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險之一，一旦發生往往引起巨大的財產、人員損失和環境損害。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險因素辨識

事故樹分析法（Fault Tree Analysis，FTA）是一種從結果到原因的逆向分析法。將事故結果確定為頂部事件，然后找出導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系繪制成一個樹形結構，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險因素。船舶營運和修造階段，油船貨泵艙的設備、管系和艙壁由于腐蝕、破損和誤操作等因素導致貨油、燃油發生泄漏。貨油、燃油泄漏后揮發，氣體探測系統及通風系統的失效，形成可燃氣云。遇到潛在點火源包括靜電、明火作業、電火花和設備過熱等發生爆燃事故。在船舶建造和修造階段，貨泵艙油漆作業后，艙內油漆揮發形成可燃氣云，遇到潛在點火源發生爆燃事故。

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險因素。事故樹中人為因素包括X3、X8、X12和X13，并且設備失效與人員定期檢查和維護密切相關，故人為因素是導致油船貨泵艙爆燃事故發生的重要原因。

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、傳播速度及壓力隨時間的變化規律，搭建了半開敞管道實驗系統。該實驗系統主要包含五個部分：實驗管道、點火裝置、數據采集系統、同步觸發裝置和配氣系統，實驗系統的結構如圖2所示。

實驗中采用圓柱形有機玻璃管道，內徑為160mm，管壁厚10mm，長600mm，水平放置，總容積為12.06L。火焰動態采集采用的高速攝像機為美國Phantom V.2012，全分辨率為1280×800。由于管道中火焰傳播速度較快，實驗采用的拍攝速度為3000幀/秒。點火裝置采用能量可調的高能點火裝置，實驗用點火能量為100mJ。壓力采集設備包括壓力傳感器、數據采集卡、數據采集機箱和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，響應時間為2ms，精度等級為0.5。通過配氣系統，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、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”狀形態傳播，隨著時間發展，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，形狀變為“手指”狀，直到t=60ms時火焰前鋒到達管道出口。實驗結果表明，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，簡化貨泵艙內部管系及設備布置，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的湍流作用，產生扭曲變形，這時火焰速度和壓力會出現短暫的下降。火焰形態的扭曲，增大了火焰前鋒與未燃氣體的接觸面積，當未燃氣體被預熱到臨界反應溫度時，這些氣體的反應幾乎是瞬時的，進而火焰傳播速度迅速增大，同時產生很強的壓力波。

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生反射，反射的壓力波作用于火焰前鋒降低了火焰傳播速度，甚至使火焰前鋒出現局部停滯。而壓力波反射到火焰陣面后又會發生折射和二次反射，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，產生斜壓效應。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，發生火焰拉伸，火焰速度增加。進而使火焰產生更大的失穩、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。火焰越過梯道口時，受到甲板誘導的湍流作用，火焰傳播速度和爆燃壓力均增大。在爆燃過程中，火焰形態、傳播速度與壓力波存在相互作用關系。

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以預防為主，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生，從人為因素和設備因素角度考慮，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生。定期對相關設備、管系和艙壁進行檢查與維護，防止設備密封失效；人員按照相應規范作業，避免誤操作導致貨油、燃油發生泄漏。

二是將油氣濃度降低至爆燃極限以下，防止爆燃事故發生。通過油氣濃度檢測系統，監測貨泵艙油氣濃度，發出報警信號后及時處理；作業前，對貨泵艙進行通風處理，防止油氣積聚。

圖4 油船貨泵艙甲烷/空氣爆燃火焰形態、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，貨泵艙作業期間，禁止吸煙；明火作業需審批報備；按照《鋼制海船入級規范》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，在液貨泵艙內并由穿過泵艙艙壁的軸驅動的液貨泵、壓載泵和掃艙泵，其艙壁軸填料函、軸承和泵殼應裝設溫度傳感裝置，消除設備過熱；電氣設備選型，應滿足防爆要求，消除電火花；油漆作業期間，船舶禁止明火作業。

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

五是加強監督管理，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，設計航速為12節，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研究院、智慧航海（青島）科技有限公司等多家科研機構和企業完全自主研發的自主航行系統，采用中船重工第七〇四所研發的大容量直流綜合電力推進系統，首次在同一船舶上實現直流化、智能化兩大技術跨越，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，能夠實現航行環境智能感知認知、自主循跡、航線自主規劃、智能避碰、自動靠離泊和遠程遙控駕駛。通過5G、衛星通信等多網多模通信系統，可以與港口、航運、海事、航保等岸基生產、服務、調度控制、監管等機構、設施實現協同。

“智飛”號的建造，對于我國智能航運技術發展具有重要的借鑒意義，對于我國智能船舶建造的相關標準法規制訂具有指導意義，將為我國未來智能船舶和智能航運的發展提供重要經驗。