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LNG船舶重大事故后果分析研究

LNG 船舶重大事故后果分析研究

张彬吴宛青

（大连海事大学,大连 116026）

摘要: 通过对LNG 船舶在营运过程中发生重大事故后，泄漏的LNG 对人员、船舶及公共设施造成的严重危害进行分析，得出重大事故后果分析流程图，在此基础上分析得出影响危害的主要因素。同时，总结前人研究成果，分析得出LNG 船舶在不同碰撞条件和人为条件下，可能产生的最大破损尺度，为确定LNG 的泄漏量提供理论基础。

主题词: LNG 船舶事故危害泄漏后果流程图破损尺度中图分类号：U674 文献标识码：A

THE SEQUEL ANALYSIS FOR LNG VESSEL SERIOUS ACCIDENT

Wu Wan-qing, Zhang Bin

(Dalian Maritime University ，Dalian 116026, China )

Abstract: After serious leakage accident of LNG vessel, the sequel of released LNG hurting personnel, ship and commonality establishment is analyzed, and the flow chart of accident sequel is put forward in this paper. On the base of Sandia National Laboratories ’ study, the possible hole size in different situations of collision and man-made condition are put forward in this paper, which can offer theoretical base for confirming releasing capacity.

Key words: LNG vessel, accident harm, leakage, sequel flow chart, hole size

本研究受到液化天然气运输控股有限公司《现代液化天然气船舶综合安全评估》项目资助

作者简介：张彬，1982年生，博士研究生；从事船舶安全与污染控制的研究。地址：（116026）辽宁省大连市甘井子区凌海路大连海事大学轮机工程学院。电话：（0411）84724175，138********。 E-mail: zhangbindlmu@https://www.wendangku.net/doc/b63996767.html,

随着世界经济的增长，对能源的需求在不断增加。天然气作为一种重要的环保能源，在能源结构中占有相当大的比例。全球液化天然气（LNG ）市场很小，约占天然气贸易量的四分之一，但增长速度很快，LNG 生产国和消费者的增加使得LNG 市场异常活跃，快速发展了LNG 海上运输 [1] [2] [3]。由于LNG 船舶属于危险品船，发生突发事件时，可能会导致液货的意外泄漏。大量易挥发、易燃的LNG 进入大气，将对周围环境和人员造成巨大危害。因此，做好LNG 船舶事故后果分析研究是保证LNG 船舶安全营运的关键。

1泄漏事故危害性分析[4]

LNG 船舶在营运过程中，由于天然气本身的危险特性，再加之LNG 船舶低温贮运这一特点，因此当LNG 船舶在营运过程中，由于某种原因而发生意外泄漏事故时，可能形成以下危害。

1.1对人员、船舶及公共设施的危害 1.1.1火灾危害

当LNG 泄漏后，由于低温，LNG 最初会形成重气云（天然气温度低于-108℃时，密度大于空气，在LNG 泄漏初期的饱和温度-162℃，气体密度是空气的1.5倍）。重气云在地面漂浮。当重气云与空气混合换热后，再向大气中扩散。如果没被点燃，可燃蒸气云向下风方向扩散。直至稀释到蒸气浓度低于可燃下限以下（天然气的燃烧爆炸范围为5.3％～15％）。

LNG 泄漏后，形成可燃蒸气的范围与泄漏量、泄漏率以及当时的气象条件等因素有关。在可燃范围内，如果天然气遇到点火源（如发生碰撞时的点火能量，本船、附近其他船舶或是岸上的点火能量等），将发生燃烧。燃烧有不同种形式，主要有池火（Pool

fires）、喷射火（Jet fires）和闪火（Flash fires）。不同的泄漏情况以及环境条件，形成的火焰形式不同。

1.1.2爆炸危害

当燃烧速度过快，产生过压破坏时，即形成“爆炸”。一般情况下，LNG泄漏到大气中后，如果被点燃，将发生闪火。如果燃烧发生在非限制空间，纯甲烷不会形成过压破坏（爆炸）。但是，当可燃范围内的LNG 气团横穿或绕过某一障碍物时会被剧烈的扰动，或遇到高压点火源时，将引起燃烧速率快速的提高。随着燃烧剧烈程度的增加，会造成过压损坏。但一般破坏作用只会局限在泄漏源附近，而不能造成大范围的结构破坏。

