小型LNG加注船通航横向风险距离定量计算

孟晓东， 袁章新(上海船舶运输科学研究所 航运技术与安全国家重点实验室， 上海 200135)

小型LNG加注船通航横向风险距离定量计算

孟晓东， 袁章新
(上海船舶运输科学研究所 航运技术与安全国家重点实验室， 上海 200135)

为保障小型内河液化天然气(Liquefied Natural Gas, LNG)加注船的通航安全，提出一种定量计算LNG加注船通航过程中横向风险距离的方法。采用国际定量风险评价(Quantitative Risk Analysis, QRA) 的通用理念进行小型LNG加注船通航过程危险源识别，建立LNG储罐不同孔径泄漏(包括自身疲劳所致泄漏和外力所致泄漏)概率数据库;通过计算LNG火灾发生概率及后果所致个人风险，并依据个人风险可接受标准，最终确定LNG 加注船通航过程中的横向风险距离。利用该方法对某小型内河LNG加注船通航过程横向风险距离进行定量计算。结果表明：该距离与LNG 加注船通航次数及通航水域交通流密度等因素有关，在交通流密度较大水域设置横向安全距离是有必要的。

水路运输; 液化天然气； 加注船； 定量风险分析； 风险距离

随着我国内河液化天然气(Liquefied Natural Gas, LNG)燃料动力船逐渐增多，内河LNG加注作业需求不断增长，LNG加注船在航行过程中的通航安全逐渐引起人们的关注，通航风险控制逐渐成为业界的研究热点。在LNG加注船通航过程中，确保其与他船之间的横向安全距离(见图1)是保障LNG加注船通航安全、降低其与通航水域环境之间的火灾风险的有效措施。

目前，国内外尚无对内河小型LNG加注船通航过程中与他船的风险距离进行定量计算的统一标准。2010年国际标准化组织(International Standardization Organization, ISO)[1]只是在 28460:2010(E)细则中对大型LNG运输船(LNG Carrier, LNGC)的通航安全提出明确要求：“LNGC通航前须根据航道、气象条件等因素评估通航可行性”，同时“通航过程中须确定风险距离，风险距离大小由目标水域管理细则或利用风险评估方法具体确定，或二者共同确定”，而对小型LNG运输船和小型LNG加注船并没有强制作用。随着LNG加注船逐渐兴起，美国船级社(American Bureau of Shipping,ABS)[2]在评估北美LNG加注风险时提出:“虽然LNG加注设施LNG运量相对LNG输出/入码头要少很多，仍可能需要水路适用性评估(Waterway Suitability Assessment,WSA)或至少简化的WSA，特别是通过LNG运输船或泵船加注时，评估内容须包括与他船保持适当安全距离”；德国劳氏船级社(Germanischer Lloyd,GL)[3]在对汉堡港LNG加注船通航过程中危险源的辨识及安全评估进行研究时发现，LNG加注船与他船碰撞时可能出现的LNG泄漏风险将导致严重后果；丹麦海事局[4]在对北欧国家LNG加注船作业的可行性进行研究时提出：“虽然LNG加注船相对LNG运输船危险品运量较小，但仍须满足相应风险准则并须对其进入公共水域通航过程所涉风险按评估LNGC通航安全的方法评估”,并认为“LNG加注船取消风险距离的设置是没有必要的”。

图1 风险距离示意图

综上，已对LNG加注作业进行研究的北欧、西欧和北美各国均要求对LNG加注船的通航过程进行风险评估，但通航安全评估中风险距离大小的设置并无统一标准，也缺乏相应的实践经验。在国内，文元桥等[5]提出一种基于LNG 船舶碰撞事故概率和风险的适用于我国沿海大型LNG运输船风险距离界定的方法。但是，小型内河LNG加注船具有船型灵活、航行水道狭窄和通航频繁等专属特性，因此大型LNG运输船横向风险距离定量研究模型中的火灾点燃概率和池火模型均不再适用;此外,碰撞事故发生概率模型破空尺寸模型也因缺乏基础统计资料或相关计算条件设置过高而导致风险距离测定结果过大;加上内河航道宽度普遍较窄，这就意味着小型LNG加注船内河航行是不可行的。因此，有必要为小型内河LNG加注船横向风险距离的界定寻找具体可行的安全评价思路。

