艦船火災爆炸危險源風險評估

1 引 言

根據有關資料，艦船遭破壞的類型已從二戰中的以不沉性的喪失或減少為主，轉變為以火災爆炸為主。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]。現代艦船上存在著大量的易燃易爆物品，戰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和爆炸。如果發生火災后控制不力，任其蔓延，還可能造成進水、沖擊等二次破壞，并會導致極為嚴重的災難性后果。因此，進行艦艇火災爆炸的危險源識別與風險評估，并針對重大危險源采取有效的改進措施，降低艦船的火災爆炸危險性，對增強現代艦船的生存能力具有重要意義。本文采用風險辨識—風險評價—風險控制的討論方法，對艦船的火災爆炸危險源進行了辨識和評估。

2 艦船火災爆炸危險源的識別

對艦船火災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、分布及可能產生的危險、危害方式和途徑。

2.1 艦船火災爆炸危險源的分類

根據危險源的分類[3]，火災爆炸的第一類危險源包括易燃易爆物、火災煙氣及燃燒和爆炸產生的有毒有害氣體；第二類危險源是導致人們為了防止火災爆炸發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、環境三方面的問題隱患。

具體講，針對艦船，第一類危險源應考慮的有：

1) 易爆炸性物質，如艦載武器、彈藥以及武備機械等；

2) 易燃性氣體，如蒸發的燃油氣體等；

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，如短路后的絕緣膠皮等；

6) 毒性物質，如發生火災后產生的有毒煙氣等。

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

在艦船火災、爆炸事故中還應注意對重大危險源進行識別和管理。有的艦船載有作戰用的武器和彈藥，有的艦船上有核設備，這些危險源一旦發生事故，將會對整艘艦船乃至周邊環境造成巨大危害，因此屬于重大危險源，應特別關注。

2.2 FTA法識別艦船火災爆炸危險源

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)、管理失誤風險樹法(MORT)和事件樹分析法(FTA)[4,5]等。其中，FTA法在風險分析中得到了廣泛的應用。對于艦船火災爆炸事故，利用FTA法，能通過邏輯關系將潛在原因和最終事故聯系起來，方便查清事故責任，也為采取整改措施提供依據。同時通過對原因的邏輯分析，可以分清導致事故原因的主次，控制住有限的幾個關鍵原因，以達到有效防止重大火災爆炸事故的發生。

因此，可依據艦船安全性的要求，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爆炸安全風險分析的框架。

經過大量艦船火災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，通過分析找出導致火災爆炸事故的基本因素，如違章操作、設備老化、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成艦船的基本設備為止(如主機、通風設備、彈藥)，不再繼續分析設備零件的故障。

按邏輯關系畫出火災爆炸的故障樹，如圖1所示。

分析得出的基本事件實際上就是導致頂事件——艦船火災爆炸事故發生的危險源。其中事件X18-彈藥自身質量、X21-彈藥發射時引燃旁邊物質、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 艦船火災爆炸的風險概率

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

T-火災爆炸事故；A1-可燃氣體到達爆炸極限；A2-火源；S-空氣；B1-油氣泄露；B2-未及時發現險情；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-報警系統損壞；D1-違章檢修；D2-管道損壞；D3-密封不嚴；D4-通風不良；D5-彈藥爆炸；D6-設備故障；D7-飛機回航撞擊母艦；E1-碰撞損壞；E2-人為損壞；E3-自爆；E4-設備老化；F1-觸礁；F2-兩船相撞；X1-麻痹大意；X2-監督不力；X3-遭遇風暴；X4-地貌不清；X5-惡劣海況；X6-人為失誤；X7-設備故障；X8-操作不當；X9-有意損壞；X10-閥門泄露；X11-接口問題；X12-空間密閉；X13-通風設備失效；X14-未及時檢修；X15-設備老化；X16-故意破壞；X17-艙室通風不佳；X18-彈藥自身質量；X19-出現災情未及時撲滅；X20-保管不善；X21-彈藥發射時引燃旁邊物質；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；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生概率是不一樣的；其次，艦船火災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數據的情況下，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，艦船火災爆炸的危險源共有35個，X1～X35，進一步歸納會發現：艦船火災爆炸的危險因素來自艦船自身、人因失誤和外界環境的危險三個方面。繼續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，艦船火災爆炸事故是一個非常復雜的事件，涉及到艦船自身、艦員和外界方方面面的因素。目前對艦船火災爆炸的研究有對艙室火災的研究[8]，對機艙防爆防燃的研究[9]，對LNG船火災爆炸的研究[10,11]，但并未綜合考慮對艦船火災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，達到對艦船火災爆炸整體危險性進行評估的目的。

3.2 艦船自身風險概率

1) 易燃易爆物風險概率

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生火災或者爆炸事故。目前很少有直接計算彈藥和燃油等危險物出現火災或者爆炸的概率模型，本文初步探討了該概率模型的建立。

艦船艙室內危險物是否會出現火災事故和艙室內的溫度t、壓強p、濕度s有直接的關系，而出現爆炸事故除了和上述三種因素有關系外,還和艙室內可燃氣體濃度ρ有關。設艦船艙室發生火災、爆炸的概率分別為：

