油船貨泵艙爆燃事故分析

中國船級社 張興東

油船貨泵艙爆燃事故作為船舶主要風(fēng)險之一，一旦發(fā)生往往引起巨大的財產(chǎn)、人員損失和環(huán)境損害。為保證船舶安全運營，開展油船貨泵艙爆燃事故研究迫在眉睫。

油船貨泵艙爆燃事故風(fēng)險因素辨識

事故樹分析法（Fault Tree Analysis，F(xiàn)TA）是一種從結(jié)果到原因的逆向分析法。將事故結(jié)果確定為頂部事件，然后找出導(dǎo)致事故后果的直接因素和間接因素，把所有因素運用邏輯關(guān)系繪制成一個樹形結(jié)構(gòu)，進而對事故進行定性或定量分析。

從船舶建造、營運和修造三個階段考慮，分析油船貨泵艙爆燃事故風(fēng)險因素。船舶營運和修造階段，油船貨泵艙的設(shè)備、管系和艙壁由于腐蝕、破損和誤操作等因素導(dǎo)致貨油、燃油發(fā)生泄漏。貨油、燃油泄漏后揮發(fā)，氣體探測系統(tǒng)及通風(fēng)系統(tǒng)的失效，形成可燃氣云。遇到潛在點火源包括靜電、明火作業(yè)、電火花和設(shè)備過熱等發(fā)生爆燃事故。在船舶建造和修造階段，貨泵艙油漆作業(yè)后，艙內(nèi)油漆揮發(fā)形成可燃氣云，遇到潛在點火源發(fā)生爆燃事故。

基于上述分析，采用事故樹分析方法，建立油船貨泵艙爆燃事故樹模型（如圖1），得到油船貨泵艙爆燃事故風(fēng)險因素。事故樹中人為因素包括X3、X8、X12和X13，并且設(shè)備失效與人員定期檢查和維護密切相關(guān)，故人為因素是導(dǎo)致油船貨泵艙爆燃事故發(fā)生的重要原因。

表 事故樹符號含義

圖1 油船貨泵艙爆燃事故樹

圖2 實驗系統(tǒng)示意圖

油船貨泵艙爆燃過程實驗研究

為了探究油船貨泵艙爆燃事故過程中火焰形態(tài)、傳播速度及壓力隨時間的變化規(guī)律，搭建了半開敞管道實驗系統(tǒng)。該實驗系統(tǒng)主要包含五個部分：實驗管道、點火裝置、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、同步觸發(fā)裝置和配氣系統(tǒng)，實驗系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

實驗中采用圓柱形有機玻璃管道，內(nèi)徑為160mm，管壁厚10mm，長600mm，水平放置，總?cè)莘e為12.06L?；鹧鎰討B(tài)采集采用的高速攝像機為美國Phantom V.2012，全分辨率為1280×800。由于管道中火焰?zhèn)鞑ニ俣容^快，實驗采用的拍攝速度為3000幀/秒。點火裝置采用能量可調(diào)的高能點火裝置，實驗用點火能量為100mJ。壓力采集設(shè)備包括壓力傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、數(shù)據(jù)采集機箱和PC端組成。壓力傳感器采用膜片裸露的PPM-127H壓力傳感器，測量范圍為-5～5kPa，響應(yīng)時間為2ms，精度等級為0.5。通過配氣系統(tǒng)，配置10%甲烷空氣混合氣體，混合氣體覆蓋整個管道。

圖3 空管道甲烷/空氣爆燃火焰形態(tài)、傳播速度和壓力隨時間變化圖

空管道甲烷/空氣爆燃實驗

空管道甲烷/空氣爆燃實驗結(jié)果如圖3。在點火至t=23ms的初始階段，火焰前鋒較為光滑并以“半球”狀形態(tài)傳播，隨著時間發(fā)展，火焰半徑逐漸增大。在t=30ms后，由于管壁限制作用，火焰向管口的傳播速度迅速增大，形狀變?yōu)椤笆种浮睜?，直到t=60ms時火焰前鋒到達管道出口。實驗結(jié)果表明，在貨泵艙爆燃過程中，艙壁的限制作用，能夠使火焰沿梯道口方向的傳播速度迅速增大。

油船貨泵艙甲烷/空氣爆燃實驗

油船貨泵艙爆燃實驗中，簡化貨泵艙內(nèi)部管系及設(shè)備布置，僅考慮貨泵艙中兩層甲板，混合氣體覆蓋整個艙室，實驗結(jié)果如圖4。

0ms～20ms，火焰前鋒呈光滑的半球形火焰向前傳播。20ms～43ms，火焰前鋒受甲板誘導(dǎo)的湍流作用，產(chǎn)生扭曲變形，這時火焰速度和壓力會出現(xiàn)短暫的下降?；鹧嫘螒B(tài)的扭曲，增大了火焰前鋒與未燃氣體的接觸面積，當未燃氣體被預(yù)熱到臨界反應(yīng)溫度時，這些氣體的反應(yīng)幾乎是瞬時的，進而火焰?zhèn)鞑ニ俣妊杆僭龃?，同時產(chǎn)生很強的壓力波。

