考慮參數不確定性的船舶機艙人員安全風險分析

摘要：船舶機艙發生火災時，火源增長系數具有不確定性，從而火源功率大小也不確定，造成輪機員達到危險狀態的時間無法估計。火源增長系數呈對數正態分布，輪機員達到危險狀態的時間與火源增長系數的分布有關。

關鍵詞：船舶機艙；火災；不確定性；增長系數

Safety Risk Analysis for Personnel in Ship Engine Room Considering Parameter Uncertainty

WU Xu

( Shanghai Maritime University， Shanghai 200135 )

Abstract: When a fire breaks out in engine room， the fire growth coefficient is uncertain and the fire power is uncertain， thus the time at which engineer is exposed to danger cannot be estimated and it is related to the logarithmic distribution of fire growth coefficient.

Keywords: Ship engine room;Fire;Uncertainty;Growth coefficient

1引言

隨著經濟的發展，我國已經成為海上貨物運輸的主要大國，商船在數量和規模上都大幅提升，但是伴隨而來的船舶消防隱患也日趨嚴峻。據不完全統計，船舶火災引發的海難事故占事故總數11%以上，而全球每年因機艙發生火災引發的事故占船舶火災事故總數的36%[1]，造成巨大的經濟損失和人員傷亡。因此，船舶艙室火災人員安全風險分析尤為重要。現有研究主要集中在艙室火災事故成因及施救措施，所述內容也局限于經驗積累[2]。

船舶艙室安全風險分析是一種確定船舶艙室防火安全水平的有效途徑，在火災風險分析中，火災危險性不僅要考慮火災發生的可能性即火災發生的概率，而且要考慮火災發生后造成的后果及其影響及危害性。美國海岸警衛隊研究發展中心和菲茨杰拉德將“建筑物防火安全工程方法” 應用到船舶上，由此開發出“船舶防火安全工程方法”。美國國家標準技術研究所火災研究中心利用火災模擬程序計算出建筑物發生某種火災后火區的面積、各房間的溫度、煙氣層的分布、典型燃燒產物濃度隨時間的變化等情況，為火災危險性評估提供必要的參數[3]。但是前人針對船舶艙室火災發生后的研究中，參數不確定性研究較少，為了減少船舶艙室火災人員的傷亡，有必要考慮參數不確定性的船舶艙室人員安全風險分析。

2人員安全風險分析模型

船舶艙室中有主機，輔機，電氣自動化設備，重油，輕油，潤滑油以及大量的橡膠制品，一旦發生火災便會產生火災產物，即熱量、煙氣和缺氧，對艙室人員安全造成極大的風險。火災過程中燃燒產生的熱量由輻射和對流部分組成；生成的煙氣主要有完全燃燒產物和不完全燃燒產物，典型代表物分別是CO2和CO；火災艙室的溫度隨著燃燒熱量的增加而升高，在達到并超過船員所能承受的極限時，便會危及生命；船舶火災艙室里氧氣濃度的降低并超過船員所能承受的極限時同樣會危及船員的生命。所以，以上參數對船舶艙室人員安全風險的分析有重要意義。

2.1煙氣危險性

船舶艙室具有封閉、熱負荷大的特點，且為全鋼結構，所以發生火災后煙氣比一般陸上建筑更具危險性。船舶艙室里的大量化工制品燃燒后，產生大量高溫有毒氣體，這些煙氣攜帶并輻射大量熱量，火災煙氣溫度可高達幾百度，在密閉的艙室煙氣的溫度可高達1 000 ℃，嚴重威脅船舶艙室剛性結構和船員生命安全，人對高溫煙氣的忍耐是有限的，在65 ℃時，可短時忍受；在120 ℃時，15 min內可產生不可恢復的損傷；140 ℃時，可忍受5 min；170 ℃時可忍受1 min；溫度再高些1 min也忍受不了，會有強烈的疼痛感，心率加快，肌肉痙攣，出現休克，不能及時逃離火災現場而致死[4]。火災煙氣中的氯化氫、氨氣和氯氣等氣體對眼睛有強烈的刺激作用，且煙氣嚴重影響視覺效果，對本已只能依靠自救的船舶火災造成更加不利的滅火環境。

圖1船舶艙室火災煙氣沉降示意圖

如圖1所示為船舶艙室煙氣沉降示意圖，由煙氣的危害性可知船員在火災現場停留的時間越長對生命造成的威脅越大，因此必須找到一個時間點，此時間為標定火災煙氣對船員生命造成危險與否的臨界時間。經研究發現，以煙氣沉降至地板1.6+0.1H（H為機艙內部凈高）高度時為臨界時間。

2.2氧氣濃度及FID值計算

人每時每刻都在呼吸氧氣，氧氣支撐著人的生命。人體組織供氧量下降會導致神經、肌肉活動能力下降，呼吸困難，人腦缺氧3 min就會損壞。有數據顯示，環境中氧氣濃度降至14%致人麻木，降至6%是人的死亡極限[5]。因此，船舶艙室發生火災時氧氣濃度對船員的生命安全至關重要。氧氣濃度可以由以下公式計算得出:

XO2（t，x）= ( 1 )

