CC BY
37
УДК 629.543:624.5.017
Современное состояние исследований конструктивной надежности танкеров для транспортировки СПГ и последствий аварийных разливов СПГ на водной поверхности
Ключевые слова:
СПГ-танкер,
столкновение
судов,
посадка на мель, повреждения грузовых емкостей танкера,
разлив СПГ на воде, пожар разлития, термическое воздействие пожара на конструктивные элементы танкера, криогенное растрескивание корабельной стали.
В.С. Сафонов
ООО «Газпром ВНИИГАЗ», Российская Федерация, 142717, Московская обл., Ленинский р-н, с.п. Развилковское, пос. Развилка, Проектируемый пр-д № 5537, вл. 15, стр. 1 E-mail: V_Safonov@vniigaz.gazprom.ru
Тезисы. В работе представлен обзор современных отечественных и зарубежных исследований по конструктивной надежности танкеров СПГ при различных сценариях внешнего динамического воздействия, включая столкновение судов и удар днища о жесткое подводное препятствие. Показано, что среди используемых на практике конструкций грузовых емкостей СПГ (сферические алюминиевые самонесущие, трапецеидальные самонесущие или из тонколистовой гофрированной стали с 9%-ным содержанием никеля) наибольшей устойчивостью («живучестью») обладают танкеры со сферическими резервуарами типа Moss. За всю историю существования танкерных перевозок СПГ не зафиксировано случаев крупных утечек СПГ или потери судна.
В практике анализа риска масштабные аварийные разливы СПГ на воду рассматриваются как крайне маловероятные события (10-6...10-8 случаев на судно в год). Однако действующие нормативные документы требуют проведения оценки последствий таких разливов. Поэтому в обзоре рассмотрен также комплекс вопросов, связанных с растеканием и испарением СПГ на водной поверхности, включая эффекты «холодного парового взрыва» и льдообразования, а также вопросы горения СПГ на водной поверхности и теплового воздействия пожара на конструктивные элементы танкера. На примере сферических емкостей исследована проблема термической устойчивости существующей конструкции теплоизоляции танкера и показана ее достаточная эффективность. Отмечено, что при аварийном нарушении герметичности грузовой емкости часть СПГ попадет в межтрюмное пространство, что приводит к растрескиванию корабельной стали корпуса и может вызвать подтопление танкера.
Сжиженный природный газ (СПГ) является на сегодня важным фактором мировой торговли природным газом и углеводородными энергоносителями в целом. Годовые объемы прироста мирового производства и реализации СПГ (6...7 %) в последние десятилетия значительно опережали темпы развития трубопроводного транспорта (2.3 % в год). Возможности современного производства СПГ приближаются к 400 млн т / год. Основные потребители СПГ - Япония, Китай, Индия, страны Европы и Латинской Америки [1].
Для межконтинентальной перевозки СПГ создан мощный танкерный флот, насчитывающий на сегодня более 450 судов различной грузовместимости. Единичный объем танкеров СПГ последних моделей превышает 260 тыс. м3. В качестве грузовых емкостей танкеров используются самонесущие сферические алюминиевые резервуары типа Moss (27 % от общего количества танкеров), а также самонесущие призматические типа SPB и гофрированные (мембранные) тонкостенные призматические емкости из стали с 9%-ным содержанием никеля (совокупно 73 % от общего количества) [2-5].
Для танкеров СПГ защита груза от внешних динамических воздействий обеспечивается за счет «двойного» корпуса, т.е. наличия между обшивкой судна и несущей стенкой резервуара определенного расстояния, а также специальных усиливающих элементов и боковых переборок, позволяющих частично или полностью гасить кинетическую энергию локального внешнего воздействия (см. рис. 1). Минимальное расстояние между стенками танкеров для сжиженных газов согласно международным
требованиям составляет 0,76 м. Реально из-за конструктивных особенностей призматических грузовых резервуаров, а также особенностей закрепления сферических резервуаров для танкеров СПГ эти расстояния значительно больше (2,0.. .3,5 м и более, что составляет три-пять минимальных расстояний). В силу указанных обстоятельств устойчивость («живучесть») танкеров СПГ значительно выше аналогичных показателей для однокорпусных судов общего назначения, в том числе для нефтяных танкеров.
Международной морской организацией за период 1964-2005 гг. сообщалось о 182 инцидентах при эксплуатации танкеров СПГ грузовместимостью более 15 тыс. м3. Среди них не было ни одного случая со сколь-нибудь значительными утечками СПГ в окружающее пространство. Точно так же не было серьезных аварийных ситуаций и в период 2006-2017 гг. Повреждения в результате большинства аварий устранялись в рабочем порядке, однако определенное количество аварий потребовало ремонта танкеров в доках [6-8].
В отличие от судов общего назначения за всю историю межконтинентальных морских перевозок не было потеряно ни одного танкера СПГ, что, как уже отмечалось, определялось в первую очередь наличием двойного корпуса. В то же время из-за большой технической сложности значительное число инцидентов и аварийных ситуаций на танкерах СПГ было связано с неисправностями судового оборудования.
Основным критерием устойчивости («живучести») танкеров СПГ при ударном воздействии (например, при столкновении судов) является глубина проникновения элементов «таранящего» судна в межкорпусное пространство танкера без повреждения грузовой емкости с СПГ. Современные подходы к математическому моделированию процессов динамического взаимодействия судов различных типов и классов при столкновениях, а также при посадках на мель или ударах о препятствия (камни, причалы) предполагают:
• использование инструментария классической теории упругопластических деформаций и расчеты методами конечных элементов с максимальным учетом конструктивных и ситуационных особенностей [9-11];
• применение различных приближенных (аналитических) методик, основанных на статистической информации о столкновениях [2-16].
