航空運輸貨損原因分析與安全對策

□ 馬小明 □ 宋慧怡

華南理工大學(xué) 機械與汽車工程學(xué)院 廣州 510640

1 分析背景

航空貨運具有安全、快捷、優(yōu)質(zhì)的服務(wù)特點,如今已逐步成為國內(nèi)外貨物快遞的主要運輸方式。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計,正常情況下世界航空客運量每年增長4%～5%,貨運量則每年增長7%[1]。航空貨物的組成結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜,包裝大小不一,物品成分中科技含量高且隱含危險品較多,航空安全風(fēng)險較高[2]。國內(nèi)外航空貨運行業(yè)的整體發(fā)展迅速,雖然相比其它運輸方式,航空運輸發(fā)生事故的概率較低,但是航空貨運安全管理體系和理念更為重要,一旦發(fā)生大的事故,所造成的傷害和損失將是災(zāi)難性的[3]。航空貨運包裹的不正常運輸無論是發(fā)生在飛機飛行過程中,還是發(fā)生在貨運包裹裝卸環(huán)節(jié),事故后果都是不可接受的。航空貨運安全問題不僅直接危害航空安全,而且制約航空貨運行業(yè)的健康發(fā)展,給空防安全和社會治安帶來的影響也應(yīng)當引起高度重視[4]。我國較為重視航空火災(zāi)、航空器事故和事故征候的統(tǒng)計分析工作[5],但目前還沒有專門針對航空運輸快遞包裹損壞方面分析的文獻發(fā)布。筆者以一起航空運輸貨損事故為例,分析貨損原理,并提出合理可行的安全對策措施。

某航空公司一架航運機在包裹收揀的過程中發(fā)現(xiàn)了包裹熔損現(xiàn)象,這批運送的包裹與集裝板的總質(zhì)量為6 804 kg,到達目的地發(fā)現(xiàn)表面熔損的三個大型包裹內(nèi)有160件小型快遞包裹,其中67件都存在不同程度的熔損痕跡。為了分析貨運包裹熔損的原因,防止類似事故重復(fù)發(fā)生,筆者分別對熔損包裹樣品和裝卸過程中所使用的集裝板樣品進行宏觀形貌分析、理化檢驗,并提出了相應(yīng)的安全對策。

2 熔損包裹初始檢驗結(jié)果

2.1 宏觀分析

通過對受損包裹樣品的熔損部位進行觀察,發(fā)現(xiàn)紅色圣誕帽受損最為嚴重,存在明顯的穿孔痕跡,孔洞周圍附著可見黃色膠狀殘留物。熔損包裹宏觀形貌如圖1所示。不同程度受損的包裹樣品表面也均附著黃色膠狀殘留物,殘留物的形態(tài)與包裹的受損程度、擺放位置及材質(zhì)特性有關(guān)。

2.2 材質(zhì)檢驗

提取黑白格毯子、紅色圣誕帽、黃色包裝袋、灰色快遞袋典型樣品,采用VERTEX 70型傅里葉變換紅外光譜儀檢驗,包裹樣品的紅外吸收光譜分析結(jié)果見表1。黑白格毯子與紅色圣誕帽均為聚酯纖維制品,黃色包裝袋為聚丙烯塑料制品,灰色快遞袋為聚乙烯塑料制品。

表1 包裹樣品紅外吸收光譜分析結(jié)果

2.3 熱重分析

采用熱重分析研究包裹在加熱過程中伴隨物理、化學(xué)變化所發(fā)生的熱力學(xué)性質(zhì)變化。物理變化包括升華、脫水、結(jié)晶等,熱力學(xué)性質(zhì)包括熱焓、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)等[6]。選取紅色圣誕帽、黃色包裝袋、灰色快遞袋樣品進行熱重分析。在絕氧含氮氣的環(huán)境下,以10 K/min的升溫速率從40 ℃加熱樣品至600 ℃,自然冷卻,通過熱重分析與微商熱重分析,得到包裹樣品的特征熱效應(yīng)參數(shù),見表2。由表2可以發(fā)現(xiàn),紅色圣誕帽的熱分解起始溫度最低,在相同條件下,最容易發(fā)生熱分解;灰色包裝袋在600 ℃時的質(zhì)量殘重率最低,表明受熱分解最充分;三組樣品均未出現(xiàn)二次分解現(xiàn)象。

