Reliability Engineering and System Safety 93 (2008) 1328–1344

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Analysing the risk of LNG carrier operations

Erik Vanem^a, , Pedro Antatilde;o^b, Ivan Oslash;stvik^c,1, Francisco Del Castillo de Comas^d

^aDNV Research, Det Norske Veritas, 1322 Hoslash;vik, Norway

^bUnit of Marine Technology and Engineering, Technical University of Lisbon, Instituto Superior Teacute;cnico, Lisboa, Portugal

^cLMG Marin, Bergen, Norway

^dNavantia, Madrid, Spain

Received in revised form 15 January 2007; accepted 30 July 2007

Available online 17 August 2007

Abstract

This paper presents a generic, high-level risk assessment of the global operation of ocean-going liquefied natural gas (LNG) carriers. The analysis collects and combines information from several sources such as an initial hazid, a thorough review of historic LNG accidents, review of previous studies, published damage statistics and expert judgement, and develops modular risk models for critical accident scenarios. In accordance with these risk models, available information from different sources has been structured in the form of event trees for different generic accident categories. In this way, high-risk areas pertaining to LNG shipping operations have been identified. The major contributions to the risk associated with LNG shipping are found to stem from five generic accident categories, i.e. collision, grounding, contact, fire and explosion, and events occurring while loading or unloading LNG at the terminal. Of these, collision risk was found to be the highest. According to the risk analysis presented in this paper, both the individual and the societal risk level associated with LNG carrier operations lie within the As Low As Reasonable Practicable (ALARP) area, meaning that further risk reduction should be required only if available cost-effective risk control options could be identified. This paper also includes a critical review of the various components of the risk models and hence identifies areas of improvements and suggests topics for further research. r 2007 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Keywords: LNG carriers; Marine transportation; Risk analysis; Maritime safety; Gas tankers; Formal safety assessment; Liquefied natural gas

1. Introduction and background

1.1. The SAFEDOR project

The study presented in this paper was carried out within SAFEDOR [1]. SAFEDOR is a research project co-financed by the European Commission as an integrated project (IP) in their 6th Framework Programme. One of the aims of this project is to encourage innovative ship design for cleaner and safer maritime transport. In order to facilitate this, concepts for a risk-based regulatory frame-work will be developed that will open for acceptance of novel design concepts based on risk analyses. These novel design solutions might have equal or better safety than

Corresponding author. Tel.: 47 67 57 70 09; fax: 47 67 57 75 20. E-mail address: Erik.Vanem@dnv.com (E. Vanem).

¹Grieg Logistics, Bergen, Norway since March 2006.

0951-8320/$ - see front matter r 2007 Elsevier Ltd. All rights reserved. doi:10.1016/j.ress.2007.07.007

conventional designs even though they may violate current prescriptive requirements.

As a part of the SAFEDOR project, generic Formal Safety Assessment (FSA) studies on various ship types have been initiated. The risk assessment of LNG carriers presented herein represents one part—step 2—of one of these generic FSAs.

1.2. Liquefied natural gas and LNG shipping

Liquefied natural gas (LNG) is composed of mostly methane and is a cryogenic liquid at approximately 162 1C. When vaporized, its flammability range is between approximately 5% and 15% by volume, i.e. a mixture with air within this range of concentrations is flammable. Thus, in addition to possible damages due to its cryogenic temperatures, LNG spills are associated with hazards such as pool fires and ignition of drifting vapour clouds. In its liquid state, LNG is not explosive, and LNG

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Fleet development - LNG tankers

	400
	350
	300
# ships	250
	200
	150
	100
	50
	0
	1965	1975	1985	1995	2005
				Year

Fig. 1. LNG fleet developments 1965–2005 and forecast until 2010.

vapour will explode only if ignited in a mixture with air within the flammability range and within an enclosed or semi-enclosed space. Natural gas may also present an asphyxiation hazard. LNG is not toxic and will not be persistent if spilled in a marine environment. LNG weighs less than water, thus LNG spilled on water will float.

