，，，

(1.中國船級社 武漢規(guī)范研究所，武漢 430022；2.武漢理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，武漢 430063)

內(nèi)河挖砂船分體式供氣的風險控制

官文鋒1,2，馬丹1，甘少煒1，陳立劍1

(1.中國船級社 武漢規(guī)范研究所，武漢 430022；2.武漢理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，武漢 430063)

針對內(nèi)河挖砂船采用天然氣燃料受限于LNG燃料艙布置不便，燃料補給、供應(yīng)周轉(zhuǎn)效率不高等問題，提出內(nèi)河挖砂船LNG采用分體式供氣方式，分析該供氣方式的危險識別和風險，特別是錨纜失效、船體失效等主要危險源的成因和影響，從船舶構(gòu)造和設(shè)備配備等方面提出控制措施。

天然氣燃料；分體供氣；內(nèi)河挖砂船；風險分析；控制措施；

常規(guī)天然氣燃料動力船的，其燃料儲存艙或燃料罐和氣體燃料發(fā)動機等用氣設(shè)備安裝在同一艘船舶上?，F(xiàn)有燃油工程船舶如改造為天然氣燃料船舶，由于現(xiàn)有燃油工程船開敞甲板區(qū)域有限，其可用的開敞甲板區(qū)域不能滿足C型獨立燃料艙的布置要求。在船舶油改氣的探索中，個別內(nèi)河湖泊小型砂船船東提出船舶天然氣供應(yīng)新設(shè)想，即儲存液化天然氣的C型獨立燃料艙位于工程船之外的駁船之上，駁船液化天然氣在氣化加熱后通過軟管輸送至工程船。對這種水上分體式供氣的方式，一方面業(yè)界有需求，另一方面燃料供應(yīng)方式新穎獨特，沒有成熟的應(yīng)用，對其風險的分析和控制研究還處于起步階段。為此，考慮利用風險評估的方法對新的燃料供應(yīng)方式進行可行性分析。已有的研究[1]對可移式燃料罐作為船舶燃料的可行性和風險做了分析。在此基礎(chǔ)上，分析并給出更具體的建議,更便于操作和工程實際應(yīng)用。

1 基本形式

分體式供氣的基本形式是在挖砂船上附近系泊固定供氣駁船，在非自航的供氣駁船上放置儲存LNG的C型獨立燃料艙、氣化設(shè)備、閥件和管路等，通過接頭、軟管和安全裝置(拉斷閥等)與挖砂船上供氣管路連接，直接向挖砂船上的氣體燃料發(fā)動機供給氣態(tài)天然氣燃料。例如挖砂船在正常作業(yè)時，依靠船上的支撐腿或其他方式固定在江/湖中央位置。挖砂船的2側(cè)分別?？枯d運砂石的砂船和供氣駁船。供氣駁船的主要功能是為挖砂船提供氣態(tài)燃料，在正常作業(yè)工況下，供氣駁船需拋錨固定并通過纜繩固定在挖砂船上，2船之間設(shè)管系和電纜通道，在緊急情況下能安全斷開供氣駁船和挖砂船的連接。在供氣駁船上LNG即將耗完時，斷開供氣駁船和挖砂船的連接，連接另一艘裝滿LNG的供氣駁船即可。結(jié)束供氣的駁船可回岸站或LNG加注船作業(yè)區(qū)補給LNG，再進入下一個供氣循環(huán)，從而提高挖砂船燃料補給、作業(yè)效率，降低LNG加注船進入挖砂作業(yè)區(qū)進行LNG燃料加注的風險?；趯?nèi)河挖砂船的調(diào)研，根據(jù)船對船靠泊方式的不同，參照FLNG裝置外輸系統(tǒng)將分體式供氣分為旁靠供氣和串靠供氣2種方式[2]，見圖1。

圖1 內(nèi)河挖砂船LNG分體供氣布置示意

考慮到內(nèi)河挖砂船采用尾部串靠方式供氣存在以下缺點：①挖砂船生活區(qū)域一般位于船艉，串靠外輸供氣距生活區(qū)太近，對生活區(qū)安全存在隱患；②挖砂船驅(qū)動砂泵的發(fā)動機一般位于船艏，挖砂船上天然氣供氣管路需要較長的管段才能輸送到砂泵的發(fā)動機艙，其潛在氣體泄漏風險增大；③供氣駁船至挖砂船之間的燃料連接軟管較長；④串靠方式所要求的系泊設(shè)施多，投資較大；⑤對FLNG而言，LNG艉部串靠外輸系統(tǒng)沒有工程應(yīng)用案例，挖砂船通過艉部串靠供氣方式?jīng)]有現(xiàn)成工程實際作業(yè)經(jīng)驗供可以借鑒；且海上液化氣體船對船均采用旁靠過駁，各項安全措施、風險控制、操作經(jīng)驗更成熟[3]。

