小型LNG加注船通航橫向風(fēng)險(xiǎn)距離定量計(jì)算

孟曉東， 袁章新(上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所 航運(yùn)技術(shù)與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200135)

小型LNG加注船通航橫向風(fēng)險(xiǎn)距離定量計(jì)算

孟曉東， 袁章新
(上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所 航運(yùn)技術(shù)與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200135)

為保障小型內(nèi)河液化天然氣(Liquefied Natural Gas, LNG)加注船的通航安全，提出一種定量計(jì)算LNG加注船通航過(guò)程中橫向風(fēng)險(xiǎn)距離的方法。采用國(guó)際定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)(Quantitative Risk Analysis, QRA) 的通用理念進(jìn)行小型LNG加注船通航過(guò)程危險(xiǎn)源識(shí)別，建立LNG儲(chǔ)罐不同孔徑泄漏(包括自身疲勞所致泄漏和外力所致泄漏)概率數(shù)據(jù)庫(kù);通過(guò)計(jì)算LNG火災(zāi)發(fā)生概率及后果所致個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)，并依據(jù)個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)可接受標(biāo)準(zhǔn)，最終確定LNG 加注船通航過(guò)程中的橫向風(fēng)險(xiǎn)距離。利用該方法對(duì)某小型內(nèi)河LNG加注船通航過(guò)程橫向風(fēng)險(xiǎn)距離進(jìn)行定量計(jì)算。結(jié)果表明：該距離與LNG 加注船通航次數(shù)及通航水域交通流密度等因素有關(guān)，在交通流密度較大水域設(shè)置橫向安全距離是有必要的。

水路運(yùn)輸; 液化天然氣； 加注船； 定量風(fēng)險(xiǎn)分析； 風(fēng)險(xiǎn)距離

隨著我國(guó)內(nèi)河液化天然氣(Liquefied Natural Gas, LNG)燃料動(dòng)力船逐漸增多，內(nèi)河LNG加注作業(yè)需求不斷增長(zhǎng)，LNG加注船在航行過(guò)程中的通航安全逐漸引起人們的關(guān)注，通航風(fēng)險(xiǎn)控制逐漸成為業(yè)界的研究熱點(diǎn)。在LNG加注船通航過(guò)程中，確保其與他船之間的橫向安全距離(見(jiàn)圖1)是保障LNG加注船通航安全、降低其與通航水域環(huán)境之間的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的有效措施。

目前，國(guó)內(nèi)外尚無(wú)對(duì)內(nèi)河小型LNG加注船通航過(guò)程中與他船的風(fēng)險(xiǎn)距離進(jìn)行定量計(jì)算的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。2010年國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(International Standardization Organization, ISO)[1]只是在 28460:2010(E)細(xì)則中對(duì)大型LNG運(yùn)輸船(LNG Carrier, LNGC)的通航安全提出明確要求：“LNGC通航前須根據(jù)航道、氣象條件等因素評(píng)估通航可行性”，同時(shí)“通航過(guò)程中須確定風(fēng)險(xiǎn)距離，風(fēng)險(xiǎn)距離大小由目標(biāo)水域管理細(xì)則或利用風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法具體確定，或二者共同確定”，而對(duì)小型LNG運(yùn)輸船和小型LNG加注船并沒(méi)有強(qiáng)制作用。隨著LNG加注船逐漸興起，美國(guó)船級(jí)社(American Bureau of Shipping,ABS)[2]在評(píng)估北美LNG加注風(fēng)險(xiǎn)時(shí)提出:“雖然LNG加注設(shè)施LNG運(yùn)量相對(duì)LNG輸出/入碼頭要少很多，仍可能需要水路適用性評(píng)估(Waterway Suitability Assessment,WSA)或至少簡(jiǎn)化的WSA，特別是通過(guò)LNG運(yùn)輸船或泵船加注時(shí)，評(píng)估內(nèi)容須包括與他船保持適當(dāng)安全距離”；德國(guó)勞氏船級(jí)社(Germanischer Lloyd,GL)[3]在對(duì)漢堡港LNG加注船通航過(guò)程中危險(xiǎn)源的辨識(shí)及安全評(píng)估進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，LNG加注船與他船碰撞時(shí)可能出現(xiàn)的LNG泄漏風(fēng)險(xiǎn)將導(dǎo)致嚴(yán)重后果；丹麥海事局[4]在對(duì)北歐國(guó)家LNG加注船作業(yè)的可行性進(jìn)行研究時(shí)提出：“雖然LNG加注船相對(duì)LNG運(yùn)輸船危險(xiǎn)品運(yùn)量較小，但仍須滿足相應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)準(zhǔn)則并須對(duì)其進(jìn)入公共水域通航過(guò)程所涉風(fēng)險(xiǎn)按評(píng)估LNGC通航安全的方法評(píng)估”,并認(rèn)為“LNG加注船取消風(fēng)險(xiǎn)距離的設(shè)置是沒(méi)有必要的”。

