大型雙燃料集裝箱船LNG船對船加注關(guān)鍵技術(shù)及安全管理

陳 海 丁寶喜 楊萬博 楊恒兵

由于大型雙燃料集裝箱船具有LNG燃料加注量大、作業(yè)頻次高的特點(diǎn)，船東更愿意選擇加注效率高、作業(yè)靈活的船對船加注方式。

近年來，LNG作為船舶燃料在內(nèi)河干散貨船、渡輪、集裝箱船等船型的陸續(xù)成功應(yīng)用為大型遠(yuǎn)洋雙燃料船舶LNG燃料加注的安全性和可操作性夯實(shí)了基礎(chǔ)，但航運(yùn)業(yè)仍然對LNG燃料加注過程中可能存在的燃?xì)庑孤?、燃?xì)饩奂?、火?zāi)爆炸等不確定因素存在顧慮。本文以大型雙燃料集裝箱船為對象，研究船船加注風(fēng)險(xiǎn)、加注系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范以及加注安全管理等問題。

LNG船對船加注風(fēng)險(xiǎn)分析

由于大型雙燃料集裝箱船在營運(yùn)期間具有LNG燃料加注量大，作業(yè)頻次高的特點(diǎn)，船東更愿意選擇加注效率高、作業(yè)靈活的船-船加注方式。船-船加注類似于LNG運(yùn)輸船海上過駁，兩者基本作業(yè)流程相似。假定受注船為首次加注，主要流程包括如下：

1、加注系統(tǒng)干燥惰化：燃料艙及加注管路分別通過惰性氣體發(fā)生裝置（PSA）產(chǎn)生的干燥氮?dú)膺M(jìn)行干燥、惰化，直至達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)；

2、船船安全靠泊：在完成加注船與受注船的兼容性評估的前提下，加注船和受注船在既定海域進(jìn)行靠泊，并完成錨泊等加注準(zhǔn)備工作；

3、加注管路對接：將加注船上的加注軟管與受注船管路對接，利用惰性氣體對連接處的加注管路進(jìn)行吹掃，并按要求進(jìn)行密性試驗(yàn)；

4、監(jiān)測及報(bào)警系統(tǒng)連接：加注作業(yè)安全分別由加注船和受注船各自的獨(dú)立安全監(jiān)測系統(tǒng)保障，且信息交互。在加注前，完成ESD系統(tǒng)冷、熱態(tài)試驗(yàn)等物理連接和調(diào)試。在所有物理連接和調(diào)試完成后，進(jìn)行正式加注前檢查確認(rèn)；

5、受注船燃料艙及加注管路預(yù)冷：首先利用加注船上的低溫液體將加注管路預(yù)冷至設(shè)計(jì)溫度，再進(jìn)行燃料艙預(yù)冷，在預(yù)冷作業(yè)的同時(shí)，完成LNG氣體置換。作業(yè)過程中，燃料艙的溫降不超過每小時(shí)10℃；

6、受注船燃料艙加注：當(dāng)受注船燃料艙預(yù)冷達(dá)到加注要求后，可進(jìn)行正式加注作業(yè)。加注過程中，需持續(xù)監(jiān)測燃料艙的壓力和溫度，直至加注完成；

7、解除加注管路和監(jiān)測系統(tǒng)：加注完成后，按程序解除船船連接。加注管路解除前需進(jìn)行吹掃和惰化，達(dá)到要求后，再進(jìn)行拆除作業(yè)。若加注管路接頭處因低溫被凍住，可利用船上消防水沖洗解凍；

8、船-船解纜離泊：當(dāng)加注船和受注船加注連接解除后，按要求完成船-船加注后檢查和加注交付單交接，雙方確認(rèn)無誤后，加注船與受注船解纜離泊，加注作業(yè)完成。

