動(dòng)力定位船舶二氧化碳系統(tǒng)和風(fēng)油切斷聯(lián)動(dòng)分析

張建平，陸華中，唐杰

(上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司，上海 200125)

CO滅火系統(tǒng)廣泛使用在各類(lèi)船舶的機(jī)艙、鍋爐艙、輔機(jī)艙、貨艙、貨油泵艙等處。對(duì)于動(dòng)力定位(dynamically positioned，DP)船舶來(lái)說(shuō)，除了要從公約和規(guī)范角度考慮該安全系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，還必須考慮DP船舶的特點(diǎn)，即最大單點(diǎn)故障不應(yīng)該超過(guò)DP系統(tǒng)設(shè)計(jì)所遵循的最大單點(diǎn)故障設(shè)計(jì)意圖(worst case failure design intent，WCFDI)。DP系統(tǒng)故障模式與影響分析(failure modes and effects analysis，F(xiàn)MEA)的基礎(chǔ)就是WCFDI。這要求即使觸發(fā)CO系統(tǒng)，也應(yīng)該保證由此引起的船舶系統(tǒng)故障不超過(guò)最大單點(diǎn)故障。在建深水鋪管船配置左、右2個(gè)機(jī)艙，各布置3臺(tái)主發(fā)電機(jī)；配置左、中、右3個(gè)配電板間，各布置1套由2段母排組成的中壓配電板；另有10個(gè)推進(jìn)器艙。船舶可運(yùn)行在2種DP作業(yè)模式，船舶系統(tǒng)需要同時(shí)滿足不同DP模式的WCFDI：DP2時(shí)只允許丟失1段母排(1臺(tái)主發(fā)電機(jī)或1段配電板母排)；DP3時(shí)只允許失去1個(gè)機(jī)艙。船舶配備的CO系統(tǒng)和風(fēng)油切斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)為聯(lián)動(dòng)控制，F(xiàn)MEA發(fā)現(xiàn)該設(shè)計(jì)無(wú)法滿足WCFDI，比如DP2時(shí)，繼電器箱誤動(dòng)作、短路會(huì)導(dǎo)致失去1個(gè)機(jī)艙，超出了DP2模式的WCFDI。為此，結(jié)合規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)以及文獻(xiàn)中的相關(guān)規(guī)定，確定最有利和可行的解決方案，對(duì)DP船舶CO系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出優(yōu)化和改進(jìn)方向。

1 CO2系統(tǒng)和風(fēng)油切斷系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)

該深水鋪管船的CO系統(tǒng)由于涉及到安全返港(safe return to port，SRtP)，保護(hù)處所遠(yuǎn)超過(guò)常規(guī)配置，共計(jì)2組釋放控制箱、31套釋放閥，為全船31個(gè)重要處所提供固定式滅火保護(hù)。系統(tǒng)采用集中控制形式，報(bào)警延時(shí)繼電器箱、釋放閥位于水線以上的CO儲(chǔ)藏間，2組釋放控制箱分別布置在儲(chǔ)藏間和前駕(安全中心)。

全船CO系統(tǒng)和風(fēng)油切斷聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)思路見(jiàn)圖1。

圖1 CO2系統(tǒng)和風(fēng)油切斷聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)思路

2組釋放控制箱各包括31套箱子，對(duì)應(yīng)31個(gè)受保護(hù)的處所，兩兩并聯(lián)控制同一釋放閥。任1處所發(fā)生火災(zāi)時(shí)，通過(guò)操作對(duì)應(yīng)釋放控制箱內(nèi)的控制空氣瓶打開(kāi)釋放閥，將CO氣體釋放至該處所進(jìn)行滅火。一旦打開(kāi)釋放控制箱門(mén)，門(mén)上的微動(dòng)開(kāi)關(guān)發(fā)出信號(hào)并激活處所內(nèi)的聲光報(bào)警器，以便人員疏散。所有釋放控制箱和釋放閥的微動(dòng)開(kāi)關(guān)信號(hào)、聲光報(bào)警的電源供電等，均接入CO儲(chǔ)藏間的報(bào)警延時(shí)繼電器箱。為保證滅火效果、提高自動(dòng)化水平，風(fēng)油切斷系統(tǒng)和CO系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，釋放閥動(dòng)作時(shí)，其微動(dòng)開(kāi)關(guān)信號(hào)通過(guò)報(bào)警延時(shí)繼電器箱輸出切斷信號(hào)給風(fēng)油切斷系統(tǒng)，自動(dòng)切斷對(duì)應(yīng)處所的風(fēng)機(jī)、油泵、風(fēng)閘等設(shè)備。