这里认为设置LNG加注船的横向风险距离时需考虑通航过程中LNG储罐自身的疲劳和碰撞等外力因素对储罐内LNG造成的火灾风险。基于此，建立LNG加注船通航过程碰撞事故概率模型、火灾事故概率模型和个人风险概率模型，提出一种使LNG加注船周边易受影响目标风险满足特定标准的界定横向风险距离的方法。

1 LNG加注船通航定量风险分析方法

采用定量风险分析(Quantitative Risk Analysis, QRA)方法计算LNG加注船横向风险距离，可实现对事故概率和后果的定量计算，精确描述系统风险。该方法采用的基本评价步骤见图2。

图2 QRA方法采用的基本评价步骤

1.1火灾事故发生概率计算

LNG加注船通航过程中有关LNG的风险主要有：储罐自身疲劳导致LNG泄漏产生火灾；与他船碰撞导致储罐LNG泄漏产生火灾。具体火灾事故因果关系可通过分析火灾事故事件树(见图3)得到。

图3 LNG火灾事故事件树

1) LNG储罐可能因不同原因导致不同孔径的LNG泄漏。

2) 因泄漏尺寸、点火条件等因素的不同形成多种不同的事故场景。

1.1.1LNG储罐疲劳导致泄漏发生概率

LNG加注船通航过程中,其LNG储罐可能因自身疲劳而发生泄漏或破裂，可参考Flemish港的储罐疲劳泄漏或破裂概率手册中的数据确定发生该事故的概率(见表1)。[6]

表1 Flemish港LNG储罐泄漏概率

1.1.2过往船舶碰撞导致的LNG储罐泄漏事故发生概率

过往船舶与加注船碰撞后可能导致LNG储罐发生不同孔径的LNG泄漏。由事件树分析法可知，不同孔径的泄漏概率F由加注船航行过程中的碰撞概率和碰撞后储罐破孔尺寸概率共同决定，即

F=f1·L·f2

(1)

式(1)中：f1为加注船满载状态下每通航1 km基础碰撞概率(见表2[7])；L为航道长度；f2为所有可能发生的碰撞事故中对小型LNG加注船储罐造成的破孔尺寸概率(见表3[8])。

表2 加注船基础碰撞概率

表3 储罐破孔尺寸概率

1.1.3特定火灾事故发生概率

特定火灾事故发生概率由泄漏速率、点燃方式和火灾类型共同决定，储罐内LNG泄漏后LNG点燃概率的估算可参考Flemish港储罐失效概率手册(见表4[6])，LNG泄漏量非常大时，直接点燃概率和间接点燃概率将分别增大到30%和50%；对于因通航事故导致的LNG泄漏后直接点燃概率，均设置为50%[9]，延迟点燃概率仍参考表4。对于火灾类型概率，可将需要计算的特定火灾类型概率设为1。

1.2火灾事故后果概率计算

LNG泄漏后可能发生的各种事故(如图3所示)中,池火是最可能发生、事故后果最严重的一种火灾形式。[10]下面将重点考虑LNG 泄漏后发生的池火的危害。

表4 LNG泄漏后被点燃的概率

1.2.1LNG池火直径

LNG泄漏发生池火灾的液池直径可构建为

(2)

式(2)中：D为液池直径；V为泄漏体积流量；H为液池厚度。

1.2.2LNG池火灾热辐射模型

小型池火热辐射模型可采用LNGFire6模型(见图4)，该模型对直径在0～35 m的池火的有效性已得到验证。[11]

图4 池火模型6

(3)

式(3)中：q为池火中心向目标的热辐射值；qU和qL分别为火焰上下表面热辐射值；τU和τL分别为火焰上下表面大气热辐射系数；FU和FL分别为火焰上下表面几何视角系数；EU和EL分别为火焰上下表面平均热辐射通量。

