航空運輸鋰電池的風險管理應用

謝歡歡,梁曉瑜,董桂枝,李玉紅

(中國民航科學技術研究院,危險品運輸管理中心,北京 101399)

鋰電池是日常生活和生產制造的主要動力來源[1],航空運輸鋰電池貨物的頻次和數量在逐年增加[2]。國際航空運輸協會(IATA)危險品委員會曾估計,在某些貨運航線中,鋰電池貨物占比高達25%[3]。據統計,2021年國內航空公司鋰電池及含鋰電池設備的運輸量為67.9 萬噸,比2020年增長了16.2%,比2017年增長了35.8%。鋰電池已經成為航空運輸過程中的重要流通元素。

鋰電池因材料的化學性質和結構設計的特點而具有熱失控的安全風險[4-5],在航空運輸中被認定為第9 類危險物品。高密度的鋰電池貨物排列在高空密閉的飛機貨艙,一旦發生熱失控,極易發生火災蔓延,而機上滅火系統無法完全處理鋰電池火災[6],將給飛機和機上人員造成災難性危害。據美國聯邦航空局(FAA)統計,從2006年1月23日至2021年底,全球已發生356 起與鋰電池有關的空中或機場地面事件[7]。近年來,我國每年也會發生鋰電池航空運輸不安全事件。國內鋰電池航空運輸事件的數量有逐年增長的趨勢;據相關統計,2017-2021年,涉及鋰電池的航空運輸事件占總危險品事件的比例高達71%。鋰電池不安全事件嚴重影響航空運輸安全,需要采取有效措施緩解安全風險。

安全可以與危險共存,前提是將鋰電池航空運輸的風險控制在可接受水平之內。風險管理是航空安全管理體系的核心,能夠實現安全關口前移[8],然而,航空貨物所帶來的風險仍未得到充分緩解,尤其是針對鋰電池等新型產品固有危險特性的后果。2020年,國際民航組織(ICAO)附件6《航空器的運行》第Ⅰ部分《國際商業航空運輸-飛機》的第44 次修訂中增添了第15 章貨艙安全,規定了承運人需為貨艙運輸的物品制定安全風險評估[9]。隨后,ICAO Doc 10102《飛機貨艙安全運行指南》發布了具體的安全風險評估指導方法,并指出鋰電池可作為風險管理研究的參考對象[10]。此外,ICAO Doc 9284《危險物品安全航空運輸細則》增添了鋰電池安全風險管理的要求[11];IATA 發布了《承運人鋰電池風險評估指南》[3],積極推進鋰電池風險管理的落實和實施。民航企業結合鋰電池的運輸情況和企業運營特點,有針對性地制定相關操作流程,然而,鋰電池的風險管理體系在應用方面仍不成熟,需更深入的研究和分析。

本文作者對鋰電池的運輸風險進行深度剖析,介紹風險管理在航空運輸鋰電池中的研究和應用現狀,形成航空運輸鋰電池貨物的蝴蝶結風險模型,以期為提升危險品的航空運輸安全提供依據和參考。

1 鋰電池航空運輸事件分析

根據FAA 發布的鋰電池航空運輸事件數據[7],統計分析鋰電池運輸事件的發生因素。2006-2021年鋰電池航空運輸事件類型和數量見表1。

表1 2006-2021年鋰電池航空運輸事件Table 1 The lithium battery events in air transportation from 2006 to 2021

從表1 可知,鋰電池運輸事件的主要表現為:冒煙、燃燒、過熱、爆炸、電池鼓包和存在燒焦味等。多種現象是同時發生的,比如燃燒與過熱、燃燒與冒煙,這也增加了鋰電池運輸事件處理的難度。在356 起鋰電池運輸事件中,冒煙事件占比高達50%;燃燒事件占比為43%;過熱事件占比為21%。其中,燃燒事件包含鋰電池著火、陰燃、冒火星和燃燒痕跡等。由此可知,鋰電池運輸事件主要的風險表現為冒煙、燃燒以及過熱,共計335 起,占比高達94%。

研究表明,鋰電池運輸事件的危險現象主要源于鋰電池在機械濫用、電濫用、熱濫用條件下引發的熱失控[5]。鋰電池在濫用條件下,內部發生連鎖放熱化學反應,并產生大量的熱量和氣體,電池溫度隨之升高;當熱量和壓力積聚到一定程度時,電池外殼破裂,引發鋰電池冒煙、燃燒,甚至爆炸,這一過程被稱為鋰電池的熱失控(見圖1)[4-5]。

圖1 航空運輸中鋰電池熱失控風險因素和相關事件Fig.1 Risk factors and events related to thermal runaway of lithium battery in air transportation

