基于风险的LNG-Ready设计探讨

严先锐

(上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院, 上海 200240)

基于风险的LNG-Ready设计探讨

严先锐

(上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院, 上海 200240)

为应对海洋污染物排放控制规则，液化天然气(Liquefied Natural Gas, LNG)成为可预期的最佳船用替代燃料。近年来，LNG动力船受到越来越多的关注，远洋LNG动力船的研究也成为热点。通过分析船用LNG燃料的潜在风险，并应用事故树理论对LNG动力远洋船舶的重大危险源LNG燃料舱进行危险因素识别和风险分析，有针对性地提出控制风险的设计建议和措施。

LNG船用燃料； LNG-Ready； 风险分析； 事故树

0 引 言

随着国际海事组织(International Martime Organization, IMO)基于目标性的规范《使用气体或其他低闪点燃料的船舶安全规则》(IGF Code)发布实施，仅按照规范要求的设计方法已不能满足时代要求。未来基于风险分析和安全评价的设计才能获得市场,风险评估的地位将越来越突出。IMO就综合安全评估方法(Formal Safety Assessment, FSA)，于2002年正式推出FSA应用指南，并将FSA作为一项战略在国际公约、规则和规范的制定过程中推广。为完善FSA，IMO 2007年发布FSA导则修订，并在2013年批准《经修订的在IMO规则制定中使用综合安全评估指南》。在IMO的推动下，对FSA的研究与应用在规则制定、船舶设计和船舶营运管理中取得不断发展。在FSA的研究上：方泉根等[1]、赵佳妮[2]和秦庭荣等[3]分别对FSA应用的方法及工具进行论述；樊红[4]对同时包含定量属性和定性属性的不确定性多属性决策应用引入概率影响图与证据理论；蔡土垚[5]系统地讨论FSA的总体框架、理论、方法和模型，引入二元决策图的风险贡献树方法。在船舶设计方面，最广泛的应用体现在结构设计上：BITNER-GREGERSEN等[6]利用FSA的第二步在结构的可靠性设计进行应用；KOBYLI[7]对FSA在船舶稳性规则发展上的应用进行阐述；王成飞等[8]将FSA方法应用到潜艇设计建造和服役管理领域中。通过加强一线设计技术人员的FSA理念，实现等效(替代)设计、新颖设计方面的研究工作与FSA结合使用，对新项目的风险分析和评估有重要意义。针对液化天然气(Liquefied Natural Gas, LNG)动力船的特殊性和新颖性，采用科学合理的方法对其设计进行风险评估研究，对减轻和降低LNG燃料应用的风险具有重要的现实意义。

1 远洋船舶的LNG燃料风险分析

LNG燃料早在1964年就开始应用到LNG运输船上，但直到2000年才开始在其他类型船舶(如车(客)渡船、PSV、巡逻艇、拖船、杂货船、ROPAX和LPG(LEG)运输船等)上应用[9]。当前LNG动力船舶的发展仍存在区域差异性，欧洲国家处于领先地位，而我国在法规制度的完善和配套设施的建设方面已取得大发展，但实船应用仍主要集中在内河船。总体来看，自2010年以来，除使用LNG燃料的船型迅速多样化以外，出现很多大型双燃料动力船舶的概念设计，相关技术和配套设备不断发展。但是，随着国际油价下跌，LNG的经济收益率下降，同时，由于LNG动力船的建造投资成本巨大，导致实船订单较少。近年来，随着工业界推出 “LNG-Ready”的概念后，大型远洋船舶的LNG-Ready设计成为焦点，对LNG双燃料新船型进行研究与开发成为行业热点。

在开发LNG-HFO双燃料远洋船舶时，不仅要考虑船舶的总体性能，还要考虑如何安全使用LNG燃料。由于LNG燃料具有易燃、易爆、低温的特殊危险性，特别是LNG燃料的大量泄漏将会造成人员伤亡、财产损失或环境损害，为此LNG燃料系统的布置(特别是存储位置)受到严格的限制。

