從“桑吉”輪事故看油輪的防爆保護(hù)和逃生設(shè)計(jì)

陶伯政 陳 忱

2018年1月6日，“桑吉”輪碰撞事故發(fā)生，驚心動(dòng)魄的救援，巨大的人命傷害和財(cái)產(chǎn)損失，給人們帶來(lái)極大的震動(dòng)。如何能夠避免這樣的悲??？當(dāng)船舶發(fā)生諸如碰撞、危險(xiǎn)品泄漏、失火爆炸等事故使船員陷入危險(xiǎn)境地的時(shí)候，油輪應(yīng)具備什么樣的條件才能夠有效保護(hù)船員逃生，保證最重要的生命安全？本文在估算爆炸TNT當(dāng)量的基礎(chǔ)上，對(duì)油輪防爆保護(hù)主要措施展開分析，并通過(guò)分析油輪的逃生系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提出改進(jìn)措施。

一、“桑吉”輪事件回顧

根據(jù)“桑吉”輪事故分析報(bào)告[1]及公開紀(jì)實(shí)[2]，事故發(fā)生和救援過(guò)程如下：

“桑吉”輪滿載11.12萬(wàn)噸凝析油從伊朗出發(fā)駛往韓國(guó)，“長(zhǎng)峰水晶”輪裝載6.4萬(wàn)噸高粱從美國(guó)駛往我國(guó)東莞，2018年1月6日兩輪航行至我國(guó)東海海域，當(dāng)日19：50：03，“桑吉”輪與“長(zhǎng)峰水晶”輪發(fā)生碰撞，“桑吉”輪船長(zhǎng)立即激活GMDSS（全球海上遇險(xiǎn)與安全系統(tǒng)）發(fā)出求救信號(hào)。19：51，“桑吉”輪起火，船長(zhǎng)命令打開消防泵。與此同時(shí)，“長(zhǎng)峰水晶”輪首部起火，其船長(zhǎng)到駕駛室并命令全速倒退。19：52，“桑吉”輪發(fā)生爆炸，火勢(shì)覆蓋了駕駛室和整個(gè)生活區(qū)。19：53，“桑吉”輪全船被大火吞噬，GMDSS信號(hào)停止，主機(jī)、發(fā)電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)?！伴L(zhǎng)峰水晶”輪全部船員逃到尾部，利用拋投式救生艇棄船逃生，后被附近漁船救起。

1月8日上午，“東海救117”輪在事發(fā)水域打撈起1具穿著浸水保溫服的船員遺體。

1月13日上午，4名救助人員登上“桑吉”輪，在救生艇甲板處發(fā)現(xiàn)兩具遇難船員遺體，同時(shí)帶回該輪VDR設(shè)備（黑匣子）。

1月14日下午，“桑吉”輪發(fā)生大規(guī)模爆燃，不久即沉沒。

5月11日，中國(guó)、伊朗、巴拿馬三國(guó)和中國(guó)香港地區(qū)共同簽署了事故安全調(diào)查報(bào)告并向IMO提交。圖1～圖4展示了“桑吉”輪事故發(fā)生到救援的典型畫面。

二、“桑吉”輪爆炸的能量

從爆炸現(xiàn)場(chǎng)情況和“長(zhǎng)峰水晶”輪的首部破損情形來(lái)看，顯然，“長(zhǎng)峰水晶”輪撞破了“桑吉”輪的外板，并且捅破了貨艙，造成凝析油大量泄漏。同時(shí)，碰撞引起火災(zāi)。凝析油快速揮發(fā)形成凝析蒸氣云，從而引發(fā)爆炸。爆炸造成全船盡毀，上艙壁嚴(yán)重變形，初步預(yù)測(cè)蒸氣云爆炸達(dá)到了油氣混合物爆炸的最高等級(jí)爆轟[3]。為此，有必要定量計(jì)算本次爆炸的能量[4]，方能估計(jì)對(duì)船員的影響。