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，将会严重毁坏建筑物。因此，当LNG 泄漏到船壳之间时或泄漏到船上时，一旦LNG蒸发气与空气的混合气体在爆炸极限范围之内，遇火发生爆炸，不但会导致泄漏船舶严重损坏，且对周围的建筑物或船只也会产生很大的破坏作用。

1.1.3热力学毁坏

热力学负荷的大小很大程度上取决于能量转化率（热流量）。压力负荷的大小取决于单位体积的热流量。表1为由于火灾引起的热辐射的主要类型，这些分类标准被用于评价火灾危害等级。

表1 热辐射毁坏标准（10min接触时间）

Table1 Thermal radiation damage levels

LNG气体的燃烧取决于两个方面：LNG气体是否有足够的时间与空气混合；是否在LNG气体与空气混合后有点火源出现。因此，点火时间在评价热辐射的类型和范围有着重要的作用。

1.1.4快速相变（RPT）

快速相变是指液态LNG在与周围环境进行充分换热过程中，物质状态从液相瞬间转变为气相，由于体积的快速膨胀而造成周围环境的压力突变，形成所谓的物理爆炸。这种快速的相变会使泄漏源局部发生过压破坏，但不会造成大范围的结构损坏。

1.1.5低温破坏

低温LNG一旦发生泄漏，会对船体、设备等造成破坏，也会对工作人员造成伤害。-163℃的液体接触到裸露的人体皮肤会导致低温烧伤，因为液货在汽化过程中会大量吸热。

低温LNG液体能使与其接触的低合金碳钢发生严重的脆性破裂。超低温液货和普通船体接触，由于局部冷却产生过度的热应力会使船体产生自发脆性破裂，失去延展性，从而危及整个船体结构。不管是何种类型的低碳钢，当它接触到低温LNG液体时，它的破裂韧性会降低。

1.1.6中毒、窒息

天然气、烃类物质也具有一定的毒性，如果操作不慎或发生液货泄漏，会使操作人员接触其蒸气。当发生大量泄漏事件或工作人员长期接触天然气蒸气，都有造成中毒的可能性。

此外，船员在进入液货系统设备舱室或货舱进行检修时，若进入前没有对设备舱室或货舱进行充分除气，即没有对有毒有害气体进行彻底置换，使舱室局部区域的氧分压大幅度降低，这时即可能发生船员中毒，甚至缺氧窒息事故。

1.2后果分析流程图

根据上述重大事故危害性分析，结合LNG船舶在航运过程中的具体情况，一旦船舶发生类似液货泄漏事故，则泄漏可能存在连续性泄漏及瞬时泄漏两种情况。当发生泄漏后，根据周围环境情况以及货物蒸气的可燃范围扩散情况，会存在立即点燃和在扩散过程中的延迟点燃两种可能。泄漏的情况以及点燃的情况不同，其后果也不同。可能

分别会出现池火、喷射火、闪火、BLEVE 火球以及VCES燃烧等不同情况。

根据分析研究得出，发生泄漏事故后的流程分析图（如图1所示）。

图1 事故后果流程图

Fig1 Flow chart of accident sequel

2 影响危害的主要因素

LNG海上泄漏导致的危害，如对LNG 船舶或其货舱的低温损害、热损害，将可能导致其他货舱或船舶的几处损害。泄漏所形成的危害，如火焰、热辐射等，将对其他重要场所及设施造成影响或破坏。此外，LNG 船舶泄漏将对卸货码头、航道及港口造成直接或间接影响。在实际LNG船舶运输过程中，影响危害的主要因素有：

（1）LNG货舱意外或人为破损形成的危害取决于破损尺度、位置、液货释放率以及LNG的泄漏量；

（2）诸如风、潮、浪和流等环境条件将影响LNG的扩散行为；

（3）发生事故后的应急处理措施是否得当；（4）事故发生地所处区域（不同事故敏感区域所造成的损失不同）。

3 重大事故造成破损尺度分析

根据LNG船舶危险源辨识[5]，实际LNG船舶在航运过程中的最大风险是由于船舶碰撞、搁浅、撞击以及操作失误等各种原因而造成的液货泄漏，并由此而引发燃烧、热辐射以及爆炸等重大事故。确定LNG 泄漏量是进行LNG船舶重大事故后果分析研究的首要条件。

