Study on lockage safety of LNG-fueled ships based on FSA

Pengfei Lv¹,Yuan Zhuang¹, Wei Su^1*

¹ School of Navigation, Wuhan University of Technology, Wuhan, Hubei, China

* suweihyxy@whut.edu.cn (WS)

Abstract

In the present study, formal safety assessment (FSA) is introduced to investigate lockage safety of LNG-fueled ships. Risk sources during lockage of LNG-fueled ships in four typical scenarios, namely, navigation between two dams, lockage, anchorage, and fueling, are identified, and studied in combination with fundamental leakage probabilities of various components of LNG storage tanks, and simulation results of accident consequences. Some suggestions for lockage safety management of LNG-fueled ships are then proposed. The present research results have certain practical significance for promoting applications of LNG-fueled ships along Chuanjiang River and in Three Gorges Reservoir Region.

Keywords: LNG-fueled ships; Three Gorges ship lock; safety assessment; risk management

Introduction

With growing demand for energy in China, the introduction of the liquefied natural gas (LNG) can contribute to optimization of energy structures, and effectively solve energy supply problems. Moreover, the LNG can play an important role in many aspects. Recently, the use of the LNG as a ship power fuel showed favorable economic and environmental benefits. Various provinces and cities along Yangtze River started to gradually launch pilot projects involving LNG-fueled ships. As many large LNG receiving stations and wharfs are successively put into operation along Yangtze River, the number of LNG ships started to see sustainable growth. Since LNG-fueled ships have higher safety risks than ordinary cargo ships, due to its specially properties, pool fire, vapour clouds, rollover and several other types of hazards are existing, navigation safety of LNG ships appears to be particularly important.

LNG-fueled ships started to be used along Bokna Fjord in Norway in recent years. Due to the special geographic position and pivotal role of Three Gorges ship lock, the lockage of LNG-fueled ships have not yet been allowed in order to ensure the lockrsquo;s safety of operation and safety of passengers and cargoes on other ships. Due to particular hazards of LNG fuels such as inflammability and susceptibility to explosion, special and extremely strict safety management should be conducted on LNG-fueled ships. Although LNG-fueled ships have not yet become extensively popular, scholars started to conduct related research. Adachi et al. applied the discount cash flow method (DCFM) to analyze the economy of a 9300 TEU container ship fueled by the LNG [1]. The result shows that LNG-fueled container ships using a low speed diesel directly coupled propulsion system are not only more attractive as an investment being environment friendly, but also more economical than Tier III complied oil-fueled containerships. Lee et al. systematically analyzed fire risks of fuel systems of LNG-fueled ships, and performed dynamic simulations using actual navigation data [2]. Wang et al. systematically reviewed literature on LNG-fueled ships and their development prospects [3]. Zhang et al. conducted simulations on leakage diffusion behavior of LNG-fueled ships using Safer Trace software. By fitting three-dimensional simulation data on LNG leakage and diffusion behavior at different wind velocities and under different atmospheric stability conditions, they derived the relationships among the leakage amount of LNG, gas concentration, and diffusion distance [4]. Andersen et al. investigated the cost effectiveness of LNG-fueled ships [5]. Additionally, some scholars conducted simulations on the diffusion of LNG, and their results provide data support for the quantitative analysis of LNG-fueled ship accidents [6-11].

The International Maritime Organization (IMO) provided the International Code for the Construction and Equipment of Ships Carrying Liquefied Gases in Bulk (IGC Code) and The Interim Guidelines on Safety for Natural Gas-Fueled Engine Installation for Ships [12-13]. American Bureau of Standards (ABS) also provided relevant regulations and guidelines, including ABS Guide for the Propulsion Systems of Gas Carriers and ABS Guide for the Propulsion and Auxiliary Systems for Gas Fueled Ships [14]. The International Association of Classification Societies (IACS) made uniform requirements for control and safety systems of dual-fuel diesel engines. However, there is still lack of research on safety assessment and regulations of LNG-fueled ships under some special navigation conditions, such as LNG fueling, berthing and so on. With the development of Chinarsquo;s national economy, a great number of LNG-fueled ships were put into operation, where safety management must be considered when they pass through Three Gorges ship lock. The present study can provide references for investigation of feasibility of lockage of LNG-fueled ships through Three Gorges ship lock, and have certain practical significance for enhancing the safety level of inland navigation of LNG-fueled ships. In this paper, risk events causing loss of lives are mainly considered.

