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(中國(guó)船級(jí)社武漢規(guī)范研究所，武漢 430022)

LNG運(yùn)輸船船對(duì)船過駁安全性評(píng)估

程康，甘少煒，范洪軍，曹蛟龍，秦傲寒

(中國(guó)船級(jí)社武漢規(guī)范研究所，武漢 430022)

針對(duì)一艘10萬(wàn)m3和一艘5萬(wàn)m3的LNG運(yùn)輸船過駁安全問題，分析兩船碰墊選型、過駁軟管選取、總管與軟件連接，采用FLACS對(duì)過駁期間安全距離進(jìn)行計(jì)算分析。結(jié)果表明，兩船匹配良好，具備過駁條件，過駁期間需設(shè)置大于225 m的安全距離，安全距離內(nèi)嚴(yán)禁其他船只進(jìn)入。整個(gè)評(píng)估過程充分考慮了LNG深冷易燃的特性和LNG運(yùn)輸船的特點(diǎn)，針對(duì)性地降低了過駁中可能出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)。

LNG運(yùn)輸船；船對(duì)船過駁；兼容性分析；風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估；安全距離

大型LNG運(yùn)輸船由于吃水等限制無(wú)法進(jìn)入內(nèi)河流域，因此,需在沿海地區(qū)過駁到小型LNG運(yùn)輸船進(jìn)行分銷。LNG為深冷、易燃危險(xiǎn)品，其過駁難度遠(yuǎn)高于普通船舶，為此國(guó)際權(quán)威組織如石油公司國(guó)際海事論壇(OCIMF)、國(guó)際船級(jí)社協(xié)會(huì)(IACS)、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織(ISO)、國(guó)際氣體船和岸站經(jīng)營(yíng)者協(xié)會(huì)(SIGGTO)等紛紛出臺(tái)LNG過駁指導(dǎo)文件[1-4]，國(guó)內(nèi)交通運(yùn)輸部也發(fā)布了天然氣的過駁標(biāo)準(zhǔn)。上述文件中均強(qiáng)調(diào)了過駁兼容性分析和安全距離評(píng)估在保障過駁安全中的重要作用，例如，OCIMF文件第二章2.1條、IACS文件中第三章1.4.2條和SIGTTO文件的第二節(jié)2.9條等均提出過駁前需對(duì)兩船的兼容性進(jìn)行分析。但具體如何分析兩船的兼容性沒有明確，目前多數(shù)依靠船員經(jīng)驗(yàn)執(zhí)行，容易出現(xiàn)不匹配問題，例如,過駁期間出現(xiàn)軟管長(zhǎng)度不夠、碰墊選擇不當(dāng)、BOG無(wú)法處理、壓力過高導(dǎo)致安全閥起跳等問題，增加了作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)和花費(fèi)。

另外為對(duì)LNG船過駁進(jìn)行安全監(jiān)管，通常會(huì)劃定最小安全距離，過駁期間嚴(yán)禁其余船只進(jìn)入。目前大多數(shù)區(qū)域直接采用500 m或1 000 m的安全距離，對(duì)港口往來船只的航行造成了很大的影響。準(zhǔn)確劃定安全距離，在保證安全的同時(shí)將影響最小化成為了過駁研究的另一個(gè)熱點(diǎn)和難點(diǎn)。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)LNG船對(duì)船過駁的安全性研究尚處于起步階段，相關(guān)的規(guī)范和操作指南還有待補(bǔ)充和完善?；贚NG運(yùn)輸船的技術(shù)特點(diǎn),對(duì)過駁兼容性分析的具體項(xiàng)目和評(píng)估方法進(jìn)行了研究，同時(shí)利用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)軟件對(duì)過駁中可能發(fā)生的事故后果進(jìn)行了模擬，計(jì)算了過駁安全距離，為L(zhǎng)NG船-船過駁的實(shí)際操作和相關(guān)實(shí)施指南的發(fā)布提供必要的技術(shù)支持。