Среди инженерных аналитических моделей наиболее часто используется модифицированная (полуэмпирическая) модель Минорски [12]. Модель учитывает возможность частичной (локальной) деформации или разрыва внешнего корпуса танкера СПГ и (отчасти) конструктивные особенности межкорпусного пространства. Модель обосновывает диапазон критических скоростей «таранящих» судов с различным водоизмещением, при которых полностью исчерпывается конструктивный запас прочности без деформаций грузовых емкостей с СПГ. Критические скорости воздействия определяются при этом для тех боковых частей внешнего корпуса танкера СПГ, где грузовые емкости максимально приближены к внешнему корпусу. Для призматических резервуаров это расстояние примерно одинаково вдоль средней части длины танкера, для сферических резервуаров это узкие локальные зоны. Очевидно, что для других частей корпуса критические скорости будут значительно больше.
Как было отмечено выше, модель Минорски не учитывает возможности деформации грузовых емкостей без нарушения их герметичности. В то же время по результатам численного моделирования, проведенного известной норвежской компанией БМУ, эта деформация (без нарушения герметичности) в зависимости от конструктивных особенностей самих грузовых емкостей и методов их крепления может составлять 1,5.3,0 м и более, что существенно увеличивает энергопогло-щающие характеристики конструкции танкера СПГ и повышает показатели его живучести. Кроме того, по мнению специалистов российского Крыловского государственного научного центра (далее - Крыловский центр), аварийные столкновения судов происходят, как правило, в сложных погодных условиях на встречных курсах, что не только увеличивает относительную скорость движения судов, но и одновременно изменяет геометрическую конфигурацию и характерный размер пробоины [17]. При этом энергия внешнего удара расходуется в основном на деформацию и повреждения внешнего корпуса, и это необходимо учитывать при анализе риска повреждения грузовых емкостей с СПГ.
Помимо сценариев прямых столкновений судов опасность разгерметизации грузовой емкости с СПГ может возникнуть и при ударе танкера о каменистое дно или встречное донное
препятствие. В качестве основного показателя защищенности при этом рассматривается критическая глубина (А*) внедрения внешнего препятствия в корпус танкера, приводящая к нарушению герметичности грузовой емкости с СПГ. Крыловским центром предложен сравнительный критерий К защищенности танкеров СПГ различных типов в виде интеграла от функции Р(А*), характеризующей вероятность того, что повреждения не будут носить критического характера:
К =
J(1 - P(h*( у )))dy
(1)
Тогда величина 1 - Р(А*) является вероятностью критических повреждений.
Для танкера СПГ общим объемом 150 тыс. м3 Крыловским центром получены значения критерия защищенности (таблица). На рис. 1 представлены рассчитанные вероятности критических повреждений грузовых емкостей различных типов при ударе о подводные препятствия.
С учетом совокупности отмеченных ранее положений и существующих конструктивных особенностей противотаранной защиты
танкеров Крыловским центром проведена сравнительная оценка вероятности повреждения одной из грузовых емкостей танкера СПГ вместимостью 150 тыс. м3 при боковом таранном ударе типового судна обеспечения водоизмещением 15 тыс. т с прямым наклонным форштевнем. Установлено (см. таблицу), что вероятность аварийного повреждения грузовой емкости типа Moss при этом на 2 и более порядка ниже, чем для трапецеидальных емкостей [11-20].
Таким образом, танкеры СПГ обладают высокой устойчивостью к внешним динамическим воздействиям. Тем не менее возникновение аварий с разливом определенных объемов СПГ на водной акватории исключить нельзя.
Показатели защищенности грузовых емкостей танкера СПГ грузовместимостью 150 тыс. м3
Тип грузовой емкости К Вероятность разгерметизации, (судно/год)-1
Moss 21,6 10-8
SPB 12,9 4,610-6
Мембранная 10,8 5,810-5
ЪИ
Грузовая емкость:
15 Б
10
Рис. 1. Вероятность 1 - Р(й") критического повреждения (разгерметизации) грузовой емкости СПГ (см. вверху справа) при ударе о подводное препятствие
Поэтому в процессе анализа риска танкерных перевозок СПГ необходимо оценить последствия аварий, связанных с разгерметизацией одной из грузовых емкостей СПГ. Традиционно при этом рассматривают истечение СПГ при образовании пробоин в корпусе с одновременным повреждением грузовой емкости СПГ как на уровне ватерлинии, так и ниже поверхности воды.
В первом случае СПГ растекается и кипит на поверхности без заметного смешения с водой. При этом необходимо обратить внимание на следующее обстоятельство: при аварийных разливах СПГ на непроницаемых грунтах и строительных покрытиях теплоприток к СПГ определяется классическим механизмом1 теплопроводности и резко убывает уже в течение первых нескольких минут. В случае же кипения СПГ на поверхности воды (в основном в пленочном режиме) из-за высокого градиента температур в приповерхностном слое воды возникают активные циркуляционные процессы, сохраняющие тепловой поток на практически постоянном уровне (0,18.0,20 кг-м^-с-1). Важно иметь в виду, что интенсивность тепло-притока к СПГ от воды будет в четыре-пять раз больше, чем от поверхности грунта. Как показал анализ, при определенных условиях значительное влияние на повышение теплопритока к СПГ, а следовательно, и на интенсивность его испарения может оказать и льдообразование на поверхности воды.