In liquefied form, the volume of LNG is 60

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LNG船舶操作风险分析

Erik Vanem , Pedro Antatilde;o , Ivan Oslash;stvik, Francisco Del Castillo de Comas

摘要

本论文针对海洋航行LNG船舶，提出了一种通用的、高等级的航行风险评估方法。在分析过程中收集并整合了各方面资源，诸如基本危险源识别分析、LNG历史事故分析、历史研究分析、已公开的损失统计及专家评定，并且还为特定事故场景建立了模块化风险模型。为了与风险模型保持一致，不同来源的有效信息将被结构化处理，以信息树的形式分为几种主要事故类型。以这种方式，可以确定有关LNG船舶操作的高风险区域。LNG船舶风险的主要结构来源于5种主要事故类型，例如：碰撞、搁浅、触礁、火灾和爆炸、LNG船舶在接收站装卸作业时发生的事故。其中，碰撞危险是最高的。根据本论文中的风险分析，对于LNG船舶操作，不管是独立风险等级还是联合风险等级，都处于最低合理可行区域中，这表明只有在确定了高性价比的可行控制方法后，我们才能进一步减少风险。本论文还包括了对风险模型的多要素分析，并提出了对未来研究方向的提升方法及建议。

1. 引言及背景

1.1SAFEDOR项目

本论文的研究出自SAFEDOR。SAFEDOR由欧盟资助，属于欧盟第6项框架计划。该项目的其中一个目标是鼓励创新性的船舶设计，以期海洋运输能够更加清洁与安全。为了达到这个目标，将要实施以风险为基础的基本框架，并接受以风险分析为基础的新颖设计。这些新颖的设计和传统设计相比，也许能提供同等或更好的安全保障，尽管它们可能会违背现行的规范要求。

作为SAFEDOR计划的一部分，我们对各种船型都实施了风险评估（FSA）。本文中提及的LNG船舶风险评估包括了FSA中的一部分—第二步。

1.2液化天然气与LNG船舶

液化天然气（LNG）主要由甲烷构成，是温度在-162℃左右的低温液体。蒸发后，可燃浓度根据体积的不同，在5％到15％左右。例如，甲烷与空气的混合物浓度在该范围时是可燃的。但是，损害与温度也有关系，LNG泄漏时会伴有池火及蒸汽燃烧等灾害。在液态时，LNG不会爆炸，气态LNG也仅当混合物浓度处于可燃范围且处于封闭或半封闭空间时才会发生爆炸。天然气同时也会造成窒息事故。LNG是无毒，并且就算泄漏至海洋环境后也不会造成永久损害。LNG的比重小于水，所以LNG泄漏后会浮于水面。

处于室温状态的同量天然气的体积是处于液态时的LNG的600倍。所以LNG船舶运输是一种远距离运输天然气的经济方式。LNG在运输及储存时都处于正常大气压下，所以LNG船舶需要特别建造。

当今世界的LNG船舶数量相当少；2005年8月，全世界仅有183艘LNG船，但近年来数量都在稳定上升。未来，增长量应该还会增加。Fig.1表示LNG船舶的增长量以及2010年之前的预测。在LNG船舶运输开展40年以来，共有2828艘LNG船（包括2005年）。而截止1990年，这个数字是1857。

为了扩大运输量，LNG船舶的大小也在不断增大。现在，LNG船的平均容量大概在120000msup3;，然而订单的平均容量大概是156000msup3;。容量约为200000msup3;-250000msup3;的超级LNG船在未来也将越来越常见。

所有的LNG船都是双壳船，但是不同的船上还存在不同的装载方式。现在的LNG船主要有两种设计方式——薄膜型和球体型。薄膜型船的装载系统是由双层极薄的铁镍合金或不锈钢组成的，绝缘的舱盖由船舱支撑。球体型船，同时被称为莫斯船，拥有球体或椭球体型的容器，可以自行支撑。这些容器都是完全绝缘的。为了使它们适于长途运输LNG，能够长期保持-162℃，这些容器都是在非常复杂的系统中进行设计、组合和装配的。这两种主流的船型在现今的LNG船舶中大概各占一半，（准确数字为薄膜船占50％，球体型占45%，其他占5%）但是新船的设计基本上都采用薄膜型。LNG船舶需要特别设计，并由受过良好训练的船员进行维护和操纵。所以，LNG船舶至今拥有良好的安全记录。这两种LNG船的船型见Fig.2。

1.3 FSA研究方法

FSA是一种风险评估标准，目的为结构化和系统化地发展海事安全条约。不应把它误认为是只针对某一种船舶或某一种事故的方法。可以将FSA描述为一种为条约和规则服务的安全标准。FSA可以用于新规则的制定，也可以对已存在的规则和即将颁布的规则进行比较，它的目的在于平衡船舶安全和环境保护及成本。在FSA中，技术问题和操作问题，包括船舶事故中的人为因素都在其考虑范围。FSA理论的许多因素和应用都在不同的学术论文中经过讨论。