在爆燃過程中，壓力波超前于火焰向前傳播，壓力波受到甲板的阻擋作用后發(fā)生反射，反射的壓力波作用于火焰前鋒降低了火焰?zhèn)鞑ニ俣龋踔潦够鹧媲颁h出現(xiàn)局部停滯。而壓力波反射到火焰陣面后又會發(fā)生折射和二次反射，火焰前鋒上壓力波多次的反射和折射，使其壓力和密度梯度不平行，產(chǎn)生斜壓效應(yīng)。43～48ms，由于壓力波的反射作用，使火焰前鋒局部停滯，而另一部分梯道口越過，發(fā)生火焰拉伸，火焰速度增加。進而使火焰產(chǎn)生更大的失穩(wěn)、變形，增大與未燃氣體的接觸面積，火焰速度、壓力進一步增加?；鹧嬖竭^梯道口時，受到甲板誘導(dǎo)的湍流作用，火焰?zhèn)鞑ニ俣群捅級毫龃?。在爆燃過程中，火焰形態(tài)、傳播速度與壓力波存在相互作用關(guān)系。

防范措施及建議

由半開敞管道實驗研究可知，油船貨泵艙爆燃過程時間短，事故后果嚴重。油船貨泵艙爆燃事故應(yīng)以預(yù)防為主，并制定爆燃事故緊急救援方案。為防止油船貨泵艙爆燃事故的發(fā)生，從人為因素和設(shè)備因素角度考慮，提出五個方面的防范措施：

一是防止貨油、燃油泄漏，從源頭消除爆燃事故的發(fā)生。定期對相關(guān)設(shè)備、管系和艙壁進行檢查與維護，防止設(shè)備密封失效；人員按照相應(yīng)規(guī)范作業(yè)，避免誤操作導(dǎo)致貨油、燃油發(fā)生泄漏。

二是將油氣濃度降低至爆燃極限以下，防止爆燃事故發(fā)生。通過油氣濃度檢測系統(tǒng)，監(jiān)測貨泵艙油氣濃度，發(fā)出報警信號后及時處理；作業(yè)前，對貨泵艙進行通風(fēng)處理，防止油氣積聚。

圖4 油船貨泵艙甲烷/空氣爆燃火焰形態(tài)、傳播速度和壓力隨時間變化圖

三是控制點火源。對施工人員進行防爆安全培訓(xùn)，貨泵艙作業(yè)期間，禁止吸煙；明火作業(yè)需審批報備；按照《鋼制海船入級規(guī)范》對接地的要求，對于與船體非固定連接的貨艙(柜)、處理裝置和管系，應(yīng)加專門的接地搭接片，消除靜電；按照SOLAS公約對貨泵艙保護的要求，在液貨泵艙內(nèi)并由穿過泵艙艙壁的軸驅(qū)動的液貨泵、壓載泵和掃艙泵，其艙壁軸填料函、軸承和泵殼應(yīng)裝設(shè)溫度傳感裝置，消除設(shè)備過熱；電氣設(shè)備選型，應(yīng)滿足防爆要求，消除電火花；油漆作業(yè)期間，船舶禁止明火作業(yè)。

四是制定緊急救援措施。進行火災(zāi)、爆燃事故救援演練，制定緊急逃生路線；按照法規(guī)和規(guī)范的要求，配備個人防護設(shè)備，救生設(shè)備。

五是加強監(jiān)督管理，消除不安全隱患。

我國首艘自主航行集裝箱船“智飛”號開建

2020年5月15日，我國首艘自主航行集裝箱船“智飛”號舉行了建造開工儀式。據(jù)介紹，300TEU集裝箱船“智飛”號是我國首艘具有智能航行能力、面向商業(yè)運營的運輸貨船，也是目前在建的全球噸位最大的智能航行船舶，該船總長約110米，型寬約15米，型深10米，設(shè)計航速為12節(jié)，計劃于2021年下半年進行測試運營。

“智飛”號集成并安裝有交通運輸部水運科學(xué)研究院、智慧航海（青島）科技有限公司等多家科研機構(gòu)和企業(yè)完全自主研發(fā)的自主航行系統(tǒng)，采用中船重工第七〇四所研發(fā)的大容量直流綜合電力推進系統(tǒng)，首次在同一船舶上實現(xiàn)直流化、智能化兩大技術(shù)跨越，具有人工駕駛、遠程遙控駕駛和無人自主航行三種駕駛模式，能夠?qū)崿F(xiàn)航行環(huán)境智能感知認知、自主循跡、航線自主規(guī)劃、智能避碰、自動靠離泊和遠程遙控駕駛。通過5G、衛(wèi)星通信等多網(wǎng)多模通信系統(tǒng)，可以與港口、航運、海事、航保等岸基生產(chǎn)、服務(wù)、調(diào)度控制、監(jiān)管等機構(gòu)、設(shè)施實現(xiàn)協(xié)同。

“智飛”號的建造，對于我國智能航運技術(shù)發(fā)展具有重要的借鑒意義，對于我國智能船舶建造的相關(guān)標準法規(guī)制訂具有指導(dǎo)意義，將為我國未來智能船舶和智能航運的發(fā)展提供重要經(jīng)驗。