1 引 言

根據(jù)有關(guān)資料，艦船遭破壞的類型已從二戰(zhàn)中的以不沉性的喪失或減少為主，轉(zhuǎn)變?yōu)橐曰馂?zāi)爆炸為主。艦船防火防爆在艦船生命力諸要素中已成為主要矛盾[1,2]?，F(xiàn)代艦船上存在著大量的易燃易爆物品，戰(zhàn)斗中由于敵人的武器攻擊或平時艦員的不慎，都可能給艦艇帶來火災(zāi)和爆炸。如果發(fā)生火災(zāi)后控制不力，任其蔓延，還可能造成進水、沖擊等二次破壞，并會導(dǎo)致極為嚴重的災(zāi)難性后果。因此，進行艦艇火災(zāi)爆炸的危險源識別與風(fēng)險評估，并針對重大危險源采取有效的改進措施，降低艦船的火災(zāi)爆炸危險性，對增強現(xiàn)代艦船的生存能力具有重要意義。本文采用風(fēng)險辨識—風(fēng)險評價—風(fēng)險控制的討論方法，對艦船的火災(zāi)爆炸危險源進行了辨識和評估。

2 艦船火災(zāi)爆炸危險源的識別

對艦船火災(zāi)爆炸危險源識別的第一步是對其存在的危險、危害因素進行分析，確定其主要存在的危險、危害因素的種類、分布及可能產(chǎn)生的危險、危害方式和途徑。

2.1 艦船火災(zāi)爆炸危險源的分類

根據(jù)危險源的分類[3]，火災(zāi)爆炸的第一類危險源包括易燃易爆物、火災(zāi)煙氣及燃燒和爆炸產(chǎn)生的有毒有害氣體；第二類危險源是導(dǎo)致人們?yōu)榱朔乐够馂?zāi)爆炸發(fā)生或減小該類事故所采取的措施失效,或破壞性的各種不安全因素，包括人、物、環(huán)境三方面的問題隱患。

具體講，針對艦船，第一類危險源應(yīng)考慮的有：

1) 易爆炸性物質(zhì)，如艦載武器、彈藥以及武備機械等；

2) 易燃性氣體，如蒸發(fā)的燃油氣體等；

3) 易燃性液體，如機艙燃油、航空燃油等；

4) 固體易燃物，如硝化棉等和某些無機化合物等；

5) 自燃物質(zhì)，如短路后的絕緣膠皮等；

6) 毒性物質(zhì)，如發(fā)生火災(zāi)后產(chǎn)生的有毒煙氣等。

其中，第二類危險源主要是在導(dǎo)致火災(zāi)爆炸事故的人為失誤，如違章焊接、亂扔煙頭、危險區(qū)域使用明火、管理麻痹大意等。

在艦船火災(zāi)、爆炸事故中還應(yīng)注意對重大危險源進行識別和管理。有的艦船載有作戰(zhàn)用的武器和彈藥，有的艦船上有核設(shè)備，這些危險源一旦發(fā)生事故，將會對整艘艦船乃至周邊環(huán)境造成巨大危害，因此屬于重大危險源，應(yīng)特別關(guān)注。

2.2 FTA法識別艦船火災(zāi)爆炸危險源

目前對危險源進行識別的方法多種多樣，常用的方法有安全檢查分析表(SCL)、故障模式和影響分析法(FMEA)、工作危害分析法(JHA)、管理失誤風(fēng)險樹法(MORT)和事件樹分析法(FTA)[4,5]等。其中，F(xiàn)TA法在風(fēng)險分析中得到了廣泛的應(yīng)用。對于艦船火災(zāi)爆炸事故，利用FTA法，能通過邏輯關(guān)系將潛在原因和最終事故聯(lián)系起來，方便查清事故責(zé)任，也為采取整改措施提供依據(jù)。同時通過對原因的邏輯分析，可以分清導(dǎo)致事故原因的主次，控制住有限的幾個關(guān)鍵原因，以達到有效防止重大火災(zāi)爆炸事故的發(fā)生。

因此，可依據(jù)艦船安全性的要求，以易燃、易爆一般危險源和故障危險源為對象，利用故障樹分析法建立艦船火災(zāi)爆炸安全風(fēng)險分析的框架。

經(jīng)過大量艦船火災(zāi)爆炸事故的搜集和整理，逐級向下找出各自的直接原因事件，通過分析找出導(dǎo)致火災(zāi)爆炸事故的基本因素，如違章操作、設(shè)備老化、彈藥問題、惡劣海況等。針對該故障樹的特點，限定底事件分析到構(gòu)成艦船的基本設(shè)備為止(如主機、通風(fēng)設(shè)備、彈藥)，不再繼續(xù)分析設(shè)備零件的故障。