In this article, a theoretical system of formal safety assessment (FSA) is first introduced in Section 1.The identification of the risks of LNG-fueled ships in four typical scenarios, namely, navigation between two dams, lockage, anchorage for berthing and unberthing, and fueling, are described in detail in Section 2. In Section 3, risk assessment of the lockage of LNG-fueled ships is conducted from two aspects, probability and consequences, and

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基于FSA的LNG燃料动力船舶过闸安全性研究

摘要:本文将综合安全评估(FSA)引入LNG燃料动力船舶过闸安全性研究中，从典型事故情景方面对LNG燃料动力船舶的过闸进行了风险源辨识，在此基础上结合LNG储罐部件基础泄漏概率和事故后果模拟结果，对LNG燃料动力船舶两坝间航行、过闸、锚泊和燃料加注等典型情景进行了风险分析，最后提出了LNG燃料动力船舶过闸安全管理建议。本文的研究成果对推进LNG动力船舶在川江及三峡库区的应用具有一定现实意义。

关键词：LNG燃料动力船舶；三峡船闸；安全评价；风险管理。

0 引言

随着中国对能源需求的不断增长，引进液化天然气（Liquefied Natural Gas，LNG）有利于优化能源结构，有效解决能源供应问题，并且在诸多方面将会发挥重要作用。近年来，由于LNG作为船舶动力燃料拥有良好的经济性和环保性，长江沿岸各省市已逐步开展LNG燃料船舶的试点工作。随着长江沿线许多大型LNG接收站和码头相继投产营运，LNG燃料动力船舶数量将会持续增长，LNG船舶较普通货船安全风险高，由于其特殊的性能，存在着池火，蒸气云，侧翻和其他几种危害，因此LNG燃料动力船舶的航行安全显得尤为重要。

由于LNG燃料动力船舶近年才开始在挪威的博克纳峡湾沿线使用，加之三峡船闸特殊的地理位置和关键枢纽作用，为保证三峡船闸安全运行及其他过闸船舶上的旅客、货物的安全性，目前LNG燃料动力船舶尚未被允许过闸。虽然LNG燃料具有易燃、易爆等特殊危险性，但正是由于其自身的危险性决定了LNG燃料动力船舶安全管理的特殊性和严格性。虽然LNG燃料动力船舶目前尚未被广泛推广，但已有学者对其开展了相关研究。Adachi等人^[1]运用现金流贴现模型（Discount Cash Flow Method, DCFM）对一艘以LNG为动力的9300 TEU集装箱船进行了经济性分析。结果表明，采用低速柴油机直接耦合推进系统的LNG燃料集装箱船不仅具有环保投资的吸引力，而且比三级燃油集装箱船更经济。Lee等人^[2]对LNG燃料动力船燃料供应系统开展了火灾风险分析，运用实际航行数据进行了动态过程仿真。Wang等人^[3]对已有LNG燃料动力船相关文献进行了系统性回顾，并展望了LNG燃料动力船的发展前景。Zhang^[4]运用 Safer Trace软件仿真LNG动力船燃料泄漏扩散行为，对仿真获得的不同风速、不同大气稳定度条件下 LNG泄漏扩散的三维数据进行拟合分析，得到了不同气象条件下 LNG 泄漏量与气体浓度和扩散距离之间的关系。Andersen等人^[5]LNG燃料动力船舶开展了成本效益分析。此外，还有学者针对LNG的扩散开展了一系列仿真实验，为LNG燃料动力船舶事故定量分析提供了数据支撑^[6-11]。

