從“桑吉”輪事故看油輪的防爆保護和逃生設計

陶伯政 陳 忱

2018年1月6日，“桑吉”輪碰撞事故發生，驚心動魄的救援，巨大的人命傷害和財產損失，給人們帶來極大的震動。如何能夠避免這樣的悲劇？當船舶發生諸如碰撞、危險品泄漏、失火爆炸等事故使船員陷入危險境地的時候，油輪應具備什么樣的條件才能夠有效保護船員逃生，保證最重要的生命安全？本文在估算爆炸TNT當量的基礎上，對油輪防爆保護主要措施展開分析，并通過分析油輪的逃生系統設計，提出改進措施。

一、“桑吉”輪事件回顧

根據“桑吉”輪事故分析報告[1]及公開紀實[2]，事故發生和救援過程如下：

“桑吉”輪滿載11.12萬噸凝析油從伊朗出發駛往韓國，“長峰水晶”輪裝載6.4萬噸高粱從美國駛往我國東莞，2018年1月6日兩輪航行至我國東海海域，當日19：50：03，“桑吉”輪與“長峰水晶”輪發生碰撞，“桑吉”輪船長立即激活GMDSS（全球海上遇險與安全系統）發出求救信號。19：51，“桑吉”輪起火，船長命令打開消防泵。與此同時，“長峰水晶”輪首部起火，其船長到駕駛室并命令全速倒退。19：52，“桑吉”輪發生爆炸，火勢覆蓋了駕駛室和整個生活區。19：53，“桑吉”輪全船被大火吞噬，GMDSS信號停止，主機、發電機停止運轉。“長峰水晶”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，在救生艇甲板處發現兩具遇難船員遺體，同時帶回該輪VDR設備（黑匣子）。

1月14日下午，“桑吉”輪發生大規模爆燃，不久即沉沒。

5月11日，中國、伊朗、巴拿馬三國和中國香港地區共同簽署了事故安全調查報告并向IMO提交。圖1～圖4展示了“桑吉”輪事故發生到救援的典型畫面。

二、“桑吉”輪爆炸的能量

從爆炸現場情況和“長峰水晶”輪的首部破損情形來看，顯然，“長峰水晶”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，碰撞引起火災。凝析油快速揮發形成凝析蒸氣云，從而引發爆炸。爆炸造成全船盡毀，上艙壁嚴重變形，初步預測蒸氣云爆炸達到了油氣混合物爆炸的最高等級爆轟[3]。為此，有必要定量計算本次爆炸的能量[4]，方能估計對船員的影響。

圖1 “桑吉”輪起火爆炸

圖2 “長峰水晶”輪受損情況

圖3 現場救援畫面

圖4 救援人員進入“桑吉”輪搜救

一般地，利用TNT當量法計算出爆炸的TNT當量，進而求出比例距離Z，再利用M.A.Sadovskyi表達式計算超壓峰值ΔP，根據ΔP大小即可判斷爆炸對船員的影響[5-7]。

1.爆炸TNT當量計算

根據TNT當量法，有計算式

其中：QTNT為TNT當量，單位kg；v為蒸氣云當量系數，統計平均值為0.04；W為蒸氣云中可燃物質量，事件中為凝析油揮發量，單位kg；Hc為可燃物的反應發熱量，凝析油的燃燒熱，取43 110 kJ/kg；qTNT為TNT爆炸時所釋放出的能量，取平均值4 500 kJ/kg。

式（1）中，可燃物質量W取決于凝析油泄漏量及蒸發率。“長峰水晶”輪撞破“桑吉”輪右舷船中靠首的2號貨艙，而事發時“桑吉”輪裝載量為11.12萬噸，根據該型油輪的常規布置，推測2號貨艙裝載量約8 000噸[7]，舷側敞口狀態泄漏并揮發。凝析油本身極易揮發，但碰撞到爆炸時間較短，僅2分鐘，總揮發量應該不大。現假定不同揮發率，計算對應的TNT當量。

2.爆炸沖擊波的超壓峰值計算

爆炸的破壞能量常通過沖擊波的超壓峰值ΔP來表示，而超壓峰值ΔP與比例距離Z相關。比例距離Z的計算式如下：

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“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當量，等于qTNT，單位kg。