1.1大型远洋船舶与小型船舶LNG燃料风险的区别

大型远洋船舶除了在LNG燃料的储存、使用、运输和补给等方面与普通燃油船舶有很大不同之外，在防火、防爆和安全操作等方面同样存在很大不同。根据研究，虽然LNG燃料系统的构成在大型船和小型船上类似，但安全风险的大小存在很大差别(见表1)。当前在远洋船舶上应用LNG燃料的技术经验和管理经验较少，使得该类船舶在营运中存在潜在的安全隐患。LNG燃料系统整体的布置、布局是保证船员安全操作的基础和前提条件。从LNG燃料系统的组成看，涉及的LNG存储、LNG供气系统、燃气发动机和加注方式等属于船舶设计的重点考虑要素。因此，对整个LNG燃料系统和整个船舶系统进行风险评估研究是必要的。限于研究周期，这里主要对LNG燃料系统中的存储安全进行风险分析。由表1可知，大型远洋LNG动力船的风险远大于小型LNG动力船舶。针对LNG远洋动力船的特殊性，需进一步研究如何控制和降低风险。

表1 LNG燃料在小型定线船舶和大型远洋船舶的风险对比

1.2远洋船舶LNG燃料舱的重大风险

目前国内相关研究人员仍主要基于内河LNG动力船舶展开研究，关注的风险多集中在小型储罐、管路及机器处所的LNG泄露风险上。然而，对于大型远洋船舶，由于续航力要求及加注能力(次数)限制，使得其LNG燃料舱的容积远大于内河船舶。根据相关文献[10]关于蒸气云爆炸(VCE)、沸腾液体扩展蒸气云爆炸(BLEVE)及池火(Pool Fire)的定量评价模型分析，大型LNG燃料舱泄漏的后果严重，危害范围极大，不仅会对船舶本身的安全造成严重危害，还会对船舶周围的环境造成严重的影响。

根据相关文献[11]统计，LNG的重大事故类型主要有3类：

(1) LNG燃料舱发生事故性破损，导致大量过热气化的LNG瞬间泄放到空中，形成蒸气云，处于爆炸极限的蒸气云遇到火源会发生蒸气云爆炸(VCE)；

(2) LNG燃料舱泄漏形成液池，液池被点火源或蒸气云回火点燃，发生池火火灾；

(3) LNG燃料舱突然发生灾难性破裂(如LNG燃料舱受到剧烈的机械或火灾热作用导致的突然破裂)，压力平衡被破坏，导致LNG急剧气化并随即被点燃爆炸(BLEVE)。

2 事故树(FTA)分析[12]

2.1LNG燃料舱火灾、爆炸事故树的建立

采用事故树分析法，根据事故树的顶事件确定原则，选择最不希望发生的失效事件“LNG燃料舱火灾、爆炸”作为顶事件。该事件既是事故分析的起点，也是分析事故发生原因、发生概率及可能产生的影响的最终事件。LNG燃料舱火灾、爆炸有2类，即：因LNG泄漏(连续泄漏)引起的火灾、爆炸,主要事故形式是蒸气云爆炸和池火火灾;燃料舱的物理爆炸导致LNG瞬时泄漏，罐内的压力急剧升高，超出罐体限值，发生沸腾液体扩展蒸气爆炸(BLEVE)[13]。将引起顶事件发生的原因分别作为下一层的顶事件，依次类推，建立LNG燃料舱火灾、爆炸事故树(见图1)。该事故树共找出31种不同的底事件[14](见表2)。

2.2 LNG燃料舱火灾爆炸事故树定性分析

由于缺少相关的统计数据，这里对各底事件的概率暂不进行定量分析，而是通过事故树求取最小割集和各基本事件的结构重要度，对风险的轻重缓急进行定性分析。

最小割集是指如果割集中的任意一个基本原因事件不发生，那么顶事件就决不发生。每个割集都是顶上事件的一种可能发生渠道。因而最小割集的数目越多，系统越危险。

根据图1的事故树，写出布尔代数运算式为

T01=P·X0·(X1+X2+X3+X4+X5+X6+X7+X8+X9+X10+X11+X12·X13)·(X14+X15+ (X24+X25)·(X16+X17+X18+X19+X20+X21+X22+X23))+X31+X30+X29+fCN·X26· (X27+X28)

