全后朋

(中國(guó)船級(jí)社珠海分社，廣東 珠海 519000)

船舶固定式CO2滅火系統(tǒng)對(duì)機(jī)艙滅火起關(guān)鍵性作用，但系統(tǒng)CO2氣體有高壓和窒息的特性，如控制裝置操作不當(dāng)會(huì)有很高的安全風(fēng)險(xiǎn)，近幾年發(fā)生多起固定式CO2系統(tǒng)在檢修、試驗(yàn)過(guò)程中被誤釋放而導(dǎo)致重大人員傷亡事故。某新造船固定式CO2系統(tǒng)裝船后進(jìn)行模擬釋放功能試驗(yàn)[1-2]，船廠工作人員直接把瓶頭閥氣動(dòng)控制管路外接高壓氮?dú)?見(jiàn)圖1)，插有保險(xiǎn)銷的瓶頭閥被意外開(kāi)啟，導(dǎo)致瓶組CO2氣體瞬間釋放到機(jī)艙，所幸當(dāng)時(shí)機(jī)艙無(wú)人員作業(yè)，未造成人命傷亡。為避免事故的重復(fù)發(fā)生，結(jié)合上述誤釋放事故發(fā)生的過(guò)程，具體分析事故相關(guān)的影響因素，針對(duì)性采取改進(jìn)措施。

圖1 某船固定式CO2滅火系統(tǒng)原理及事故示意圖

1 某新造船固定式CO2滅火系統(tǒng)簡(jiǎn)介

按照《國(guó)際消防安全系統(tǒng)規(guī)則》和船舶建造規(guī)范有關(guān)固定式CO2系統(tǒng)的計(jì)算[3]，該船CO2氣體理論配備重量為89.60 kg，實(shí)際配備各68 L/充裝重量45 kg的CO2氣瓶2瓶，遙控釋放箱內(nèi)配備2瓶各4 L的控制氣瓶(充裝壓力5.9 MPa)及延時(shí)裝置。該系統(tǒng)滿足中國(guó)船舶行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)CB/T 3294—1998《船用二氧化碳滅火裝置》和中國(guó)海事局《國(guó)內(nèi)航行海船法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》2011及其修改通報(bào)第4篇第2-2章的技術(shù)要求，氣瓶瓶頭閥為國(guó)內(nèi)常用B型氣動(dòng)式，配備氣動(dòng)遙控釋放和手動(dòng)應(yīng)急釋放2種方式[4]，控制系統(tǒng)符合2套獨(dú)立的控制裝置[5-6]，具備先后順序開(kāi)啟總管釋放閥和瓶頭閥[7-9]的邏輯功能。

2 事故現(xiàn)場(chǎng)勘查及分析

勘查發(fā)現(xiàn)，固定式CO2系統(tǒng)及管系布置均符合圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求；經(jīng)查明試驗(yàn)時(shí)船廠工人拆掉瓶頭閥控制氣瓶出口管路與延時(shí)氣瓶的螺紋接頭，從接頭處外接高壓氮?dú)馄?40 L，12.5 MPa)，且未接通延時(shí)氣瓶[10]，氮?dú)馄砍隹谝参窗惭b有效的減壓閥，短時(shí)間內(nèi)釋放過(guò)多高壓氮?dú)?未經(jīng)過(guò)延時(shí)氣瓶緩沖)至插有保險(xiǎn)銷的瓶頭閥，啟動(dòng)氣缸閥芯受力頂升瓶頭閥手柄，手柄轉(zhuǎn)動(dòng)而使保險(xiǎn)銷受剪切力，直徑3 mm的保險(xiǎn)銷被銅質(zhì)連接塊切斷(見(jiàn)圖2)，瓶頭閥啟動(dòng)塊受手柄轉(zhuǎn)動(dòng)力矩的作用觸發(fā)開(kāi)啟，此時(shí)CO2總管上的釋放閥未處于關(guān)閉狀態(tài)，鋼瓶?jī)?nèi)CO2氣體直接通過(guò)匯集總管、總管釋放閥以及支管被釋放到被保護(hù)處所機(jī)艙。事故最直接的原因是瓶頭閥保險(xiǎn)銷被銅質(zhì)連接塊切斷失效，而試驗(yàn)時(shí)總管釋放閥又未處于關(guān)閉狀態(tài)。保險(xiǎn)銷被切斷無(wú)外乎兩種可能；第一，保險(xiǎn)銷的強(qiáng)度偏低；第二，試驗(yàn)用高壓氮?dú)鈮毫^(guò)高導(dǎo)致保險(xiǎn)銷受力過(guò)大；試驗(yàn)時(shí)釋放閥未關(guān)閉則屬于違規(guī)操作，可能是船廠工作人員模擬釋放閥開(kāi)啟功能試驗(yàn)后未及時(shí)復(fù)位，通常該釋放閥處于常閉狀態(tài)。