1.2.3热辐射对人体伤害概率模型

LNG火灾事故热辐射对人员的伤害一般由死亡率表征。暴露在火灾周周的易受影响目标对热辐射的反应一般以正常成年人的承受能力作为统一标准，皮肤裸露时的个体死亡率可由式(4)[12]计算。

(4)

式(4)中：Pr为死亡概率单位，可由式(5)[12]计算。

Pr=-36.38+2.56lnQ

(5)

式(5)中：Q为暴露在火灾周周的易受影响目标逃生到热辐射强度安全值1 kW/m2过程中所接收到的热通量，可由式(6)[12]计算得到。

(6)

式(6)中：q0为易受影响目标初始位置热辐射通量；qx为离火焰中心x处的热辐射通量；L为1 kW/m2热辐射处与火焰中心的距离；x0为人员初始与火焰中心的距离；t0为人员的反应时间；v为人员奔跑的速度。

1.3个人风险计算

通常以年度个体死亡率表示特定位置处的个人风险，具体可构建为以下风险定量计算模型。[13]

(7)

式(7)中：R(x,y)为空间地理位置(x,y)处的个人风险；fs为第s个事故情景发生的概率；Vs(x,y)为第s个事故在位置(x,y)处引起个体死亡的概率；N为事故总数。

1.4个人风险标准

目前我国普遍采用的石化行业可忽略风险标准为1.0×10-6，最大可接受风险标准为1.0×10-4。[14]针对LNG加注船通航过程还没有特定的风险标准的状况，参考ISO发布的《LNG加注作业系统及设备安全指南》中的个人年度风险(Annual Individual Risk，AIR)标准[15]，分别计算风险值为1.0×10-4，1.0×10-5和1.0×10-6时的风险距离。

2 LNG加注船横向风险距离计算实例

2.1计算参数

以国内某新建内河LNG加注实船为研究对象，船舶尺度见表5。根据规划营运河段的现场实际数据，通航河段的交通流和气象数据见表6。

表5 LNG加注船尺度

表6 通航何段交通流和气象数据

2.2事故场景及概率计算结果

该加注船规划每年满载通航约500次，通航过程中碰撞事故考虑最危险情况，即碰撞发生在水线处，根据“1.1”节可计算出不同事故场景的发生概率，计算结果见表7。

表7 不同事故场景的概率计算结果

2.3风险距离计算结果分析

根据“1.4”节所述的个人风险标准，由式(7)可计算出不同个人风险值下的横向风险距离(见表8)。

表8 LNG加注船横向风险距离

3 结束语

针对特定小型LNG加注船通航过程提出了一种横向风险距离的定量计算模型，通过研究得到以下结论。

1) 从通航水域交通流密度来看，LNG加注船横向风险距离与其年通航次数及过往船舶年通航次数密切相关(见图5和图6)，且影响程度较大。过往船舶交通流为10万艘次/a时，200 m3LNG加注船横向风险距离需达到76 m。由此可见，工程实践中，在交通繁忙水域，即使对小型LNG加注船，设置横向安全距离也是有必要的。

图5 交通流密度为10 000艘次/a水域风险距离随加注船通航次数变化

图6 加注船年通航1 000次时风险距离随交通流密度变化

2) 提出的定量计算LNG加注船横向风险距离的方法可为我国新兴内河小型LNG 加注船提供具体可行的通航安全评价思路，以降低LNG通航过程中与过往船舶、停泊船舶和水域固定建筑物等周围易受影响目标之间的火灾风险。

在以后的研究中，需进一步提高模型的计算精度，如更加全面地考虑所有可能发生的火灾类型、更加精确地计算各类型火灾的发生概率等，从而使风险距离的界定更加合理；同时，各影响因素的定量敏感性分析也是下一步研究的方向。

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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

孟晓东 (1984—), 男, 山东临沂人，工程师，硕士，主要从事航海安全及LNG水上应用研究。E-mail:ncomplex@163.com

1000-4653(2015)03-0089-05

U674.24+4; U698

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