因此，內(nèi)河挖砂船利用旁靠進行分體式供氣可能性更大，本文所述內(nèi)河挖砂船分體式供氣風險分析和風險控制措施均基于旁靠供氣方式。

2 危險識別

挖砂船采用LNG分體供氣時，LNG燃料艙與挖砂船分別位于非剛性連接的不同船體結(jié)構(gòu)上，存在風浪導(dǎo)致的相對運動，其管路連接、2船系固、船舶碰撞等存在多個新增的安全風險。由于供氣駁船存有低溫易燃的LNG液體，特別是在遇到碰撞、泄漏、火災(zāi)、惡劣氣候等情況時，可能給人員、船舶、航道及周邊環(huán)境等帶來危害[4-5]。

對LNG分體式供氣的重點設(shè)備及其布置的危險源識別，主要包括錨纜失效、船體失效、LNG燃料艙失效、天然氣供氣系統(tǒng)失效、船-駁通道失效等，涉及的風險主要包括纜繩斷裂、駁船走錨、船體破損、火災(zāi)爆炸、LNG燃料艙破裂、LNG燃料艙絕熱失效、管路泄漏、設(shè)備失效、船-駁之間無連接。

對挖砂船采用LNG分體供氣方式的危險源進行辨識，主要危險識別內(nèi)容見表1。結(jié)合分體式供氣方式的實際情況，參照《船舶綜合安全評估應(yīng)用指南》[6-7]確定風險的發(fā)生概率和產(chǎn)生后果見表1。

表1 LNG分體供氣方式的危險識別表

續(xù)表1

注：發(fā)生概率中：5-頻繁發(fā)生；4-很可能發(fā)生；3-可能發(fā)生；2-很少發(fā)生；1-極少發(fā)生。

產(chǎn)生后果中：1-產(chǎn)生后果不明顯；2-產(chǎn)生輕微后果；3-產(chǎn)生主要后果； 4-產(chǎn)生嚴重后果；5-產(chǎn)生災(zāi)難性后果。

3 風險分析

將風險范圍界定為挖砂船與供氣駁船固定在某水域作業(yè)時，駁船船體、LNG燃料艙、錨纜等設(shè)備和系統(tǒng)的風險，不包括挖砂船航行中采用LNG分體供氣的風險，不考慮駁船與挖砂船脫離后的風險(如：供氣駁船拖到碼頭進行補給等)。由于沒有實際工程項目，僅對旁靠供氣這一典型布置形式可能出現(xiàn)的風險進行分析，針對具體項目的工程應(yīng)用還應(yīng)在此基礎(chǔ)上進行細化和驗證，特殊項目還應(yīng)根據(jù)實際情況進行額外風險分析。

由于缺少LNG分體供氣方式的詳細事故統(tǒng)計資料，國內(nèi)應(yīng)用也是剛剛啟動，尚無法采用F-N曲線方法完成風險的定量分析，故采用風險矩陣方法對上述危險源識別進行簡化量度評估。目前最通用的風險矩陣分為3個層次：不能容忍區(qū)、合理可行的低風險區(qū)(ALARP)、可以忽略區(qū)。“不能容忍”是指除非在非常特殊的情況下，才認為風險是合理的；“可以忽略”是指造成的風險很小，不需要采取進一步的預(yù)防措施；“ALARP”是指風險介于上述2種情況之間。