圖1 風(fēng)險(xiǎn)距離示意圖

綜上，已對(duì)LNG加注作業(yè)進(jìn)行研究的北歐、西歐和北美各國(guó)均要求對(duì)LNG加注船的通航過(guò)程進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，但通航安全評(píng)估中風(fēng)險(xiǎn)距離大小的設(shè)置并無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，也缺乏相應(yīng)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。在國(guó)內(nèi)，文元橋等[5]提出一種基于LNG 船舶碰撞事故概率和風(fēng)險(xiǎn)的適用于我國(guó)沿海大型LNG運(yùn)輸船風(fēng)險(xiǎn)距離界定的方法。但是，小型內(nèi)河LNG加注船具有船型靈活、航行水道狹窄和通航頻繁等專(zhuān)屬特性，因此大型LNG運(yùn)輸船橫向風(fēng)險(xiǎn)距離定量研究模型中的火災(zāi)點(diǎn)燃概率和池火模型均不再適用;此外,碰撞事故發(fā)生概率模型破空尺寸模型也因缺乏基礎(chǔ)統(tǒng)計(jì)資料或相關(guān)計(jì)算條件設(shè)置過(guò)高而導(dǎo)致風(fēng)險(xiǎn)距離測(cè)定結(jié)果過(guò)大;加上內(nèi)河航道寬度普遍較窄，這就意味著小型LNG加注船內(nèi)河航行是不可行的。因此，有必要為小型內(nèi)河LNG加注船橫向風(fēng)險(xiǎn)距離的界定尋找具體可行的安全評(píng)價(jià)思路。

這里認(rèn)為設(shè)置LNG加注船的橫向風(fēng)險(xiǎn)距離時(shí)需考慮通航過(guò)程中LNG儲(chǔ)罐自身的疲勞和碰撞等外力因素對(duì)儲(chǔ)罐內(nèi)LNG造成的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)?；诖?，建立LNG加注船通航過(guò)程碰撞事故概率模型、火災(zāi)事故概率模型和個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)概率模型，提出一種使LNG加注船周邊易受影響目標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)滿足特定標(biāo)準(zhǔn)的界定橫向風(fēng)險(xiǎn)距離的方法。

1 LNG加注船通航定量風(fēng)險(xiǎn)分析方法

采用定量風(fēng)險(xiǎn)分析(Quantitative Risk Analysis, QRA)方法計(jì)算LNG加注船橫向風(fēng)險(xiǎn)距離，可實(shí)現(xiàn)對(duì)事故概率和后果的定量計(jì)算，精確描述系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)。該方法采用的基本評(píng)價(jià)步驟見(jiàn)圖2。

圖2 QRA方法采用的基本評(píng)價(jià)步驟

1.1火災(zāi)事故發(fā)生概率計(jì)算

LNG加注船通航過(guò)程中有關(guān)LNG的風(fēng)險(xiǎn)主要有：儲(chǔ)罐自身疲勞導(dǎo)致LNG泄漏產(chǎn)生火災(zāi)；與他船碰撞導(dǎo)致儲(chǔ)罐LNG泄漏產(chǎn)生火災(zāi)。具體火災(zāi)事故因果關(guān)系可通過(guò)分析火災(zāi)事故事件樹(shù)(見(jiàn)圖3)得到。

圖3 LNG火災(zāi)事故事件樹(shù)

1) LNG儲(chǔ)罐可能因不同原因?qū)е虏煌讖降腖NG泄漏。

2) 因泄漏尺寸、點(diǎn)火條件等因素的不同形成多種不同的事故場(chǎng)景。

1.1.1LNG儲(chǔ)罐疲勞導(dǎo)致泄漏發(fā)生概率

LNG加注船通航過(guò)程中,其LNG儲(chǔ)罐可能因自身疲勞而發(fā)生泄漏或破裂，可參考Flemish港的儲(chǔ)罐疲勞泄漏或破裂概率手冊(cè)中的數(shù)據(jù)確定發(fā)生該事故的概率(見(jiàn)表1)。[6]