Еще в процессе первых экспериментов по разливу СПГ на воде в шестидесятых-семидесятых годах прошлого столетия зарубежные специалисты столкнулись с явлением, получившим названия «холодного» взрыва или быстрого фазового перехода (англ. rapid phase transition, RPT), когда в определенных условиях при контакте СПГ с водой наблюдался быстротечный (взрывоподоб-ный) фазовый переход СПГ с разлетом брызг и образованием волн давления в воде и воздухе. В результате барических эффектов при разливах СПГ на воду в США, Франции, Алжире имели место повреждения или частичные
1 См. рис. 4 в статье Анализ особенностей растекания и испарения СПГ на водной поверхности при аварийных нарушениях герметичности грузовых емкостей танкеров / В. С. Сафонов // Вести газовой науки: Повышение надежности и безопасности объектов газовой промышленности. - М.: Газпром ВНИИГАЗ, 2018. - № 2. - С. 182.
разрушения близ технологического оборудования [21-28].
На сегодняшний день считается установленным, что при отсутствии смешения жидкостей (СПГ + вода) быстрый фазовый переход протекает по механизму «взрывного» вскипания в объеме термодинамически перегретой жидкости, а именно СПГ. Причем, как показали данные скоростной киносъемки, время фазового перехода СПГ заведомо ниже 10-3 с, а плотность центров парообразования (в объеме) при термодинамическом перегреве составляет порядка миллиона на 1 мм3. Возможность термодинамического перегрева при контакте двух жидкостей, когда отсутствуют «классические» центры парообразования на границе нагревания, вытекает в общем виде из кинетической теории. Причем, в координатах Т/Т и Р/Р (где Т и Р - текущие, а Ткр и Ркр - критические значения температуры и давления) функции температуры насыщения и предельного перегрева имеют общий вид для большинства углеводородов [29, 30].
Чистый жидкий метан (СН4) при атмосферном давлении Р0 кипит, как известно, при температуре 7\ = 111,6 К (-161,6 °С). Быстрый нагрев его части от воды может привести к достижению и превышению температурного предела термодинамической стабильности Т, = 171,4 К (-101,8 °С) и взрывному вскипанию (рис. 2). В состав промышленного СПГ входят не только метан, но и этан, пропан, н-бутан, иногда также азот, что существенно меняет параметры и отчасти механизм «холодного» взрыва. Например, согласно расчетам для СПГ промышленного состава в массовых долях 0,7 метана, 0,2 этана, 0,09 пропана и 0,01 н-бутана характерные параметры термодинамического перегрева составят: 7\ = 115,8 К; Т, = 191,4 К; Р, = 36 бар.
При разливе СПГ на воду тепломассопе-ренос между жидкостями начинается в режиме пленочного кипения с последующим выкипанием преимущественно азота и метана с соответствующим повышением температуры насыщения «обогащенной» смеси СПГ. Одновременно при этом происходит понижение температуры поверхности воды с возможностью начала льдообразования. Сочетание этих факторов определяет физическую возможность взрывного вскипания промышленного СПГ при аварийных разливах на воде. В качестве иллюстрации на рис. 3 показано влияние
Рис. 2. Границы термодинамической стабильности для жидкого метана
Метан, % мол.
Рис. 3. Диаграмма фазовых превращений СПГ различного компонентного состава
компонентного состава СПГ на область существования паровых взрывов. При этом видно, что для возникновения эффекта необходимо предварительное выкипание из СПГ значительной части метана. Важным оказалось также соотношение содержаний этана и н-бутана в СПГ [31, 32]. Красная граница области ИРТ соответствует отсутствию в смеси н-бутана, а синяя граница - присутствию в смеси 6,5 % мол. н-бутана (см. рис. 3).
Выше отмечено, что эффект быстрого фазового перехода сопровождается возникновением волн сжатия в атмосфере. Попытки математического моделирования этого процесса встречают определенные трудности. Известные на сегодняшний день экспериментальные исследования эффекта ИРТ по масштабу и условиям проведения, строго говоря, не в полной мере соответствуют ожидаемым характеристикам крупномасштабных аварийных процессов.
Тем не менее они позволили выявить и оценить ряд характерных явлений, в том числе выраженно нелинейный характер возрастания величины избыточного давления в воздухе при эффекте КРТ при возрастании интенсивности истечения СПГ. Это явление объясняется переходом к доминантному влиянию прямого смешения жидкостей по сравнению с процессами тепломассопереноса. По мнению большинства зарубежных экспертов, барические эффекты при быстром фазовом переходе СПГ на воде не выйдут за пределы примерно 7.10 кг тротилового эквивалента, причем будут происходить в основном на периферии разлива и не представляют серьезной опасности как для конструкции танкера, так и для объектов инфраструктуры [26, 27, 31].
Как упоминалось ранее, повреждение грузовых емкостей танкера СПГ возможно и ниже уровня воды, например, при боковом таранном ударе в корпус танкера судна с бульбообразным носом. В этом случае произойдут напорное истечение части СПГ в толщу воды и активное перемешивание двух жидкостей. Имеющиеся теоретические и экспериментальные проработки этого вопроса свидетельствуют о том, что СПГ будет при этом полностью испаряться и на поверхности воды появится условно «бурлящее» газожидкостное пятно из паров СПГ, вынесенной из глубины на поверхность морской воды и шугообразного льда. Дальнейшее поведение облака паров СПГ в атмосфере зависит от степени нагрева пузырьков пара при их движении в морской воде, т. е., по сути, от глубины истечения от поверхности воды, размеров пробоины и температуры морской воды. Иллюстрацией этому служат результаты экспериментов [33, 34] по выбросу СПГ в толщу воды на разной глубине от поверхности2. В настоящее время опубликованы достаточно
2 См. рис. 7а,б в статье Обоснование возможных
сценариев и оценка последствий утечек сжиженного природного газа при аварийных нарушениях герметичности грузовых емкостей танкеров / Д.В. Люгай, В.С. Сафонов // Вести газовой науки: Повышение надежности и безопасности объектов газовой промышленности. - М.: Газпром ВНИИГАЗ, 2018. - № 2. - С. 122. Левая фотография (см. а) при этом характеризует выброс на условно большой глубине, когда пузырьки пара нагреваются до определенной температуры и при выходе на поверхность приобретают уже положительную плавучесть. Справа (см. б), наоборот, показан выброс СПГ в толщу воды на условно малой глубине, когда облако остается холодным и стелется по ветру вдоль поверхности воды.