1 基本情況

某10萬(wàn)m3和5萬(wàn)m3的LNG運(yùn)輸船主要技術(shù)參數(shù)見表1和表2[5]。兩船均按照國(guó)際散裝運(yùn)輸液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)則(IGC規(guī)則)進(jìn)行設(shè)計(jì)、建造和檢驗(yàn)。

表1 10萬(wàn)m3 LNG運(yùn)輸船的主要參數(shù)

10萬(wàn)m3LNG運(yùn)輸船采用雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，可用貨物作為燃料。全船配備4個(gè)NO.96型薄膜艙，設(shè)計(jì)溫度-163 ℃，安全閥起跳壓力設(shè)定為25 kPa，貨艙總?cè)莘e10萬(wàn)m3，充裝率98.5%，每個(gè)貨艙配有2個(gè)貨泵，1個(gè)噴淋泵和1個(gè)備用泵，備用泵同時(shí)兼作燃料泵使用。該輪配有BOG處理系統(tǒng)，可在發(fā)動(dòng)機(jī)完全停止時(shí)，處理貨艙在最大蒸發(fā)量下的多余BOG氣體。ESD系統(tǒng)有光纖、電纜和氣動(dòng)連接3種連接形式，船舷配有5根總管，其中4根液相、1根氣相，管徑及布置滿足OCIMF的要求[6]，氣相和液相管徑均為16 in，間距3 m，布置見圖1。

圖1 10萬(wàn)m3 LNG運(yùn)輸船總管布置示意

船長(zhǎng) 195.0m最大排水量47860t船寬 30.9m貨艙數(shù) 4型深 19.26m總?cè)莘e 50000.158m3夏季吃水8.52m貨艙類型 薄膜(No.96)

5萬(wàn)m3LNG運(yùn)輸船采用雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)。全船配備4個(gè)NO.96型薄膜艙，設(shè)計(jì)溫度-163 ℃，安全閥起跳壓力設(shè)定為24 kPa，貨艙總?cè)莘e5萬(wàn)m3，充裝率98.5%，每個(gè)貨艙配有2個(gè)貨泵，1個(gè)噴淋泵和1個(gè)備用泵，備用泵同時(shí)兼作燃料泵使用。該船配有BOG處理系統(tǒng)，可在發(fā)動(dòng)機(jī)完全停止時(shí)處理貨艙在最大蒸發(fā)量下的多余BOG氣體。ESD系統(tǒng)有光纖、電纜和氣動(dòng)連接3種連接形式，船舷配有5根總管，其中4根液相1根氣相，管徑及布置滿足OCIMF的要求，氣、液相管徑均為16 in，間距3 m，布置見圖2。

圖2 5萬(wàn)m3 LNG運(yùn)輸船的總管布置示意

2 兼容性分析

按照IGC規(guī)則，LNG運(yùn)輸船的設(shè)計(jì)依照LNG的特點(diǎn)，主要在貨物圍護(hù)系統(tǒng)、BOG氣體的處理、溫度壓力控制和應(yīng)急切斷系統(tǒng)(ESD)等方面作出了特別規(guī)定，然后過駁又涉及軟管和總管的匹配連接，由此確定兼容性分析包含兩船匹配度檢查、碰墊選型、軟管選型等內(nèi)容，其中兩船匹配度檢查又包含貨物圍護(hù)系統(tǒng)、BOG氣體的處理、溫度壓力控制和應(yīng)急切斷系統(tǒng)的匹配性分析。

2.1 兩船匹配度檢查

兩船均采用No.96型薄膜艙，見圖3，貨艙保冷效果接近，因而在過駁過程中不會(huì)發(fā)生類似C型艙對(duì)薄膜艙過駁時(shí)熱液進(jìn)入冷液的閃蒸現(xiàn)象[7]。且安全閥起跳壓力設(shè)定基本相同，在過駁中可有效保障氣相空間連通的安全性。