按邏輯關(guān)系畫出火災(zāi)爆炸的故障樹，如圖1所示。

分析得出的基本事件實際上就是導(dǎo)致頂事件——艦船火災(zāi)爆炸事故發(fā)生的危險源。其中事件X18-彈藥自身質(zhì)量、X21-彈藥發(fā)射時引燃旁邊物質(zhì)、X22-管道靜電、X25-煙頭、X26-貨物自燃、X30-短路、X31-漏電、X33-擊中可燃物屬于第一類危險源；而事件X1-麻痹大意等其他基本事件屬于第二類危險源。

3 艦船火災(zāi)爆炸的風(fēng)險概率

通過FTA法識別出各基本事件, 亦即艦船火災(zāi)爆炸的危險源后，若能進一步得到各基本事件發(fā)生的概率，則能通過故障樹的邏輯關(guān)系得到頂事件發(fā)生的概率，更準確全面地對艦船火災(zāi)爆炸事故發(fā)生的危險性做出評價，為防范事故提供更科學(xué)、客觀的參考依據(jù)。

T-火災(zāi)爆炸事故；A1-可燃氣體到達爆炸極限；A2-火源；S-空氣；B1-油氣泄露；B2-未及時發(fā)現(xiàn)險情；B3-彈藥；B4-靜電；B5-明火；B6-暗火；B7-雷擊火花；B8-撞擊；C1-燃油氣體大量泄露；C2-可燃氣體積聚；C3-報警系統(tǒng)損壞；D1-違章檢修；D2-管道損壞；D3-密封不嚴；D4-通風(fēng)不良；D5-彈藥爆炸；D6-設(shè)備故障；D7-飛機回航撞擊母艦；E1-碰撞損壞；E2-人為損壞；E3-自爆；E4-設(shè)備老化；F1-觸礁；F2-兩船相撞；X1-麻痹大意；X2-監(jiān)督不力；X3-遭遇風(fēng)暴；X4-地貌不清；X5-惡劣海況；X6-人為失誤；X7-設(shè)備故障；X8-操作不當(dāng)；X9-有意損壞；X10-閥門泄露；X11-接口問題；X12-空間密閉；X13-通風(fēng)設(shè)備失效；X14-未及時檢修；X15-設(shè)備老化；X16-故意破壞；X17-艙室通風(fēng)不佳；X18-彈藥自身質(zhì)量；X19-出現(xiàn)災(zāi)情未及時撲滅；X20-保管不善；X21-彈藥發(fā)射時引燃旁邊物質(zhì)；X22-管道靜電；X23-化纖衣服；X24-廚房失火；X25-煙頭；X26-貨物自燃；X27-違章焊接；X28-違章用電；X29-操作不當(dāng)；X30-短路；X31-漏電；X32-避雷裝置失效；X33-擊中可燃物；X34-飛行員失誤；X35-指揮塔指揮失誤

但是要得到各基本事件的概率非常困難。首先，不同類型船的基本事件發(fā)生概率是不一樣的；其次，艦船火災(zāi)爆炸事故的具體詳細原因涉及到各國的軍事秘密，第一手資料很難獲得。在缺乏相關(guān)資料的情況下，目前通常采取的方法有層次分析法[6]，綜合模糊評判法[7]等。本文將探討如何在缺乏相關(guān)數(shù)據(jù)的情況下，盡可能客觀準確地得到各基本事件的概率，以對危險源進行評價。

3.1 危險源的分類

按前文所述，艦船火災(zāi)爆炸的危險源共有35個，X1～X35，進一步歸納會發(fā)現(xiàn)：艦船火災(zāi)爆炸的危險因素來自艦船自身、人因失誤和外界環(huán)境的危險三個方面。繼續(xù)細分艦船自身的危險包括：艦載的武備彈藥、裝載的燃油貨物、機械設(shè)備等；人因失誤的危險包括：違章操作、管理疏忽、蓄意破壞等；外界環(huán)境危險包括：惡劣的海面狀況、雷雨天氣等。具體的分析如圖2所示。

圖2 故障危險源分類示意圖

由圖2可見，艦船火災(zāi)爆炸事故是一個非常復(fù)雜的事件，涉及到艦船自身、艦員和外界方方面面的因素。目前對艦船火災(zāi)爆炸的研究有對艙室火災(zāi)的研究[8]，對機艙防爆防燃的研究[9]，對LNG船火災(zāi)爆炸的研究[10,11]，但并未綜合考慮對艦船火災(zāi)爆炸事故的所有危險源評估方法的研究，本文采取通過對危險源的分類評估方法，達到對艦船火災(zāi)爆炸整體危險性進行評估的目的。