хорошо верифицированные математические модели данного процесса, позволяющие спрогнозировать различные сценарии истечения СПГ в воду [35].
При масштабных разливах СПГ по поверхности воды с большой вероятностью произойдут воспламенение паров СПГ и последующее горение разлитого СПГ. Отличительной особенностью процесса горения СПГ на море по сравнению с аналогичным процессом на суше является значительно большая интенсивность горения СПГ, что, соответственно, отражается и на геометрических размерах пламени, и на интенсивности радиационного теплового воздействия на окружающую среду. Если для больших пожаров СПГ на суше средняя интенсивность излучения с единицы поверхности пламени составляет 170.190 кВт/м2, то для аналогичных пожаров на воде она будет достигать 280.290 кВт/м2 [36-38]. С другой стороны, по мнению ряда зарубежных экспертов, при диффузионном горении СПГ на больших площадях (диаметр аварийного разлива СПГ на воде может достигать 250.300 м и более) пламя не в состоянии эжектиро-вать в свой объем необходимое для устойчивого горения количество воздуха. В силу этого пламя будет распадаться на отдельные очаги. Геометрические и излучательные характеристики пламени при этом резко уменьшатся. Прогнозируемое отношение высоты пламени к диаметру очага горения будет находиться в диапазоне 0,5.0,7.
Одной из важных задач анализа риска является прогнозирование устойчивости конструктивных элементов танкера при внешнем тепловом воздействии горящего на воде СПГ. Наиболее уязвимыми в этом случае представляются сферические резервуары, около 40 % поверхности которых выступает над корпусом танкера. Конструктивно при этом предусматривается внешний защитный стальной колпак, приваренный к корпусу танкера и не связанный с емкостью СПГ. Между колпаком и теплоизоляцией резервуара СПГ имеется воздушный зазор толщиной приблизительно 0,3.0,5 м, а на наружной поверхности теплоизоляции (как правило, это пенополиуретан толщиной < 0,5 м) располагается алюминиевая фольга с высоким коэффициентом отражения радиационного теплового излучения.
Задача об экстремальном тепловом воздействии пожара СПГ на выступающую часть
О 1200
я
^ 1000
800 600 400 200 0
0
360
720
300
250 £ is
200 I
о и о
150 g
(U
Н
100
50 0
-50
1080 1440
Время, с
Рис. 4. Результаты измерений температурного поля теплоизоляции сферического резервуара при экстремальном нагревании из-за пожара СПГ
сферической грузовой емкости решалась различными авторами с использованием классических моделей нестационарной комплексной теплопередачи (естественная конвекция, теплопроводность, излучение) в многослойных разнородных конструкциях. Определенные разногласия возникали при этом по существу только в вопросах специфики (скорости) термического разложения теплоизоляционных материалов за температурными пределами их устойчивости. Ввиду использования при моделировании ряда допущений особую значимость представляют экспериментальные исследования проблемы, среди которых наиболее интересны натурные эксперименты американской компании Sandia по нагреванию фрагмента (макета) конструкции теплоизоляции танкера СПГ. В качестве источника излучения на одной из сторон использовались пропановые горелки, а в качестве СПГ (на другой стороне) применялся жидкий азот. На рис. 4 представлены результаты одного из модельных экспериментов Sandia. При этом важно обратить внимание на то, что эксперименты проведены при постоянном тепловом потоке пламени ~ 275 кВт/м2. Как отмечалось, прогнозируется, что в условиях реального пожара-разлития СПГ это значение окажется существенно ниже. Экспериментами Sandia и проведенными расчетами установлено, что применяемая на сегодня теплозащита грузовых емкостей танкеров СПГ обеспечивает устойчивость конструкций в условиях пожара
Рис. 5. Фрагмент модели вытекания СПГ из сферической емкости типа Moss в межкорпусное пространство на 30-ю секунду от начала процесса (Sandia)
в течение 30.40 мин, что считается достаточным для принятия необходимых мер защиты.
Второй важной проблемой при нарушении герметичности грузовых емкостей является опасность криогенного охрупчивания и растрескивания корабельной стали при попадании СПГ в межтрюмное пространство. В качестве иллюстрации на рис. 5 показан смоделированный Sandia фрагмент вытекания СПГ из сферической грузовой емкости с соответствующим криогенным воздействием на основной корпус и силовые элементы танкера. Серией специальных экспериментов установлено, что в корабельной стали будут возникать при этом различные трещины. Также за счет нарушения герметичности внешнего корпуса может
произойти частичное подтопление танкера. При определенных волнениях моря ситуация способна резко усугубиться.
В то же время очевидно, что рассмотренные сценарии носят чисто гипотетический характер, поскольку вероятность разгерметизации грузовых емкостей танкеров СПГ по технологическим причинам крайне низка, порядка 10-6.. ,10-8 случаев на судно в год. Причем в мире
Список литературы
1. World LNG Report. - Norway, Fornebu: International Gas Union (IGU), 2015. -
98 с. - https://www.igu.org/sites/default/files/
node-page-field_file/IGU-World%20LNG%20
Report-2015%20Edition.pdf
2. Епихин А.И. Основные причины аварийности танкеров-газовозов / А.И. Епихин // Вестник Астраханского государственного технического университета. Сер.: Морская техника
и технология. - 2016. - № 4. - C. 7-12.