保險(xiǎn)銷選用的是不銹鋼圓鋼，材料均為合格產(chǎn)品，在出廠前也進(jìn)行了同樣的功能試驗(yàn)。不同的是試驗(yàn)直接釋放瓶頭閥控制氣瓶的氮?dú)?壓力5.9 MPa)，經(jīng)過(guò)延時(shí)氣瓶和管路后的氣壓降至約2.5 MPa，保險(xiǎn)銷均保持正常狀態(tài)。分析認(rèn)為最大可能還是因系統(tǒng)外接氮?dú)鈮毫^(guò)高而保險(xiǎn)銷受力過(guò)大，非材料強(qiáng)度不夠。此次事故發(fā)生的過(guò)程清晰、原因簡(jiǎn)單，但事故風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)較高，整個(gè)試驗(yàn)操作過(guò)程存在較多安全隱患。

2.1 固定式CO2系統(tǒng)功能試驗(yàn)的必要性

據(jù)查，中國(guó)海事局《國(guó)內(nèi)海船法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》2020第4篇第2-2章第2-2.1.4.2.(10) ④條要求：完工后，二氧化碳系統(tǒng)應(yīng)進(jìn)行氣體壓力不少于2.47 MPa的功能試驗(yàn)，以檢查二氧化碳釋放機(jī)構(gòu)動(dòng)作、管路暢通性和報(bào)警設(shè)備是否正常。中國(guó)船級(jí)社《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》2021第6篇第2章第2節(jié)第2.2.2.9.(4)要求：完工后，二氧化碳系統(tǒng)應(yīng)進(jìn)行氣體壓力不少于2.47 MPa的功能試驗(yàn)，以檢查二氧化碳釋放機(jī)構(gòu)動(dòng)作是否正常。中國(guó)船舶行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)CB/T 3294-1998《船用二氧化碳滅火裝置》第6.4.1.3條：在機(jī)艙控制氣瓶集合管的一端接入壓力為2.47 MPa的外接氣源，觀察所有機(jī)艙滅火氣瓶的瓶頭閥開(kāi)啟裝置是否動(dòng)作，檢查管路連接處的密封情況。

固定式CO2系統(tǒng)試驗(yàn)，用不少于2.47 MPa氣體模擬功能試驗(yàn)是船舶建造規(guī)范、法規(guī)及船舶行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)都明確規(guī)定的試驗(yàn)項(xiàng)目，目的就是為驗(yàn)證釋放機(jī)構(gòu)動(dòng)作，在產(chǎn)品出廠前和裝船后都有必要進(jìn)行模擬試驗(yàn)，實(shí)際上各廠家也執(zhí)行了上述試驗(yàn)要求。