圖1 “桑吉”輪起火爆炸

圖2 “長(zhǎng)峰水晶”輪受損情況

圖3 現(xiàn)場(chǎng)救援畫面

圖4 救援人員進(jìn)入“桑吉”輪搜救

一般地，利用TNT當(dāng)量法計(jì)算出爆炸的TNT當(dāng)量，進(jìn)而求出比例距離Z，再利用M.A.Sadovskyi表達(dá)式計(jì)算超壓峰值ΔP，根據(jù)ΔP大小即可判斷爆炸對(duì)船員的影響[5-7]。

1.爆炸TNT當(dāng)量計(jì)算

根據(jù)TNT當(dāng)量法，有計(jì)算式

其中：QTNT為TNT當(dāng)量，單位kg；v為蒸氣云當(dāng)量系數(shù)，統(tǒng)計(jì)平均值為0.04；W為蒸氣云中可燃物質(zhì)量，事件中為凝析油揮發(fā)量，單位kg；Hc為可燃物的反應(yīng)發(fā)熱量，凝析油的燃燒熱，取43 110 kJ/kg；qTNT為TNT爆炸時(shí)所釋放出的能量，取平均值4 500 kJ/kg。

式（1）中，可燃物質(zhì)量W取決于凝析油泄漏量及蒸發(fā)率。“長(zhǎng)峰水晶”輪撞破“桑吉”輪右舷船中靠首的2號(hào)貨艙，而事發(fā)時(shí)“桑吉”輪裝載量為11.12萬(wàn)噸，根據(jù)該型油輪的常規(guī)布置，推測(cè)2號(hào)貨艙裝載量約8 000噸[7]，舷側(cè)敞口狀態(tài)泄漏并揮發(fā)。凝析油本身極易揮發(fā)，但碰撞到爆炸時(shí)間較短，僅2分鐘，總揮發(fā)量應(yīng)該不大?，F(xiàn)假定不同揮發(fā)率，計(jì)算對(duì)應(yīng)的TNT當(dāng)量。

2.爆炸沖擊波的超壓峰值計(jì)算

爆炸的破壞能量常通過(guò)沖擊波的超壓峰值ΔP來(lái)表示，而超壓峰值ΔP與比例距離Z相關(guān)。比例距離Z的計(jì)算式如下：

其中：Z為比例距離，單位m/kg1/3；R為與爆炸源中心的距離，單位m。根據(jù)“桑吉”輪船型的布置，取上層建筑前壁中心到爆炸源中心距離，為150 m；W為TNT當(dāng)量，等于qTNT，單位kg。

根據(jù)M.A.Sadovskyi理論，超壓峰值與比例距離的關(guān)系表達(dá)式如下：

其中：ΔP為目標(biāo)處超壓，單位MPa；Z為比例距離，單位m。

假定不同比例的蒸發(fā)率，帶入上述各式，可求得各目標(biāo)值，表1為爆炸TNT當(dāng)量和沖擊波超壓峰值計(jì)算書。

抽取表1中蒸發(fā)率、QTNT、ΔP數(shù)據(jù)，制作表2，圖5為蒸發(fā)率、QTNT、ΔP關(guān)系圖。

從圖5中可以看出，當(dāng)蒸發(fā)率小于10%，QTNT、ΔP與蒸發(fā)率基本成正相關(guān)，蒸發(fā)量的大小直接決定了TNT當(dāng)量QTNT爆炸超壓峰值ΔP的大小。

3.爆炸的傷害等級(jí)

根據(jù)公開的研究數(shù)據(jù)[8-10]，爆炸超壓峰值對(duì)建筑和人員傷害的等級(jí)表，表2為爆炸沖擊波對(duì)建筑物破壞程度，表3為爆炸沖擊波對(duì)人員的傷害程度。