3. SIGTTO News. - London: Society of International Gas Tanker and Terminal Operators Ltd (SIGTTO), 2013. - № 29. - 12 с. - http://www. sigtto.org/media/7196/sigtto-newsletter-29.pdf
4. FSA - Liquefied natural gas (LNG) carriers details of the formal safety assessment / submitted by Denmark. - Denmark, Copenhagen: IMO Maritime Safety Committee, 2007. -MSC 83 INF. 3. - http://docplayer.net/4729415-Imo-formal-safetyassessment-fsa-liquefied-natural-gas-lng-carriersdetails-of-the-formal-safety-assessment-submittedby-denmark.html
5. Wang K.S. Loss prevention through risk assessment surveys of LNG carriers in operation, under construction, conversion and repair / K.S. Wang. - Japan, Tokyo: BMT Marine & Offshore Surveys Ltd., 2010. - https://ru.scribd. com/document/55900923/Risk-Assessment-and-Loss-Prevention-of-LNG-Carriers-KS-Wangl
6. MAIB annual report 2014. - UK, Southampton: Marine Accident Investigation Branch, 2016. -97 с. - https://assets.publishing.service.gov.uk/ government/uploads/system/uploads/attachment_ data/file/448430/MAIB_AnnualReport2014.pdf
7. Kulzep A. LS-DYNA Simulation des Verhaltens schaumgefullter Schiffsstrukturen im Crash-Fall / A. Kulzep // Proc. of the 17th CAD-FEM Users' Meeting. - Sonthofen, 1999.
8. Kuroiwa N. Numerical simulation of actual collision & grounding accidents / N. Kuroiwa // Proc. Intern. Conf. on designs and methodologies for collision and grounding protection of ships. -San Francisco, 1996.
идет постоянное повышение конструктивной надежности танкеров, систем гидронавигационного обеспечения, моделей управления движением судов и т.п. Как следствие, за всю историю существования морских перевозок СПГ не произошло ни одной сколь-нибудь значимой аварии с масштабными утечками СПГ и потерей судна. Есть все основания полагать, что такая ситуация сохранится и в будущем.
9. Апполонов Е.М. Сопоставительный анализ размеров повреждений при аварийном столкновении для судов различных архитектурно-конструктивных типов / Е.М. Апполонов, В.М. Шапошников, М.А. Кутейников и др. // Тез. докл. Научно-техн. конф. «Бубновские чтения». - СПб.,
2004. - С. 33-35.
10. Minorsky V.U. An analysis of ship collision with reference to protection of nuclear power plant / V.U. Minorsky // Journ. of Ship Research. -1959. - № 8. - C. 1-4.
11. Nagasawa H. Experimental study on the dynamic strength of collision barrier in nuclear ship /
H. Nagasawa, K. Matsumoto, K. Arima et al. // J. Kansai Soc. Naval Architects Japan. - 1983. -№ 189.
12. Гирин С.Н. Экспериментальное исследование работы бортовых конструкций судна при столкновении / С.Н. Гирин,
Т.А. Кузнецова // Тез. докл. Научно-техн. конф. Памяти проф. П.Ф. Папковича. - СПб., 2005.
13. Нестеров А.Б. Исследование эффективности конструктивной бортовой защиты
при аварийном столкновении судов /
А.Б. Нестеров // Вопросы судостроения.
Сер. Проектирование судов. -
Л.: ЦНИИ «Румб», 1984. - Вып. 40. - С. 46-52.
14. Нестеров А.Б. Совершенствование расчетной модели бортового перекрытия противотаранной защиты судна / А.Б. Нестеров // Труды ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова. - СПб.,
2005. - Вып. 21 (305): Вопросы динамической прочности. Вибрации и безопасность эксплуатации корпусов судов. - С. 103-110.
15. Нестеров А.Б. Инженерный метод оценки объема повреждений в случае аварийного столкновения судов на встречных курсах под острым углом / А.Б. Нестеров // Труды ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова. - СПб.,
2006. - Вып. 28 (312): Вопросы прочности транспортных судов. - С. 87-98.
16. Appolonov Ye.M. Complex analysis of tanker anti-collision reinforcement advisability
in terms of environmental safety and economic efficiency / Ye.M. Appolonov, A.A. Golovkin, M.A. Kuteynikov et al. // Труды ЦНИИ им. акад.
A.Н. Крылова. - СПб., 2002. - Вып. 5: Strength and endurance of ship structures. - C. 5-12.
17. Лепп Ю.Ф. Оценка защищенности грузовых помещений от повреждений при столкновениях / Ю.Ф. Лепп // Судостроение. - 1980. - № 5. - С. 10-13.
18. Волков В.Н. Вероятностная оценка объема вылива груза при столкновениях и посадках на мель танкеров / В.Н. Волков, С.Ф. Глазов // Судостроение. - 1978. - № 4. - С. 11-15.
19. Anderson R.P. Experimental study of vapor explosions / R.P. Anderson, D.R. Arstrong // Proc. of the 3rd International Conference on Liquefied Natural Gas. - Washington, 1972.
20. Katz D.L. LNG: Water explosions / D.L. Katz, D.M. Sliepcevich. - USA, Washington: National Academy of Sciences, 1973. - Report № CG-D60-74.
21. Flameless vapor explosions. - Cambridge: MIT LNG Research Center, 1977. - DOE-OSTI
№ 6775451.