根據M.A.Sadovskyi理論，超壓峰值與比例距離的關系表達式如下：

其中：ΔP為目標處超壓，單位MPa；Z為比例距離，單位m。

假定不同比例的蒸發率，帶入上述各式，可求得各目標值，表1為爆炸TNT當量和沖擊波超壓峰值計算書。

抽取表1中蒸發率、QTNT、ΔP數據，制作表2，圖5為蒸發率、QTNT、ΔP關系圖。

從圖5中可以看出，當蒸發率小于10%，QTNT、ΔP與蒸發率基本成正相關，蒸發量的大小直接決定了TNT當量QTNT爆炸超壓峰值ΔP的大小。

3.爆炸的傷害等級

根據公開的研究數據[8-10]，爆炸超壓峰值對建筑和人員傷害的等級表，表2為爆炸沖擊波對建筑物破壞程度，表3為爆炸沖擊波對人員的傷害程度。

表1 爆炸TNT當量和沖擊波超壓峰值計算書

圖5 蒸發率、QTNT、ΔP關系圖

表2 爆炸沖擊波對建筑物破壞程度

4.爆炸能量等級推測

根據前述超壓峰值的計算結果，在0.5%揮發率下即達到0.02兆帕，對應表2中，門框損壞、墻出現裂縫，對應表3中人員輕微傷害。但“桑吉”輪事故中船長激活GMDSS系統傳回的信息顯示爆炸發生后船員窒息死亡，推測超壓峰值應該更高，應在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。根據表1可知，蒸發率在2%~6%，爆炸TNT當量61~184噸。

表3 爆炸沖擊波對人員的損傷程度

三、油輪防爆保護設計

自石油被發現并大規模開采以來，油輪運輸方興未艾，而伴隨油氣泄漏導致的火災和爆炸也從未停歇，一旦發生，常導致環境污染、人員傷亡的巨大災難。為此，對船員和船舶的防爆保護已有很多深入的研究[11-17]，結合對“桑吉”輪爆炸能量的分析，可以認為，只有通過建立必要的保護屏障，才能幫助船員成功抵御爆炸沖擊波，贏得生存的機會。

1.建立上層建筑防爆屏障

上層建筑是船員生活住所，同時也是整個船舶的控制樞紐和信息中心，增強上層建筑的防爆能力尤為重要。國內外研究人員對此做過深入的研究[16,17]，通常采用以下兩種措施來實現。

（1）強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的結構隨時間變化的位移和加速度，量化評估上層建筑的抗爆能力。圖6為不同區域的加速度大小隨時間變化曲線。研究結果顯示，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，或者越是朝上樓層，加速度響應就越大，對船員的傷害越大。因此，優化上層建筑艙室布置，能夠顯著增強上層建筑的防爆能力。

圖6 不同區域的加速度大小隨時間變化曲線

另外，在材料方面，通過提高屈服極限，如使用高強度鋼材，使用高溫條件下機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，進而提高船舶和船員的生存能力。

（2）設置防爆墻

防爆墻[17-18]，顧名思義，是專門設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當量下和不同爆炸源距離下防爆墻的應力響應規律，發現防爆墻效果與距離爆炸源遠近成正相關，即在遠離爆炸危險區設置防爆墻效果更佳。陳彬[17]研究了不同爆炸載荷下防爆墻的不同結構區域的應力及損傷模式，發現防爆墻在超壓峰值為0.2兆帕時才發生塑性變形，在0.5兆帕時才開始撕裂坍塌，而這明顯高于“桑吉”輪爆炸上層建筑前端的超壓峰值，這說明，設置防爆墻能夠有效地抵御較大強度的爆炸而使船員不受沖擊波傷害。圖7為防爆墻應力響應云圖。

2.設置防爆門窗

第三、1節中強調的是結構防爆能力，在實際中，常存在一些非結構薄弱環節，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力響應云圖，可以看出，在窗位置有明顯的應力集中，駕駛室大型窗斗附件更加明顯。圖9為救援現場反饋的畫面，整個上層建筑鋼制結構仍然能夠保持有效，不至完全坍塌，而門窗等缺口部位變形均較其他區域嚴重。

圖7 防爆墻應力響應云圖

圖8 上層建筑前壁的應力響應云圖

圖9 “桑吉”輪左后45°畫面

為此，門窗在滿足規范絕緣等級的基礎上，還應具備防爆能力。門窗框架具備與結構相同的強度，透視窗、門用材需具有防爆能力[19-20]。

3.防爆保護設計展望

常規油輪設計中，通常只在危險區域內賦予設備防爆性能，較少考慮船舶或者船員抵抗爆炸的能力。根據IEC[21]的定義，防爆設備是在規定條件下不會引起周圍爆炸性環境點燃的電氣設備。而越來越多的油輪爆炸事故說明，僅考慮設備防爆設計是不夠的，“桑吉”輪因碰撞導致油氣泄漏引發爆炸就是最好的例證。油輪運營公司和油輪設計建造單位應該主動作為，開發防爆保護型油輪，尋求經濟成本與人命財產安全的最大公約數。