2.2 試驗(yàn)方法的選擇

據(jù)查除中國(guó)船舶行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)CB/T 3294—1998第6.4.1.3條規(guī)定可外接2.47 MPa的氣源試驗(yàn)外，并無(wú)其他明確規(guī)定的試驗(yàn)方法。經(jīng)調(diào)查，行業(yè)內(nèi)對(duì)該功能試驗(yàn)方法有多種，生產(chǎn)廠家和大多數(shù)船廠在試驗(yàn)時(shí)直接采用釋放啟動(dòng)控制氣瓶中高壓氣體(充裝壓力5.9 MPa，氣體經(jīng)延時(shí)氣瓶及控制管路擴(kuò)容后壓力降至約2.5 MPa)來(lái)檢查釋放機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，試驗(yàn)完畢后再將啟動(dòng)控制氣瓶充氣至5.9 MPa。該方法能保證試驗(yàn)氣體壓力不會(huì)超標(biāo)，試驗(yàn)氣體經(jīng)過(guò)延時(shí)氣瓶緩沖延時(shí)后壓力會(huì)明顯下降，能最大程度地保障試驗(yàn)安全。有少部分船廠在試驗(yàn)時(shí)通過(guò)外接工業(yè)氮?dú)馄縼?lái)釋放高壓氮?dú)?壓力高達(dá)12.5 MPa)，通過(guò)氮?dú)馄繙p壓閥釋放一定量的氣體來(lái)檢查瓶頭閥的動(dòng)作，原啟動(dòng)控制氣瓶的氣體未消耗無(wú)需補(bǔ)充壓力。這種方法對(duì)操作水平要求較高，在氮?dú)馄糠艢膺^(guò)程中難以精準(zhǔn)控制氣壓，氮?dú)馄繙p壓閥也存在較大的不確定性。本次事故就是因?yàn)椴捎眠@種試驗(yàn)方法，釋放氮?dú)獠僮鞑划?dāng)，導(dǎo)致控制管路氣體壓力過(guò)高，開(kāi)啟氣缸閥芯受力過(guò)大，保險(xiǎn)銷被切斷。很顯然第二種操作方法存在較大的安全隱患，容易產(chǎn)生失誤，應(yīng)該被摒棄。

2.3 瓶頭閥保險(xiǎn)銷受力計(jì)算

CB/T 3294—1998對(duì)瓶頭閥保險(xiǎn)銷的材料及直徑并無(wú)明確技術(shù)要求，行業(yè)內(nèi)通常選用鍍鉻45#高強(qiáng)鋼、不銹鋼及其他常規(guī)牌號(hào)圓鋼，其屈服強(qiáng)度主要分布在200～400 MPa區(qū)間內(nèi)，故下面選取保險(xiǎn)銷屈服強(qiáng)度為200 MPa進(jìn)行力學(xué)計(jì)算。國(guó)內(nèi)常用瓶頭閥的保險(xiǎn)銷直徑通常為3 mm，插銷安裝位置也基本一致，其結(jié)構(gòu)原理及受力示意見(jiàn)圖3。

圖3 B型氣動(dòng)式瓶頭閥結(jié)構(gòu)示意

通過(guò)受力分析計(jì)算出保險(xiǎn)銷不被切斷的控制管路中最高壓力。事故中氣動(dòng)式瓶頭閥的相關(guān)技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 某船固定式CO2系統(tǒng)瓶頭閥的技術(shù)參數(shù)

根據(jù)受力分析，當(dāng)閥芯作用力(F1)對(duì)手柄轉(zhuǎn)動(dòng)支點(diǎn)的力矩(M1)要小于保險(xiǎn)銷極限剪切力所對(duì)應(yīng)的銅質(zhì)連接塊反作用力(F2)對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)支點(diǎn)的力矩(M2)才能保證保險(xiǎn)銷不被切斷。已知保險(xiǎn)銷的材料參數(shù)，可計(jì)算保險(xiǎn)銷所能承受的極限剪切力(F剪)，反推出保險(xiǎn)銷未被剪斷時(shí)氣缸閥芯的最大安全作用力，其中氣缸閥芯作用力F1=P×S1(P為氣缸氣體壓強(qiáng)，S1為閥芯橫截面積)；保險(xiǎn)銷受力剪切屬于雙剪切(見(jiàn)圖2)，故F剪=1/2×F2。

圖2 CO2氣瓶瓶頭閥、保險(xiǎn)銷位置說(shuō)明

即M1=F1×L1

根據(jù)工程上一般采用實(shí)用計(jì)算方法，假設(shè)應(yīng)力在剪切面是均勻分布，則保險(xiǎn)銷極限剪切力F剪=Rp0.2×S2(Rp0.2為屈服強(qiáng)度，S2為保險(xiǎn)銷受力截面積)。

故M1=P×π(5 mm)2×30 mm，M2=(2×Rp0.2)×π(1.5 mm)2×5 mm。

經(jīng)計(jì)算開(kāi)啟氣缸氣壓P小于6 MPa，保險(xiǎn)銷才能不被切斷。很顯然事故中外接高壓氮?dú)馄酷尫诺母邏旱獨(dú)獬^(guò)6 MPa。

