内河挖砂船分体式供气的风险控制

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(1.中国船级社 武汉规范研究所，武汉 430022；2.武汉理工大学 能源与动力工程学院，武汉 430063)

内河挖砂船分体式供气的风险控制

官文锋1,2，马丹1，甘少炜1，陈立剑1

(1.中国船级社 武汉规范研究所，武汉 430022；2.武汉理工大学 能源与动力工程学院，武汉 430063)

针对内河挖砂船采用天然气燃料受限于LNG燃料舱布置不便，燃料补给、供应周转效率不高等问题，提出内河挖砂船LNG采用分体式供气方式，分析该供气方式的危险识别和风险，特别是锚缆失效、船体失效等主要危险源的成因和影响，从船舶构造和设备配备等方面提出控制措施。

天然气燃料；分体供气；内河挖砂船；风险分析；控制措施；

常规天然气燃料动力船的，其燃料储存舱或燃料罐和气体燃料发动机等用气设备安装在同一艘船舶上。现有燃油工程船舶如改造为天然气燃料船舶，由于现有燃油工程船开敞甲板区域有限，其可用的开敞甲板区域不能满足C型独立燃料舱的布置要求。在船舶油改气的探索中，个别内河湖泊小型砂船船东提出船舶天然气供应新设想，即储存液化天然气的C型独立燃料舱位于工程船之外的驳船之上，驳船液化天然气在气化加热后通过软管输送至工程船。对这种水上分体式供气的方式，一方面业界有需求，另一方面燃料供应方式新颖独特，没有成熟的应用，对其风险的分析和控制研究还处于起步阶段。为此，考虑利用风险评估的方法对新的燃料供应方式进行可行性分析。已有的研究[1]对可移式燃料罐作为船舶燃料的可行性和风险做了分析。在此基础上，分析并给出更具体的建议,更便于操作和工程实际应用。

1 基本形式

分体式供气的基本形式是在挖砂船上附近系泊固定供气驳船，在非自航的供气驳船上放置储存LNG的C型独立燃料舱、气化设备、阀件和管路等，通过接头、软管和安全装置(拉断阀等)与挖砂船上供气管路连接，直接向挖砂船上的气体燃料发动机供给气态天然气燃料。例如挖砂船在正常作业时，依靠船上的支撑腿或其他方式固定在江/湖中央位置。挖砂船的2侧分别停靠载运砂石的砂船和供气驳船。供气驳船的主要功能是为挖砂船提供气态燃料，在正常作业工况下，供气驳船需抛锚固定并通过缆绳固定在挖砂船上，2船之间设管系和电缆通道，在紧急情况下能安全断开供气驳船和挖砂船的连接。在供气驳船上LNG即将耗完时，断开供气驳船和挖砂船的连接，连接另一艘装满LNG的供气驳船即可。结束供气的驳船可回岸站或LNG加注船作业区补给LNG，再进入下一个供气循环，从而提高挖砂船燃料补给、作业效率，降低LNG加注船进入挖砂作业区进行LNG燃料加注的风险。基于对内河挖砂船的调研，根据船对船靠泊方式的不同，参照FLNG装置外输系统将分体式供气分为旁靠供气和串靠供气2种方式[2]，见图1。

图1 内河挖砂船LNG分体供气布置示意

考虑到内河挖砂船采用尾部串靠方式供气存在以下缺点：①挖砂船生活区域一般位于船艉，串靠外输供气距生活区太近，对生活区安全存在隐患；②挖砂船驱动砂泵的发动机一般位于船艏，挖砂船上天然气供气管路需要较长的管段才能输送到砂泵的发动机舱，其潜在气体泄漏风险增大；③供气驳船至挖砂船之间的燃料连接软管较长；④串靠方式所要求的系泊设施多，投资较大；⑤对FLNG而言，LNG艉部串靠外输系统没有工程应用案例，挖砂船通过艉部串靠供气方式没有现成工程实际作业经验供可以借鉴；且海上液化气体船对船均采用旁靠过驳，各项安全措施、风险控制、操作经验更成熟[3]。

