0 引　言

混合动力船舶是指使用2种或者2种能量以上的作为动力的船舶^[1]。近年来，环境污染问题对人类发展产生了较大的影响,所以对于船舶污染问题也是不容忽视的^[2]。虽然液化天然气(LNG)船具有绿色低碳、节能减排的优点，但是它具有燃烧不充分，尾气排放的缺点。纯电动船的电池也存在价格太贵，充放电不方便的缺点。相比较而言，混合动力船舶短途航行时若不使用LNG，其优点为可以减少二氧化碳的排放^[3]；与电动船相比，无需大规模电池组，成本较低；电量不足的情况下，能用LNG发电，功率更高，使得它的续航能力显著提升。

当混合动力电动船停泊加注时，不得不考虑泄漏时发生明火对电池舱的影响。LNG本身具有火灾特性，当加注时发生泄漏，若遇明火容易燃烧爆炸，而电池同样是在高温下易发生热失控甚至爆炸。因此本文分析在LNG加注时，LNG泄漏发生燃爆是否会对船上的电池也造成难以估计的影响，所以本文的研究具有重要意义。

1 水上加注原理

LNG加注的要求需达到安全无危险性、经济性与可操作性三者相结合的结果。LNG加注系统如图1所示。其基本的原理为用泵将加注软管把LNG输送至被加注方的气罐内^[4] 。管线及LNG气罐在速度变化率比较大的时候，容易导致很大的冷收缩，其产生的应力容易使材料产生比较大的屈服点，会使连接部位损坏^[3]。在加注LNG之前或是加注之后经过了2周之后的LNG气罐成为“热罐”，进行LNG加注之前，需对热罐进行预冷处理^[5]。

2 泄漏概率计算

根据挪威船级社（DNV）公布的数据，荷兰研究小组在所得到的数据和日本惠美洋彦统计的泄漏概率归纳如表1所示^[3]。

管道发生泄漏时的概率主要与管道尺寸大小和泄漏的孔径大小有关，泄漏的计算公式为^[3]：

$ {F_{full}} = 8.0 \times {10^{ - 6}}\left( {1 + 1000{D^{ - 1.3}}} \right){d^{ - 1.42}} 。$

(1)

式中：D为管道的直径，mm；d为泄漏孔的直径，mm；F_full为泄漏孔径≥d累计泄漏概率，a⁻¹。

加注工程中，LNG加注的管路的内径越小，越趋于安全。通常我国内河船舶的加注管道内径为50 mm，因此软管内径取值为50 mm。

本船航区在内河A级航区的京杭大运河，主甲板尾部有一个容量为5 m³LNG储罐，机舱放置有电池，每个电池箱的容量为6 kW·h，一共有40个电池箱，总电量为240 kW·h，具体参数如表2所示。

通过表1及式(1)可以计算不同的部件孔径泄漏时，发生相应泄漏的概率，如表3所示。

3 事故评估准则与泄漏场景计算 3.1 扩散浓度安全准则

本文研究LNG加注发生泄漏时发生燃爆对电池造成的影响。根据化工安全技术手册可知，甲烷浓度小于2.2×10⁴ ppm不会对周边人员与环境造成影响；当甲烷浓度大于2.2×10⁴ ppm，遇到明火可能会发生火灾。甲烷浓度具体影响如表4所示。

3.2 火灾伤害准则

中国科学技术大学研究团队通过锂离子电池燃烧测试实验，发现三元锂和磷酸铁锂离子电池发生热失控的温度均低于140℃，且受撞击时可引起爆炸^[2]，因此将12.5 kW/m²作为锂电池热失控的最低标准。热通量准则如表5所示。

3.3 爆炸伤害准则

因蒸气压云爆炸后空气剧烈扰动所形成的冲击波对周围环境的破坏^[3]，如表6所示。

3.4 Phast软件介绍

Phast全称是危险源分析软件工具，该软件中的数学模型一般用于计算油气所产生安全事故的后果及影响。本文通过对3种泄漏场景下的LNG泄漏浓度扩散以及燃爆影响的分析，对泄漏角度与水平夹角呈30°，60°，90°的3种角度进行模拟分析，最后得到泄漏角度与水平夹角呈60°的泄漏能造成的影响更为严峻，因此选择与水平夹角呈60°泄漏进行分析。