表1 爆炸TNT當(dāng)量和沖擊波超壓峰值計(jì)算書

圖5 蒸發(fā)率、QTNT、ΔP關(guān)系圖

表2 爆炸沖擊波對(duì)建筑物破壞程度

4.爆炸能量等級(jí)推測(cè)

根據(jù)前述超壓峰值的計(jì)算結(jié)果，在0.5%揮發(fā)率下即達(dá)到0.02兆帕，對(duì)應(yīng)表2中，門框損壞、墻出現(xiàn)裂縫，對(duì)應(yīng)表3中人員輕微傷害。但“桑吉”輪事故中船長(zhǎng)激活GMDSS系統(tǒng)傳回的信息顯示爆炸發(fā)生后船員窒息死亡，推測(cè)超壓峰值應(yīng)該更高，應(yīng)在0.05~0.10兆帕，即大部分船員在爆炸沖擊后受重傷或者死亡。根據(jù)表1可知，蒸發(fā)率在2%~6%，爆炸TNT當(dāng)量61~184噸。

表3 爆炸沖擊波對(duì)人員的損傷程度

三、油輪防爆保護(hù)設(shè)計(jì)

自石油被發(fā)現(xiàn)并大規(guī)模開采以來(lái)，油輪運(yùn)輸方興未艾，而伴隨油氣泄漏導(dǎo)致的火災(zāi)和爆炸也從未停歇，一旦發(fā)生，常導(dǎo)致環(huán)境污染、人員傷亡的巨大災(zāi)難。為此，對(duì)船員和船舶的防爆保護(hù)已有很多深入的研究[11-17]，結(jié)合對(duì)“桑吉”輪爆炸能量的分析，可以認(rèn)為，只有通過(guò)建立必要的保護(hù)屏障，才能幫助船員成功抵御爆炸沖擊波，贏得生存的機(jī)會(huì)。

1.建立上層建筑防爆屏障

上層建筑是船員生活住所，同時(shí)也是整個(gè)船舶的控制樞紐和信息中心，增強(qiáng)上層建筑的防爆能力尤為重要。國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)此做過(guò)深入的研究[16,17]，通常采用以下兩種措施來(lái)實(shí)現(xiàn)。

（1）強(qiáng)化上層建筑的防爆能力

陳彬[17]利用有限元軟件Abaqus，研究不同的爆炸載荷下生活區(qū)的結(jié)構(gòu)隨時(shí)間變化的位移和加速度，量化評(píng)估上層建筑的抗爆能力。圖6為不同區(qū)域的加速度大小隨時(shí)間變化曲線。研究結(jié)果顯示，在相同的爆炸峰值下，不同樓層、同一樓層不同位置房間的加速度都不一樣。越是靠近爆炸區(qū)，或者越是朝上樓層，加速度響應(yīng)就越大，對(duì)船員的傷害越大。因此，優(yōu)化上層建筑艙室布置，能夠顯著增強(qiáng)上層建筑的防爆能力。

圖6 不同區(qū)域的加速度大小隨時(shí)間變化曲線

另外，在材料方面，通過(guò)提高屈服極限，如使用高強(qiáng)度鋼材，使用高溫條件下機(jī)械性能更好的不銹鋼等措施，也可以明顯改善上層建筑的整體防御能力，進(jìn)而提高船舶和船員的生存能力。

（2）設(shè)置防爆墻

防爆墻[17-18]，顧名思義，是專門設(shè)置于上層建筑和貨艙之間，用于起隔離和吸收爆炸沖擊波的作用。朱錕[15]研究了不同TNT當(dāng)量下和不同爆炸源距離下防爆墻的應(yīng)力響應(yīng)規(guī)律，發(fā)現(xiàn)防爆墻效果與距離爆炸源遠(yuǎn)近成正相關(guān)，即在遠(yuǎn)離爆炸危險(xiǎn)區(qū)設(shè)置防爆墻效果更佳。陳彬[17]研究了不同爆炸載荷下防爆墻的不同結(jié)構(gòu)區(qū)域的應(yīng)力及損傷模式，發(fā)現(xiàn)防爆墻在超壓峰值為0.2兆帕?xí)r才發(fā)生塑性變形，在0.5兆帕?xí)r才開始撕裂坍塌，而這明顯高于“桑吉”輪爆炸上層建筑前端的超壓峰值，這說(shuō)明，設(shè)置防爆墻能夠有效地抵御較大強(qiáng)度的爆炸而使船員不受沖擊波傷害。圖7為防爆墻應(yīng)力響應(yīng)云圖。