故船標(biāo)CB/T 3294—1998中規(guī)定啟動(dòng)控制氣瓶充裝壓力為5.9 MPa也是出于安全的考慮，不管控制氣瓶有無(wú)連接延時(shí)裝置(經(jīng)延時(shí)裝置后氣壓會(huì)明顯降低)，即使控制氣瓶被誤釋放，在保險(xiǎn)銷的保護(hù)下瓶頭閥也不會(huì)被開(kāi)啟。

2.4 保險(xiǎn)銷安全余量影響因素

保險(xiǎn)銷安裝位置的設(shè)置和材質(zhì)、銷直徑的選擇都關(guān)系到保險(xiǎn)銷的安全余量。對(duì)于前述常規(guī)類型的瓶頭閥，保險(xiǎn)銷安裝位置離轉(zhuǎn)動(dòng)支點(diǎn)距離比較小(5 mm)，氣缸閥芯作用力點(diǎn)離轉(zhuǎn)動(dòng)支點(diǎn)距離較大(30 mm)，屬于高杠桿作用(6∶1)，如在一定氣壓作用下氣缸閥芯產(chǎn)生同等力矩，支點(diǎn)兩端的杠桿比例越大則保險(xiǎn)銷受力就越大，如保險(xiǎn)銷安裝位置離支點(diǎn)的距離大幾毫米，就能明顯減少力矩作用的高杠桿比例，安全余量會(huì)高出許多。保險(xiǎn)銷直徑選擇粗一點(diǎn)，同樣的材料強(qiáng)度會(huì)變大，也會(huì)增加安全余量。但受瓶頭閥銅質(zhì)連接塊形狀和大小的限制，很難進(jìn)一步通過(guò)改變保險(xiǎn)銷直徑和安裝位置來(lái)明顯提高安全余量。

保險(xiǎn)銷的材質(zhì)通常為鋼質(zhì)，不同牌號(hào)鋼的屈服強(qiáng)度有一定的差別(200 MPa～400 MPa)，根據(jù)前述保險(xiǎn)銷所受力矩公式看出，不同牌號(hào)的鋼對(duì)安全余量有一定的影響，故廠家有必要選擇強(qiáng)度更高的鋼材作為保險(xiǎn)銷的材料，優(yōu)質(zhì)的保險(xiǎn)銷對(duì)成本的增加是非常有限，但卻能提高系統(tǒng)的可靠性。故限制啟動(dòng)控制氣瓶的最高充裝壓力和選用高強(qiáng)度保險(xiǎn)銷是最簡(jiǎn)單和最優(yōu)的策略。

2.5 試驗(yàn)操作人員的因素

對(duì)于固定式CO2系統(tǒng)的試驗(yàn)以及操作，整個(gè)行業(yè)現(xiàn)狀就是除系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及生產(chǎn)廠家的技術(shù)人員外，較少有非專業(yè)人員能充分了解該系統(tǒng)各部件的工作原理以及系統(tǒng)內(nèi)在的安全風(fēng)險(xiǎn)，包括很多船舶駕駛員也未能全面掌握系統(tǒng)試驗(yàn)操作細(xì)節(jié)[10-11]。通常對(duì)于正常釋放操作的步驟和內(nèi)容都以操作告示牌的形式予以明確，按步驟執(zhí)行即可；而系統(tǒng)試驗(yàn)操作和注意事項(xiàng)會(huì)更復(fù)雜，試驗(yàn)操作的安全風(fēng)險(xiǎn)遠(yuǎn)大于正常釋放操作的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)操作人員的要求會(huì)更高，應(yīng)采取一定措施盡量減少人為操作失誤并降低失誤的影響。對(duì)安全風(fēng)險(xiǎn)比較高的CO2檢修和試驗(yàn)人員要進(jìn)行資質(zhì)管理，經(jīng)過(guò)相關(guān)培訓(xùn)全面掌握技術(shù)要求以及能熟練完成試驗(yàn)操作的人員才被授予合格資質(zhì)，實(shí)際上該系統(tǒng)上船安裝后的試驗(yàn)通常由生產(chǎn)廠家技術(shù)人員或船廠技術(shù)人員來(lái)完成，船廠技術(shù)人員對(duì)CO2系統(tǒng)試驗(yàn)操作掌握還不夠深入和熟練，存在風(fēng)險(xiǎn)隱患。