表2 包裹樣品特征熱效應(yīng)參數(shù)

2.4 對比引燃試驗

將貨運包裹完好的部分分別用明火、煙火兩種方式引燃,并與實際受損后的包裹樣品進行對比,結(jié)果如圖2所示。明火引燃樣品時,樣品燃燒主要向四周擴展,不能自熄,各層塑料變形燒損嚴重,孔洞周圍存在黑色焦狀物質(zhì)。煙火引燃包裹底部時,包裹底部陰燃,即只冒煙而無火焰燃燒,或火焰十分貼近可燃物表面[7-8]。樣品表面形成較小孔洞,孔洞周圍存在黑色焦狀物質(zhì)。實際受損包裹孔洞較大,形狀規(guī)則,邊界清晰,孔洞豎直向深處發(fā)展,周圍未發(fā)現(xiàn)焦狀物質(zhì),紅色圣誕帽表面附著熔融膠狀物,綜合分析可排除包裹陰燃與明火引燃的可能性。

應(yīng)用S-3700N型掃描電子顯微鏡對采用煙火引燃的殘留物和實際包裹上的殘留物進行掃描電鏡能譜對比分析,得到煙火引燃的殘留物中存在鉀元素[9]。在樣品材料中,僅煙絲受熱分解后會殘留鉀元素。通過現(xiàn)場考察及樣品外觀形貌勘察,并未發(fā)現(xiàn)煙頭遺留物,查看搬運過程監(jiān)控,未發(fā)現(xiàn)有吸煙人員,因此,可以排除煙頭引燃包裹的可能性。

2.5 熔融殘留物成分分析

為排查包裹熔融部位是否存在其它可疑物質(zhì),采用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)進行對比試驗。設(shè)置空白組與對比組,空白組為取自相同樣品中完好的材料進行對比引燃試驗后的殘留物,編號為1-0、2-0,對比組為此次事故中實際包裹熔融部位殘留物,編號為1-1、1-2、2-1、2-2。熔融殘留物分析結(jié)果見表3。明火引燃殘留物和現(xiàn)場殘留物的化學(xué)成分基本相同,主要包括苯、甲苯、乙苯、芳香酸、芳香醛、芳香烴等芳香族化合物。由于塑料混合汽油燃燒后殘留物的主要成分與汽油類似[10],而樣品的總離子流色譜中均未發(fā)現(xiàn)汽油、柴油、煤油的特征峰組合,因此可以排除現(xiàn)場汽油、柴油、煤油作為助燃劑的可能性。通過對航運包裹的裝卸監(jiān)控錄像和X射線圖片進行分析,未發(fā)現(xiàn)有人員縱火跡象,綜合以上分析結(jié)果,可以排除人員縱火因素。

表3 包裹樣品熔融殘留物分析結(jié)果

▲圖2 包裹對比引燃試驗結(jié)果

3 集裝板理化檢驗結(jié)果

3.1 表面宏觀形貌分析

包裹裝卸過程中使用的集裝板尺寸為3 180 mm×2 440 mm×5 mm,材質(zhì)為Al-Zn-Mg7075合金。集裝板上表面用于承載堆放的包裹,底部與平臺車相接觸,集裝板與包裹總質(zhì)量為6 804 kg。對集裝板進行宏觀形貌觀察,發(fā)現(xiàn)集裝板上表面有兩個附著包裹熔融物的區(qū)域E1和E2。E1呈不規(guī)則狀,E2呈花生狀。E1和E2內(nèi)部附著部分黃色包裝袋、紅色圣誕帽、透明雨布的熔融殘留物,E1和E2的中心距約為650 mm。集裝板宏觀形貌如圖3所示,集裝板裝機過程如圖4所示。