3.2 艦船自身風(fēng)險概率

1) 易燃易爆物風(fēng)險概率

艦船上裝載有燃油、彈藥、武備等易燃易爆物，如有不慎則很容易發(fā)生火災(zāi)或者爆炸事故。目前很少有直接計算彈藥和燃油等危險物出現(xiàn)火災(zāi)或者爆炸的概率模型，本文初步探討了該概率模型的建立。

艦船艙室內(nèi)危險物是否會出現(xiàn)火災(zāi)事故和艙室內(nèi)的溫度t、壓強p、濕度s有直接的關(guān)系，而出現(xiàn)爆炸事故除了和上述三種因素有關(guān)系外,還和艙室內(nèi)可燃氣體濃度ρ有關(guān)。設(shè)艦船艙室發(fā)生火災(zāi)、爆炸的概率分別為：

(1)

(2)

其中，N(t,p,s)為關(guān)于溫度t、壓強p、濕度s的概率密度函數(shù)；M(t,p,s,ρ)為關(guān)于溫度t、壓強p、濕度s、可燃氣體濃度ρ的概率密度函數(shù)。N(t,p,s)和M(t,p,s,ρ)可以通過實船數(shù)據(jù)的測量得到，如N(t,p,s)可以選擇多艘實船不同艙不同時段同時對t,p,s進行多次測量，如果測量次數(shù)足夠，可以將測得的數(shù)據(jù)按正態(tài)分布擬合，得到概率密度函數(shù)的協(xié)方差矩陣和中心值，求出N(t,p,s)的具體表達式，同理可得到M(t,p,s,ρ)的表達式，進而可得Pf和Pe。

2) 機械設(shè)備的風(fēng)險概率

隨著科技的發(fā)展，艦船的機械設(shè)備構(gòu)成也越來越復(fù)雜，為了評估發(fā)生火災(zāi)或者爆炸事故的概率，采用危險源清單及危險評價表法來對機械設(shè)備進行評估。

評估時，需填入評估表中的內(nèi)容包括：序號、所在區(qū)域名稱、危險源編號、危險源、任務(wù)階段、危險事件、可能導(dǎo)致的后果、嚴重性、可能性指數(shù)等。

評估表的數(shù)據(jù)來源可以從兩方面得到：一是從實驗室進行的可靠性試驗和數(shù)值計算中得到，如圖3中的構(gòu)件試驗報告、結(jié)構(gòu)可靠性報告等；其次,從設(shè)備裝置的實際使用現(xiàn)場得到，如圖3中的失效報告、使用日志、維修報告等。兩方面的數(shù)據(jù)相互補充，則可得到完整的機械設(shè)備發(fā)生火災(zāi)或爆炸事故的可能性指數(shù)，亦即概率Pmf或Pme。

圖3 機械設(shè)備風(fēng)險評估數(shù)據(jù)來源

3.3 人因風(fēng)險概率

人在信息處理過程中是一個極其復(fù)雜的過程：感知—決策—行動。在此過程中任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)差錯都會導(dǎo)致人為失誤，失誤的形式也多種多樣。因此，人為因素是引起事故和避免事故的最重要因素之一。人因分析在近十幾年來逐步成熟地用于海洋工程，KHAN等[12]給出了人因模式失效、影響與嚴重度分析的基本框架和實施框架。

在對艦船火災(zāi)爆炸事故的人為失誤評估時，采取文獻[13]中的概率回歸曲線法：選取每年在操縱該類艦船的艦員數(shù)為變量X，選取艦船火災(zāi)爆炸故障樹某一底事件的人為失誤率為因變量Y，建立函數(shù)Y=F(X)。對歷史數(shù)據(jù)進行詳細分析，找出人為失誤的各種原因，并歸類統(tǒng)計，計算出各種人為失誤的概率后，按照概率回歸模式，利用最小二乘法、最小二乘直線或樣本方差和協(xié)方差表示最小二乘直線的方法進行曲線擬合，通過計算比較相關(guān)系數(shù)，找出與相關(guān)系數(shù)|r|最大值對應(yīng)的一條曲線函數(shù)，進而得到X和Y的關(guān)系式。得到人因失誤模型后，只要知道了每年操縱該類艦船的人數(shù)，則可求出各基本事件人為失誤的概率，繼而得到人因失誤導(dǎo)致火災(zāi)或爆炸事故發(fā)生的概率Ppf或Ppe。