所有LNG船舶液货舱的材料均采用铝或镍钢合金，以保证液货舱在-162℃的低温条件下的强度和延展性。Moss型LNG船的球型货舱在破裂之前可以承受3～4米的变形。薄膜型LNG船的液货舱设计分为Mark III型和Invar型。Mark III型设计可以保证液货舱在破裂之前承受同Moss型相等的变形尺寸，而Invar型设计有较小的承受变形的能力，但从El Paso Paul Kayser搁浅事故[7]可以证实，Invar型液货舱同样可以承受不小于1m的变形，而不发生LNG泄漏。

3.1 决定裂口尺寸的主要因素

液化天然气船舶泄漏事故包括意外破损和故意破损两个方面。造成意外破损需要考虑的因素包括安全防护设备和系统、操作指示和风险处理应急计划等；造成故意破损需考虑的因素包括恐怖袭击、劫持和有内部接应的行为。船舱破损的严重程度取决于位置、船舶设计、相对速度、碰撞角度和控制危险的预防系统等。

图2 90°碰撞双壳船船速与裂口之间关系曲线Fig2 Study estimate of speed required to create a

given hole size

图3 90°碰撞双壳船动能与裂口之间关系曲线Fig3 Double-hull tanker study of energy required

to create a given hole size

文献6中指出，对于现代双壳LNG船舶，当与大型船舶碰撞时，只有当船舶的速度超过5～6 kn时，才会造成船体内壳的破裂，90°碰撞双壳船舶船速与裂口之间关系曲线见图2[6]。对于小型船舶，造成破裂至少需要1.0×106～2.0×106N·m的动能。然而，如图3[6]所示，这一能量级的碰撞还不足以造成LNG船舶内壳的破裂，要造成LNG船内壳的破裂，至少要在外壳撞直径3m左右的破孔才行。由于LNG船舶存在主、次屏蔽，因此预测的最小破舱船速（90°碰撞）还要大1～2 kn，最终约为6～7 kn。在实际船舶碰撞事故中，当发生严重穿透性碰撞后，两船会保持几个小时的结合状态。因此，大约仅有发生的5%～10%的破损尺寸会造成泄漏。

3.2 不同事故类型造成的破损尺度范围

3.2.1船舶卸货期间操作性泄漏事故

在LNG船舶卸货过程中，由于船舶受到海面波浪场的作用发生移位幅度超出卸货

臂的极限范围，安装在卸货臂上的动力推动紧急释放连接器系统（PERC）就会动作，保证在最短时间内切断船岸双方的连接器，减少LNG的泄漏量。如果事故发生时，PERC 系统整体失效，人员可以手动切断卸货系统，按照应急计划，人员反应时间是1-3min，但由于人为原因或事故发生时的其他突发

事件造成切断延迟时间最大可能会达到

10min，在这种极端情况下，LNG船舶会以4,000 m3/hr的卸货速率泄漏10min。

3.2.2 碰撞事故

①一般性碰撞破损尺度

一般性碰撞是指由于自然条件，如大风、大浪或海面能见度低等原因造成的船舶在航行过程中或靠港抛锚期间发生船舶失效事件，从而导致与周围船舶或建筑物发生碰撞或撞击的事故。

LNG船舶在受到尖凸物的撞击时比钝突物撞击更有可能导致泄漏，但产生穿透型孔径可能会较少。由于没有LNG船舶失效事件导致的货物泄漏，历史记录不能被用来确定一个可信度最高的事件，所以本研究借鉴DNV船级社提供的LNG船舶风险评价报告[7]和Sandia报告的结论，把250mm孔径作为一般性碰撞最可信的破损尺度。

②人为性碰撞破损尺度

人为性碰撞是指由于人为操作失误或船舶在航行过程中遭受劫持，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。

IMO/MARPOL 在制定Interim Guidelines for Alternative Tanker Design准则过程中，给出了由于碰撞产生的孔径尺寸大小的概率密度函数（pdf），并且与所有船舶得到的标准化数据相吻合。概率密度函数如图4所示。

图4 IMO/MARPOL概率密度函数图

Fig4 Probability Density Function Graph from

IMO/MARPOL

从上图可以看出，由于碰撞引起的损害尺度与船舶纵深比的极值为0.3，这一数据适用于所有船舶。

根据上面分析，可以得出LNG船舶由于碰撞事故可能导致的泄漏孔径的范围。LNG船舶外侧船壳可能达到的最大破口尺寸：

)