22. McRae T.G. Analysis of large-scale LNG/water RPT explosions / T.G. McRae, H.C. Goldwire Jr., R.P. Koopman. - Livermore, CA: LLNL, 1984. -UCRL 91832.
23. McRae T.G. Preliminary analysis of RPT explosions observed in the LLNL/NWC LNG spill tests / T.G. McRae. - Livermore, CA: LLNL, 1982. - UCRL 87564.
24. Ermak D.L. LNG spill experiments: Dispersion, RPT, and vapor burn analysis / D.L. Ermak, R.P. Koopman, T.G. McRae, et al. // Proc. of the American Gas Association Section. - Washington, 1982. -C. T203-T209.
25. Ermak D.L. Results of 40-m3 LNG spills onto water / D.L. Ermak, R.P. Koopman // Heavy gas and risk assessment - II: Proc. of the Second Symposium on Heavy Gases and Risk Assessment, Frankfurt am Main, May 25-26, 1982. - 1982. -С. 163-179.
26. Morgan D.L., jr. Dispersion phenomenology
of LNG vapor in the Burro and Coyote LNG spill experiments / D.L. Morgan jr. - Livermore, CA: LLNL, 1987. - UCRL 91741.
27. Скрипов В. П. Кризис кипения
и термодинамическая устойчивость жидкости /
B.П. Скрипов // Тепло- и массоперенос. Т. 2. -Минск: АН БССР, 1962. - С. 60-64.
28. Скрипов В.П. Метастабильные жидкости / В.П. Скрипов. - М.: Наука, 1972. - 312 с.
29. Enger T. LNG Spillage on water. II: Final report on rapid phase transformations / T. Enger, D.E. Hartman. - Houston, Texas: Shell Pipeline Corp., Research and Development Laboratory, 1972. - Tech. Prog. Rep. №. 1-72.
30. Raj P. Underwater LNG release test findings: Experimental data and model results / R.Qi.P. Raj, M. Mannan // Journal of Loss Prevention in the Process Industries. - 2011. - № 24. - C. 440-448.
31. Raj P. Underwater LNG release: Does a pool form on water surface? What are the characteristics
of the vapor released? / P. Raj, L. Bowdoin // Journal of Loss Prevention in the Process Industries. - 2010. - № 23. - С. 753-761.
32. Blanchat T. The Phoenix series large scale LNG pool fire experiments / T. Blanchat, P. Helmick, R. Jensen et al. - Albuquerque, NM: Sandia National Laboratories, 2011. - SAND2010-8676. -https://pdfs.semanticscholar.org/dcee/08638e00f57 cbb4d3bed8d46f3dd9bf64092.pdf
33. Blanchat T. DOE/Sandia National Laboratories coordinated approach for LNG safety and security research: Briefing to NARUC Staff Subcommittee on Gas, July 15, 2007 / T. Blanchat, A. Luketa-Hanlin, M. Hightower et al. - Albuquerque, NM: Sandia National Laboratories, 2007. -https://slideplayer.com/slide/2813878
34. Heikes K.E. Fire winds, turbulence and plume rise: Hill and Wickstead Township area fires: PRS Report 2064 for U.S. Department of Commerce, National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD / K.E. Heikes, R.A. Gay, R.D. Small. - Los Angeles, CA: Pacific-Sierra Research Corporation, 1990. - C. 4, 13, 23.
35. Heikes K.E. Area fire and plume behavior: report / K.E. Heikes, R.D. Small. - Los Angeles, CA: Pacific-Sierra Research Corporation, 1990.
36. Liquefied natural gas safety research report
to Congress. - Washington, DC: US Department of Energy, 2012. - № 20555.
37. Hightower M. Guidance on risk analysis and safety implications of a large liquefied natural gas (LNG) spill over water: report / M. Hightower,
L. Gritzo, A. Luketa-Hanlin et al. - Albuquerque, NM: Sandia National Laboratories, 2004. -№ SAND2004-6258.
38. Luketa A. Breach and safety analysis of spills over water from large liquefied natural gas carriers: report / A. Luketa, M. Hightower, S. Hightower
et al. - Albuquerque, NM: Sandia National Laboratories, 2008. - № SAND2008-3153.
State-of-art studies of the LNG tankers structural reliability and the aftereffects of accidental LNG spills on water table
V.S. Safonov
Gazprom VNIIGAZ LLC, Bld. 1, Estate 15, Proyektiruemyy proezd no. 5537, Razvilka village, Leninskiy district, Moscow Region, 142717, Russian Federation E-mail: V_Safonov@vniigaz.gazprom.ru
Abstract. The paper reviews modern domestic and foreign studies on constructive reliability of LNG tankers at different scenarios of external dynamic exposure including collision of ships and an impact of ship bottom against a rigid underwater obstacle. It is shown that among the exercised constructions of LNG freight containers (namely: spherical aluminum self-supporting; trapezoid self-supporting; or trapezoid ones made of sheet channeled iron with 9% of nickel) the most resistant ("viable") tankers are those that are equipped with the spherical Moss containers. There have been no cases of gross LNG spills, or craft losses during the whole history of LNG tanker transportation.
In practice of risk analysis the scaled accidental LNG spillages over water are considered as hardly probable events (probability of 10-6...10-8 cases per craft a year). However, the legal regulations require estimation of the aftereffects of such spills. For this reason, the review also reveals questions related with spillage and evaporation of LNG on the water table including the effects of "cold" vapor explosion and ice generation, as well as the questions of LNG burning onto a water table, and heat exposure of fire on the details of a tanker. As exemplified by the spherical freight containers, a problem of thermal resistivity of tanker heat clothing is studied, and the sufficient efficacy of the used isolation is confirmed. In case of an accidental failure of container sealing some amount of LNG will enter an inter-basement space; it will lead to fissuring of ship body steel and could provoke waterlogging of the tanker.