可得事故树的最小割集为

结构重要度分析是不考虑基本事件发生的概率，仅从事故树结构上分析各基本事件的重要影响程度。由最小割集排列结构重要度方法的基本原则和结构重要度系数近似判别式可知：

I31=I30=I29为单事件最小割集，所以结构重要度系数最大；

I26(三阶最小割集出现2次)

I28=I27(三阶最小割集出现1次)

I0=1

I25=I24=0.997

I15=I14=0.784

I11=I10=I9=I8=I7=I6=I5=I4=I3=I2=I1=0.727

I23=I22=I21=I20=I19=I18=I17=I16=0.773

I13=I12=0.471

因此，各底事件的结构重要度系数排序为

I31=I30=I29>I26>I28=I27>I0>I25=I24>I15=I14>I23=I22=I21=I20=I19=I18=I17=I16>I11=I10=I9=I8=I7=I6=I5=I4=I3=I2=I1>I13=I12

2.3LNG燃料舱火灾爆炸事故树分析

根据结构重要度系数的排序，控制LNG燃料舱的火灾爆炸应根据底事件影响程度的重要度系数进行重点控制。这些底事件包括燃料舱处所及相邻处所的火灾控制、燃料舱布置的安全距离、船舶操纵安全、危险处所的通风、安全阀的选型与设置、燃料舱的物理防护、有关LNG加注操作和各类火源的控制管理等，对LNG燃料存储系统的安全影响重大。

2.4LNG-Ready设计

LNG-Ready设计由于是基于将来某个时间实现LNG燃料并提供这种可能性的设计，因此重点是原理上的实现及重大风险的防范。根据对上述事故树的分析，对于影响重大的燃料舱布置、改造的方法和重大风险因素等，需预先考虑如何采用技术性措施并确定设计方案。

2.4.1 LNG-Ready设计风险分析

船舶是一个大且复杂的综合系统，子系统层次多且相互交涉，需在有限的空间内兼顾多方面需求，在此基础上增加LNG动力系统，将使设计平衡的难度增加，设计潜在风险因素也随之增多。LNG-Ready的设计不仅要考虑对当前船舶性能与安全的平衡，还要考虑对LNG燃料系统改造后船舶性能与安全的平衡，并对LNG燃料系统改造前后的变化进行风险评估。具体表现在以下几个方面。

(1) 船舶整体布置方面: LNG燃料舱的布置不仅有难以满足IGF规则规定的距离要求的风险，还有使危险区域扩大的风险。同时LNG-Ready设计应提前预留空间带来的LNG围护系统的选型风险及改造前与改造后的船舶性能和装载稳性变化风险。

(2) LNG燃料本身存在危险特质：LNG燃料在船上使用时存在液态和气态2种危险状态，液态时主要是低温风险，气态时有易泄漏风险(特别对于高压系统而言)。

(3) LNG低温对船舶材料的影响：LNG的低温会使结构发生力学性能变化，直接泄漏甚至导致钢板发生脆裂，从而对船体结构带来巨大的影响。

(4) LNG燃料系统的安全性:LNG安全使用的核心在于LNG的围护，LNG-Ready设计需考虑改造后的围护系统的适用性、安全性、可改装性和经济性，并考虑LNG辅助系统的可靠性，比如监控系统、紧急切断系统等。

(5) 标准与规则实施风险，IGF规则框架的制定按照目标设定，给出目标要求、功能要求和具体要求，在留给船舶的设计和建造更大的灵活性和创新空间的同时，也存在风险评估不充分导致的设计风险。

(6)人为因素风险：最新的FSA指南已将人为因素纳入考量，结合LNG在工业上的使用经验，人为因素风险在LNG加注操作中尤为突出。

2.4.2 LNG-Ready设计的具体措施与建议

在进行LNG-Ready设计前，需船舶所有人、船级社、配套厂家、船厂和设计单位等统一立场，事先对系统目标、设计的深度及重要参数达成统一。同时，设计者应了解和判断船舶未来的营运环境，包括船舶营运航线、LNG燃料供应的港口等，在经济上对投资回报率进行计算和评估，建造船级社认可的LNG-Ready船舶，在风险可控的情况下取得更好的经济效益。从安全的角度给出以下设计措施和建议：