IMO为FSA研究编纂了指导方针。现在，有一部分FSA研究都在这些方针的指导下进行并向IMO报告，并且所有的讨论都应在支任务的基础上进行。这个方法可以概括为5个步骤：

1. 准备工作
2. 损害研究
3. 风险分析
4. 风险控制措施研究
5. 降低成本措施
6. 决策建议

本论文中的研究基于第二步——风险分析，现在正在一艘LNG船舶上实行FSA。

1. 明确研究领域

本论文提出了一种通用的、高等级的航行风险评估方法，研究范围是所有海洋航行LNG船舶。通用型LNG船舶指的是可以代表大部分LNG船舶的船。历史事故经验表明，主要LNG船型的风险等级是可以比较的。数据显示，薄膜型船出现事故的情况更多，并且在装载及液面晃动时更加脆弱，但是在研究中，这种特定情况下的风险建模影响明显低于其他几种主要的事故类型。所以特定的船型和特殊的波浪情况及港口环境均不在研究领域中。

然而，研究采用的是一特定的参考模型。为了获得通用的数据，我们选取了一艘在纳万蒂亚的容量为138000msup3;的在建船。这艘参考船的容量在LNG船舶的主要容量范围中，并且船速也符合这种船型的通用标准。它的主要数据都在table 1中给出。

论文中只考虑了LNG船舶运输链，包括在接收站装载、实际航行和在接收站卸载。风险包括爆炸、制造、液化、储藏和天然气汽化都不在考虑之列。进一步说，本论文只考虑了LNG船舶的操作和结构风险，甲板的修补和刮擦也不在研究范围中。

保安问题也不在研究范围中。由于LNG无毒且不会永久存在，LNG船舶的环境保护风险也不在研究范围中。另外，本研究的重点在研究人命的安全和风险，但是岸上第三方干预的因素也不在研究范围中。虽然有争论说这种风险分析更适合于特定事故的调查分析，与LNG接收站的建立关系更大，而不是IMO关于海事安全的规则。但是，本研究所考虑的只有LNG船舶的船员和其他船舶的乘客安全。最后，本研究的重点将放在几种特定的高频事故类型上，小概率的事故不在研究范围。

1. 风险容忍标准

为了正确评估风险分析中的风险，每次实际的风险分析都应该建立独立的精确的风险容忍标准。根据不同的安全目标来实施最低合理可行区域，例如，风险容忍标准应该分为三个风险等级：无法容忍，最低合理可行区域，可行。对于处于最低合理可行区域内的风险，我们应该考虑高性价比的资源处理方式。IMO的FSA指导方针规定了最佳方案，无论最低合理可行区域原则是否适用。因此，LNG船舶的风险分析的风险容忍标准是针对独立的风险，具体为LNG船发生事故时，LNG船的船员及其他船舶的乘客生命安全。

3.1 独立风险容忍标准

史克容等人的研究给出了其他风险的风险容忍标准。以他们的研究为基础，Table 2中表示的独立风险容忍标准在最近的研究中被采用了。一个船员证实了这种风险评级响应的可行性。第三方的独立风险（包括其他船上的乘客）主观性较强，所以只有针对LNG船舶船员的标准是必要的。

3.2 社会风险容忍标准

针对船员的社会风险容忍标准是依据一个挪威的研究。根据这个研究，容忍标准和LNG船舶运输在经济上的重要性息息相关，校正了每个经济单位的平均致死率。基于针对日常概率、偶然成本的合理估计，LNG船舶运输的经济价值约为每船舶一整年有160万美元。给予这些估计所制定的风险容忍标准如Fig.3。值得一提的是，这个标准要比挪威所做的研究更为严格。

这些社会风险容忍标准还可以适用于其它船舶的船员，但是针对其他船舶的旅客，应该建立一个更为严格的标准。但是，出于本研究的目的，锚泊时旅客的社会风险容忍标准会低于船员的标准。

3.3经济性标准

本论文中所采用的风险分析结果也许会被用于支持新的或已有的安全措施经济性改进措施中。如果风险等级处于最低合理可行区域中，所有可行的经济性风险控制措施都应该根据FSA来做出添加。有许多可以增加性价比的措施，另外两个经常被用于和FSA研究做比较的研究是GCAF和NCAF。