其中 為提前設定的值，由火災增長系數確定；

r 為化學計算熱力系數，這里取作0.5；

△H為有效放熱值。

由于缺氧使船員出現意識模糊的狀態，并逐漸喪失逃生能力，我們認為一旦船員達到完全無意識狀態，則在船舶艙室火災情形下即認為船員發生了“死亡”。為此，引入概念FID（FractionalIncapacitatingDose）來表征船員無意識的程度[6]。可以用以下公式來計算FID值：

F=( 2 )

其中t為船員在火場暴露的時間。由以上公式可知，當FID達到1時為危險的臨界狀態。

2.3CO2濃度及FID值

火災是一種失去控制的燃燒，在燃燒過程中產生大量的CO2。火災過程中CO2的危害不僅表現在它不支持呼吸而使船員窒息而亡，更重要的是CO2可以刺激中樞神經系統從而促使船員加快呼吸，即RMV（Respiratory Minute Volume，每分鐘通氣量）值增加，這樣其他有毒氣體及顆粒也會加快進入船員體內。所以CO2濃度在船舶艙室火災中對船員生命安全至關重要，CO2濃度可以通過以下公式計算：

X =( 3 )

由上可知CO2同樣可以導致船員在艙室火災的情況下失去意識，進而無法逃生而出現生命危險，可以由以下公式計算關于CO2的FID值：

F = ( 4 )

其中t為船員在火場暴露的時間，當FID達到1時為危險的臨界狀態。

2.4CO濃度及FID值

在火災現場吸入CO是窒息死亡是火災死亡中最重要的原因之一。人體吸入CO之后，CO可以像氧氣一樣和血液中的血紅蛋白結合。血紅蛋白具有向人體組織輸送氧氣的功能，而CO與血紅蛋白結合形成一種稱為碳氧血紅蛋白（HbCO）的混合物，它的親和力比氧血紅蛋白混合物大200倍左右[7]。故火場中CO含量是很重要的研究參數，可以通過以下公式計算船舶艙室火災CO含量:

X (t，x) = ( 5 )

其中Y為每克燃油燃燒生成CO的量（約0.01-0.05 g/g）。

需要說明的是公式（1）（3）（5）中p0uA即是空氣卷吸質量流率m [9]。

( 6 )

其中Z為煙氣達到危險狀態時距離花鐵板的高度，由上文知即1.6+0.1H，當特定機艙確定后該值隨即也確定下來； QC為火羽流的對流換熱率，這里設QC =0.7 Q。

人體吸入過量CO后血液中HbCO的含量增加，直接抑制細胞的氧化和呼吸，造成內窒息，人體中毒癥狀趨于嚴重，如表1所示[8]。

表1血液中HbCO含量與中毒癥狀比較（健康成年人）

從表1可以得出血液中HbCO含量與船員生命安全關系重大，特別提醒的是，通常情況下以30%COHb含量作為人體喪失意識的界限，以50%COHb含量作為人體開始進入死亡過程的界限，以下公式可以計算血液中COHb的含量：

%COHb = (3.317×10-5 ) X1.036 RMV ×t ( 7 )

其中X為CO含量；t為船員在火場暴露時間；RMV的單位為L/min。

由上可知CO會導致船員意識昏迷，阻礙船員撤離火災區域，可以通過以下公式計算FID值：

( 8 )

其中D為30%或50%的COHb含量；K=8.292 5 ×10-4

當FID達到1時為危險的臨界狀態。

3參數不確定性

進行艙室火災危險評估時熱釋放速率是基本數據，并以此來決定船舶艙室火災中煙氣生成速率，CO 生成速率等基本參數，而這些參數又被用來分析船員及船舶在火災中的安全性。但是評估所涉及的火災實際上并沒有發生，其熱釋放速率的狀況需要人為設定。只有此參數設得適當，評估的結果才可信。根據火災場景的不同，目前主要有穩態火源和非穩態火源兩種設定方式。

熱釋放速率定為常數的火源稱為穩態火源，通常認為穩態火源被點燃后很快達到穩定輸出火源。穩態火源的火源功率通常根據一些經驗數據設定，性質不明確，不能反映真實火源的功率，因而不能真實反映火災狀況。

火災熱釋放速率為時間的函數的火源稱為非穩態火源，艙室火災情景的不同，隨著火災的發展，火源熱釋放速率隨著時間而變。在非穩態火源模型中最著名的是T2型火災火源，可以用以下方程來描述T2型火源：

Q ()=α（t - t0）2( 9 )

其中Q為熱釋放速率(kw)；α為火災增長系數(kw/s2)；t 為開始有效燃燒所需要的時間(s)。

通過大量火災實驗數據統計表明，火源增長系數α服從對數正態分布，易知lnα服從正態分布， 則α的對數正態分布函數為：

f (α) =( 10 )

lnα的正態分布函數為

f (lnα) = ( 11 )

據統計資料，火災增長系數的自然對數的平均值和標準差為 =-5.4，=1.9。

4結束語

由以上分析可知，在實際的機艙火災中，機艙的尺寸與艙內發生火災初時的溫度都是確定的，這樣很容易確定下來公式（1）、（3）、（5）是關于不確定性參數火源增長因子α的函數，即O2、CO2、CO的濃度是隨著α的分布而分布的，又有公式（3）、（4）和（8）知三種氣體的FID值達到1時輪機員達到危險的狀態，故易知在火源增長系數不確定即無法預知火災規模大小的情況下輪機員達到危險狀態所需要的時間，為船舶機艙火災撲救時間與人員撤離時間提供重要數據。

參考文獻

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