在航空運輸過程中,極端環境條件、飛機顛簸和沖撞等作用、裝卸操作不當、電池質量問題、接觸熱源等,都可能產生引發鋰電池熱失控的濫用條件,進而導致鋰電池航空運輸安全事件發生(見圖1)。一種濫用條件會誘發另一種濫用條件的產生,加速鋰電池熱失控事件的發生。例如,在搬運裝卸過程中可能會因機械作用而擠壓和刺穿鋰電池,發生機械濫用;之后,隔膜破壞發生內部短路,引發電濫用;隨之,電池內部發生化學反應并釋放熱量,引發熱濫用;進一步,電池溫度繼續升高并釋放氣體等,引起電池內部連鎖化學反應,最終導致電池熱失控,引發航空運輸火情等事件。

2 風險管理在鋰電池航空運輸中的應用

由于航空運輸系統開放和動態的特點,危險伴隨著航空活動,鋰電池等危險貨物增加了航空的安全隱患。風險管理能夠衡量危險的可能性和嚴重性,并提出將風險降低至可接受水平的策略,包括危險識別、風險評估和風險緩解[8]等。

2.1 危險識別

危險識別能夠辨析危險以及相關后果,是風險管理的基本流程,將為風險評估和緩解提供依據。危險識別是一個持續的過程,識別的途徑來源于管理體系組織內部的日常監督管理和反饋信息,以及外部的安全報告和行業信息[8]。

以鋰電池貨物為對象,危險識別可分別從內部和外部因素考慮。內部因素是鋰電池貨物自身的潛在危險,包括鋰電池的質量問題(包括假冒偽劣及不合格產品)、包裝不合規、未申報或未符合規定的鋰電池貨物等。外部因素指航空運輸過程中引起鋰電池熱失控的誘發因素,包括極端運輸環境、飛機顛簸沖撞、存放或防護不當、室外(或停機坪)停留過久、企業及人員資質不足等。鋰電池航空運輸的危險識別,應綜合考慮鋰電池的內部和外部因素。鋰電池航空運輸的危險核心在貨物本身,鋰電池貨物供應鏈的任何一個環節都可能影響運輸安全,通過排查及識別供應鏈中的危險隱患,將有助于提升鋰電池航空運輸風險分析的準確性。

2.2 風險評估

風險評估是對已識別危險的發生可能性及后果嚴重性進行判斷,將抽象的安全概念具體化為定性或定量的評判標準,為優化航空安全管理和監督提供科學依據。安全風險評估需設計合理的評估模型和程序,以提供安全風險指標,確定行動的優先次序。評估結果一般包括3 種:可接受的、可容忍的和不可容忍的[8]。可接受和可容忍的安全風險由組織者決策是否采取控制措施,而不可容忍的安全風險是在任何情況下都不允許接受的,應采取緩解措施或停止活動。

安全風險評定矩陣是應用于風險評估的一種普遍方法[8],主要是將危險的發生概率(即可能性)與嚴重性進行組合,創建由數字和字母標識的安全風險指數等級(見表2)。通過安全風險評估矩陣可以確定安全風險容忍度,而容忍度的結構可由組織者設計并最終確定。如表2 中給出的黑色區域代表不可容忍的,深灰色區域代表可容忍的,淺灰色區域代表可接受的。對于航空運輸鋰電池,IATA 提供了利用安全風險矩陣評估來自香港貨物的示例[3]:香港前期發生過有關鋰電池航空運輸貨物的火災事件,因此危險可能發生,概率為3 級;主貨艙起火將可能難以控制,并導致災難性后果,因此嚴重性應為災難性的A 級;根據表2 可知,風險指數等級為3A(不可容忍的)。

表2 安全風險矩陣示例Table 2 The example of security risk matrix

針對鋰電池航空運輸過程中的開放復雜體系,基于三角模糊數的事故樹模型可應用于確定鋰電池航空運輸安全風險評估體系[12]。這種自上而下的方法,可對體系中的風險進行定量和定性分析,為控制鋰電池航空運輸火災事件提供一種思路。基于鋰電池的安全特性和航空運輸要求,借助試驗技術,可以對不同類型、不同能量的鋰電池進行航空運輸風險評估,提前排查潛在安全風險并進行風險評級,為鋰電池安全航空運輸提供科學驗證方法[13]。

鋰電池航空運輸的風險評估涉及范圍廣、系統中不確定因素較多、安全評估依靠專家意見和管理經驗,導致評判結果主觀性較強,也沒有形成通用的標準化評估模型。開發針對鋰電池航空運輸安全的量化風險評估模型,對于提升航空運輸安全能力具有重要意義。