報(bào)警延時(shí)繼電器箱為系統(tǒng)的中樞，功能如下。

1)輸出預(yù)釋放信號(hào)給對(duì)應(yīng)處所的聲光報(bào)警器，提醒人員撤離。

2)輸出預(yù)釋放信號(hào)和釋放信號(hào)到系統(tǒng)控制箱(integrated control system，ICS)，給值守操作人員提供報(bào)警和故障記錄。預(yù)釋放信號(hào)來(lái)自釋放控制箱門(mén)微動(dòng)開(kāi)關(guān)，釋放信號(hào)來(lái)自釋放閥微動(dòng)開(kāi)關(guān)。

3)輸出切斷信號(hào)到風(fēng)油切斷系統(tǒng)，聯(lián)動(dòng)切斷對(duì)應(yīng)處所的風(fēng)機(jī)、油泵等。切斷信號(hào)來(lái)自對(duì)應(yīng)的釋放閥微動(dòng)開(kāi)關(guān)，接入風(fēng)油切斷控制柜3#、4#，1個(gè)信號(hào)對(duì)應(yīng)1個(gè)處所，見(jiàn)表1。

表1 CO2滅火系統(tǒng)至風(fēng)油切斷系統(tǒng)的信號(hào)

31個(gè)處所在本地另設(shè)置風(fēng)油切斷按鈕，可切斷該處所的風(fēng)機(jī)、油泵、風(fēng)閘等；前駕(安全中心)、后駕各設(shè)置有風(fēng)油切斷觸摸屏操作站和控制箱，可以按照實(shí)際情況分別切斷31個(gè)處所的風(fēng)油系統(tǒng)。

2 聯(lián)動(dòng)問(wèn)題的分析和處理

2.1 對(duì)WCFDI和船舶安全的影響分析

動(dòng)力定位能力分析的基礎(chǔ)是WCFDI，每個(gè)船舶系統(tǒng)(包括CO系統(tǒng))需要同時(shí)滿足該船DP2和DP3模式下相應(yīng)的WCFDI。FMEA并不考慮各處所的危險(xiǎn)等級(jí)劃分，通常默認(rèn)均存在失火和浸水風(fēng)險(xiǎn)。CO儲(chǔ)藏間位于水線以上的中間甲板，可不分析水線以上處所的浸水情況(如有水管仍會(huì)酌情考慮)；而對(duì)于失火風(fēng)險(xiǎn)，采用A60艙壁分割可以認(rèn)為外部失火不會(huì)蔓延到該位置，但內(nèi)部失火風(fēng)險(xiǎn)仍需考慮。

報(bào)警延時(shí)繼電器箱采用常開(kāi)觸點(diǎn)連接到風(fēng)油切斷系統(tǒng)，觸點(diǎn)閉合時(shí)執(zhí)行切斷動(dòng)作。增加熱熔絲可以在儲(chǔ)藏間失火時(shí)斷開(kāi)觸點(diǎn)回路，觸點(diǎn)側(cè)串并聯(lián)電阻配合專(zhuān)用模塊可防止觸點(diǎn)短路和斷路時(shí)的誤動(dòng)作，但這些均是針對(duì)繼電器觸點(diǎn)，無(wú)法隔絕繼電器本身的故障。如發(fā)生繼電器及繼電器控制回路誤動(dòng)作、短路等單點(diǎn)故障，仍然超出WCFDI。

結(jié)合CO系統(tǒng)的控制邏輯，分析如下。

1)在DP2模式下，例如，繼電器箱里的“CUT-OFF For Engine Room Port”觸點(diǎn)對(duì)應(yīng)的繼電器誤動(dòng)作，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)執(zhí)行左機(jī)艙的風(fēng)油切斷，3臺(tái)發(fā)電機(jī)燃油泵將同時(shí)被切斷，整個(gè)左機(jī)艙的風(fēng)機(jī)、風(fēng)閘全部切斷，超出該模式下的最大單點(diǎn)故障范圍。