3.5 天气参数设定

LNG泄漏质量流率计算公式如下^[7]：

$ {q_m} = {C_d}A\rho \sqrt {\frac{{2(P - {P_0})}}{\rho } + 2gh} 。$

(2)

式中： $ {{{q}}_m} $ 为LNG泄漏的质量流量，kg/s； $ {{{C}}_{{d}}} $ 为无量纲液体泄漏系数，对于液体通常取0.60～0.65；A为泄漏口面积，m²； $\rho $ 为LNG液体密度，kg/m³；P为容器内介质压力，Pa；P₀为环境大气压力，Pa；h为液面与泄漏口的高度差，m^[8]。

该船舶航行于京杭大运河区域(A级航区)，取该流域扬州地区的部分作为参照。其年平均气温为15.1℃，夏季平均气温为25℃。年平均风速为3.2 m/s。大气稳定度取中性（D），即相对稳定。极端条件下（有强降雨天气或6级以上的大风10.8 m/s），应停止充装作业。本文选择易发生、可能发生和最危险3种场景进行模拟分析^[2]，监测时间选择30 s，释放高度为4.381 m。表7为3种泄漏场景的具体参数。

4 事故后果模拟 4.1 易发生场景

在易发生场景下，小孔径泄漏孔径为6.35 mm。由图2可得，LNG泄漏后，接触大气迅速转化为气态，天然气在初始角度下以气态的形式向上爬升。由于浓度低于22 000 ppm，再往前扩散，浓度便低于该浓度，该区域不会引起燃爆，处于绝对安全位置。扩散距离在4.78～8.55 m之间，该区基本不可能发生爆炸，属于相对安全区域。扩散距离在1.23 m～4.78 m之间，属于易燃易爆区域^[2]。扩散距离在1.23 m内时，属于极易燃易爆区域。

若该区域发生事故产生火灾时，可以从图3得到火灾辐射从0～4.98 m之间一直在递增，最后达到最高水平3.48 kw/m²，之后在4.98～11.05 m之间一直递减，最后在11.05 m消失。整个过程热辐射水平远远小于准则中最低参照值12.5 kW/m²，因此浓度扩散中即使失火点燃天然气也不会对建筑造成任何伤害。

4.2 可能发生场景

泄漏孔径为25.4 mm，属于中孔径泄漏。因为泄漏孔径过大，不但会有爆炸的情况产生，而且还会产生液池。

由图4可知，LNG泄漏时，由于孔径较大，一部分蒸发转化为气体，另一部分仍然为液相传播。最后由于密度的原因，以气液相的状态，传播高度慢慢降低，最远可传播至21.76 m，在该距离之外，属于绝对安全区域。

由图5可知，爆炸是有一定范围的，选择浓度为22 000 ppm，扩散距离为20 m，该处是爆炸影响最大的地方。按参照建筑物破坏超压准则，将建筑物破坏等级分为4个等级，分别为A，B，C，D。超压阈值分别为0.2 bar，0.1 bar，0.07 bar，0.05 bar。

可能发生场景下容易产生液池，根据式（2）可以得到泄漏速率2 kg/s。如图6所示，泄漏初期，斜率较大，液池半径越来越大，随后斜率变小；在30 s到达最大半径，最高的泄漏半径可以达到2.05 m。

液池在遇到明火的情况下会发生池火灾，池火灾是各种火灾中影响较大的一种，因此对它的分析必不可少。由于电池舱在LNG储罐下方，故主要分析侧风距离。如图7所示，在顺风距离5.79 m开始发生热辐射，侧风距离为（−4.22，4.22）m这段区间，热辐射强度为12.5 kW/m²。在（−2.47，2.47） m区间内，热辐射强度为12.5 kW/m²。在（−2.33，2.33） m，热辐射强度为37.5 kW/m²。其他火灾类型强度太小，可以忽略。