2.設(shè)置防爆門窗

第三、1節(jié)中強(qiáng)調(diào)的是結(jié)構(gòu)防爆能力，在實(shí)際中，常存在一些非結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)，比如門、窗部位，在爆炸沖擊波作用下，門窗首先被破壞，形成缺口[15]。圖8為上層建筑前壁的應(yīng)力響應(yīng)云圖，可以看出，在窗位置有明顯的應(yīng)力集中，駕駛室大型窗斗附件更加明顯。圖9為救援現(xiàn)場(chǎng)反饋的畫面，整個(gè)上層建筑鋼制結(jié)構(gòu)仍然能夠保持有效，不至完全坍塌，而門窗等缺口部位變形均較其他區(qū)域嚴(yán)重。

圖7 防爆墻應(yīng)力響應(yīng)云圖

圖8 上層建筑前壁的應(yīng)力響應(yīng)云圖

圖9 “桑吉”輪左后45°畫面

為此，門窗在滿足規(guī)范絕緣等級(jí)的基礎(chǔ)上，還應(yīng)具備防爆能力。門窗框架具備與結(jié)構(gòu)相同的強(qiáng)度，透視窗、門用材需具有防爆能力[19-20]。

3.防爆保護(hù)設(shè)計(jì)展望

常規(guī)油輪設(shè)計(jì)中，通常只在危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)賦予設(shè)備防爆性能，較少考慮船舶或者船員抵抗爆炸的能力。根據(jù)IEC[21]的定義，防爆設(shè)備是在規(guī)定條件下不會(huì)引起周圍爆炸性環(huán)境點(diǎn)燃的電氣設(shè)備。而越來(lái)越多的油輪爆炸事故說(shuō)明，僅考慮設(shè)備防爆設(shè)計(jì)是不夠的，“桑吉”輪因碰撞導(dǎo)致油氣泄漏引發(fā)爆炸就是最好的例證。油輪運(yùn)營(yíng)公司和油輪設(shè)計(jì)建造單位應(yīng)該主動(dòng)作為，開發(fā)防爆保護(hù)型油輪，尋求經(jīng)濟(jì)成本與人命財(cái)產(chǎn)安全的最大公約數(shù)。

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四、油輪逃生設(shè)計(jì)

船上爆炸發(fā)生后，幸存的船員會(huì)利用船上裝備做好自我保護(hù)，向艇筏區(qū)域逃生。但至救援行動(dòng)結(jié)束，“桑吉”輪無(wú)一船員生還。可見，在如“桑吉”輪爆炸的情況下，按正常規(guī)范要求的逃生設(shè)計(jì)，已不能夠保證船員的順利逃生。為此，有必要對(duì)逃生系統(tǒng)作深入分析，以確保爆炸工況下船員的生命安全。

1.“桑吉”輪船員逃生失敗原因分析

“桑吉”輪32名船員，最終僅發(fā)現(xiàn)3具遺體，事發(fā)水域打撈起1具，救助人員登輪后在救生艇甲板處發(fā)現(xiàn)2具。結(jié)合前文分析，我們認(rèn)為在爆炸沖擊波下仍然生存的船員未能成功逃生有以下幾個(gè)原因：