表1 Flemish港LNG儲(chǔ)罐泄漏概率

1.1.2過(guò)往船舶碰撞導(dǎo)致的LNG儲(chǔ)罐泄漏事故發(fā)生概率

過(guò)往船舶與加注船碰撞后可能導(dǎo)致LNG儲(chǔ)罐發(fā)生不同孔徑的LNG泄漏。由事件樹(shù)分析法可知，不同孔徑的泄漏概率F由加注船航行過(guò)程中的碰撞概率和碰撞后儲(chǔ)罐破孔尺寸概率共同決定，即

F=f1·L·f2

(1)

式(1)中：f1為加注船滿載狀態(tài)下每通航1 km基礎(chǔ)碰撞概率(見(jiàn)表2[7])；L為航道長(zhǎng)度；f2為所有可能發(fā)生的碰撞事故中對(duì)小型LNG加注船儲(chǔ)罐造成的破孔尺寸概率(見(jiàn)表3[8])。

表2 加注船基礎(chǔ)碰撞概率

表3 儲(chǔ)罐破孔尺寸概率

1.1.3特定火災(zāi)事故發(fā)生概率

特定火災(zāi)事故發(fā)生概率由泄漏速率、點(diǎn)燃方式和火災(zāi)類(lèi)型共同決定，儲(chǔ)罐內(nèi)LNG泄漏后LNG點(diǎn)燃概率的估算可參考Flemish港儲(chǔ)罐失效概率手冊(cè)(見(jiàn)表4[6])，LNG泄漏量非常大時(shí)，直接點(diǎn)燃概率和間接點(diǎn)燃概率將分別增大到30%和50%；對(duì)于因通航事故導(dǎo)致的LNG泄漏后直接點(diǎn)燃概率，均設(shè)置為50%[9]，延遲點(diǎn)燃概率仍參考表4。對(duì)于火災(zāi)類(lèi)型概率，可將需要計(jì)算的特定火災(zāi)類(lèi)型概率設(shè)為1。

1.2火災(zāi)事故后果概率計(jì)算

LNG泄漏后可能發(fā)生的各種事故(如圖3所示)中,池火是最可能發(fā)生、事故后果最嚴(yán)重的一種火災(zāi)形式。[10]下面將重點(diǎn)考慮LNG 泄漏后發(fā)生的池火的危害。

表4 LNG泄漏后被點(diǎn)燃的概率

1.2.1LNG池火直徑

LNG泄漏發(fā)生池火災(zāi)的液池直徑可構(gòu)建為

(2)

式(2)中：D為液池直徑；V為泄漏體積流量；H為液池厚度。

1.2.2LNG池火災(zāi)熱輻射模型

小型池火熱輻射模型可采用LNGFire6模型(見(jiàn)圖4)，該模型對(duì)直徑在0～35 m的池火的有效性已得到驗(yàn)證。[11]

圖4 池火模型6

(3)

式(3)中：q為池火中心向目標(biāo)的熱輻射值；qU和qL分別為火焰上下表面熱輻射值；τU和τL分別為火焰上下表面大氣熱輻射系數(shù)；FU和FL分別為火焰上下表面幾何視角系數(shù)；EU和EL分別為火焰上下表面平均熱輻射通量。

1.2.3熱輻射對(duì)人體傷害概率模型

LNG火災(zāi)事故熱輻射對(duì)人員的傷害一般由死亡率表征。暴露在火災(zāi)周周的易受影響目標(biāo)對(duì)熱輻射的反應(yīng)一般以正常成年人的承受能力作為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，皮膚裸露時(shí)的個(gè)體死亡率可由式(4)[12]計(jì)算。

(4)

式(4)中：Pr為死亡概率單位，可由式(5)[12]計(jì)算。

Pr=-36.38+2.56lnQ

(5)

式(5)中：Q為暴露在火災(zāi)周周的易受影響目標(biāo)逃生到熱輻射強(qiáng)度安全值1 kW/m2過(guò)程中所接收到的熱通量，可由式(6)[12]計(jì)算得到。

(6)

式(6)中：q0為易受影響目標(biāo)初始位置熱輻射通量；qx為離火焰中心x處的熱輻射通量；L為1 kW/m2熱輻射處與火焰中心的距離；x0為人員初始與火焰中心的距離；t0為人員的反應(yīng)時(shí)間；v為人員奔跑的速度。

