大連海事大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院 張彬

當(dāng)LNG 船舶發(fā)生碰撞、擱淺或操作失誤等事故時(shí)，可能會(huì)引起LNG 水域泄漏。如何處理水域泄漏所帶來的災(zāi)害一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn)問題，針對(duì)此問題世界各國做了大量的工作。但目前我國LNG 水域泄漏應(yīng)急反應(yīng)機(jī)制的建立和處理技術(shù)的開發(fā)還不成熟，主要原因包括：LNG 與水之間的傳熱反應(yīng)復(fù)雜多變很難控制；LNG 溫度很低，與水接觸反應(yīng)迅速，應(yīng)急處理反應(yīng)時(shí)間較短，方案的選擇和施加步驟需要提前做好詳細(xì)預(yù)案；反應(yīng)機(jī)制的制定并未考慮泄漏位置對(duì)后果處理的影響[1-2]。

鑒于此，本文在分析現(xiàn)有應(yīng)急反應(yīng)機(jī)制特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)LNG 水域泄漏的特點(diǎn)開發(fā)高效的應(yīng)急處理技術(shù)，為加強(qiáng)LNG 船舶應(yīng)急反應(yīng)機(jī)制建設(shè)提供技術(shù)支撐與理論指導(dǎo)。

一、LNG 船舶歷史事故綜述與特點(diǎn)分析

從1964年LNG 船舶首次運(yùn)營到2008年，全球共發(fā)生188 起LNG 船舶事故。按照事故產(chǎn)生原因分類，可將LNG船舶事故案例分為八類，分別為：碰撞、觸礁/擱淺、觸碰、火災(zāi)/爆炸、裝備/機(jī)械失靈、惡劣天氣、裝載/卸載事故和貨物控制系統(tǒng)事故，事故統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1 所示[3]。

由表1 可知，在LNG 航運(yùn)早期（1964—1985年），無論是一般性船舶事故還是LNG 船特有事故，發(fā)生的數(shù)量和頻率都相對(duì)較高，而自1986年以后，隨著LNG 航運(yùn)技術(shù)及相關(guān)規(guī)范的發(fā)展和完善，事故發(fā)生的數(shù)量和頻率均大大下降。1996—2005年間，各種LNG 事故的年均發(fā)生數(shù)量為3.1 起，發(fā)生頻率僅為2.27%。截至2010年，服役的LNG船舶增至337 艘，年船量較之前大幅提高。2006—2010年間，各種LNG 事故的年均發(fā)生數(shù)量為1.2 起，雖未見年船量統(tǒng)計(jì)數(shù)字，但可以預(yù)見事故發(fā)生頻率會(huì)低于1996—2005年間的2.27%。

有數(shù)據(jù)記載的泄漏事故共23 起，最大泄漏量為100加侖，事故原因分析如圖1 所示。從圖中可知，LNG 船舶在裝卸貨階段發(fā)生泄漏的概率占整個(gè)泄漏事故的56.5%以上，航行過程中發(fā)生的泄漏事故只占8.7%。由此可見，裝卸貨過程是導(dǎo)致泄漏發(fā)生的重大風(fēng)險(xiǎn)源。

圖1 LNG船舶泄漏事故統(tǒng)計(jì)

二、現(xiàn)有LNG 船舶事故應(yīng)急措施分析

現(xiàn)有LNG 船舶事故應(yīng)急措施主要根據(jù)船舶發(fā)生事故的類型與特點(diǎn)進(jìn)行分類，包括船舶碰撞、船舶擱淺、船舶貨物管線的LNG 泄漏、船舶液貨艙未受控制的排氣、貨物失火等五個(gè)方面的應(yīng)急措施。大部分的應(yīng)急措施都是針對(duì)LNG 的低溫破壞、NG 氣體的重氣擴(kuò)散以及可燃區(qū)域控制等方面制定，主要采取監(jiān)測(cè)氣體濃度、噴灑水霧加快NG 氣體的擴(kuò)散和防止低溫破壞、利用水霧或其他消防措施進(jìn)行滅火。

表1 LNG船歷史事故隨年份變化統(tǒng)計(jì)

根據(jù)事故類型制定的應(yīng)急措施，很多內(nèi)容重復(fù)且不夠具體，未對(duì)施加應(yīng)急措施后可以獲得的效果進(jìn)行分析，使得應(yīng)急措施在被執(zhí)行后，操作者不能預(yù)知事故發(fā)展的態(tài)勢(shì)，應(yīng)急效果不佳。筆者認(rèn)為，解決上述問題最好的方式是按事故后果進(jìn)行分類，在簡化事故類別數(shù)量的基礎(chǔ)上，對(duì)事故發(fā)生時(shí)的內(nèi)在特性進(jìn)行分析，制定相應(yīng)的具有針對(duì)性的應(yīng)急處理措施，并對(duì)處理效果進(jìn)行預(yù)模擬與判斷，此方法既可以提高應(yīng)急反應(yīng)的效率，又能改善處理后達(dá)到的效果。