因此，内河挖砂船利用旁靠进行分体式供气可能性更大，本文所述内河挖砂船分体式供气风险分析和风险控制措施均基于旁靠供气方式。

2 危险识别

挖砂船采用LNG分体供气时，LNG燃料舱与挖砂船分别位于非刚性连接的不同船体结构上，存在风浪导致的相对运动，其管路连接、2船系固、船舶碰撞等存在多个新增的安全风险。由于供气驳船存有低温易燃的LNG液体，特别是在遇到碰撞、泄漏、火灾、恶劣气候等情况时，可能给人员、船舶、航道及周边环境等带来危害[4-5]。

对LNG分体式供气的重点设备及其布置的危险源识别，主要包括锚缆失效、船体失效、LNG燃料舱失效、天然气供气系统失效、船-驳通道失效等，涉及的风险主要包括缆绳断裂、驳船走锚、船体破损、火灾爆炸、LNG燃料舱破裂、LNG燃料舱绝热失效、管路泄漏、设备失效、船-驳之间无连接。

对挖砂船采用LNG分体供气方式的危险源进行辨识，主要危险识别内容见表1。结合分体式供气方式的实际情况，参照《船舶综合安全评估应用指南》[6-7]确定风险的发生概率和产生后果见表1。

表1 LNG分体供气方式的危险识别表

续表1

注：发生概率中：5-频繁发生；4-很可能发生；3-可能发生；2-很少发生；1-极少发生。

产生后果中：1-产生后果不明显；2-产生轻微后果；3-产生主要后果； 4-产生严重后果；5-产生灾难性后果。

3 风险分析

将风险范围界定为挖砂船与供气驳船固定在某水域作业时，驳船船体、LNG燃料舱、锚缆等设备和系统的风险，不包括挖砂船航行中采用LNG分体供气的风险，不考虑驳船与挖砂船脱离后的风险(如：供气驳船拖到码头进行补给等)。由于没有实际工程项目，仅对旁靠供气这一典型布置形式可能出现的风险进行分析，针对具体项目的工程应用还应在此基础上进行细化和验证，特殊项目还应根据实际情况进行额外风险分析。

由于缺少LNG分体供气方式的详细事故统计资料，国内应用也是刚刚启动，尚无法采用F-N曲线方法完成风险的定量分析，故采用风险矩阵方法对上述危险源识别进行简化量度评估。目前最通用的风险矩阵分为3个层次：不能容忍区、合理可行的低风险区(ALARP)、可以忽略区。“不能容忍”是指除非在非常特殊的情况下，才认为风险是合理的；“可以忽略”是指造成的风险很小，不需要采取进一步的预防措施；“ALARP”是指风险介于上述2种情况之间。

根据危险识别的结果和风险的度量标准，LNG分体供气的风险评估见表2。

由表2可见，挖砂船与供气驳船系泊后固定在某水域作业采用LNG分体供气时，危险源在合理可行的低风险区，但需要采取适当的防护措施。

表2 危险的风险指数分级表

4 危险控制措施

LNG分体供气方式的风险控制主要从3个方面开展，①船舶合理布置，即LNG燃料舱、热交换器、软管、阀件及管系等在驳船上的位置和固定；②增加防护措施，即驳船上应配备相应的安全监测系统、拉断阀、消防设施、逃生通道和救生设备等；③加强培训管理，即制定详细的操作规程、人员防护教育、处理应急事故能力和制定应急预案等。挖砂船和为其提供天然气燃料的供气驳船除应符合《天然气燃料动力船舶规范》和《钢质内河船舶建造规范》的相关规定外，还应从以下方面进行风险控制。