(1) 选择有资质且有一定经验的配套厂家进行联合设计，从设计源头上保证LNG燃料系统的安全性。

(2) 明确LNG-Ready设计图样的范围，就审查图样目录和内容与船级社及主管机关进行澄清和确认。

(3) 加强对标准规则和规范的研究，特别是对IGF规则的应用。推进综合优化、等效(替代)设计和新颖设计等方面的技术创新。

(4) 应用风险评估与分析工具识别潜在的风险控制措施，通过采用结构化的评审技术对现有的措施进行风险评估，寻找更为合适的设计方案。

(5) LNG燃料舱的布置要满足IGF规则规定的距离要求，并对船舶危险区域的划分进行优化设计，控制改造前与改造后带来的船舶性能及装载稳性的变化。

(6) 在任何情况下，要避免同时出现LNG泄漏导致可燃气体与点火源共存的可能性；LNG-Ready设计应做好整体布置和通风设计方案，例如通风的出口和入口的布置及相关的距离要求。

(7) 充分考虑LNG围护系统对周围船体结构的影响，进行温度场的计算和分析，做好船体低温钢材料的选取工作；同时，对于低于一定温度的管道需进行应力分析，保证管路的可靠性。

(8) 对LNG加注方式和程序进行提前研究，降低人为操作因素的风险。

3 结 语

FSA方法已应用于IGF规则，使得LNG燃料动力船舶的设计与传统船舶有很大的不同。本文基于FSA方法的基本理论，采用事故树方法分析可能引起LNG燃料舱火灾爆炸的原因及引起这些原因的底事件。从事故树的最小割集看，割集数量多，LNG燃料储罐发生火灾爆炸事故的可能性渠道较多，需多种预防的途径和措施；从事故树的结构重要度上看，不仅有单事件的最小割集，而且某些底事件的结构重要度系数很大。同时，“或门”比较多，说明点火源和LNG泄漏的发生概率相对较大，LNG燃料储罐的安全风险远大于传统燃油的使用风险。通过分析指出需重点进行风险控制的基本事件，并结合LNG-Ready对相关设计风险进行了阐述和分析，进一步给出可采取的设计措施和建议。

[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(1):1-5.

[2] 赵佳妮.综合安全评估(FSA)方法综述[J].航海技术,2005(2):77-78.

[3] 秦庭荣,陈伟炯,郝育国,等.综合安全评价(FSA)方法[J]. 中国安全科学学报,2005,15(4):88-92.

[4] 樊红.船舶综合安全评估(FSA)方法研究[D].武汉:武汉理工大学,2004.

[5] 蔡土垚.综合安全评估关键技术研究[D].大连:大连海事大学,2010.

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[7] KOBYLINSKI L. Application of the FSA Methodology to Intact Stability Criteria[J]. Marine Technology Transactions, 2004, 15: 319-329.

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[12] ISO. Risk Management—Risk Assessment Techniques:ISO/IEC 31010—2009[S].

[13] 于庭安,戴兴国.LNG储罐火灾和爆炸事故树分析[J].中国安全科学学报,2007,17(8)：110-114.

[14] 孙浩,崔振威,谢澄,等.基于事故树理论的LNG动力船风险分析[J].中国水运,2015(5)：48-50.

Risk-OrientedInvestigationAboutLNG-ReadyDesign

YANXianrui
(Ocean and Civil Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

The shipping industry is facing the challenge of the global trend of emissions limitation. To cope with the maritime pollution emissions control rules, shipping companies have been looking for alternative fuels. Liquefied Natural Gas(LNG) is considered promising. While certain type of LNG fueled ships have been in operation for years, there are questions to be answered for LNG to fuel large ocean-going ships. This paper analyzes the risks associated with marine LNG fueling by means of the FTA theory. The risk factors associated with the LNG fuel tank, which is the major source of hazards on an LNG fueled ocean going ship, is identified and evaluated. A number of suggestions for risk control are put forward which will hopefully provide a reference for the design of the LNG-Ready ocean-going ships.

LNG marine fuel; LNG-Ready; risk analysis; FTA

2016-10-31

严先锐(1980—)，男，江苏徐州人，高级工程师，硕士，从事船舶设计与制造工作。

1674-5949(2017)02-0030-06

U674.13+3.3

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