作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)影響因素

分析船-船LNG加注的全作業(yè)流程，可以看出加注作業(yè)中受影響的基本因素可分為設(shè)計(jì)因素、人為因素、管理因素以及環(huán)境因素。上述因素之間也相互聯(lián)系、相互作用，使加注作業(yè)過程中風(fēng)險(xiǎn)防控更加復(fù)雜化。

1、設(shè)計(jì)因素在加注作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)防控中起決定性作用。加注和監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮安全性、可靠性和冗余度，可避免作業(yè)過程中可能產(chǎn)生的系統(tǒng)組件失效、破損、泄漏等風(fēng)險(xiǎn)。例如，貨物控制系統(tǒng)故障、ESD系統(tǒng)失效、加注管路或閥件破損貨泄漏等；

2、人為因素是最不可控也最為核心的因素。由于船岸操作人員的錯(cuò)誤行為、失誤行為、技能水平低等不利因素，可能會(huì)導(dǎo)致船船靠泊失敗碰撞、加注臂或加注軟管拉斷、流程轉(zhuǎn)換作業(yè)時(shí)閥件誤操作等；

3、管理因素在加注作業(yè)過程中起主導(dǎo)作用。操作人員的定期知識(shí)培訓(xùn)、應(yīng)急演練以及對加注相關(guān)設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)，將能夠高效的處置作業(yè)中的突發(fā)狀況。例如，燃料艙超壓、貨物泄露發(fā)生火災(zāi)或爆炸、人員凍傷或窒息等；

4、環(huán)境因素是實(shí)施加注作業(yè)的前提，可分為通航環(huán)境和自然環(huán)境。通航環(huán)境主要考慮加注作業(yè)區(qū)域船舶流量、水深條件、通航秩序等。自然環(huán)境主要考慮加注作業(yè)時(shí)風(fēng)浪、潮汐、雷爆等氣象條件。

LNG燃料加注作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)控制，可分別從規(guī)范加注系統(tǒng)和監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)衡準(zhǔn)、加注作業(yè)分階段實(shí)施安全管理等方面，提高船對船加注作業(yè)的安全性和穩(wěn)定性。

加注站系統(tǒng)和安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、受注船參數(shù)

大型雙燃料集裝箱船的LNG燃?xì)庥脩糁饕兄鳈C(jī)、發(fā)電機(jī)、鍋爐。其中，鍋爐可兼做燃?xì)馊紵鳎℅CU），且供氣模式為自由供氣，供氣壓力約為0.2barg。各燃?xì)庥脩魠?shù)如見表1：

為滿足燃?xì)庥脩舻男枨?，該船型設(shè)有艙容為14000m的MARK III燃料艙，并通過燃?xì)庀到y(tǒng)供應(yīng)。燃料系統(tǒng)為低壓燃?xì)夤庀到y(tǒng)，由BOG壓縮機(jī)和強(qiáng)制蒸發(fā)兩種供氣模式組成。其中，BOG壓縮機(jī)供氣主要作用是控制燃料艙因吸熱引起的壓力上升，避免燃料艙超壓。而強(qiáng)制蒸發(fā)供氣是船舶雙燃料模式的主要供氣方式。

2、加注站系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）加注站系統(tǒng)組成

大型雙燃料集裝箱船作為受注船，其加注站系統(tǒng)由氣相管、液相管、吹掃管路、各類閥件以及儀表組成，見圖1。系統(tǒng)配置主要包括：

①加注管應(yīng)設(shè)置惰性氣體吹掃管路，以便在加注準(zhǔn)備階段對加注管路進(jìn)行惰化，在加注完成后吹掃加注管內(nèi)的殘液；

②加注管路靠近快速接頭處應(yīng)串聯(lián)設(shè)置兩個(gè)截止閥。其中，1個(gè)為手動(dòng)截止閥，1個(gè)為遙控截止閥，兩個(gè)閥之間的管路需配置安全閥，以免憋液導(dǎo)致管路破裂?；虬惭b1個(gè)手動(dòng)和遙控組合閥；