（1）上層建筑內(nèi)外大火、高溫，有毒有害氣體蔓延，船員進(jìn)退不能

“桑吉”輪爆炸直接攜帶火源從破碎的門窗進(jìn)入房間內(nèi)部，而房間內(nèi)的裝修材料、寢具、衣柜都是易燃物，房間內(nèi)部產(chǎn)生火災(zāi)。而爆炸瞬間整個(gè)船只即被大火包裹，濃煙彌漫，船員在無(wú)保護(hù)下進(jìn)退不能，被火海吞噬。

（2）單人逃生裝備數(shù)量嚴(yán)重不足，存放位置單一導(dǎo)致船員逃生準(zhǔn)備不足

船員單人逃生裝備主要包括應(yīng)急逃生呼吸器（EEBD）、消防員裝備、浸水保溫服等。圖10為消防員裝備，圖11為應(yīng)急逃生呼吸器，圖12為浸水保溫服。“桑吉”輪建造于2008年，符合彼時(shí)《國(guó)際海上人命安全公約》（SOLAS）[22]、《國(guó)際救生設(shè)備規(guī)則》（LSA code）[23]和《防火安全系統(tǒng)規(guī)則》（FSS code）[24]的配置要求，也即至少配備兩套消防員裝備，兩套應(yīng)急逃生呼吸器。消防員裝備通常存放于消防控制室內(nèi)，EEBD存放于機(jī)艙、泵艙等機(jī)械處所及其逃生通道上。其中，消防員裝備具備防火能力，并提供不少于30分鐘的呼吸供氧能力；EEBD提供不少于10分鐘的呼吸供氧能力，但不具備防火功能。

圖10 消防員裝備

圖11 應(yīng)急逃生呼吸器

圖12 浸水保溫服

顯然，規(guī)范要求的布置并不針對(duì)如本案“桑吉”輪爆炸的特殊情況。應(yīng)急逃生呼吸器未全員配備，放置位置也未就近船員休息娛樂處所，這就導(dǎo)致船員不能在第一時(shí)間完成穿戴并做好逃生準(zhǔn)備。

此外，“桑吉”輪救援行動(dòng)中，發(fā)現(xiàn)一名身穿浸水保溫服的落水遇難船員。浸水保溫服是為落水人員保持體溫并提供一定浮力的救生用具，如圖12。它本身并不能防火及提供呼吸氧氣和面部保護(hù)。推測(cè)該船員在無(wú)其他可靠裝備下只能從房間內(nèi)穿戴浸水保溫服，冒死逃出房間，但室外有毒氣體導(dǎo)致呼吸困難，不久即失去意識(shí)，跌落舷外，逃生失敗。

（3）逃生裝備使用程序煩瑣導(dǎo)致船員逃生時(shí)間延長(zhǎng)

此外，“桑吉”輪使用常規(guī)的重力倒臂式救生艇，其完成釋放一般要經(jīng)過(guò)6~10個(gè)程序不等。釋放程序的煩瑣，以及在緊急情況下船員的行動(dòng)能力和意識(shí)無(wú)法保證，很容易導(dǎo)致操作失誤，從而失去逃生的寶貴時(shí)間。

“桑吉”輪事故中，救生艇甲板的兩名船員因靠近應(yīng)急呼吸器或者消防員裝備存放位置，得以利用裝備逃至救生艇甲板，但受制于救生艇釋放程序煩瑣，人力不足（可能受傷），登艇失敗。

（4）逃生路徑無(wú)遮擋保護(hù)，船員逃生難度加大

“桑吉”輪救生艇布置于上層建筑兩舷，均為開敞甲板，如圖13所示，船員逃生集合均暴露在大火和有毒濃煙中，這無(wú)形增加了船員逃生、救生艇登乘的難度。圖13為登艇區(qū)與貨艙區(qū)示位。