根據(jù)危險識別的結(jié)果和風險的度量標準，LNG分體供氣的風險評估見表2。

由表2可見，挖砂船與供氣駁船系泊后固定在某水域作業(yè)采用LNG分體供氣時，危險源在合理可行的低風險區(qū)，但需要采取適當?shù)姆雷o措施。

表2 危險的風險指數(shù)分級表

4 危險控制措施

LNG分體供氣方式的風險控制主要從3個方面開展，①船舶合理布置，即LNG燃料艙、熱交換器、軟管、閥件及管系等在駁船上的位置和固定；②增加防護措施，即駁船上應(yīng)配備相應(yīng)的安全監(jiān)測系統(tǒng)、拉斷閥、消防設(shè)施、逃生通道和救生設(shè)備等；③加強培訓(xùn)管理，即制定詳細的操作規(guī)程、人員防護教育、處理應(yīng)急事故能力和制定應(yīng)急預(yù)案等。挖砂船和為其提供天然氣燃料的供氣駁船除應(yīng)符合《天然氣燃料動力船舶規(guī)范》和《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定外，還應(yīng)從以下方面進行風險控制。

4.1 錨纜失效

4.1.1 控制纜繩斷裂

供氣駁船系泊設(shè)備的配備應(yīng)充分考慮作業(yè)水域的氣候條件和洋流等情況，惡劣氣象條件和挖砂船航行中禁止采用LNG分體供氣。供氣駁船應(yīng)根據(jù)規(guī)范要求配備有效系泊設(shè)備，系泊設(shè)備的設(shè)計和布置應(yīng)能適合作業(yè)水域條件及靠泊挖砂船的安全操作，并考慮船舶相對運動和干舷變化帶來的影響，以防止作業(yè)期間纜繩承受過度張力[8]。系泊纜繩應(yīng)采用合成纖維的防靜電材料制成。采取正確的系纜方式[9]，船駁間采用有效可拆連接，軟管配備拉斷閥，加強纜繩維護保養(yǎng)。

4.1.2 控制駁船走錨

供氣駁船應(yīng)根據(jù)《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》要求計算舾裝數(shù)并配備有效錨和錨鏈。供氣駁船應(yīng)使用非靠泊一側(cè)來拋錨。此外，還應(yīng)加強錨泊操作培訓(xùn)和維護保養(yǎng)，制定走錨事故應(yīng)急預(yù)案[10-11]。供氣駁船在未拋錨狀態(tài)以及惡劣天氣情況下禁止向挖砂船進行供氣。

4.2 船體失效

船體結(jié)構(gòu)破損的原因主要有碰撞、冷脆等。在防碰撞方面，供氣駁船上設(shè)置醒目警示標志，并配備合適的信號燈及照明設(shè)備。另外在2船各自的2舷設(shè)置適當?shù)淖o舷設(shè)施，如沿甲板邊線連續(xù)設(shè)置鋼質(zhì)護舷材，以將靠泊或2船相對運動所產(chǎn)生的撞擊載荷分散到足夠大的船體面積上。護舷材采用加厚板或其他等效設(shè)施，其表面應(yīng)設(shè)置橡膠墊片或等效材料，以防止因船舶摩擦而產(chǎn)生火花。防止低溫冷脆方面，確保船體結(jié)構(gòu)和相關(guān)材料滿足船級社規(guī)范要求。在LNG低溫液相管路法蘭連接處或可能產(chǎn)生低溫泄漏出設(shè)置有效集液盤，防止低溫液體泄漏到船體甲板上。

駁船上失火是最大危險之一，造成火災(zāi)的原因有設(shè)備火花、電氣短路、雷電、靜電產(chǎn)生和人為因素等。為防止駁船發(fā)生火災(zāi)，燃料艙及供氣系統(tǒng)等應(yīng)布置在開敞甲板上，并設(shè)置警示標志。供氣管路連接處的危險區(qū)域內(nèi)應(yīng)選擇無火花和防爆設(shè)備，應(yīng)充分考慮供氣駁船和挖砂船之間危險區(qū)域之間的影響。駁船供氣管路的所有壓力釋放閥的出口以及可能含有天然氣釋放到大氣中的其他管路出口都應(yīng)連接到透氣總管，透氣總管的布置應(yīng)滿足《天然氣燃料動力船舶規(guī)范》的相關(guān)要求。設(shè)置有效的防雷、防靜電及雜散電流措施[12-13]。挖砂船與駁船的連接處應(yīng)設(shè)有ESD緊急切斷閥，在著火時能夠有效切斷氣體燃料。此外，還應(yīng)加強防火探測，設(shè)置火災(zāi)探測報警裝置。為迅速撲滅駁船或挖砂船上的火災(zāi)，駁船或挖砂船上應(yīng)配置有效滅火設(shè)施，滅火設(shè)施的配置不應(yīng)低于《天然氣燃料動力船舶規(guī)范》的相關(guān)要求。在挖砂船著火后為保護駁船上LNG燃料艙等設(shè)施，駁船上應(yīng)設(shè)置有效隔離降溫及滅火設(shè)施。此外，為減少駁船失火對挖砂船的影響，挖砂船上面向燃料艙的起居處所、服務(wù)處所、貨物處所、機器處所和控制站的限界面應(yīng)采用“A—60”級防火分隔，這種隔熱應(yīng)延伸至駕駛室甲板底面，或艙壁實際高度。管理方面，加強設(shè)備維護保養(yǎng)。