圖3 兩船貨物圍護(hù)系統(tǒng)示意

如圖1和圖2所示，兩船均采用4液1氣的總管布置，布置方式、間距及管徑均一致，且兩船所安裝的ESD系統(tǒng)均有光纖、電纜和氣動(dòng)3種連接方式。

5萬(wàn)m3運(yùn)輸船的艙容正好為過駁船艙容的一半，采用隔艙裝載運(yùn)輸?shù)姆绞椒?次卸完，可有效避免10萬(wàn)m3運(yùn)輸船出現(xiàn)半艙裝載的問題。LNG運(yùn)輸船通常沒有半艙裝載的工況設(shè)定，主要是避免由于LNG粘度非常小導(dǎo)致產(chǎn)生晃蕩問題。

兩船均配備BOG處理系統(tǒng)，可在發(fā)動(dòng)機(jī)完全停止時(shí)，處理貨艙在最大蒸發(fā)量下的多余BOG氣體，控制艙內(nèi)壓力，防止過駁過程中安全閥起跳。

2.2 碰墊選型

依據(jù)當(dāng)量計(jì)算法[8]計(jì)算兩船等效排水量系數(shù)C。

式中：DSA、DSB分別為10萬(wàn)和5萬(wàn)m3船舶滿載排水量。

求得C=64 746.72 t。

依據(jù)等效排水量系數(shù)選出過駁作業(yè)時(shí)兩船間應(yīng)配備4個(gè)直徑3.3 m，長(zhǎng)度為6.5 m的碰墊，單個(gè)碰墊的極限吸收能量不低于500 kJ，靠泊時(shí)的航速低于0.18 m/s，選取依據(jù)見表3。

表3 OCIMF標(biāo)準(zhǔn)液化氣體傳輸操作時(shí)碰墊選擇指南

為防止靠泊作業(yè)期間由于疏忽大意而造成兩船之間的接觸，通常在船艏和船艉會(huì)設(shè)置小尺寸的輔助碰墊，依據(jù)已有的LNG海上駁運(yùn)操作統(tǒng)計(jì)[9]和兩船的基本參數(shù)，選取2個(gè)直徑2.0 m、長(zhǎng)3.5 m的輔助碰墊，布置見圖4。

圖4 船對(duì)船過駁布置設(shè)計(jì)方案

2.3 軟管選型

兩船總管最大液位差為3.97 m，總管距舷邊距離為3.4 m，得出軟管長(zhǎng)度不得小于3.97×2+3.4×2=14.74 m[10]。

兩船液相總管口徑為16 in，而配備軟管直徑為10 in，為保證過駁速率，建議在液相總管間配備Y形變徑接頭；在氣相總管間配備16 in/10 in的變徑接頭，同時(shí)為保證作業(yè)安全，在每條傳輸管路上配備緊急釋放系統(tǒng)。

3 過駁安全距離計(jì)算

以某地區(qū)過駁為例，環(huán)境參數(shù)見表4。

表4 蘇比克灣環(huán)境參數(shù)

采用挪威GexCon咨詢公司開發(fā)的三維計(jì)算流體力學(xué)(CFD)軟件FLACS進(jìn)行泄漏后果CFD仿真計(jì)算，按照兩船過駁的實(shí)際布置建模如圖5所示。對(duì)兩船過駁充裝站區(qū)域按實(shí)際布置建模未簡(jiǎn)化，其余區(qū)域(如船艏、上層甲板及上層建筑等區(qū)域)按實(shí)際尺寸建模，對(duì)計(jì)算結(jié)果影響不大的設(shè)施(如舾裝件等)進(jìn)行了相應(yīng)的簡(jiǎn)化處理。

圖5 CFD仿真計(jì)算模型

荷蘭應(yīng)用科學(xué)院(TNO)依據(jù)事故發(fā)生的概率和后果給出了LNG軟管不可接受的最大風(fēng)險(xiǎn)泄漏場(chǎng)景為泄漏孔徑等于10%的軟管直徑[11],擬定擴(kuò)散最危險(xiǎn)風(fēng)向?yàn)檠卮L(zhǎng)方向，天然氣可燃范圍設(shè)為2.5%～15%(取燃燒下限(LFL)的50%)[12]，由此算得可燃蒸氣云擴(kuò)散結(jié)果見圖6，可燃蒸氣云擴(kuò)散最遠(yuǎn)距離為150 m。