目前对于气体动力船，国际海事组织（IMO）制定了国际散装运输液化气船舶构造和设备规则（IGC Code）、船用天然气燃料发动机安装安全临时准则^[12-13]。美国船级社（ABS）也在此领域制定了规则和指南，主要包括ABS气体运输船推进系统指南和ABS燃气船推进和辅助系统指南等^[14]。国际船级社协会（IACS）则对双燃料柴油机控制和安全系统作出了统一要求。然而，针对LNG燃料动力船舶在特定场景下航行的安全评估及规范还较为缺乏。随着国民经济的发展，LNG燃料动力船舶大量投入运营，我国内河LNG燃料动力船舶必然涉及到通过三峡船闸的安全管理问题。本研究可为LNG燃料动力船舶通过三峡船闸的可行性提供参考，对提高内河LNG燃料动力船舶的安全水平具有一定现实意义。在本文中，主要考虑导致生命损失的风险事件。

本研究第一章中介绍了综合安全评估理论体系，第二章对LNG燃料动力船舶在两坝间航行、过闸、锚地靠离泊、燃料加注过程四个典型情景进行危险识别。第三章从概率及后果两方面对LNG燃料动力船舶过闸开展风险评估，并结合相关标准进行对比分析。第四章根据风险评估的结果，提出LNG燃料动力船舶过闸安全管理建议。

1 综合安全评估(FSA)理论体系

1.1FSA简介

综合安全评估(FSA)是一种在工程技术与工程运行管理中用于制定合理可行的规则和提供风险控制的综合性、结构化、系统性和可行性的分析办法^[15]。它通过采用规范化的5个步骤，全方位地对船舶设计、检验、营运、航行的相关项目进行综合评估，以有效地提高海上人命、船员健康、海洋环境和船舶与货物财产资源等方面的海上安全程度。

与其他的一些安全评估方法相比，FSA所采用的评估步骤更为规范与合理。它是一种后验性加预期性的规范化安全评估方法。通过这种方法得出评估的结果更为正确可信，并可以在较长时间内加以引用。另外，以往和现行的一些安全评估大多采用了定性的方法进行分析与评估，而FSA可在风险评估及风险控制方案的基础上，对实施每一控制方案所产生的相关费用和效益情况与数据进行详细的计算和统计，进行细节性的量化分析与评估，并能根据费用与效益比的实际情况对安全要求作出最终的合理决策^[16]。

1.2FSA步骤

FSA包括了危险识别、风险评估、风险控制方案、费用与效益评估和提供决策建议5个规范化评估步骤（如图1所示）。

图1 FSA方法流程图

Fig.1 FSA flow

（1）危险识别：是综合安全评估的第一步，其目的是对所界定的评估系统项目中可能存在的所有危险加以识别，然后将这些危险按照不同的危险程度排列出相应的清单，以便进一步分析主要危险。

（2）风险评估：是在确定风险的存在及其客观分布情况的基础上，分析影响风险程度的各种因素，通过主次排列的方法找出高风险区和关键性的风险因素，并分析事故发生和事故后果之间的关系，以便于对现有的标准或规定加以修改和制定新的标准或规定，达到减少风险存在和发生的目的。

（3）风险控制方案：是在危险识别以及风险评估的基础上，针对性地提出相应降低风险的措施，并根据这些措施制定具体确实可行的风险控制方案，包括制定和修改一些标准与规定。

（4）费用与效益评估：是估算和评价“风险控制方案”中每种风险控制方案所产生的费用和受益费用。将风险控制方案进行排列，以便于在“提供决策建议”的步骤中提出合理的决策建议。