4.3 燃料艙失效

控制燃料艙破裂的建議如下：LNG儲存艙在駁船上的布置位置距離船舷邊應(yīng)有足夠的安全間距，以防止碰撞。駁船上應(yīng)設(shè)有醒目警示標志，使過往船舶盡量遠離。根據(jù)規(guī)范標準設(shè)計制造燃料艙和基座。燃料艙基座及其與船體結(jié)構(gòu)連接部位的強度應(yīng)進行有限元分析評估，結(jié)構(gòu)模型與邊界條件的設(shè)置應(yīng)符合規(guī)范對獨立液貨艙支座及支承構(gòu)件結(jié)構(gòu)直接計算的相關(guān)要求[14]。此外，應(yīng)提高產(chǎn)品制造安裝質(zhì)量，增強船員安全意識，經(jīng)常對燃料艙進行日常維護檢查，查看外觀是否清潔，是否存在腐蝕現(xiàn)象，基座是否牢固等。

LNG儲存在燃料艙中由于“環(huán)境漏熱”而慢慢蒸發(fā)，導(dǎo)致燃料艙的壓力逐步升高，最終危及整個燃料艙和船舶安全。因此，控制絕熱失效的建議如下：加強真空度監(jiān)測和維護檢修是否存在結(jié)霜、冒汗情況，安全附件是否完好，準備應(yīng)急預(yù)案。

4.4 供氣系統(tǒng)失效

供氣系統(tǒng)為挖砂船提供燃料的主要管系，也是導(dǎo)致嚴重事故的危險源之一。因此，整個供氣系統(tǒng)，包括閥件、附件以及管路連接的法蘭等，均應(yīng)具有較高的密封性能，確保在各工況下不會造成LNG或蒸發(fā)氣體泄漏和溢出。

控制管路泄漏的建議：駁船供氣系統(tǒng)應(yīng)布置在開敞甲板上，防止逸出氣體積聚。并進行有效防護，防止機械損傷。對駁船LNG泄漏后可能造成低溫損壞的船體結(jié)構(gòu)，應(yīng)為其提供適當?shù)谋Ｗo措施。船-駁之間連接區(qū)應(yīng)設(shè)有適當防護措施，能夠有效隔離2船之間的相互影響。參考LNG船對船加注連接的設(shè)計，2船之間供氣管路應(yīng)采用軟管進行連接，連接應(yīng)為可拆式，拆開后不發(fā)生可燃氣體泄漏(如采用具有脫開后具有自封能力的快速接頭)。供氣管路的連接管路上應(yīng)設(shè)有對天然氣燃料供氣管路進行除氣和惰化的措施，在連接處管路上應(yīng)串聯(lián)安裝1個手動截止閥和1個應(yīng)急截止閥。應(yīng)急截止閥控制系統(tǒng)的布置，應(yīng)使得應(yīng)急截止閥(包括供氣駁船所有應(yīng)急截止閥)可以在挖砂船和駁船上都能進行操作，且2船脫開狀態(tài)下，供氣駁船上燃料艙主閥應(yīng)能自動關(guān)閉。設(shè)置ESD系統(tǒng)，管系根據(jù)規(guī)范要求設(shè)計制造。如燃料艙和供氣系統(tǒng)所有監(jiān)控的設(shè)置應(yīng)滿足《天然氣燃料動力船舶規(guī)范》相關(guān)要求，除應(yīng)能在供氣駁船上顯示外，還應(yīng)能傳輸?shù)酵谏按巷@示與操作。相關(guān)產(chǎn)品應(yīng)經(jīng)船級社檢驗認可，易發(fā)生泄漏管路(特別是軟管和法蘭接頭處)應(yīng)設(shè)置可燃氣體探測報警裝置。另外，駁船在受到不明外力作用時，可能導(dǎo)致2船分離，供氣管路此時應(yīng)能夠有效安全脫開，不會產(chǎn)生大量可燃氣體泄漏。因此，供氣管路上2船連接處軟管應(yīng)設(shè)有拉斷閥，以保證在緊急情況下軟管斷開連接而不產(chǎn)生大量可燃氣體泄漏，見圖2所示。