4.1 锚缆失效

4.1.1 控制缆绳断裂

供气驳船系泊设备的配备应充分考虑作业水域的气候条件和洋流等情况，恶劣气象条件和挖砂船航行中禁止采用LNG分体供气。供气驳船应根据规范要求配备有效系泊设备，系泊设备的设计和布置应能适合作业水域条件及靠泊挖砂船的安全操作，并考虑船舶相对运动和干舷变化带来的影响，以防止作业期间缆绳承受过度张力[8]。系泊缆绳应采用合成纤维的防静电材料制成。采取正确的系缆方式[9]，船驳间采用有效可拆连接，软管配备拉断阀，加强缆绳维护保养。

4.1.2 控制驳船走锚

供气驳船应根据《钢质内河船舶建造规范》要求计算舾装数并配备有效锚和锚链。供气驳船应使用非靠泊一侧来抛锚。此外，还应加强锚泊操作培训和维护保养，制定走锚事故应急预案[10-11]。供气驳船在未抛锚状态以及恶劣天气情况下禁止向挖砂船进行供气。

4.2 船体失效

船体结构破损的原因主要有碰撞、冷脆等。在防碰撞方面，供气驳船上设置醒目警示标志，并配备合适的信号灯及照明设备。另外在2船各自的2舷设置适当的护舷设施，如沿甲板边线连续设置钢质护舷材，以将靠泊或2船相对运动所产生的撞击载荷分散到足够大的船体面积上。护舷材采用加厚板或其他等效设施，其表面应设置橡胶垫片或等效材料，以防止因船舶摩擦而产生火花。防止低温冷脆方面，确保船体结构和相关材料满足船级社规范要求。在LNG低温液相管路法兰连接处或可能产生低温泄漏出设置有效集液盘，防止低温液体泄漏到船体甲板上。

驳船上失火是最大危险之一，造成火灾的原因有设备火花、电气短路、雷电、静电产生和人为因素等。为防止驳船发生火灾，燃料舱及供气系统等应布置在开敞甲板上，并设置警示标志。供气管路连接处的危险区域内应选择无火花和防爆设备，应充分考虑供气驳船和挖砂船之间危险区域之间的影响。驳船供气管路的所有压力释放阀的出口以及可能含有天然气释放到大气中的其他管路出口都应连接到透气总管，透气总管的布置应满足《天然气燃料动力船舶规范》的相关要求。设置有效的防雷、防静电及杂散电流措施[12-13]。挖砂船与驳船的连接处应设有ESD紧急切断阀，在着火时能够有效切断气体燃料。此外，还应加强防火探测，设置火灾探测报警装置。为迅速扑灭驳船或挖砂船上的火灾，驳船或挖砂船上应配置有效灭火设施，灭火设施的配置不应低于《天然气燃料动力船舶规范》的相关要求。在挖砂船着火后为保护驳船上LNG燃料舱等设施，驳船上应设置有效隔离降温及灭火设施。此外，为减少驳船失火对挖砂船的影响，挖砂船上面向燃料舱的起居处所、服务处所、货物处所、机器处所和控制站的限界面应采用“A—60”级防火分隔，这种隔热应延伸至驾驶室甲板底面，或舱壁实际高度。管理方面，加强设备维护保养。

4.3 燃料舱失效

控制燃料舱破裂的建议如下：LNG储存舱在驳船上的布置位置距离船舷边应有足够的安全间距，以防止碰撞。驳船上应设有醒目警示标志，使过往船舶尽量远离。根据规范标准设计制造燃料舱和基座。燃料舱基座及其与船体结构连接部位的强度应进行有限元分析评估，结构模型与边界条件的设置应符合规范对独立液货舱支座及支承构件结构直接计算的相关要求[14]。此外，应提高产品制造安装质量，增强船员安全意识，经常对燃料舱进行日常维护检查，查看外观是否清洁，是否存在腐蚀现象，基座是否牢固等。

LNG储存在燃料舱中由于“环境漏热”而慢慢蒸发，导致燃料舱的压力逐步升高，最终危及整个燃料舱和船舶安全。因此，控制绝热失效的建议如下：加强真空度监测和维护检修是否存在结霜、冒汗情况，安全附件是否完好，准备应急预案。