2)在DP3模式下，考慮到只有1個(gè)繼電器箱，其所在的儲(chǔ)藏間如發(fā)生火災(zāi)等事故，會(huì)導(dǎo)致繼電器誤動(dòng)作，使對(duì)應(yīng)左、右機(jī)艙的觸點(diǎn)信號(hào)“COCUT-OFF For Engine Room Port”“COCUT-OFF For Engine Room STBD”及其他觸點(diǎn)信號(hào)意外發(fā)訊，使系統(tǒng)對(duì)2個(gè)機(jī)艙及其他艙室執(zhí)行風(fēng)油切斷，將同時(shí)切斷6臺(tái)發(fā)電機(jī)和10個(gè)推進(jìn)器，全船動(dòng)力丟失，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了DP3模式下的最大單點(diǎn)故障范圍。

從船舶運(yùn)行安全的角度考慮，雖然聯(lián)動(dòng)功能提高自動(dòng)化程度，減少人員干預(yù)，但一旦釋放箱誤操作(包括元器件故障)，會(huì)使重要處所如機(jī)艙、推進(jìn)器艙的主要設(shè)備意外停機(jī)而致全船失電或失去推進(jìn)動(dòng)力，引發(fā)安全事故。2019年某貨船因操作不當(dāng)造成大量CO誤釋放至機(jī)艙而導(dǎo)致的重大傷亡事故，該船的風(fēng)油切斷系統(tǒng)和CO系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，直接加劇了系統(tǒng)誤動(dòng)作的事故后果；另有一起事故由于CO釋放控制箱門(mén)行程開(kāi)關(guān)誤動(dòng)作，系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)導(dǎo)致風(fēng)油切斷，致使主機(jī)失去動(dòng)力、船舶失控而擱淺。DP船舶在實(shí)際作業(yè)中，比如海底石油管道鋪設(shè)、大型海上結(jié)構(gòu)吊裝時(shí)，一旦出現(xiàn)類(lèi)似意外，后果將更加嚴(yán)重。

2.2 規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)和文獻(xiàn)分析

國(guó)際海事組織和各船級(jí)社對(duì)CO系統(tǒng)提出了詳細(xì)而繁多的規(guī)定以確保系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

國(guó)際海事組織的《國(guó)際海上安全人命公約》(safety of life at sea，SOLAS) 2009綜合文本，第II-2 章/C部分/第10條/4.2提到：“如使用固定式氣體滅火系統(tǒng)，可以讓空氣進(jìn)入或允許氣體排出的被保護(hù)處所的開(kāi)口應(yīng)能從該處所外部予以關(guān)閉?！泵鞔_要求關(guān)閉通風(fēng)系統(tǒng)，其主旨是確保滅火效果，但并未提到是系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)還是操作人員手動(dòng)控制。

在建鋪管船所遵循的LR規(guī)范2017版，Part 6/Chapter 2/Section 18/17.9.2也明確提到：“滅火劑控制柜門(mén)或面板的打開(kāi)，不管任何目的，除非釋放滅火劑，否則不應(yīng)造成任何重要設(shè)備的損失?！奔碈O釋放控制箱門(mén)的打開(kāi)，不應(yīng)該和風(fēng)油切斷系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)；如果是釋放滅火劑，則是例外。規(guī)范強(qiáng)調(diào)了例外情況的目的性(釋放滅火劑)，意味著系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須考慮誤動(dòng)作的情況。

其他船級(jí)社規(guī)范，比如CCS的《鋼質(zhì)船舶入級(jí)規(guī)范》2018版的第4篇/第2章/2.9.3.4有明確的規(guī)定：“用于保護(hù)機(jī)器處所的固定式氣體滅火系統(tǒng)的釋放前報(bào)警和釋放不應(yīng)導(dǎo)致自動(dòng)切斷機(jī)艙風(fēng)機(jī)和油泵?！?019修改通報(bào)中，將其修改為“用于保護(hù)主推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)和主發(fā)電機(jī)組所在機(jī)器處所的固定式氣體滅火系統(tǒng)的釋放前報(bào)警和釋放不應(yīng)導(dǎo)致自動(dòng)切斷該機(jī)器處所風(fēng)機(jī)和油泵?！奔磳?duì)于重要機(jī)器處所，釋放CO時(shí)自動(dòng)切斷風(fēng)油系統(tǒng)是絕對(duì)禁止的。