三、LNG 水域泄漏特點(diǎn)分析[4-5]

LNG 水域泄漏按照事故后果分可分為船舶水面泄漏和船舶水下泄漏。

(一)船舶水面泄漏

船舶水面泄漏是指LNG 船舶在航運(yùn)過程中發(fā)生碰撞、貨物管線操作失誤、液貨艙未受控制的排氣而引起部分LNG 發(fā)生在水面以上的泄漏情況，具有以下特點(diǎn)：

1.LNG 在泄漏過程中閃蒸，產(chǎn)生冷的蒸汽云團(tuán)，隨著云團(tuán)溫度的升高，蒸汽密度逐漸低于空氣密度，上浮至大氣。

2.LNG 噴射入水，產(chǎn)生一定的入水深度，可能引起爆發(fā)沸騰，產(chǎn)生超壓導(dǎo)致船舶結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步損壞。

3.LNG 在液面形成液池，液池?cái)U(kuò)展范圍取決于風(fēng)速、海況等條件。隨著液池半徑的增加，與低碳鋼船殼相接觸，導(dǎo)致船殼“脆性破裂”，同時(shí)會(huì)增加池火災(zāi)的熱輻射強(qiáng)度。

4.船殼破裂所引起的水上泄漏，可能使空氣或海水進(jìn)入到液貨艙的內(nèi)部殼體和次級(jí)薄膜之間的隔離層，盡管薄膜艙不會(huì)破裂，但可能會(huì)處于危險(xiǎn)中?？焖俚慕Y(jié)冰可能會(huì)分開內(nèi)船殼的主次薄膜。

5.形成的蒸汽云的可燃限度在可見的濃縮云范圍內(nèi)，擴(kuò)散速度取決于風(fēng)和海況，在下風(fēng)處的火源閃燃可燃?xì)鈭F(tuán)后，將從火焰前沿燃回到LNG 氣源處。

6.燃燒所產(chǎn)生的輻射熱將導(dǎo)致周圍的船舶或海上建筑物產(chǎn)生二次火災(zāi)。

(二)船舶水下泄漏

船舶水下泄漏是指LNG 船舶在航運(yùn)過程中發(fā)生碰撞、擱淺或貨物管線操作失誤而引起的發(fā)生在水面以下的LNG泄漏情況，具有以下特點(diǎn)：

1.當(dāng)LNG 船舶發(fā)生水下泄漏時(shí)，泄漏出的LNG 液體會(huì)與周圍的水進(jìn)行換熱，通過前文分析可知，換熱量和換熱速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過水面泄漏情況。

2.水下泄漏的LNG 在上浮過程中大量吸熱，因此在液面產(chǎn)生的液池尺寸、重氣量都會(huì)大幅度降低，可能不會(huì)形成液池與重氣云團(tuán)擴(kuò)散。但在此過程中極有可能誘發(fā)爆發(fā)沸騰或沸騰速率極快的沸騰形式，對(duì)船體產(chǎn)生沖擊。

3.水將進(jìn)入到內(nèi)部船體和次級(jí)薄膜之間的隔離層，急劇產(chǎn)生結(jié)冰，將使主次薄膜與內(nèi)部船體分開，引起薄膜失效的風(fēng)險(xiǎn)。

4.水進(jìn)入內(nèi)部船體和次級(jí)薄膜之間的隔離層后，導(dǎo)致給液貨的供熱增加，由此產(chǎn)生蒸氣增加，貨艙內(nèi)壓力增大，進(jìn)一步促進(jìn)LNG 從貨艙中泄漏出來。

5.在主貨艙系統(tǒng)破裂時(shí)，對(duì)于薄膜艙而言，溢出的LNG 將進(jìn)入周圍的壓載艙、管子以及海水中；對(duì)于球形艙，溢出的LNG 將進(jìn)入貨艙封閉區(qū)域，直到外部水位和貨物之間達(dá)到靜力平衡。

6.對(duì)于薄膜型船舶，貨物在壓載空間內(nèi)迅速氣化，導(dǎo)致貨物蒸氣經(jīng)由壓載艙通風(fēng)孔排出。對(duì)于球形艙船舶，LNG 泄漏到貨艙密閉空間，將和海水混合后氣化，引起密閉空間的壓力迅速增加，而被貨艙密閉空間的壓力釋放閥釋放。

7.貨物和海水液位達(dá)到靜力平衡后，在受影響的貨艙內(nèi)，氣體的蒸發(fā)將會(huì)突然增加。這種壓力需要通過受控排氣或者貨艙釋放閥排到大氣中。