风险分析确立了风险等级的基本线，并且还可能有助于降低风险。在可能的措施中，例如一种常规操作，本论文的风险模型可以用于分析预期风险减少量。为了正确预估采取措施成本及经济利益，还需要进行更为深入的分析。为了和现在IMO正在实行的MSC保持一致，当GCAF≦三百万USD或NCAF≦三百万USD时（根据定义，NCAF≦GCAF，所以只要GCAF≦三百万USD，那么NCAF永远都≦三百万USD），我们建议采取风险控制措施。对于风险控制措施的预计成本约为三百万USD的，还采取进行更多的保安措施。

4.事故情景

4.1LNG船舶的操作经验

自从1959年第一艘船舶开始运输LNG，还有1964年建造了第一艘专用的LNG船舶之后，LNG的海上运输就一直在稳步上升。但是船龄超过40年的老船数量近年来也在上升。

我们调查了182起LNG事故，其中有泄漏事故，也有非泄漏事故，还包括了超过6000GRT的LNG船。其中有24起发生于非日常情况（例如港池在建设或修缮、被拖或者正在试航），所以不在研究范围。但是，在现今已知的158起与LNG船有关的事故中，由于LNG船舶损坏而造成损害的各船型所占比见Fig.4。其中只考虑了事故的总数，并不考虑事故的严重性和薄膜船与球体船的流行度。

现有的资料指明，在LNG船舶运输的历史中，球体型船发生的的事故更多，但是近20年来，薄膜型船发生事故更为频繁。现有数据太过模糊，所以不能下一个定论，只有考虑了各种船型的数量后，才能够下结论，不过可以表明的是所有LNG船型都发生过事故。为了实现高等级研究的目标，我们今后将把事故率从LNG船型独立出来。

4.2通用事故种类

已知的158起LNG船舶事故可以被分成几种通用事故类型，见Table3，Table4表示按时间对事故进行分类的结果。

这种对事故的分类方法是根据危害的判定。部分事故的类型被认为和死亡不具有直接关系。比如说，事故类型设备与机械故障，并不会直接导致碰撞、搁浅或者火灾。但也有部分事故类型会直接导致搁浅，例如舵故障，所以它也被归类于直接诱因事故中。然而，尽管设备与机械故障是发生几率最高的事故，但这种事故与船员的生命安全关系不大。另外，恶劣天气与装载系统故障也不会直接导致碰撞、搁浅或者火灾，所以它的风险等级也会低于其他事故类型。以下五种通用事故种类是我们所选择的需要进行进一步研究的事故类型。

• 碰撞
• 搁浅
• 触礁
• 火灾及爆炸
• 装卸货物时的事故

这些事故类型是最大的风险来源，与它们相比较，其他事故的风险是可以忽略的。值得一提的是，上列的事故类型可以发生于所有船型，但是所给出的预测结果和危险扩大的可能性是LNG船独有的。

1. 风险模型

所选择的适于进一步研究的LNG船事故类型如Fig.5。下文中，针对特定种类的事故类型的所有风险模型都会被研究，而所有支模型的频率及结果则留待以后研究。

5.1概率评估

每种风险模型的频率数据都来源于Table3的历史数据。但是，我们对火灾及爆炸与装卸货物时的事故进行了一些调整。

总的来说，50%的火灾和爆炸都发生在通风管道中，并不会对船员和船舶造成直接损害。但是，这些事故并不在计算之列，并且事故率正以1.8times;10^-3每船舶年的速率下降。已报道的装卸事故共有22起。然而，只有9起是因为LNG泄漏导致的，也只有它们对安全造成了威胁。通过研究得，由于LNG泄漏而造成的装卸事故率为1/3.2times;10^-3，这个数据将被用于风险评估。每种事故最终被采用的频率如Table5所示。通过对比LNG船和普通船的数据，我们发现它们基本保持一致。一般来说，LNG船的事故率会略低于其他船，但是主要应该归功于LNG船对于安全的高要求和船员所受的良好训练。

5.2结果评估

每种被选择的事故类型的测试结果将以事件树的方式被评估。首先，我们将基于一直风险模型建立一系列事件树。然后，对事件树的每一个分支进行量化。Table5中的估值将被用于最终的数据中。

5.2.1建立事件树

事件树的分支十分复杂，所以在论文中就不做具体解释。但是每种事故的风险模型将在下文描述。

LNG船的通用碰撞事故模型应该按下述方法建立。首先，当碰撞事故发生后，LNG船可能是碰撞船，也可能是被撞船。我们趋向将事故缩小至艏尖舱的碰撞。另外，碰撞事故也有可能发生在LNG船空载或满载的

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