▲圖3 集裝板宏觀形貌

▲圖4 集裝板裝機過程

E1和E2底部磨損面可見規(guī)則磨痕,痕跡細小且平行于集裝板的寬度方向。E1和E2外圍存在不規(guī)則的劃痕,痕跡較粗且方向無規(guī)律,外圍劃痕屬于集裝板底部與叉車插入時形成的劃痕。集裝板底部宏觀形貌如圖5所示。集裝板上表面包裹熔融位置、形狀與集裝板底部磨損面磨痕區(qū)域的輪廓完全吻合。平臺車相隔滾輪的中心距約為670 mm,與集裝板上表面E1和E2的中心距相近。E1和E2底部磨損面磨痕的形態(tài)、方向、相對位置表明,集裝板底部磨損面的細小磨痕為裝卸過程中平臺車滾輪與集裝板底部摩擦而產(chǎn)生。

3.2 厚度檢驗

采用CTS-500型超聲測厚儀檢驗集裝板磨損區(qū)域的厚度,結(jié)果如圖6所示。由圖6可知,正常區(qū)域厚度較均勻,為4.13 mm;E1內(nèi)最小厚度為3.33 mm,是正常區(qū)域內(nèi)厚度均值的73%,位于E1中心;E2內(nèi)最小厚度為3.73 mm,是正常區(qū)域內(nèi)厚度均值的85%。E1和E2減薄明顯,E1、E2與厚度減薄區(qū)域輪廓基本吻合,屬于平臺車滾輪與集裝板原位滑動摩擦所致,厚度檢驗結(jié)果符合裝卸過程中平臺車滾輪與集裝板摩擦的輪廓形態(tài)。

3.3 硬度檢驗

使用便攜式金屬硬度檢測儀分別對集裝板上表面和底部磨損面進行硬度檢驗,結(jié)果如圖7所示。集裝板上表面正常區(qū)域硬度分布均勻,且變化幅度較小。集裝板底部磨損面磨痕區(qū)域E1、E2內(nèi)部平均硬度分別為邊緣平均硬度的83%和90%,說明集裝板底部磨損面磨痕區(qū)域受溫度影響較大。硬度檢驗結(jié)果符合集裝板裝卸過程中平臺車滾輪與集裝板原位持續(xù)滑動摩擦的情形,磨損接觸點產(chǎn)生的高溫使磨痕區(qū)域內(nèi)集裝板硬度降低。

▲圖5 集裝板底部宏觀形貌

4 包裹熔損原因綜合分析

通過以上分析,可以綜合判定集裝板表面局部高溫使包裹表層熔損,依據(jù)有三個方面。

(1) 聚酯材料的軟化溫度在200 ℃以上,據(jù)氣象資料記載,事發(fā)當天貨運航線途徑城市均無極端天氣,未發(fā)生臺風(fēng)、雷電等自然災(zāi)害,大氣環(huán)境溫度條件下陽光不可能直接使包裹熔融,可排除自然災(zāi)害原因。

▲圖6 集裝板厚度檢驗結(jié)果

▲圖7 集裝板硬度檢驗結(jié)果

(2) 明火和煙火引燃后的包裹表面存在黑色焦狀物質(zhì),而實際熔損樣品孔洞周圍僅存在黃色膠狀熔融殘留物,說明包裹材料未曾引燃,表面熱量雖高于材料熔點,卻未達到材料燃點,可排除包裹被明火引燃或陰燃的可能。