而ABS 的SVR(steel vessel rule)的Part 4/Chapter 7/Section 3/3.3.5有如下規(guī)定：“Systems are to be designed so that opening of the door to a COrelease mechanism will not cause an inadvertent blackout condition in machinery spaces.”其意思也是CO釋放控制箱門(mén)打開(kāi)時(shí)不能導(dǎo)致機(jī)器處所的意外失電。

由上可知，SOLAS公約中只要求在釋放CO之前，被保護(hù)處所的通風(fēng)和通風(fēng)口必須關(guān)閉，沒(méi)有要求自動(dòng)還是手動(dòng)，更沒(méi)有提到油泵的切斷；各船級(jí)社規(guī)范表述略有不同，但LR和ABS，均提到打開(kāi)CO釋放控制箱門(mén)時(shí)不能自動(dòng)引起重要設(shè)備的損失或者機(jī)器處所的意外失電，CCS更是明確，即使CO釋放時(shí)也不能自動(dòng)觸發(fā)風(fēng)油切斷系統(tǒng)。

張樹(shù)雷對(duì)CO系統(tǒng)和風(fēng)油切斷的聯(lián)動(dòng)問(wèn)題做了研究，并分析了這一設(shè)計(jì)的由來(lái)。譚安全等也結(jié)合公約、規(guī)則和船級(jí)社規(guī)范對(duì)此進(jìn)行了分析。無(wú)論是《國(guó)際消防安全系統(tǒng)規(guī)則》(International Code for Fire Safety Systems，F(xiàn)SS)，還是《國(guó)內(nèi)航行海船法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》，或者CCS的《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》，均無(wú)強(qiáng)制性聯(lián)動(dòng)要求，而DNV GL規(guī)范中明確CO系統(tǒng)不允許和風(fēng)油切斷聯(lián)動(dòng)。在CB/T 3294—1998中只是要求“(遙控施放箱)開(kāi)關(guān)箱內(nèi)的電氣行程開(kāi)關(guān)應(yīng)接入CO施放報(bào)警裝置與機(jī)艙風(fēng)機(jī)、燃油泵切斷控制系統(tǒng)之中。”升版的CB/T 3294—2020中額外增加了對(duì)施放閥行程開(kāi)關(guān)的要求，“施放閥的行程開(kāi)關(guān)，應(yīng)接入CO施放報(bào)警裝置與機(jī)艙風(fēng)機(jī)、燃油泵等的切斷控制系統(tǒng)之中?！钡@一船舶行業(yè)推薦標(biāo)準(zhǔn)在開(kāi)篇就明確“適用于船用CO滅火裝置的設(shè)計(jì)、制造和驗(yàn)收”，并不是針對(duì)船舶系統(tǒng)設(shè)計(jì)；而且標(biāo)準(zhǔn)并沒(méi)有詳細(xì)描述將行程開(kāi)關(guān)接入切斷控制系統(tǒng)中的具體作用和邏輯。比如，是否和手動(dòng)控制結(jié)合用于切斷風(fēng)油系統(tǒng)。因此船舶各系統(tǒng)間的聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)仍然需要依據(jù)公約、船級(jí)社入級(jí)規(guī)范進(jìn)行。

2.3 聯(lián)動(dòng)問(wèn)題的處理方案分析

1)保留聯(lián)動(dòng)控制，對(duì)CO系統(tǒng)進(jìn)行改造以滿足DP運(yùn)行模式下的WCFDI。以DP3模式為例，此時(shí)全船系統(tǒng)分為2個(gè)DP冗余組，CO系統(tǒng)也需要分為2組，每1組對(duì)應(yīng)1個(gè)冗余組，任意單點(diǎn)故障(包括儲(chǔ)藏間失火)或者任意一組CO釋放，只對(duì)應(yīng)1個(gè)冗余組的風(fēng)油系統(tǒng)觸發(fā)回路，不會(huì)影響另一個(gè)冗余組；而DP2模式下，CO報(bào)警延時(shí)繼電器箱中的繼電器觸點(diǎn)可通過(guò)增加熱熔絲、串并聯(lián)電阻等措施防止觸點(diǎn)短路、斷路等單點(diǎn)故障引起的誤動(dòng)作，繼電器箱需要修改設(shè)計(jì)并改造來(lái)預(yù)防繼電器本身的單點(diǎn)故障。