Keywords: LNG tanker, collision of ships, grounding, damage of tanker freight containers, LNG spillage on water, pool fire, thermal exposure of fire on constructive elements of a tanker, cryogenic fissuring of ship steel.
References
1. World LNG Report [online]. Norway, Fornebu: International Gas Union (IGU), 2015. Available from: https://www.igu.org/sites/default/files/node-page-field_file/IGU-World%20LNG%20Report-2015%20Edition.pdf
2. YEPIKHIN, A.I. The main reasons for breakdowns of liquefied gas tankers [Osnovnyye prichiny avariynosti tankerov-gazovozov]. Vestnik AGTU. Series: Morskaya tekhnika i tekhnologii [Marine machinery and technologies]. 2016, no. 4, pp. 7-12. ISSN 2073-1574. (Russ.).
3. SIGTTO News [online]. London: Society of International Gas Tanker and Terminal Operators Ltd (SIGTTO), 2013, no. 29. Available from: http://www. sigtto.org/media/7196/sigtto-newsletter-29.pdf
4. FSA - Liquefied natural gas (LNG) carriers details of the formal safety assessment [online]. Submitted by Denmark. Denmark, Copenhagen: IMO Maritime Safety Committee, 2007. MSC 83 INF. 3. Available from: http://docplayer.net/4729415-Imo-formal-safetyassessment-fsa-liquefied-natural-gas-lng-carriersdetails-of-the-formal-safety-assessment-submittedby-denmark.html
5. WANG, K.S. Loss prevention through risk assessment surveys of LNG carriers in operation, under construction, conversion and repair [online]. Japan, Tokyo: BMT Marine & Offshore Surveys Ltd., 2010. Available from: https://ru.scribd.com/document/55900923/Risk-Assessment-and-Loss-Prevention-of-LNG-Carriers-KS-Wangl
6. MAIB annual report 2014 [online]. UK, Southampton: Marine Accident Investigation Branch, 2016. Available from: https://assets.publishing.service.gov.uk/government/uploads/system/uploads/attachment_data/ file/448430/MAIB_AnnualReport2014.pdf
7. KULZEP, A. LS-DYNA Simulation des Verhaltens schaumgefullter Schiffsstrukturen im Crash-Fall. In: Proc. of the 17th CAD-FEM Users'Meeting. Sonthofen, 1999.
8. KUROIWA, N. Numerical simulation of actual collision & grounding accidents. In: Proc. Intern. Conf. on designs and methodologies for collision and grounding protection of ships. San Francisco, 1996.
9. APPOLONOV, E.M., V.M. SHAPOSHNIKOV, M.A. KUTEYNIKOV et al. Comparative analysis of collision caused damage dimensions for vessels of different architectural and structural types [Sopostavitelnyy analiz razmerov povrezhdeniy pri avariynom stolknovenii dlya sudov razlichnykh arkhitekturno-konstruktivnykh tipov]. In: Proc. of the Scientific-technical conf. "Bubnovskiy readings". St.-Petersburg, 2004, pp. 33-35. (Russ.).
10. MINORSKY, V.U. An analysis of ship collision with reference to protection of nuclear power plant. Journal of Ship Research. 1959, no. 8, pp. 1-4. ISSN 0022-4502.
11. NAGASAWA, H., K. MATSUMOTO, K. ARIMA et al. Experimental study on the dynamic strength of collision barrier in nuclear ship. J. Kansai Soc. Naval Architects Japan. 1983, no. 189. ISSN 0389-9101.
12. GIRIN, S.N., T.A. KUZNETSOVA. Experimental study of vessel on-board structures operation on collision [Eksperimentalnoye issledovaniye raboty bortovykh konstruktsiy sudna pri stolknovenii]. In: Proc. of the Scientific-technical conf. in memory of P.F. Papkovich. St.-Petersburg, 2005. (Russ.).
13. NESTEROV, A.B. Studying efficacy of on-board crash protection in case of hazardous collision of vessels [Issledovaniye effektivnosti konstruktivnoy bortovoy zashchity pri avariynom stolknovenii sudov]. Voprosy sudostroyeniya. Series: Proyektirovaniye sudov. Leningrad: TsNII "Rumb", 1984, is. 40, pp. 46-52. (Russ.).
14. NESTEROV, A.B. Perfection of computational model for on-board ceiling of vessel anti-ram protection [Sovershenstvovaniye raschetnoy modeli bortovogo perekrytiya protivotarannoy zashchity sudna]. Trudy of TsNII im. akad. A.N. Krylova. St.-Petersburg, 2005, no. 21 (305): Issues of dynamic strength. Vibrations and safety of vessel body operation [Voprosy dinamicheskoy prochnosti. Vibratsii i bezopasnost ekspluatatsii korpusov sudov], pp. 103-110. ISSN 0869-8422. (Russ.).
15. NESTEROV, A.B. Engineering method for assessing volume of damages in case of accidental sharp-angle collision of vessels holding opposite courses [Inzhenernyy metod otsenki obyema povrezhdeniy v sluchaye avariynogo stolknoveniya sudov na vstrechnykh kursakh pod ostrym uglom]. Trudy of TsNII im. akad. A.N. Krylova. St.-Petersburg, 2006, no. 28(312): Issues of transport vessel strength [Voprosy prochnosti transportnykh sudov], pp. 87-98. ISSN 0869-8422. (Russ.).