3.4 環(huán)境風(fēng)險概率

環(huán)境危險主要指惡劣的海況和雷雨災(zāi)害天氣。鑒于環(huán)境因素的不可預(yù)知性，該類危險源導(dǎo)致的火災(zāi)、爆炸事故的評估可借用歷史數(shù)據(jù)進行分析。因此，由外界環(huán)境導(dǎo)致的艦船火災(zāi)、爆炸事故概率可用式(3)進行計算。

(3)

式中，g為由于環(huán)境因素造成的艦船火災(zāi)、爆炸事故發(fā)生的次數(shù)；m為該類事故發(fā)生g次的時間段內(nèi)艦船的數(shù)量。

4 艦船火災(zāi)爆炸的危險度評估

得到艦船火災(zāi)、爆炸事故的概率后，若能求得火災(zāi)、爆炸的危險度，則其乘積可作為對該類事故風(fēng)險評估的數(shù)值依據(jù)。

艦船火災(zāi)的危險度和爆炸危險性的評估可以從危險物的能量特性、危險物的數(shù)量兩方面考慮，同時考慮火災(zāi)、爆炸事故的起因、特點以及造成的后果都不盡相同，對兩種危險的危險度分別建模討論。

4.1 火災(zāi)危險度

艙室火災(zāi)的危險度評判指標可參考文獻[14]提出的公式，再結(jié)合艦船本身結(jié)構(gòu)材料均為防火阻燃材料等特點，將單個艙室火災(zāi)危險性的評估式寫為關(guān)于k1、k2、k3、k4、k5因子的函數(shù)。

Qf=k1k2k3k4k5+∑Yif(1-RIif/ROif)/Cif

(4)

式中，Qf——艙室火災(zāi)危險度；

k1——艙室內(nèi)可燃物著火因子，其中，k1=(CH-C1)/(CH-CL)，CH為該艙室可燃物最高燃點，CL為該艙室可燃物最低燃點，C1為該艙室主要可燃物燃點；

k2——艙室內(nèi)可燃物負荷密度，其中k2=q/qm，q為艙室內(nèi)可燃物的可燃載荷(kg/m2)，qm為潛在失火危險性最大時可燃負荷(kg/m2)；

k3——艙室內(nèi)可燃物燃燒速度因子，其中k3=C3/Cm，C3為艙室內(nèi)主要可燃物燃燒速度(kg/m2·min)，Cm為艙室內(nèi)可燃物的潛在最大燃燒速度(kg/m2·min)；

k4——艙室通風(fēng)狀態(tài)因子，當(dāng)艙室處于完全封閉狀態(tài)時，k4=0。當(dāng)艙室被擊中處于破損狀態(tài)時，k4=1;

k5——艙室耐火因子，根據(jù)文獻[15]的要求，艦船結(jié)構(gòu)材料的耐火等級分為7個等級，k5亦相應(yīng)分為7個等級(其值見表1);

Roif——標準安全距離值，可參考相關(guān)規(guī)范取值；

RIif——艦船上艙室間實際距離值；

Cif——危險艙室外第i個安全距離不足的艙室,或設(shè)施受危險源火災(zāi)事故影響的嚴重度，Cif=(1+0.5Wcif)Eif，其中，Wcif為第i個安全距離不足的艙室或設(shè)施內(nèi)易燃物及其裝置的危險系數(shù)，Eif為人員可能傷亡和設(shè)備設(shè)施受損的程度指標值，Wcif、Eif由艦長或大副根據(jù)艙室影響危險表得出。

表1 耐火因子

表2 εs取值

表3 εf取值

4.2 爆炸危險度

艙室爆炸危險性的評估可參考BZA-1法[16]，結(jié)合艦船自身爆炸危險物以及結(jié)構(gòu)特點可以建立如下公式表示艙室爆炸的危險度。

Qe=Qei+Qeo=(V+KB)+

∑(1-RIie/ROie)Cie

(5)

式中，Qe——爆炸危險度；

Qei——艙室內(nèi)易爆物危險度；

Qeo——艙室外易爆物危險度；

V——艙室內(nèi)易爆物固有危險度，V=αβ，其中，α為物性危險系數(shù)，可通過查常用炸藥的各種感度性能參數(shù)表得到，β為物量危險系數(shù)，β=(G×f/fTNT)1/3，而G為易爆物的炸藥量，f為易爆物炸藥的比能，fTNT易爆物梯恩梯比能；

K——不安全隱患系數(shù)，可參考相關(guān)的《安全性評價標準》，根據(jù)艦船易爆物儲存安全的特殊性，結(jié)合事故統(tǒng)計，擬定《艦船易爆物安全評價標準》，經(jīng)比較后確定；