1.3個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算

通常以年度個(gè)體死亡率表示特定位置處的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)，具體可構(gòu)建為以下風(fēng)險(xiǎn)定量計(jì)算模型。[13]

(7)

式(7)中：R(x,y)為空間地理位置(x,y)處的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)；fs為第s個(gè)事故情景發(fā)生的概率；Vs(x,y)為第s個(gè)事故在位置(x,y)處引起個(gè)體死亡的概率；N為事故總數(shù)。

1.4個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)

目前我國(guó)普遍采用的石化行業(yè)可忽略風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)為1.0×10-6，最大可接受風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)為1.0×10-4。[14]針對(duì)LNG加注船通航過(guò)程還沒(méi)有特定的風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)的狀況，參考ISO發(fā)布的《LNG加注作業(yè)系統(tǒng)及設(shè)備安全指南》中的個(gè)人年度風(fēng)險(xiǎn)(Annual Individual Risk，AIR)標(biāo)準(zhǔn)[15]，分別計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)值為1.0×10-4，1.0×10-5和1.0×10-6時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)距離。

2 LNG加注船橫向風(fēng)險(xiǎn)距離計(jì)算實(shí)例

2.1計(jì)算參數(shù)

以國(guó)內(nèi)某新建內(nèi)河LNG加注實(shí)船為研究對(duì)象，船舶尺度見(jiàn)表5。根據(jù)規(guī)劃營(yíng)運(yùn)河段的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)，通航河段的交通流和氣象數(shù)據(jù)見(jiàn)表6。

表5 LNG加注船尺度

表6 通航何段交通流和氣象數(shù)據(jù)

2.2事故場(chǎng)景及概率計(jì)算結(jié)果

該加注船規(guī)劃每年滿載通航約500次，通航過(guò)程中碰撞事故考慮最危險(xiǎn)情況，即碰撞發(fā)生在水線處，根據(jù)“1.1”節(jié)可計(jì)算出不同事故場(chǎng)景的發(fā)生概率，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 不同事故場(chǎng)景的概率計(jì)算結(jié)果

2.3風(fēng)險(xiǎn)距離計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)“1.4”節(jié)所述的個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)，由式(7)可計(jì)算出不同個(gè)人風(fēng)險(xiǎn)值下的橫向風(fēng)險(xiǎn)距離(見(jiàn)表8)。

表8 LNG加注船橫向風(fēng)險(xiǎn)距離

3 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)特定小型LNG加注船通航過(guò)程提出了一種橫向風(fēng)險(xiǎn)距離的定量計(jì)算模型，通過(guò)研究得到以下結(jié)論。

1) 從通航水域交通流密度來(lái)看，LNG加注船橫向風(fēng)險(xiǎn)距離與其年通航次數(shù)及過(guò)往船舶年通航次數(shù)密切相關(guān)(見(jiàn)圖5和圖6)，且影響程度較大。過(guò)往船舶交通流為10萬(wàn)艘次/a時(shí)，200 m3LNG加注船橫向風(fēng)險(xiǎn)距離需達(dá)到76 m。由此可見(jiàn)，工程實(shí)踐中，在交通繁忙水域，即使對(duì)小型LNG加注船，設(shè)置橫向安全距離也是有必要的。

圖5 交通流密度為10 000艘次/a水域風(fēng)險(xiǎn)距離隨加注船通航次數(shù)變化

圖6 加注船年通航1 000次時(shí)風(fēng)險(xiǎn)距離隨交通流密度變化

2) 提出的定量計(jì)算LNG加注船橫向風(fēng)險(xiǎn)距離的方法可為我國(guó)新興內(nèi)河小型LNG 加注船提供具體可行的通航安全評(píng)價(jià)思路，以降低LNG通航過(guò)程中與過(guò)往船舶、停泊船舶和水域固定建筑物等周?chē)资苡绊懩繕?biāo)之間的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。

在以后的研究中，需進(jìn)一步提高模型的計(jì)算精度，如更加全面地考慮所有可能發(fā)生的火災(zāi)類(lèi)型、更加精確地計(jì)算各類(lèi)型火災(zāi)的發(fā)生概率等，從而使風(fēng)險(xiǎn)距離的界定更加合理；同時(shí)，各影響因素的定量敏感性分析也是下一步研究的方向。

[1] ISO 28460-2010, Petroleum and Natural Gas Industries -Installation and Equipment for Liquefied Natural Gas -Ship-to-Shore Interface and Port Operations[S]. Switzerland: International Organization for Standardization, 2011.