2.逃生設(shè)計(jì)優(yōu)化

根據(jù)上述分析，相應(yīng)地，從以下幾個(gè)方面優(yōu)化油輪的逃生設(shè)計(jì)。

圖13 登艇區(qū)與貨艙區(qū)示位

（1）全員配備消防員裝備和應(yīng)急逃生呼吸器，并就近布置

船東、運(yùn)營(yíng)公司可突破現(xiàn)行規(guī)范的最低配置要求，為全部在船船員配置消防員裝備和應(yīng)急逃生呼吸器，存放在船員住艙和辦公場(chǎng)所。同時(shí)，IMO也應(yīng)對(duì)“桑吉”輪爆炸做出合理評(píng)估，對(duì)現(xiàn)行規(guī)范作必要修改，最大化保護(hù)船員的生命安全。

（2）設(shè)置自由拋落式救生艇

“桑吉”輪配置的救生艇為重力倒臂式，如圖14所示。而事故的另一方，“長(zhǎng)峰水晶”輪配置的救生艇為自由降落式，如圖15所示?！吧＜陛喆瑔T無(wú)一人逃生成功，“長(zhǎng)峰水晶”輪船員則全部逃生成功，反差巨大。圖14為重力倒臂式救生艇，圖15為自由降落式救生艇。

圖14 重力倒臂式救生艇

采用船尾自由降落式救生艇的配置，船員在緊急情況下能夠快速撤到船尾，遠(yuǎn)離貨艙危險(xiǎn)區(qū)域，為逃生提供暫時(shí)的保護(hù)，爭(zhēng)取寶貴的時(shí)間。此外，自由降落式救生艇釋放程序簡(jiǎn)單，也能增加船員逃生的概率。

圖15 自由降落式救生艇

（3）逃生通道增加保護(hù)

在從室內(nèi)到集合站的逃生通道上，設(shè)置遮蔽結(jié)構(gòu)屏障，保護(hù)船員不受有毒煙氣、火災(zāi)輻射的影響。

（4）安裝海上撤離系統(tǒng)

海上撤離系統(tǒng)，是一類由釋放裝置、撤離軌道和救生筏構(gòu)成的綜合性海上救生設(shè)備，其釋放操作簡(jiǎn)單，只需要一名船員就可以完成，安全撤離速度遠(yuǎn)勝傳統(tǒng)的由救生艇和救生筏組成的逃生系統(tǒng)，顯示出極大優(yōu)越性。目前該類系統(tǒng)主要用于客船，但“桑吉”輪事故再次警醒業(yè)界，在貨船上配備該系統(tǒng)是必要的。圖16為垂直降落式海上撤離系統(tǒng)，圖17為傾斜滑道式海上撤離系統(tǒng)。

圖16 垂直降落式海上撤離系統(tǒng)

3.逃生設(shè)計(jì)小結(jié)

從上述分析看出，逃生設(shè)計(jì)牽涉很多細(xì)節(jié)，涉及房艙的布置、個(gè)人裝備的選擇、逃生路徑的規(guī)劃、棄船設(shè)備的選型等。只有通過(guò)業(yè)界各方的合力，包括規(guī)則的升級(jí)、設(shè)備上的改進(jìn)、船舶用戶的適應(yīng)性配置，才能形成一個(gè)能在特殊環(huán)境下為船員提供有效保護(hù)的逃生系統(tǒng)。

五、總結(jié)

本文基于“桑吉”輪事故，利用TNT當(dāng)量法估算出爆炸的能量在61~184噸，隨之探討了通過(guò)改進(jìn)船舶的防爆保護(hù)和逃生設(shè)計(jì)，雙管齊下，最大限度地保證船員的生命安全。其中，防爆保護(hù)有兩個(gè)措施，即建立上層建筑結(jié)構(gòu)防爆屏障和設(shè)置防爆門窗。而在逃生設(shè)計(jì)論述中，通過(guò)分析“桑吉”輪爆炸后幸存船員逃生失敗的原因，提出了針對(duì)性的改進(jìn)措施。希望業(yè)界能夠加強(qiáng)油輪安全研究，加快新船型開發(fā)，避免諸如“桑吉”輪事故的再次發(fā)生。