③配置相關(guān)儀表，監(jiān)測液相管液貨溫度、壓力和氣相管壓力。

（2）加注管路管徑計(jì)算

船對船加注時(shí)，首先選擇管徑一致的目標(biāo)加注船，減少變徑引起壓力損失，現(xiàn)今營運(yùn)和在建的加注船加注管徑多為8英寸。如暫無目標(biāo)加注船需根據(jù)加注時(shí)間、加注流速要求進(jìn)行管徑計(jì)算，通常加注時(shí)間控制10h以內(nèi)，液相管流速控制10m/s，氣相管流速控制在40m/s以內(nèi)。

以該船型為例：燃料速率為1400m/h，加注系統(tǒng)包括2根8英寸液相管和1根8英寸氣相管，2根液相管合并成一根10英寸加注總管。經(jīng)過計(jì)算，液相管內(nèi)介質(zhì)流速為：

①8英寸支管為6.60m/s，見圖2；

②10英寸支管為8.07m/s，見圖3，均在10m/s安全范圍內(nèi)；

③氣相管內(nèi)介質(zhì)流速為32.99m/s，見圖4，在40m/s安全范圍內(nèi)。

圖2 8英寸加注液相總管速率

圖3 10英寸加注液相總管速率

圖4 加注氣相總管速率

（3）加注站布置工藝

加注站布置主要分為開敞式和半敞開式。雙燃料液化氣船/散貨船等具有平直開敞甲板的船型一般采用開敞式裝卸站。雙燃料集裝箱船、滾裝船、公務(wù)船等一般采用半敞開式裝卸站。由于集裝箱船的貨艙或者上建區(qū)域空間狹小，半敞開式裝卸站嵌入時(shí)，布置難度較大。本文以半敞開式裝卸站布置為研究對象，布置工藝見圖5。根據(jù)SGMF規(guī)范推薦，雙燃料集裝箱船加注站基本的工藝布置原則如下：

圖5 加注站布置工藝圖

①裝卸總管的布置可以選擇三根，其中液相管2根，氣相管1根；也可以選擇2根，其中液相管1根，氣相管1根；

②加注站ESD閥一般采用液壓式或電液式帶位置反饋；

③為盡可能減少軟管拆卸引起的LNG泄漏量，需要配置干式快速接頭；

④為避免泄漏的LNG直接低落在甲板上，導(dǎo)致鋼板脆化，因此在法蘭連接下方設(shè)置集液盤保護(hù)；

⑤加注軟管為特殊材料制成，對彎曲半徑要求嚴(yán)格，需要用專用軟管鞍座進(jìn)行引導(dǎo)；

⑥為避免軟管破裂后LNG拋灑到船體外板上，在加注站外緣設(shè)計(jì)船體外板水幕保護(hù)。

加注安全監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

安全監(jiān)測系統(tǒng)主要包括船岸聯(lián)接系統(tǒng)和ESD應(yīng)急切斷系統(tǒng)。根據(jù)IGF規(guī)范要求，雙燃料液化氣船應(yīng)配備1套船岸聯(lián)接系統(tǒng)（SSL）或等效設(shè)施，用于與加注方進(jìn)行自動(dòng)和手自動(dòng)應(yīng)急切斷（ESD）。

船岸聯(lián)接系統(tǒng)主要有三種連接方式：光纖、電氣和氣動(dòng)軟管。新造加注船和受注船更多選用光纖和電氣兩種連接方式。除非船東有特殊要求，光纖和電氣可作為船岸聯(lián)接的標(biāo)準(zhǔn)配置進(jìn)行推廣。光纖和電氣船岸聯(lián)接示意圖，見圖7。

加注作業(yè)安全管理對策分析

圖6 船岸聯(lián)接系統(tǒng)圖

圖7 光纖和電氣船岸聯(lián)接示意圖

當(dāng)雙燃料船舶的加注系統(tǒng)和安全監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)完善且規(guī)范時(shí)，加注作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)控制主要依賴于作業(yè)過程中逐階段的安全管理?？蓞⒄諊鴥?nèi)外成熟的做法，將針對不同關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)的安全管理分為加注前安全性評估、加注作業(yè)前檢查、加注作業(yè)合規(guī)操作、加注作業(yè)后檢查四個(gè)階段相應(yīng)落實(shí)。