在CO系統(tǒng)已到貨、設(shè)計(jì)已完成的情況下，這個(gè)方案從成本、進(jìn)度、影響程度等各方面衡量，都不是最佳選擇；而且如果保留聯(lián)動(dòng)控制，則操作不當(dāng)、設(shè)備誤動(dòng)作等可能性仍然存在，對(duì)人員和船舶安全有潛在危害，易使運(yùn)行中的鋪管船陷入險(xiǎn)境。

2)釋放CO前手動(dòng)關(guān)閉風(fēng)油系統(tǒng)，取消聯(lián)動(dòng)控制。CO釋放操作對(duì)船舶安全和船員人身安全有潛在重大影響，由值班人員進(jìn)行手動(dòng)控制和干預(yù)更加穩(wěn)妥。船舶實(shí)際滅火操作中，被保護(hù)房間內(nèi)的風(fēng)油切斷通常由中控室完成。船員會(huì)先手動(dòng)停止失火處所的所有油泵和風(fēng)機(jī)，關(guān)閉所有通風(fēng)口，然后根據(jù)火情大小決定是否釋放CO。取消聯(lián)動(dòng)控制，既符合流程，又避免操作不當(dāng)、系統(tǒng)誤動(dòng)作而引發(fā)的嚴(yán)重后果，規(guī)避了DP模式下CO系統(tǒng)相關(guān)的單點(diǎn)故障超出WCFDI的問(wèn)題。

從鋪管船項(xiàng)目配置來(lái)看，艙室失火時(shí)，火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)發(fā)訊，人員先檢查艙室，確定火情大小后制訂滅火方案。如火情嚴(yán)重到需要釋放CO系統(tǒng)，則通過(guò)就地風(fēng)油切斷按鈕或者前駕、后駕的操作站、控制箱執(zhí)行該艙室的風(fēng)油切斷，然后消防操作人員啟動(dòng)CO系統(tǒng)。ICS顯示屏上可以顯示CO系統(tǒng)的預(yù)釋放報(bào)警、釋放報(bào)警等操作狀態(tài)，見(jiàn)表2。該顯示屏、風(fēng)油切斷操作站和控制箱均布置在前駕(安全中心)以及后駕，位于一個(gè)房間內(nèi)，給手動(dòng)控制提供了便利，人員可以有效干預(yù)。

表2 CO2系統(tǒng)操作狀態(tài)

取消CO系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)控制的方案得到船級(jí)社、船東、船東監(jiān)理等各方的確認(rèn)，并得到實(shí)施。

3 結(jié)論

DP船舶的CO系統(tǒng)設(shè)計(jì)，不但要考慮系統(tǒng)本身，還與船舶其他系統(tǒng)一樣，應(yīng)考慮任意單點(diǎn)故障不能超出DP運(yùn)行模式下的WCFDI，系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)使當(dāng)前的設(shè)計(jì)難以達(dá)到要求。結(jié)合公約、船級(jí)社規(guī)范及文獻(xiàn)資料的對(duì)比可知，聯(lián)動(dòng)控制并非必須，甚至?xí)o船舶安全和船員人身安全帶來(lái)隱患。取消聯(lián)動(dòng)控制是綜合分析后的處理方案。

船舶發(fā)生火災(zāi)、需要實(shí)施CO釋放時(shí)，相關(guān)機(jī)器處所的風(fēng)油系統(tǒng)必須在CO釋放前手動(dòng)切斷，規(guī)范操作流程是關(guān)鍵。對(duì)此已有船舶檢驗(yàn)專(zhuān)家提出了解決思路，比如張樹(shù)雷、譚安全、萬(wàn)強(qiáng)等均建議在CO釋放控制箱旁增設(shè)風(fēng)油切斷按鈕，使得風(fēng)油切斷控制和CO系統(tǒng)隔離，但物理位置在一起。這也可以規(guī)避單點(diǎn)故障對(duì)DP船舶WCFDI的影響，不失為合理可行的改進(jìn)方案。