16. APPOLONOV, Ye.M., A.A. GOLOVKIN, M.A. KUTEYNIKOV et al. Complex analysis of tanker anticollision reinforcement advisability in terms of environmental safety and economic efficiency. Trudy of TsNII im. akad. A.N. Krylova. St.-Petersburg, 2002, no. 5.: Strength and endurance of ship structures, pp. 5-12. ISSN 0869-8422.
17. LEPP, Yu.F. Estimation of cargo holds immunity to damages caused by collisions [Otsenka zashchishchennosti gruzovykh pomeshcheniy ot povrezhdeniy pri stolknoveniyakh]. Sudostroyeniye. 1980, no. 5, pp. 10-13. ISSN 0039-4580. (Russ.).
18. VOLKOV, V.N., S.F. GLAZOV. Probabilistic assessment of cargo outflow volume at collisions and groundings of tankers [Veroyatnostnaya otsenka obyema vyliva gruza pri stolknovenuyakh i posadkakh na mel tankerov]. Sudostroyeniye. 1978, no. 4, pp. 11-15. ISSN 0039-4580. (Russ.).
19. ANDERSON, R.P., D.R. ARSTRONG. Experimental study of vapor explosions. In: Proc. of the 3rd International Conference on Liquefied Natural Gas. Washington, 1972.
20. KATZ, D.L., D.M. SLIEPCEVICH. LNG: Water explosions. USA, Washington: National Academy of Sciences, 1973. Report № CG-D60-74.
21. Flameless vapor explosions. Cambridge: MIT LNG Research Center, 1977. DOE-OSTI no. 6775451.
22. MCRAE, T.G., H.C. GOLDWIRE Jr., R.P. KOOPMAN. Analysis of large-scale LNG water RPT explosions. Livermore, CA: LLNL, 1984, UCRL 91832.
23. MCRAE, T.G. Preliminary analysis of RPT explosions observed in the LLNL/NWC LNG spill tests. Livermore, CA: LLNL, 1982, UCRL 87564.
24. ERMAK, D.L., R.P. KOOPMAN, T.G. MCRAE et al. LNG spill experiments: Dispersion, RPT, and vapor burn analysis. In: Proc. of the American Gas Association Section. Washington, 1982, pp. T203-T209.
25. ERMAK, D.L., R.P. KOOPMAN. Results of 40-m3 LNG spills onto water. In: Heavy gas and risk assessment -II: Proc. of the Second Symposium on Heavy Gases and Risk Assessment, Frankfurt am Main, May 25-26, 1982, pp. 163-179.
26. MORGAN, D.L., jr. Dispersion phenomenology of LNG vapor in the Burro and Coyote LNG spill experiments. Livermore, CA: LLNL, 1987. - UCRL 91741.
27. SKRIPOV, V.P. Crisis ofboiling and thermodynamic resistance of liquid [Krizis kipeniya i termodinamicheskaya ustoychivost zhidkosti]. In: Heat and mass transfer [Teplo- i massoperenos]. Minsk: AN BSSR, 1962, vol. 2, pp. 60-64. (Russ.).
28. SKRIPOV, V.P. Metastable liquids [Metastabilnyye zhidkosti]. Moscow: Nauka, 1972. (Russ.).
29. ENGER, T., D.E. HARTMAN. LNG Spillage on water. II: Final report on rapid phase transformations. Houston, Texas: Shell Pipeline Corp., Research and Development Laboratory, 1972. Tech. Prog. Rep. №. 1-72.
30. RAJ, P.R.Qi., M. MANNAN. Underwater LNG release test findings: Experimental data and model results. Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2011, no. 24, pp. 440-448. ISSN 0950-4230.
31. RAJ, P.R.Qi., L. BOWDOIN. Underwater LNG release: Does a pool form on water surface? What are the characteristics of the vapor released? Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2010, no. 23, pp. 753-761. ISSN 0950-4230.
32. BLANCHAT, T., P. HELMICK, R. JENSEN et al. The Phoenix series large scale LNG pool fire experiments [online]. Albuquerque, NM: Sandia National Laboratories, 2011. SAND2010-8676. - Available from: https://pdfs.semanticscholar.org/dcee/08638e00f57cbb4d3bed8d46f3dd9bf64092.pdf
33. BLANCHAT, T., A. LUKETA-HANLIN, M. HIGHTOWER et al. DOE/Sandia National Laboratories coordinated approach for LNG safety and security research : Briefing to NARUC Staff Subcommittee on Gas, July 15, 2007 [online]. Albuquerque, NM: Sandia National Laboratories, 2007. Available from: https:// slideplayer.com/slide/2813878/
34. HEIKES, K.E., R.A. GAY, R.D. SMALL. Fire winds, turbulence and plume rise: Hill and Wickstead Township areafires: PRS Report 2064 for U.S. Department of Commerce, National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD. Los Angeles, CA: Pacific-Sierra Research Corporation, 1990, pp. 4, 13, 23.
35. HEIKES, K.E., R.D. SMALL. Area fire and plume behavior: report. Los Angeles, CA: Pacific-Sierra Research Corporation, 1990.
36. US DEPARTMENT OF ENERGY. Liquefied natural gas safety research report to Congress. Washington, DC, 2012, no. 20555.
37. HIGHTOWER, M., L. GRITZO, A. LUKETA-HANLIN et al. Guidance on risk analysis and safety implications of a large liquefied natural gas (LNG) spill over water: report. Albuquerque, NM: Sandia National Laboratories, 2004, no. SAND2004-6258.
38. LUKETA, A., M. HIGHTOWER, S. HIGHTOWER et al. Breach and safety analysis of spills over water from large liquefied natural gas carriers: report. Albuquerque, NM: Sandia National Laboratories, 2008, no. SAND2008-3153.