[2] American Bureau of Shipping. Bunkering of Liquefied Natural Gas-fueled Marine Vessels in North America[R].Washington DC: American Bureau of Shipping, 2013.

[3] SABEL A, WULF S. Navigational Safety Study on LNG Tanker and LNG-Bunker Supply Vessel Operating at Port of Hamburg[R]. Germanischer Lloyd, 2012.

[4] Danish Maritime Authority. North European LNG Infrastructure Project: A Feasibility Study for an LNG Filling Station Infrastructure and Test of Recommendations[R]. Copenhagen: Danish Maritime Authority, 2012.

[5] 文元橋,楊雪,肖長(zhǎng)詩(shī).LNG 船舶進(jìn)出港航行移動(dòng)安全區(qū)寬度定量計(jì)算分析[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2013, 23(5)：68-75.

[6] ALE B J M. Handbook Failure Frequencies for Drawing Up A Safety Report[R]. Flemish: Flemish Government, 2009.

[7] UK Heatth and Safety Executive. Canvey: An Investigation of Potential Hazards From Operations in the Canvey Island/Thurrock Area[R]. London: Health and Safety Executive (UK), 1978.

[8] TNO. Guidelines for Quantitative Risk Assessment, CPR18E. PurpleBook[R]. Apeldoorn: TNO, 1999.

[9] AVAN GEEL P L B. Guidelines for Quantitative Risk Assessment, Ministry of Housing, Spatial Planning and Environment (VROM)[R]. Netherlands: TNO, 2005.

[10] 范洪軍，張暉，徐建勇.LNG 加注躉船的池火危險(xiǎn)距離分析[J]．中國(guó)造船，2013, 54(4) : 186-195.

[11] REW P J, HULBERT W G, DAVES D M. Modelling of Thermal Radiation from External Hydrocarbon Poor Fires[J]. TransIchemE, 1997, 75: 81-89.

[12] PIETERSEN C M. Consequences of Accidental Releases of Hazardous Material[J]. Loss Prevention in the Process Industry, 1990, 11(3): 136-141.

[13] 多英全，魏利軍，羅艾民， 等．定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)程序初探[J]．中國(guó)科技信息，2007(24)：330-33l.

[14] 趙志壘. 對(duì)LNG船舶船岸銜接及港內(nèi)航行過(guò)程的安全評(píng)估[D]. 大連：大連海事大學(xué), 2010.

[15] OGP Praft 118683, Guideline for Systems and Installations for Supply of LNG as Fuel to Ships[S]. The International Association of Oil and Gas Producers, 2013.

[16] MCCONNELL C D. Liquefied Natural Gas Safety Research[R]. Washington: United States Department of Energy, 2012.

[17] RONZA A, CAROL S, ESPEJO V,etal. A Quantitative Risk Analysis Approach to Port Hydrocarbon Logistics[J]. Journal of Hazardous Materials,2006, 128(1): 10-24.

QuantitativeCalculationforDeterminingLateralNauticalRiskDistanceofSmallLNGBunkerVessel

MENGXiaodong,YUANZhangxin
(State Key Laboratory of Navigation and Safety Technology, Shanghai Ship and Shipping Research Institute, Shanghai 200135, China)

In order to ensure the nautical safety of Liquefied Natural Gas (LNG) bunker vessel, a calculation method for determining the lateral risk distance of LNG bunker vessel is presented. The accident scenario identification is performed according to the general idea of Quantitative Risk Analysis (QRA). The database for probabilities of different LNG spill scales from possible tank rupture sizes due to its fatigue failure or an external impact are built. The lateral risk distance from the small bunker vessel is decided according to the consequence and vulnerability estimates and the risk criteria of the industry. An example application is given, which shows that the risk distance is bound up with the LNG, number of bunker vessel transits and traffic volume of the given waterway. A lateral risk distance is necessary even for small LNG bunkering vessels.

waterway transportation; LNG; bunker vessel; quantitative risk analysis; risk distance

2015-05-08

孟曉東 (1984—), 男, 山東臨沂人，工程師，碩士，主要從事航海安全及LNG水上應(yīng)用研究。E-mail:ncomplex@163.com

1000-4653(2015)03-0089-05

U674.24+4; U698

A