(3) 集裝板底部磨損區(qū)域中心距約等于平臺車相隔滾輪中心距,且集裝板磨損面區(qū)域減薄明顯,痕跡細小,平行滾輪的推進方向,磨損面區(qū)域與上表面包裹熔融位置、輪廓一致。 集裝板底部磨痕區(qū)域內(nèi)硬度顯著降低,說明平臺車滾輪與集裝板原位持續(xù)摩擦部位產(chǎn)生高溫,使包裹表層熔損。

綜上所述,此次事故原因為集裝板表面貨物偏載,裝卸過程中平臺車滾輪與集裝板底部發(fā)生原位持續(xù)滑動摩擦,接觸點局部溫度升至200 ℃以上;集裝板上的包裹為良好的絕熱材料,摩擦熱除向集裝板接觸邊界四周傳導(dǎo)外,還沿厚度方向向包裹傳導(dǎo),導(dǎo)致包裹局部淺表層熔融;當集裝板原位摩擦解除后,底部熱源中斷,底部冷卻后熔融物固化附著在包裹表面。

5 集裝板表面溫度模擬結(jié)果

為驗證集裝板表面高溫可以將包裹熔損,筆者對集裝板表面溫度進行模擬試驗。樣品外層為黃色包裝袋,中間為灰色包裝袋,內(nèi)層為紅色圣誕帽。將樣品置于集裝板上,集裝板底部采用電熱絲加熱,模擬集裝板與滾輪摩擦生熱后包裹熔融行為,結(jié)果見表4。

表4 集裝板表面溫度模擬試驗結(jié)果

在模擬試驗條件下,樣品表層熔融后冷卻形成透明膠狀物,如圖8所示。當集裝板局部溫度為230 ℃,加熱時間為80 s時,紅色圣誕帽的淺表層即出現(xiàn)微小孔洞,且包裹下表面附著黃色膠狀物質(zhì)。在相同溫度下,加熱時間越長,包裹下表面的膠狀物黃色色澤越淺,越接近透明狀。在相同加熱時間下,集裝板溫度越高,包裹下表面的膠狀物黃色色澤越淺,越接近透明狀。由于集裝板表面溫度分布不均,包裹質(zhì)量不均等原因,試驗得到的膠狀物與實際受損包裹表面的膠狀物顏色略有差異,黃色膠狀殘留物的狀態(tài)還與距離摩擦生熱點位置有關(guān)。試驗結(jié)果證明,集裝板局部溫度升至200 ℃以上會使包裹表層熔融,并形成黃色膠狀熔融物質(zhì)。

▲圖8 集裝板表面溫度模擬試驗結(jié)果

6 安全對策

筆者對航空貨運包裹熔損的原因進行了分析,并對包裹熔損情景進行了模擬分析,最終得出結(jié)論。具體結(jié)論為集裝板裝卸過程中平臺車滾輪與集裝板底部發(fā)生原位持續(xù)滑動摩擦,接觸點局部溫度升到200 ℃以上;集裝板上的包裹為良好的絕熱材料,摩擦熱除向集裝板接觸邊界四周傳導(dǎo)外,還沿厚度方向向包裹傳導(dǎo),導(dǎo)致包裹局部淺表層熔融;當集裝板原位摩擦解除后,底部熱源中斷,底部冷卻后熔融物固化附著在包裹表面。

為防止這一類事故重復(fù)發(fā)生,建議集裝板上的包裹布局要密度、質(zhì)量均衡分布,嚴格控制偏載;加快平臺車滾輪表面摩擦特性、集裝板表面摩擦特性的升級技術(shù)改造;適時在平臺車上安裝位移傳感器、接近開關(guān)、視頻監(jiān)控系統(tǒng),對集裝板打滑與滾輪驅(qū)動力通過安全聯(lián)鎖加以控制;加強集裝板貨物裝卸全過程安全管理,一旦發(fā)現(xiàn)集裝板在平臺車上打滑,立即采取輔助措施,解除打滑;加強平臺車滾輪、集裝板磨損情況的定期檢查、檢測與維修管理。