圖6 發(fā)生泄漏后可燃?xì)怏w擴(kuò)散濃度分布(標(biāo)尺為天然氣氣體摩爾分?jǐn)?shù)，范圍0.025～0.15)

圖7 兩船過駁安全距離

依據(jù)FLACS計(jì)算結(jié)果，兩船過駁時(shí)濃度為2.5%～15%的可燃蒸氣云最大擴(kuò)散距離為150 m，基于保守的考慮[13]，安全系數(shù)定為1.5，因此，設(shè)定兩船過駁安全距離為225 m，過駁期間安全距離內(nèi)嚴(yán)禁其他船只進(jìn)入，見圖7。該距離遠(yuǎn)小于一般港口規(guī)定的500 m或1 000 m的要求，在保障過駁安全的同時(shí)保證了港口船只的正常通航。

4 結(jié)論

1)結(jié)合過駁中碰墊和軟管的選型，擬定了過駁兼容性分析的具體實(shí)施內(nèi)容為兩船匹配度檢查、碰墊選型和軟件選型等內(nèi)容，其中兩船匹配度檢查包含了上述IGC規(guī)則覆蓋的LNG運(yùn)輸船的主要技術(shù)方面。

2)對(duì)現(xiàn)有的零散分析方法進(jìn)行了梳理和綜合，并結(jié)合實(shí)際的案例開展了如下分析：利用工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)開展了兩船主要設(shè)備的對(duì)比分析，完成了兩船的匹配度檢查；采用OCIMF的當(dāng)量計(jì)算法為兩船過駁選取了合適的碰墊并提出了過駁航速的限值；結(jié)合現(xiàn)有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求選取了合適的軟管布置方式和長(zhǎng)度。

3)依據(jù)國(guó)際權(quán)威數(shù)據(jù)庫(kù)中典型的破口尺寸，采用CFD計(jì)算軟件開展了安全距離計(jì)算，計(jì)算最小安全距離為225 m，為過駁期間保證港口其余船只的正常通航提供依據(jù)。

4)目前全球LNG船舶的總管布置均依據(jù)OCIMF的要求，即布置型式、總管間距和管徑均一致，差異僅在艙室壓力和兩船間狹長(zhǎng)區(qū)域的長(zhǎng)度。下一步將基于現(xiàn)有的儲(chǔ)罐型式對(duì)應(yīng)的最大壓力情況開展具有普適性的安全距離劃定，以避免不同船舶過駁都要進(jìn)行復(fù)雜的CFD計(jì)算。

[1] Oil Companies International Marine forum. The safe Transfer of Liquefied Gas in an Offshore Environment[M]. London: Wither by Publishing Group Ltd,2014.

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[3] International Standardization Organization. Specification for bunkering of gas fueled ships[M]. Geneva: ISO Conventions,2015.

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[7] 丁玲,馬坤.中小型LNG運(yùn)輸船液貨罐設(shè)計(jì)技術(shù)[J].船舶,2010,21(1):26-29.

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Study on Safety Assessment Method of LNG Ship to Ship Transfer

CHENGKang,GANShao-wei,FANHong-jun,CAOJiao-long,QINAo-han

(Wuhan Rules and Research Institute of China Classification Society, Wuhan 430022, China)

In order to ensure the safety for LNG ship to ship (STS) transfer, a 100 000 m3LNG carrier and a 50 000 m3LNG carrier were selected to study the selection of fender and transfer hosepipe, connection of the main pipe with hospipe. The 3-dimensional CFD software FLACS was adopted to assess the safe distance during the transfer. The results showed that these two carriers have good compatibility, meet the requirements of STS transfer, the safe distance is not less than 225 m. The characteristics of LNG cryogenic cooling and inflammable were fully considered so as to reduce the possible risks during STS transfer of LNG.

LNG carrier; ship to ship (STS) transfer; compatibility analysis; risk assessment; safe distance

U674.13

A

1671-7953(2017)06-0054-04

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.06.012

2017-03-10

2017-04-14

中國(guó)海事局和國(guó)家能源局(海事[2012]509號(hào))

程康(1986—)，男，碩士，工程師

研究方向：LNG水上運(yùn)輸技術(shù)