圖2 分體式供氣連接軟管設(shè)置示意

拉斷閥應(yīng)設(shè)有合適的支撐保護，防止2船相對運動產(chǎn)生的疲勞損傷。連接軟管應(yīng)設(shè)有支撐保護，防止2船相對運動時產(chǎn)生摩擦，避免遇到可燃氣體時發(fā)生火災(zāi)或爆炸。此外，重點巡視檢查熱交換器和軟管，如：供氣期間特別關(guān)注熱交換器的進出口溫度，加熱介質(zhì)中是否有漏入的可燃氣體。

4.5 船-駁通道失效

2船之間通道的設(shè)置非常關(guān)鍵，在正常和應(yīng)急情況下，都必須保證人員的安全。因此，在駁船上應(yīng)設(shè)置人員通道，供氣駁船與挖砂船之間應(yīng)配置至少850 mm寬的人員專用通道。根據(jù)供氣駁船上最大操作人數(shù)配備救生設(shè)備，其他工作人員臨時上船應(yīng)穿戴救生衣。2船之間應(yīng)采用絕緣連接[15]，在緊急情況下斷開不會產(chǎn)生靜電火花等危險。船-駁之間所有連接可拆。駁船上應(yīng)配有安全監(jiān)控系統(tǒng)及主電源，發(fā)電機、蓄電池組均可作為主電源。供氣駁船在對砂船供氣時應(yīng)由砂船供電，蓄電池組的容量應(yīng)能在整個拖帶航程相適應(yīng)的時間內(nèi)，足以對維持供氣駁船安全所必需的用電設(shè)備供電，且至少能維持其用電設(shè)備4 h的供電。

5 結(jié)論

非自航LNG供氣駁船系泊后固定在某內(nèi)河水域作業(yè)以旁靠方式進行分體式供應(yīng)氣態(tài)天然氣燃料時，通過風險分析的方法證明在采取適當?shù)姆雷o措施后，合理可行，風險可控。該可行性分析是通過評估內(nèi)河挖砂船這種具體船型得到的，但有同樣作業(yè)環(huán)境和工況的內(nèi)河工程船均可采用分體式供氣。船舶自身不設(shè)置天然氣燃料儲存艙也可利用天然氣作為燃料，使得現(xiàn)有內(nèi)河工程船進行天然氣燃料改造有了新的布置方式可供選擇。

基于定性風險評估，對發(fā)生概率和事故后果的確定不如定量風險評估精確?？紤]到LNG傳輸過程中，船與船之間的連接軟管泄漏發(fā)生頻率高[16]，若采用定量風險評估對分體式供氣進行評價和研究，應(yīng)可以由此著手。

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Risk Analysis and Control for Inland Waterway Sand Dredger Utilizing Natural Gas in Split Mode

GUANWen-feng1, 2,MADan1,GANShao-wei1,CHENLi-jian1

(1.Wuhan Rules and Research Institute of China Classification Society, Wuhan 430022, China; 2.School of Energy and Power Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China)

To solve the problems of small space for LNG tank arrangement, low efficiency of fuel gas re-supply and replenishment on sand dredger with natural gas fueled in inland waterway, the split mode was proposed to supply natural gas for sand dredger. The risk of fuel gas supplying type could be controlled by means of hazard identification and risk analysis. After analyzing the cause of the accident involving mooring failure, hull failure and other failure, a series of risk control measures emphasized on construction and equipment were set forth for the barge and dredger.

fuel natural gas; split mode; sand dredger in inland waterway; risk analysis; control measures

U674.31

A

1671-7953(2017)06-0023-06

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.06.005

2016-12-28

2017-02-23

工業(yè)與信息化部高技術(shù)船舶科研項目(工信部聯(lián)裝[2013]412號)

官文鋒(1985—)，男，碩士，工程師。

研究方向：水上危險貨物運輸、LNG水上應(yīng)用。