2.3 風險緩解

為將安全風險消除或緩解到最低合理可行(ALARP)水平,需要進行風險緩解(也稱作風險控制)。風險緩解措施并不是指絕對地消除安全風險,而是綜合考慮了成本、時間和難度,以便滿足相關方對安全風險和技術成本的接受能力。風險緩解策略可從事前和事后兩個角度考慮,包括降低危險發生的可能性和降低危險發生后果的嚴重性[10]。

2.3.1 降低鋰電池航空運輸危險發生的可能性

結合識別的危險和風險評估結果,通過減少暴露于風險的機會,將有助于風險關口前移,降低鋰電池航空運輸危險發生的可能性,增強預防風險的能力。目前,在規則、資質和技術上形成了相對完善的風險緩解措施。

在規則方面,聯合國從2006年開始在《關于危險貨物運輸的建議書-規章范本》中引入鋰電池航空運輸要求[14],并在《試驗與標準手冊》中第38 章第3 節(簡稱UN38.3)詳細列出了關于鋰電池的測試方法與標準[15],航空運輸鋰電池必須遵循相關運輸要求。各個國家和相關組織依據國際要求和各自特色制定有針對性的鋰電池航空運輸的規則。例如,IATA 發布的《危險品規則》中詳細列明了鋰電池航空運輸的分類、標記、標簽和包裝等要求[16]。我國也發布了多項有關鋰電池的規范要求,包括MH/T 1020—2018《鋰電池航空運輸規范》[17]、MH/T 1052—2013《航空運輸鋰電池測試規范》[18]等。這些規則要求明確了嚴謹的操作管理辦法和良好的安全責任制度,為鋰電池航空運輸前的準備和運輸過程中的運作提供執行標準。

在資質方面,航空運輸有關方,包括托運人、承運人、地面代理和檢驗檢測機構等,需具備所需的知識、技能和資源,同時獲取相應的危險品操作資質。針對不同的崗位,需要對員工進行相應的培訓,保障收運、裝載、存放和隔離等操作能力。航空運輸相關利益方的工作能力和安全形態是保障鋰電池航空運輸的重要支撐。

在技術方面,首先,鋰電池貨物固有的技術安全仍是關鍵,為此,鋰電池制造商應具備質量管理方案,鋰電池交付時必須能夠提供UN38.3 系列測試的通過證明(2020年后僅需提供規定的測試摘要)[11],單獨運輸的鋰電池的荷電狀態不能超過30%,鋰電池包裝時也需進行短路保護等,并且防止不合格產品進入運輸。其次,在正常的航空運輸操作條件下,排查未申報或不符合規定的鋰電池貨物至關重要,鋰電池偵測技術將發揮重要作用,例如結合人工智能的X 光設備能夠自動快速地篩查鋰電池,這項技術已經研發并將應用于行李安檢中,而大型貨物的自動偵測系統也亟待開發。通過技術手段遏制運輸前的有關風險因素,有助于提升收運鋰電池貨物的安全性,降低運輸中熱失控危險發生的概率。

2.3.2 降低鋰電池航空運輸危險發生后果的嚴重性

一旦鋰電池貨物發生熱失控,合理的緩解策略能應對突發情況,將危險發生后的嚴重性控制在可接受水平,減少經濟、人、環境等方面的損失。降低鋰電池貨物發生熱失控后果嚴重性的緩解措施主要是應對熱失控引發的冒煙、燃燒、過熱等產生的火情,可從貨物包裝技術、航空器系統方面考慮。

將鋰電池發生熱失控后的范圍控制在包裝件內,可減少熱失控的蔓延,避免造成更大程度的損失。根據鋰電池貨物尺寸的要求,可采用防火袋、防火罩/毯或耐火集裝箱等防護設備[3],防護設備自身能夠承受高于650 ℃的高溫而不燃燒,鋰電池熱失控后產生的煙霧、火焰沒有擴散至防護包裝之外,且包裝外的表面溫度低于100 ℃,由此將鋰電池熱失控產生的煙霧、火災以及溫度控制在包裝件內[19]。鋰電池防火包裝已經較為成熟并且在市場上較為普遍,很多航空公司在客艙中都備有防火袋,已能較好應對乘客攜帶電子產品的熱失控事件。然而,針對航空運輸鋰電池貨物的防護產品仍有待推廣和應用,尤其是抑制鋰電池貨物固有危險特性的新產品和新技術,有待研發和應用。

航空器內發生鋰電池熱失控事件可能給飛機和人員帶來災難性的后果,因此航空器內應配備火情抑制系統以及使用合適的滅火劑[10],將實現鋰電池熱失控的火情監測和預警,并釋放滅火介質和置換駕駛艙煙霧,從而遏制鋰電池產生的熱失控危險,保障飛機運行安全。例如,聯邦快遞自2009年開始在貨機上安裝火情抑制系統,被證明能較好應對鋰等可燃金屬引發的極高溫度下的燃燒。然而,不同飛機貨艙等級不同,火情抑制系統適配性的設計和適航要求不同。此外,航空運輸企業需要有一套應急響應程序,相關人員應進行全面安全培訓,熟知安全處理和應急程序。