(1)

(2)

其中，N(t,p,s)為關于溫度t、壓強p、濕度s的概率密度函數；M(t,p,s,ρ)為關于溫度t、壓強p、濕度s、可燃氣體濃度ρ的概率密度函數。N(t,p,s)和M(t,p,s,ρ)可以通過實船數據的測量得到，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，如果測量次數足夠，可以將測得的數據按正態分布擬合，得到概率密度函數的協方差矩陣和中心值，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) 機械設備的風險概率

隨著科技的發展，艦船的機械設備構成也越來越復雜，為了評估發生火災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備進行評估。

評估時，需填入評估表中的內容包括：序號、所在區域名稱、危險源編號、危險源、任務階段、危險事件、可能導致的后果、嚴重性、可能性指數等。

評估表的數據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值計算中得到，如圖3中的構件試驗報告、結構可靠性報告等；其次,從設備裝置的實際使用現場得到，如圖3中的失效報告、使用日志、維修報告等。兩方面的數據相互補充，則可得到完整的機械設備發生火災或爆炸事故的可能性指數，亦即概率Pmf或Pme。

圖3 機械設備風險評估數據來源

3.3 人因風險概率

人在信息處理過程中是一個極其復雜的過程：感知—決策—行動。在此過程中任何一個環節出現差錯都會導致人為失誤，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為變量X，選取艦船火災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Y=F(X)。對歷史數據進行詳細分析，找出人為失誤的各種原因，并歸類統計，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，通過計算比較相關系數，找出與相關系數|r|最大值對應的一條曲線函數，進而得到X和Y的關系式。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，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致火災或爆炸事故發生的概率Ppf或Ppe。

3.4 環境風險概率

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

(3)

式中，g為由于環境因素造成的艦船火災、爆炸事故發生的次數；m為該類事故發生g次的時間段內艦船的數量。

4 艦船火災爆炸的危險度評估

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

艦船火災的危險度和爆炸危險性的評估可以從危險物的能量特性、危險物的數量兩方面考慮，同時考慮火災、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 火災危險度

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

Qf=k1k2k3k4k5+∑Yif(1-RIif/ROif)/Cif

(4)

式中，Qf——艙室火災危險度；

k1——艙室內可燃物著火因子，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——艙室內可燃物負荷密度，其中k2=q/qm，q為艙室內可燃物的可燃載荷(kg/m2)，qm為潛在失火危險性最大時可燃負荷(kg/m2)；

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

k4——艙室通風狀態因子，當艙室處于完全封閉狀態時，k4=0。當艙室被擊中處于破損狀態時，k4=1;

k5——艙室耐火因子，根據文獻[15]的要求，艦船結構材料的耐火等級分為7個等級，k5亦相應分為7個等級(其值見表1);

Roif——標準安全距離值，可參考相關規范取值；

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,或設施受危險源火災事故影響的嚴重度，Cif=(1+0.5Wcif)Eif，其中，Wcif為第i個安全距離不足的艙室或設施內易燃物及其裝置的危險系數，Eif為人員可能傷亡和設備設施受損的程度指標值，Wcif、Eif由艦長或大副根據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]，結合艦船自身爆炸危險物以及結構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——艙室內易爆物危險度；

Qeo——艙室外易爆物危險度；

V——艙室內易爆物固有危險度，V=αβ，其中，α為物性危險系數，可通過查常用炸藥的各種感度性能參數表得到，β為物量危險系數，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，可參考相關的《安全性評價標準》，根據艦船易爆物儲存安全的特殊性，結合事故統計，擬定《艦船易爆物安全評價標準》，經比較后確定；

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

RIie——艦船上艙室間的實際距離值；

Roie——標準安全距離值，可參考相關規范取值；

Cie——危險艙室外第i個安全距離不足的艙室或設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施內易爆物及其裝置的危險系數，Eie為人員可能傷亡和設備設施受損的程度指標值，Wcif、Eif由艦長或大副根據艙室影響危險表得出。

5 艦船火災爆炸事故風險評估

在求得艦船艙室火災爆炸事故的發生概率和危險度后，則艦船艙室火災風險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的值均指要計算風險的同一艙室的火災概率值，Qf為該艙室的火災危險度。

同理，艦船艙室爆炸風險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的值均指要計算風險的同一艙室的爆炸概率值，Qe為該艙室的爆炸危險度。

應用式(6)、式(7)可定量求出艦船所有艙室的火災爆炸事故風險，通過數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，需要重點防范火災爆炸事故的出現，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，做出最優化的風險決策，保障艦船的生命力。

6 具體算例

應用上述風險概率模型和危險度計算公式對一艘護衛艦的機艙、燃油艙、臥室、食堂、錨機室進行火災爆炸風險評估，其無因次計算結果如表4所示。

表4 某護衛艦部分艙室的風險評估

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

表5 安全補償系數

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風險度為：0.266 372×0.681=0.181 38，爆炸風險度為0.017 7×0.681=0.012 05，火災風險和爆炸風險分別減少了30.5%和31.9%。

7 結 論

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

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