90°的碰撞角度高速冲向正在卸货的LNG船，造成1个液货舱破裂，引发LNG大量泄漏。根据当地气象条件及场景模拟，选取3个天气参数作为计算的典型工况(风速1，4.8，22 m/s)；LNG船卸货期间最大泄漏量为4 000 m3/h,时间10 min；物料参数为甲烷(温度：-162 ℃，压力：24 Kp)，热辐射的毁坏标准和选定的气象条件分别见表1。

表1 选定的气象条件Table 1 The cases of weather conditions selected

采用挪威船级社的DNV Phast软件，对LNG船舶港口泄漏事故所产生的泄漏、爆炸(超压)、火灾等危害进行计算分析。

2.1 泄漏

LNG泄漏后，模拟多云天气，在3种风速条件下的安全距离，见图1～2；LNG的释放时间为3 373.4 s，LNG的释放速度为1 840.58 kg/s 。计算结果表明，风速的大小是影响扩散的主要因素，在下风向，不同风速的扩散距离分别为500，1 100，4 950 m。

图1 LNG泄漏后下风向水平扩散距离Fig.1 Flow chart of trajectory generation algorithm

图2 LNG泄漏后垂直方向的扩散距离Fig.2 Flow chart of trajectory generation algorithm

发生上述事故1 h后会形成3个泄漏源下风向(以最坏天气描述)长约5.5 km、宽约1.3 km、高约20 m的贴水面(地面)可能爆炸云团，如图3所示；泄漏有关的关键数据如表2所示。

图3 轨迹生成算法协调逻辑Fig.3 Flow chart of trajectory generation algorithm

表2 天然气浓度与距离的关系Table 2 Relationship between natural gas concentration and distance

2.2 爆炸

天然气云爆炸的距离与破坏强度的关系见图4～图6。

图4 距离与破坏强度的关系Fig.4 Flow chart of trajectory generation algorithm

图5 延迟爆炸的超压半径Fig.5 Flow chart of trajectory generation algorithm

图6 特定距离(440 m)的爆炸范围Fig.6 Flow chart of trajectory generation algorithm

2.3 池火

通过模拟初期池火，其辐射强度与距离的关系见图7，辐射范围见图8。

图8 初期池火的辐射范围Fig.8 Flow chart of trajectory generation algorithm

如图7～8所示，虽然风速条件不同，但均在距离与火源中心60～70 m处辐射强度最大，且非常稳定(220 kW/m2左右)，然后迅速下降，有关数据见表3～5。

通过模拟延迟池火，其辐射强度与距离的关系见图9，辐射范围见图10。

图9 延迟池火辐射强度与距离的关系Fig.9 Flow chart of trajectory generation algorithm

图10 延迟池火的辐射范围Fig.10 Flow chart of trajectory generation algorithm

延迟与初期池火有些类似，但是其影响范围大，具体数据见表6～8。

表3 初期火灾辐射强度与距离的关系(条件风速:1 m/s)Table 3 Relation between radiation intensity and distance of initial fire (conditional wind velocity: 1 m/s)

表4 初期火灾辐射强度与距离的关系(条件风速:4.8 m/s)Table 4 Relation between radiation intensity and distance of initial fire (conditional wind velocity: 4.8 m/s)

3 结论

通过对LNG船舶港口泄漏事故情景构建，计算结果分析，可以得到以下结论：

1)在低风速(1 m/s)条件时，气云密度大，扩散距离更远，下风向可达5 000 m。与着火上限体积浓度(UFL)的距离217.855 m，与着火下限体积浓度(LFL)的距离1 400.76 m，安全距离(着火下限体积浓度50%LFL)8 243.06 m。

2)事故发生约1 h后，会形成下风向长约5.5 km、宽约1.3 km、高约20 m的贴水面(地面)可能爆炸云团。通过对LNG船舶发生碰撞事故的后果模拟计算，碰撞后LNG释放速度为1 840.58 kg/s，LNG的释放时间为3 373.4 s，尚不足1 h。

表5 初期火灾辐射强度与距离的关系(条件风速:22 m/s)Table 5 Relation between radiation intensity and distance of initial fire (conditional wind velocity: 22 m/s)

表6 延迟火灾辐射强度与距离的关系(条件风速: 1 m/s)Table 6 Relation between radiation intensity of delayed fire and distance (conditional wind velocity: 1 m/s)

表7 延迟火灾辐射强度与距离的关系(条件风速:4.8 m/s)Table 7 Relation between radiation intensity of delayed fire and distance (conditional wind velocity: 4.8 m/s)

表8 延迟火灾辐射强度与距离的关系(条件风速:22 m/s)Table 8 Relation between radiation intensity of delayed fire and distance (conditional wind velocity: 22 m/s)

3)初期池火均在距离与火源中心60～70 m处辐射强度最大，延迟池火范围可达200 m处，且非常稳定(约220 kW/m2左右)，涵盖整个码头，对码头作业人员、码头建构筑物和生产设施影响较大。