4.4 供气系统失效

供气系统为挖砂船提供燃料的主要管系，也是导致严重事故的危险源之一。因此，整个供气系统，包括阀件、附件以及管路连接的法兰等，均应具有较高的密封性能，确保在各工况下不会造成LNG或蒸发气体泄漏和溢出。

控制管路泄漏的建议：驳船供气系统应布置在开敞甲板上，防止逸出气体积聚。并进行有效防护，防止机械损伤。对驳船LNG泄漏后可能造成低温损坏的船体结构，应为其提供适当的保护措施。船-驳之间连接区应设有适当防护措施，能够有效隔离2船之间的相互影响。参考LNG船对船加注连接的设计，2船之间供气管路应采用软管进行连接，连接应为可拆式，拆开后不发生可燃气体泄漏(如采用具有脱开后具有自封能力的快速接头)。供气管路的连接管路上应设有对天然气燃料供气管路进行除气和惰化的措施，在连接处管路上应串联安装1个手动截止阀和1个应急截止阀。应急截止阀控制系统的布置，应使得应急截止阀(包括供气驳船所有应急截止阀)可以在挖砂船和驳船上都能进行操作，且2船脱开状态下，供气驳船上燃料舱主阀应能自动关闭。设置ESD系统，管系根据规范要求设计制造。如燃料舱和供气系统所有监控的设置应满足《天然气燃料动力船舶规范》相关要求，除应能在供气驳船上显示外，还应能传输到挖砂船上显示与操作。相关产品应经船级社检验认可，易发生泄漏管路(特别是软管和法兰接头处)应设置可燃气体探测报警装置。另外，驳船在受到不明外力作用时，可能导致2船分离，供气管路此时应能够有效安全脱开，不会产生大量可燃气体泄漏。因此，供气管路上2船连接处软管应设有拉断阀，以保证在紧急情况下软管断开连接而不产生大量可燃气体泄漏，见图2所示。

图2 分体式供气连接软管设置示意

拉断阀应设有合适的支撑保护，防止2船相对运动产生的疲劳损伤。连接软管应设有支撑保护，防止2船相对运动时产生摩擦，避免遇到可燃气体时发生火灾或爆炸。此外，重点巡视检查热交换器和软管，如：供气期间特别关注热交换器的进出口温度，加热介质中是否有漏入的可燃气体。

4.5 船-驳通道失效

2船之间通道的设置非常关键，在正常和应急情况下，都必须保证人员的安全。因此，在驳船上应设置人员通道，供气驳船与挖砂船之间应配置至少850 mm宽的人员专用通道。根据供气驳船上最大操作人数配备救生设备，其他工作人员临时上船应穿戴救生衣。2船之间应采用绝缘连接[15]，在紧急情况下断开不会产生静电火花等危险。船-驳之间所有连接可拆。驳船上应配有安全监控系统及主电源，发电机、蓄电池组均可作为主电源。供气驳船在对砂船供气时应由砂船供电，蓄电池组的容量应能在整个拖带航程相适应的时间内，足以对维持供气驳船安全所必需的用电设备供电，且至少能维持其用电设备4 h的供电。

5 结论

非自航LNG供气驳船系泊后固定在某内河水域作业以旁靠方式进行分体式供应气态天然气燃料时，通过风险分析的方法证明在采取适当的防护措施后，合理可行，风险可控。该可行性分析是通过评估内河挖砂船这种具体船型得到的，但有同样作业环境和工况的内河工程船均可采用分体式供气。船舶自身不设置天然气燃料储存舱也可利用天然气作为燃料，使得现有内河工程船进行天然气燃料改造有了新的布置方式可供选择。

基于定性风险评估，对发生概率和事故后果的确定不如定量风险评估精确。考虑到LNG传输过程中，船与船之间的连接软管泄漏发生频率高[16]，若采用定量风险评估对分体式供气进行评价和研究，应可以由此着手。

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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

工业与信息化部高技术船舶科研项目(工信部联装[2013]412号)

官文锋(1985—)，男，硕士，工程师。

研究方向：水上危险货物运输、LNG水上应用。