8.從貨艙排氣柱、密閉空間釋放閥及壓載艙通風(fēng)口釋放出的不可控制的蒸氣，最初是冷的，可能比空氣濃重。

9.如果在可燃區(qū)域范圍內(nèi)的蒸氣云碰到火源，它將燃回到釋放源頭，引起可燃通路上的易燃物質(zhì)的二次燃燒。

10.在靜水情況下，產(chǎn)生的冰塞可能堵塞裂口，從而防止進(jìn)一步泄漏。

11.如果LNG 大量進(jìn)入壓載艙或者貨艙密閉空間，內(nèi)部和外部船殼產(chǎn)生脆性斷裂的危險(xiǎn)。

四、針對(duì)性的應(yīng)急措施

通過前文分析水面與水下LNG 泄漏各自所具有的特點(diǎn)，分別制定具有針對(duì)性的應(yīng)急處理措施。

(一)水面泄漏

1.使用泡沫控制蒸氣擴(kuò)散及輻射

將泡沫覆蓋在LNG 液池表面，由于熱量增加，會(huì)使LNG 的氣化率增大，氣化后的LNG 蒸氣穿過泡沫，溫度升高，向上飄浮，從而大大減少擴(kuò)散區(qū)。

2.限制LNG 噴射入水深度

當(dāng)發(fā)生LNG 水上泄漏時(shí)，通過布設(shè)浮板限制入水的深度，進(jìn)而限制LNG 發(fā)生爆發(fā)沸騰的可能性。但布設(shè)的浮板會(huì)減緩LNG 在水面沸騰的速度，采用此種方式時(shí)，需要配合使用水霧或泡沫覆蓋液池表面，降低LNG 蒸汽重氣擴(kuò)散的持續(xù)時(shí)間和擴(kuò)散范圍。浮板的設(shè)計(jì)見圖2。

圖2 浮板設(shè)計(jì)圖

3.在開闊水域下發(fā)生泄漏時(shí)，分析船舶穩(wěn)性和周圍環(huán)境風(fēng)向特征，在滿足條件后，啟動(dòng)棄貨系統(tǒng)（Ejetison System），將破損液貨艙的液貨抽出，噴射到遠(yuǎn)離船舶的下風(fēng)向區(qū)域，在噴射過程中可以配合使用水霧噴灑設(shè)備，縮小重氣擴(kuò)散區(qū)域和持續(xù)時(shí)間。

(二)水下泄漏

1.在有液貨艙未裝滿貨的情況下，先通過專家與船長分析船舶的穩(wěn)性，滿足要求后，再將泄漏艙的液貨駁運(yùn)到其他艙，以減少液貨的損失量，縮小受影響的區(qū)域。

2.在開闊水域條件下，船長與專家分析船舶穩(wěn)性和周圍環(huán)境風(fēng)向特征，滿足條件后，啟動(dòng)棄貨系統(tǒng)（ejetison system），將破損液貨艙的液貨抽出，噴射到遠(yuǎn)離船舶的下風(fēng)向區(qū)域，在噴射過程中可以配合使用水霧噴灑設(shè)備，縮小重氣擴(kuò)散區(qū)域和持續(xù)時(shí)間。在此過程中，要實(shí)時(shí)觀測(cè)水面氣泡生成情況，當(dāng)氣泡量大幅度減小時(shí)，停止棄貨，此時(shí)破損液貨艙內(nèi)外壓力基本相等，有利于破口被凍結(jié)的冰重新封住。在此之后，要注意控制破損液貨艙的壓力，防止由于壓力的大幅波動(dòng)，將冰封的裂口重新沖開。

五、結(jié)語

在分析水域泄漏位置對(duì)事故后果影響的基礎(chǔ)上，提出新型的LNG 水域泄漏應(yīng)急處理技術(shù)，包括限制入水深度、降低泄漏速度、噴灑泡沫和水霧等，進(jìn)一步提出根據(jù)泄漏位置進(jìn)行應(yīng)急分類與處理的新式LNG 船舶水域泄漏應(yīng)急反應(yīng)機(jī)制，簡化了判斷與選擇使用應(yīng)急反應(yīng)措施的程序。在新的LNG 船舶水域泄漏應(yīng)急反應(yīng)機(jī)制下，可以更準(zhǔn)確地預(yù)估由于LNG 船舶泄漏位置的變化所帶來的不同后果，結(jié)合機(jī)制中提出的應(yīng)急處理控制措施，達(dá)到降低事故所帶來的危害等級(jí)的效果。下一步的工作重點(diǎn)將放在對(duì)施加處理技術(shù)后的泄漏過程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)或數(shù)值模擬研究上，以比較各應(yīng)急措施的處理效果，為應(yīng)急機(jī)制的最終建立奠定數(shù)值模擬基礎(chǔ)。

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