1、加注前安全性評估

船船靠泊前可由岸基支持和船員進(jìn)行加注雙方作業(yè)兼容性和安全性評估。兼容性評估主要包括加注作業(yè)設(shè)備及其接頭尺寸、通訊系統(tǒng)以及ESD系統(tǒng)等參數(shù)匹配。安全性評估主要包括作業(yè)區(qū)域水文氣象信息確認(rèn)、雙方船舶危險(xiǎn)區(qū)域、以及兩船系泊程序及等信息交流。

2、加注作業(yè)前檢查

(1)加注作業(yè)前，加注雙方應(yīng)對消防系統(tǒng)、ESD系統(tǒng)連接、生活區(qū)開口關(guān)閉、通訊系統(tǒng)連接等開展自檢和互查，并且應(yīng)對部分系統(tǒng)的可靠性做必要的測試；

(2)作業(yè)前會(huì)議及作業(yè)計(jì)劃商定。雙方召開作業(yè)前會(huì)議，確認(rèn)檢查中不符合項(xiàng)整改完成后，商定加注作業(yè)計(jì)劃和安全保障措施，如確認(rèn)加注系統(tǒng)連接、ESD緊急關(guān)閉程序、泄漏應(yīng)急操作程序等。

3、加注作業(yè)操作

加注作業(yè)操作的泄漏風(fēng)險(xiǎn)主要集中于加注管路連接、惰化以及吹掃操作。

(1)加注管路連接。不同的加注連接設(shè)備，例如使用機(jī)械加注臂和低溫?cái)_撓性軟管加注時(shí)，應(yīng)分別按照相應(yīng)操作程序和作業(yè)安全要求連接管路；

(2)管路惰化和含氧量監(jiān)測。根據(jù)天然氣爆炸極限范圍及IGC規(guī)則的要求，加注系統(tǒng)經(jīng)惰化至氧氣體積含量應(yīng)不超過1%后，惰化操作停止。

(3)NG吹掃操作。加注結(jié)束后，其液相和氣相管路內(nèi)還留存液化天然氣殘液，需NG吹掃，避免殘夜氣化聚集或排放至大氣。

4、加注作業(yè)完成后檢查

作業(yè)后檢查。加注作業(yè)完成后，可參考《液化天然氣船對船傳輸作業(yè)指南》行業(yè)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)制定加注管路連接斷開前進(jìn)行的檢查項(xiàng)目表。

結(jié)論

本文以大型雙燃料集裝箱船為研究對象，分析LNG燃料船對船加注流程和作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)產(chǎn)生的基本因素，提出一種適用于此類船型的加注系統(tǒng)和安全監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案以及加注作業(yè)的安全管理措施，得出以下結(jié)論：

1、規(guī)范和完善加注站系統(tǒng)設(shè)計(jì)、布置以及配備安全監(jiān)測系統(tǒng)，可以有效的將船對船加注作業(yè)危害發(fā)生的概率和后果限制到最??；

2、半敞開式裝卸站布置工藝適用于集裝箱船等空間有限的船型，其系統(tǒng)的組成可參照SGMF規(guī)范配置；

3、安全監(jiān)測系統(tǒng)主要包括船岸聯(lián)接系統(tǒng)和ESD應(yīng)急切斷系統(tǒng)。為確保船岸聯(lián)接系統(tǒng)較好的維護(hù)性和操作的便利性，首選光纖和電氣連接；

4、船對船加注的安全管理應(yīng)分別在作業(yè)前、作業(yè)中以及作業(yè)后按照相應(yīng)的規(guī)范的操作程序執(zhí)行，并應(yīng)達(dá)到相應(yīng)的安全標(biāo)準(zhǔn)。