B——艙室內(nèi)可控危險度，B=αβγD，γ為環(huán)境條件危險系，γ=γ1+γ2+γ3，其中，γ1為溫度系數(shù)，γ2為其他機械系數(shù)，γ3為靜電系數(shù),D為人員密度系數(shù)，各系數(shù)根據(jù)實船具體情況而有所不同，由艦上相關(guān)人員取定；

RIie——艦船上艙室間的實際距離值；

Roie——標準安全距離值，可參考相關(guān)規(guī)范取值；

Cie——危險艙室外第i個安全距離不足的艙室或設(shè)施受危險源爆炸事故影響的嚴重度，Cie=(1+0.5Wcie)Eie，其中，Wcie為第i個安全距離不足的艙室或設(shè)施內(nèi)易爆物及其裝置的危險系數(shù)，Eie為人員可能傷亡和設(shè)備設(shè)施受損的程度指標值，Wcif、Eif由艦長或大副根據(jù)艙室影響危險表得出。

5 艦船火災(zāi)爆炸事故風(fēng)險評估

在求得艦船艙室火災(zāi)爆炸事故的發(fā)生概率和危險度后，則艦船艙室火災(zāi)風(fēng)險Ff(P,Q)可由式(6)得到：

Ff(P,Q)=min(Pf,Pmf,Ppf,Ph)Qf

(6)

式中，Pf,Pmf,Ppf,Ph的值均指要計算風(fēng)險的同一艙室的火災(zāi)概率值，Qf為該艙室的火災(zāi)危險度。

同理，艦船艙室爆炸風(fēng)險Fe(P,Q)可由式(7)得到：

Fe(P,Q)=min(Pe,Pme,Ppe,Ph)Qe

(7)

式中，Pe,Pme,Ppe,Ph的值均指要計算風(fēng)險的同一艙室的爆炸概率值，Qe為該艙室的爆炸危險度。

應(yīng)用式(6)、式(7)可定量求出艦船所有艙室的火災(zāi)爆炸事故風(fēng)險，通過數(shù)值大小的比較即可直觀判定。對于具體艦船，其中的哪些艙室是重大危險源，需要重點防范火災(zāi)爆炸事故的出現(xiàn)，哪些艙室是一般危險源，可以在有限的人力、物力、財力資源下，做出最優(yōu)化的風(fēng)險決策，保障艦船的生命力。

6 具體算例

應(yīng)用上述風(fēng)險概率模型和危險度計算公式對一艘護衛(wèi)艦的機艙、燃油艙、臥室、食堂、錨機室進行火災(zāi)爆炸風(fēng)險評估，其無因次計算結(jié)果如表4所示。

表4 某護衛(wèi)艦部分艙室的風(fēng)險評估

由評估結(jié)果可以看出，燃油艙的火災(zāi)、爆炸風(fēng)險均最高，所以燃油艙是重大危險源，應(yīng)為重點考慮防范和采取改進措施的地方?，F(xiàn)提出對其火災(zāi)爆炸風(fēng)險進行優(yōu)化安全的方法，補償改進措施系數(shù)J火、J爆(表5)。

表5 安全補償系數(shù)

J火=0.97×0.91×0.92×0.93×0.92=0.695

J爆=0.97×0.91×0.92×0.93×0.98×0.92=0.681

于是通過改進措施后的燃油艙火災(zāi)風(fēng)險度為：0.266 372×0.681=0.181 38，爆炸風(fēng)險度為0.017 7×0.681=0.012 05，火災(zāi)風(fēng)險和爆炸風(fēng)險分別減少了30.5%和31.9%。

7 結(jié) 論

本文應(yīng)用FTA法辨識出了艦船火災(zāi)爆炸事故的危險源，對所有可能的危險源進行了分類，并在此基礎(chǔ)上，分別建立了不同類型危險源導(dǎo)致火災(zāi)爆炸事故的概率的數(shù)學(xué)模型；同時針對性地建立了求解艙室火災(zāi)爆炸危險度的計算公式，對艦船艙室的火災(zāi)爆炸風(fēng)險評估提供了參考依據(jù)。本文提出了艦船艙室火災(zāi)爆炸風(fēng)險評估的一般研究方法，還有很多內(nèi)容需要進一步深入地研究和探討，如風(fēng)險概率數(shù)學(xué)模型的明確化和具體化，危險度數(shù)學(xué)模型中各系數(shù)的確定方法和標準的精準化，風(fēng)險準則的制定，以及艙室火災(zāi)爆炸危險和整船生命力的關(guān)系等。

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