4.3 最危险场景

最危险场景下的泄漏是全孔径泄漏。该泄漏情况下，危害较大，与可能发生场景相同，由于泄漏的天然气量过大，在空气中无法全部气化，会产生液池，更有爆炸的危险，属于高危情况。

天然气泄漏后，由于泄漏量过大，因此LNG一部分转化为气体，另一部分仍然是以液体形式存在，天然气以气液相形式传播，由于密度原因，最远可传播至39.08 m，属于绝对安全区域^[9]，如图8所示。

如图9所示，在最危险场景下，天然气扩散至30 m时，达到爆炸的临界点，发生爆炸冲击波。超压等级为A的是以该临界点为圆心，半径为5.18 m的类似于圆心的范围，该范围内大型钢架结构破坏。超压等级为B以该点为圆心，半径为23.85 m的圆形，该范围内钢筋混凝土结构发生破坏。

由于天然气无法完全变为蒸气，会产生液池。根据公式（2）可以得到泄漏速率为20 kg/s。如图10所示。

考虑到池火灾对电池舱的影响，分析它的侧风距离。从图11可以看出，池火灾在顺风距离17.44 m开始发生，辐射强度为12.5 kW/m²，最大影响距离（−10.92，10.92）；辐射强度为25 kW/m²，最大影响距离（−7.22,7.22）；辐射强度为37.5 kW/m²，最大影响距离（−5.48.5.48）。

在最危险场景下，泄漏孔径为50 mm的全孔径泄漏发生泄漏的概率为2.04E-05，点火概率为10%。

燃烧影响：天然气发生全孔径泄漏，产生更大的液池，当失火时，会产生池火，引起的热辐射范围为10.92 m。

爆炸冲击波影响：在该场景下，爆炸发生的临界点在顺风位置30 m处，天然气浓度最大影响距离为39.08 m。由于船舶是钢质的，要对电池舱产生影响的爆炸等级需要在A之上。因此顺风距离为39.08 m内，点火概率为2.04E-06，在距离30 m处为圆心，会产生5.48 m为半径有影响的爆炸冲击波。

5 结　语 5.1 火灾热辐射分析

关于LNG火灾方面，影响最大的属于池火灾，小孔泄漏虽然概率高，但是并不会产生液池，没有严重的后果。而中孔径与全孔径泄漏概率虽然较低，但是一旦发生便会产生液池、液盘，及时针对风险给出规避措施。

根据《纯电池动力电动船检验指南》（2019）6.2.1防火与探火可知，为了满足蓄电池舱限界面的舱壁和甲板应为钢质或其他等效材料，蓄电池舱与其他相邻处所之间的舱壁和甲板应为A-60级分隔的结构。A-60能够在60 min内保证其背面的温度低于180℃，而火灾时间仅有30 s，并不会造成电池热失控。

5.2 爆炸超压影响分析

船体是由钢材制作而成，超压等级在A之上，因此可以列出超压等级在A之上的超压影响距离，如表11所示。

客船上有更多的不确定活动，由于该船舶为货船，点火概率不会超过客船，所以这里取客船点火概率10%。结合表3和表11可以绘制出爆炸超压的影响区域。如图12所示。从图中可以看出，爆炸不是在加注点立即发生，而是传播一定距离之后，达到爆炸临界点，继而发生爆炸冲击波^[10]。而2种场景都影响不到电池舱，可以看出电池舱是安全的。

根据图12模拟可以看出，虽然爆炸冲击波不会对电池舱造成任何超压影响，但是冲击波仍然会对船体结构造成难以挽回的破坏。因此在加注时，要保证加注区域人员管理以及杜绝火源的产生。在人员管理方面，应做到非管理人员不能随意进出，保证管理人员加注的流程规范。在火源方面，需要杜绝火源的产生，在加注时需要注意加注软管、法兰以及阀门之间产生火花，规范船员的火灾防护意识，保证在加注区域至少40 m内都不能出现火源。本文分析是建立在本船为研究对象的基础上，不可应用于所有相同类型的船舶。