3 蝴蝶結(Bow-Tie)模型

蝴蝶結(Bow-Tie)模型是一種簡明且直觀展示危險事件演化過程的風險分析方法,包含事故危險源、事故前的緩解措施、頂端事件、事故后的緩解措施和事故結果等[20]的模型。在蝴蝶結模型中,以頂端事件為核心,向左通過事故樹來識別危險源,向右通過事件樹分析產生的后果,并有針對性地設置屏障進行風險緩解,形成類似蝴蝶形狀的分析模型。蝴蝶結模型已經成熟地應用到石油天然氣的安全管理中[21],也逐步應用于航空安全領域[22]。

鋰電池航空運輸系統復雜、安全風險因素多、風險量化難度大,將風險管理的3 個步驟獨立化,將不利于風險管控。ICAO 在《飛機貨艙安全運行指南》中推薦將蝴蝶結模型用于鋰電池航空運輸[10],將風險管理中的危險、后果及緩解措施通過直觀的圖例展示,方便快速查明和管理風險,評估安全屏障的風險緩解能力,盡量降低危險發生的可能性和后果嚴重性。由此,結合風險分析結果,以鋰電池貨物的熱失控為頂端事件,形成鋰電池航空貨物的蝴蝶結模型(見圖2)。

圖2 鋰電池貨物的航空運輸蝴蝶結模型Fig.2 Bow-Tie model of lithium battery by air transportation

以鋰電池為危險源,模型左側模塊列出4 種類型的鋰電池危險,包括因自身存在質量問題的“缺陷”鋰電池、因運輸操作失當導致的“破損”鋰電池、因申報不當而產生的“灰色”鋰電池,以及因外部熱源誘發的“飛溫”鋰電池。在每種鋰電池危險源和熱失控頂端事件中提出風險屏障/緩解措施,為降低事件發生的可能性提供建議。對于“缺陷”鋰電池,應從制造出廠出發,滿足質量體系要求并符合國際國內的安全標準;對于“破損”鋰電池,應提升運輸操作能力和水平,加強收運包裝的堅固性和完整性,提高操作人員的履職能力;對于“灰色”鋰電池,要提升排查力度,完善安保制度和偵測技術,同時完善信用體系建設和獎懲制度,倒逼貨源的規范性;對于“飛溫”鋰電池,重點在于鋰電池的存放,保證鋰電池貨物的周圍環境符合要求。由此,能快速識別危險并采取應對措施,對事件前的預防采取有針對性的緩解措施。

根據運輸中事件可能發生的位置,模型右側區域給出鋰電池航空運輸中的危險后果,即貨艙火情和地面火情,提出相應的風險屏障/緩解措施,為降低事件后果的嚴重性提供建議。應對鋰電池發生熱失控引發的火情,需要完善應急操作管理辦法、完善和明確人員的安全職責、開發和應用耐火保護設備和滅火材料、提升機上火情應急系統的水平等。通過完善管理能力和技術水平,可提高應對突發情況的能力,降低潛在后果的危害,保障航空運輸安全的穩定性。

4 結論

鋰電池作為具有固有危險特性的危險品,給航空運輸帶來巨大挑戰,風險管理有助于將風險控制在合理且可接受的水平。本文作者對鋰電池航空運輸風險管理進行分析和應用。首先,通過對鋰電池航空運輸事件的統計和分析,發現其主要危害表現為鋰電池的冒煙、燃燒、過熱,占比高達94%,并梳理了航空運輸過程中可能引發鋰電池熱失控的濫用條件。隨后,從危險識別、風險評估和風險緩解等3 個方面分析風險管理在鋰電池航空運輸中的應用,并從降低危險發生的可能性和降低危險發生后果的嚴重性兩個方面提出相應的緩解措施。最后,以鋰電池熱失控為頂端事件建立蝴蝶結模型,介紹鋰電池航空運輸風險的危險源、后果及緩解措施,直觀且系統地展示鋰電池航空運輸風險管理的流程。

隨著鋰電池產品的技術升級和新技術的發展,不可預見的危險可能帶來更多的風險隱患。面對勢不可擋的鋰電池航空運輸發展態勢,航空運輸相關方可根據各自的管理特點,形成有特色的風險管理體系,同時,根據運行結果保持動態靈活的發展模式。風險管理在航空運輸鋰電池中的應用,將為航空運輸安全提供重要的理論基礎和應用實踐。