（5）提供决策建议：是在对危险和潜在原因的比较和排序和对风险控制方案的费用与效益评估的比较排序的基础上提出相应合理的决策建议。

FSA主要有三种基本的流程形态：1-2-5；1-2-3-5以及1-2-3-4-5^[17]。通常情况下，风险控制方案的制定以及费用与效益评估需要评价对象所属领域内的各类专业人员会同分析，否则难以计算。这也是目前实施FSA过程中省略步骤（3）和（4）的主要原因。本文采用1-2-5流程，对LNG燃料动力船舶通过三峡船闸的安全性进行研究。

2 LNG燃料动力船舶过闸危险识别

本研究针对LNG燃料动力船舶在两坝间航行、过闸、锚地靠离泊、燃料加注过程四个典型情景进行危险识别。

（1）两坝间航行

LNG船舶通过坝区水域时其通航安全受到多方面因素的影响，主要有相关参数和坝区通航环境（包括水流、风、能见度、助航标志、船舶交通流）。事故种类主要为船舶触礁、船舶触碰建筑物以及船舶碰撞事故。事故致因主要与船舶安全性、外部通航环境以及船员驾驶行为有关^[18]。事故后果分为普通触碰事故和二次危害。

（2）过闸

通常，船舶以相对较低的速度通过船闸，因此发生碰撞事故的危害较小。BOG（Boil-Off Gas，LNG蒸发气）排放是LNG船舶火灾的主要风险。长江三峡坝区交通流量较大，特别是船舶通过坝区时采用统一编组通过船闸的模式，在闸室内船舶间距较小，船舶一旦发生火灾事故可能引起闸室内其他船舶失火，造成严重的二次危害，故船舶过闸时面临的主要风险为火灾事故。其主要致因为：船舶在船闸排队等待时间较长，受持续高温天气影响，LNG储罐系统内部压力增大，压力释放阀开启，LNG蒸气从透气管出口排出，遇到明火有可能发生火灾；船上少数作业人员由于安全意识较差，在LNG燃料动力船内及附近危险地带吸烟，可能引发船舶火灾^[19]。

船舶在过闸时，一旦发生火灾事故，由于闸室的密闭性，火势将迅速蔓延，同时，对闸室和其他船舶造成严重影响，后果非常严重。

（3）锚地靠离泊

由于锚地水域作业繁忙，由于人为因素、船舶、环境、管理各方面的问题，船舶在航区航行时，可能造成碰撞、触损事故，对相关作业人员、碰撞船舶、建筑物造成较大危害^[20]。LNG燃料动力船舶在锚地的风险主要为船舶碰撞和触损事故。

（4）燃料加注

由于人为操作失误、设备品质不过关、失效磨损等原因，可能会引起加注软件破损、法兰连接处失效等，造成LNG泄漏扩散。LNG在加注过程中的主要风险为管道破裂及过充。事故致因主要为：加注管路法兰连接处泄漏；回气管法兰连接处泄漏；连接LNG槽车的接地线和固定线的危险；LNG柔性软管破裂；LNG加注臂失效；加注罐与受注罐温度不对以及紧急情况快速断开装置失效或缺失^[21]。

考虑到LNG燃料动力船舶相对于普通船舶的差异性，LNG燃料动力船舶在过闸发生事故，有可能造成人员死亡以及较大的经济损失；LNG燃料动力船舶机舱、生活区发生火灾，有可能造成LNG储罐保温层失效，造成LNG火灾/爆炸，使暴露在外的作业人员受伤。根据上述危险识别分析结果，可得到LNG燃料动力船舶航行及过闸面临的事故风险，如表1所示。

表1 LNG燃料动力船舶航行及过闸中面临的事故风险

Table 1 Risk of LNG fuel ship navigation and lockage

3 LNG燃料动力船舶过闸风险评估

由以上危险识别结果可知，LNG燃料动力船通过三峡船闸航行及过闸中面临的事故风险大部分与LNG储罐泄漏有关。可能发生的典型泄漏模式包括瞬时泄漏和连续泄漏两种。影响泄漏源强的主要因素是泄漏口的尺寸和形状，扩大或缩小泄漏尺寸会对事故后果发生场

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