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四、油輪逃生設計

船上爆炸發生后，幸存的船員會利用船上裝備做好自我保護，向艇筏區域逃生。但至救援行動結束，“桑吉”輪無一船員生還。可見，在如“桑吉”輪爆炸的情況下，按正常規范要求的逃生設計，已不能夠保證船員的順利逃生。為此，有必要對逃生系統作深入分析，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，最終僅發現3具遺體，事發水域打撈起1具，救助人員登輪后在救生艇甲板處發現2具。結合前文分析，我們認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原因：

（1）上層建筑內外大火、高溫，有毒有害氣體蔓延，船員進退不能

“桑吉”輪爆炸直接攜帶火源從破碎的門窗進入房間內部，而房間內的裝修材料、寢具、衣柜都是易燃物，房間內部產生火災。而爆炸瞬間整個船只即被大火包裹，濃煙彌漫，船員在無保護下進退不能，被火海吞噬。

（2）單人逃生裝備數量嚴重不足，存放位置單一導致船員逃生準備不足

船員單人逃生裝備主要包括應急逃生呼吸器（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《國際海上人命安全公約》（SOLAS）[22]、《國際救生設備規則》（LSA code）[23]和《防火安全系統規則》（FSS code）[24]的配置要求，也即至少配備兩套消防員裝備，兩套應急逃生呼吸器。消防員裝備通常存放于消防控制室內，EEBD存放于機艙、泵艙等機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 應急逃生呼吸器

圖12 浸水保溫服

顯然，規范要求的布置并不針對如本案“桑吉”輪爆炸的特殊情況。應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，這就導致船員不能在第一時間完成穿戴并做好逃生準備。

此外，“桑吉”輪救援行動中，發現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。推測該船員在無其他可靠裝備下只能從房間內穿戴浸水保溫服，冒死逃出房間，但室外有毒氣體導致呼吸困難，不久即失去意識，跌落舷外，逃生失敗。

（3）逃生裝備使用程序煩瑣導致船員逃生時間延長

此外，“桑吉”輪使用常規的重力倒臂式救生艇，其完成釋放一般要經過6~10個程序不等。釋放程序的煩瑣，以及在緊急情況下船員的行動能力和意識無法保證，很容易導致操作失誤，從而失去逃生的寶貴時間。

“桑吉”輪事故中，救生艇甲板的兩名船員因靠近應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）逃生路徑無遮擋保護，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，這無形增加了船員逃生、救生艇登乘的難度。圖13為登艇區與貨艙區示位。

2.逃生設計優化

根據上述分析，相應地，從以下幾個方面優化油輪的逃生設計。

圖13 登艇區與貨艙區示位

（1）全員配備消防員裝備和應急逃生呼吸器，并就近布置

船東、運營公司可突破現行規范的最低配置要求，為全部在船船員配置消防員裝備和應急逃生呼吸器，存放在船員住艙和辦公場所。同時，IMO也應對“桑吉”輪爆炸做出合理評估，對現行規范作必要修改，最大化保護船員的生命安全。

（2）設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，“長峰水晶”輪配置的救生艇為自由降落式，如圖15所示。“桑吉”輪船員無一人逃生成功，“長峰水晶”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，遠離貨艙危險區域，為逃生提供暫時的保護，爭取寶貴的時間。此外，自由降落式救生艇釋放程序簡單，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

在從室內到集合站的逃生通道上，設置遮蔽結構屏障，保護船員不受有毒煙氣、火災輻射的影響。

（4）安裝海上撤離系統

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

圖16 垂直降落式海上撤離系統

3.逃生設計小結

從上述分析看出，逃生設計牽涉很多細節，涉及房艙的布置、個人裝備的選擇、逃生路徑的規劃、棄船設備的選型等。只有通過業界各方的合力，包括規則的升級、設備上的改進、船舶用戶的適應性配置，才能形成一個能在特殊環境下為船員提供有效保護的逃生系統。

五、總結

本文基于“桑吉”輪事故，利用TNT當量法估算出爆炸的能量在61~184噸，隨之探討了通過改進船舶的防爆保護和逃生設計，雙管齊下，最大限度地保證船員的生命安全。其中，防爆保護有兩個措施，即建立上層建筑結構防爆屏障和設置防爆門窗。而在逃生設計論述中，通過分析“桑吉”輪爆炸后幸存船員逃生失敗的原因，提出了針對性的改進措施。希望業界能夠加強油輪安全研究，加快新船型開發，避免諸如“桑吉”輪事故的再次發生。