(

)

(

max dr

open

=δ

())

上式中，

max

δ为损害尺度与船舶纵深比的极

值，取值0.3；

δ为船舶无量纲变形尺度。

以LNG液货舱舱容27500m3，长L=24m，

宽W =32m ，深H =24m ，双层壳间距

bt d =2m ，最大安全变形尺寸dr d =3m 为例。

通过上式计算可得外侧船壳的破口尺寸

open d 为2.9 m ，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1.5m 。因此，LNG 船舶的穿透型裂口尺寸在0～1.5 m 之间，取最大破口尺寸的算术平均值0.75 m 作为最可信的人为性碰撞破损尺度。

3.2.3 搁浅/撞击事故

搁浅/撞击事件和碰撞事件相比会形成一个相类似或较小的孔径。这是因为许多搁浅事件有着相对较小的机动速度，并且搁浅的底部可能是淤泥而不是岩石，或者是在海图上没有标注的尖石和领航员忽视的没有标注的残骸。另外，当船舶偏离正常航线或可能发生搁浅/撞击事故时，海事部门能及时警告船舶，避免或减轻事故造成的后果。

1979年发生在直布罗陀海峡的El Paso Paul Kayser 搁浅事故，当时LNG 船舶是以19节的速度搁浅在一块突起的礁石上的。此次事故造成Invar 薄膜型LNG 船舶的液货舱內壳发生1m 变形，但没有造成液货泄漏，这说明LNG 船舶可以在几个舱室外壳发生严重损坏的情况下，仍可保证船舶的整体结构性。在文献7中，Hansen 等人分析了历史上的主要船舶搁浅/撞击事故，同时总结了事故造成的船舶横向和纵向的损坏区域，统计结果如图5、图6 [7]所示。

图5搁浅/撞击事故对船舶横向影响统计图

Fig5 Grounding Damage in Lateral Direction

图6搁浅/撞击事故对船舶纵向影响统计图 Fig6 Grounding Damage in Longitudinal Direction

从上图可看出68%的搁浅事故对船舶横向的影响小于20%，而86%的搁浅事故对船舶纵向的影响小于20%。

以型宽41m ，型长289m 的LNG 船舶为例，双层壳间距(3.2m)与绝热层（1m ）之和可达到4.2m 。根据统计研究结果，68%的搁浅事故仅仅只能影响到LNG 液货舱内壳舱边。5舱型LNG 船舶每个液货舱的长度仅是船舶型长的15%，因此仅有32%的搁浅事故会对LNG 船舶横向产生影响，而大约20%的搁浅事故会对LNG 船舶纵向的影响多于一个舱。

3.2.4 恐怖袭击事故

对于恐怖袭击事件，情况不好确定。主要是恐怖袭击使用的武器变化很大，效果也差别很多。即便袭击造成了船舶货舱的破裂，那么在当时即会发生局部的爆炸，而不会等到货物大量泄漏，可燃气体扩散到很大范围后再被点燃从而造成对周边公共环境和建筑设施的大面积破坏。综合考虑，认为恐怖袭击事件造成的货舱破损尺度为按照IMO 设计规范中碰撞产生的孔径尺寸概率密度函数的极限值计算所得的最大孔径值（人为性碰撞破口尺寸极限值）1500mm 。

如果LNG 船舶在卸货期间船员遭受绑架，极端条件可能会造成货泵通过三个卸货臂以正常速率卸货，则会以12,000 m 3/hr 的泄货率泄漏60min 。

通过上述相关研究，得出结论如下： ①船舶一般性碰撞最大可能的破损尺度：250mm ，单舱；

②船舶人为性碰撞或搁浅最大可能的破损尺度：750mm ，单舱；

③船舶遭受恐怖袭击事件最大可能的破损

尺度：1500mm，单舱；

④船舶卸货期间操作性泄漏事件最大可能泄漏量：4,000 m3/hr，10min；

⑤船舶卸货期间遭绑架事件最大可能泄漏量：12,000 m3/hr，60min。

4 结论

本文对LNG船舶的重大事故后果进行分析，得出事故后果流程分析图，同时就LNG船舶在特定条件下发生碰撞、搁浅、操作失误和恐怖袭击等事故时，可能造成的破损尺度进行分析研究，得出指导性结论，为LNG定量评估奠定基础。

参考文献

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