此外，有必要對(duì)系統(tǒng)中存在較大安全風(fēng)險(xiǎn)的環(huán)節(jié)進(jìn)行永久性標(biāo)識(shí)和提醒，比如啟動(dòng)控制氣瓶的最高充裝壓力應(yīng)通過(guò)銘牌等形式明確標(biāo)識(shí)，進(jìn)一步降低試驗(yàn)中人為失誤的安全風(fēng)險(xiǎn)。在試驗(yàn)時(shí)，總管釋放閥需保持在關(guān)閉狀態(tài)，試驗(yàn)人員應(yīng)確認(rèn)對(duì)該閥的狀態(tài)。

船舶建造、修理、調(diào)試的現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)很繁雜，不同于船舶在航行過(guò)程中機(jī)艙僅留有少量值班人員；在固定式CO2系統(tǒng)試驗(yàn)時(shí)，雖然很多人能意識(shí)到機(jī)艙不應(yīng)有人，但實(shí)際受很多外在影響不一定都能做到清場(chǎng)的要求，故系統(tǒng)試驗(yàn)時(shí)禁止人員在機(jī)艙[12]應(yīng)成為行業(yè)內(nèi)的強(qiáng)制要求，避免僥幸心理，即使發(fā)生事故也不會(huì)造成人命安全。

3 結(jié)論

本次事故的直接原因就是固定式CO2系統(tǒng)功能試驗(yàn)時(shí)，非專業(yè)試驗(yàn)操作人員外接高壓試驗(yàn)氣體的壓力過(guò)高，導(dǎo)致瓶頭閥保險(xiǎn)銷受力過(guò)大而被切斷失效，最終發(fā)生誤釋放事故。從以下幾個(gè)方面提出改進(jìn)措施來(lái)消除系統(tǒng)試驗(yàn)的安全風(fēng)險(xiǎn)：

1)選擇正確的試驗(yàn)方法，應(yīng)使用系統(tǒng)自帶的啟動(dòng)控制氣瓶來(lái)試驗(yàn)，試驗(yàn)后再補(bǔ)充控制氣瓶的壓力，船廠必須摒棄這種直接采用外接高壓氮?dú)獾母唢L(fēng)險(xiǎn)試驗(yàn)方法。

2)系統(tǒng)啟動(dòng)控制氣瓶的最高充裝壓力應(yīng)以銘牌等形式永久性明確標(biāo)識(shí)，避免相關(guān)人員因不便獲取最高壓力值而錯(cuò)誤使用過(guò)高氣壓。

3)該系統(tǒng)安裝上船后的試驗(yàn)操作必須由產(chǎn)品廠家或有相關(guān)消防檢測(cè)資質(zhì)人員來(lái)操作，相關(guān)方必須加強(qiáng)操作人員的培訓(xùn)和責(zé)任人員的監(jiān)督。

4)船標(biāo)CB/T 3294—1998第6條對(duì)系統(tǒng)試驗(yàn)方法已有較詳細(xì)的描述和指引，但未能包括涉及安全的試驗(yàn)程序和注意事項(xiàng)。在做系統(tǒng)功能試驗(yàn)時(shí)，必須清理機(jī)艙所有作業(yè)人員，以及必須確認(rèn)總管釋放閥處于關(guān)閉狀態(tài)；如先做釋放閥的功能試驗(yàn)，需及時(shí)復(fù)位開(kāi)啟后的釋放閥保證處于關(guān)閉狀態(tài)，該要求有必要成為船舶行業(yè)關(guān)于固定式CO2系統(tǒng)試驗(yàn)的硬性規(guī)定。

5)雖船標(biāo)CB/T 3294—1998對(duì)保險(xiǎn)銷的材質(zhì)未作明確要求，但生產(chǎn)廠家可以選擇高強(qiáng)度的保險(xiǎn)銷(比如鍍鉻45#鋼)以提高系統(tǒng)的可靠性。

6)《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》和《國(guó)內(nèi)海船法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》對(duì)固定式CO2系統(tǒng)功能試驗(yàn)的要求不應(yīng)只提出試驗(yàn)最低氣壓(2.47 MPa)要求，還可進(jìn)一步從試驗(yàn)安全的角度提出試驗(yàn)氣壓的上限規(guī)定(比如最高試驗(yàn)氣壓不高于5.9 MPa)，從船舶建造規(guī)范和法規(guī)層面降低系統(tǒng)試驗(yàn)的安全風(fēng)險(xiǎn)。