某船固定式CO2滅火系統誤釋放事故分析

全后朋

(中國船級社珠海分社，廣東 珠海 519000)

船舶固定式CO2滅火系統對機艙滅火起關鍵性作用，但系統CO2氣體有高壓和窒息的特性，如控制裝置操作不當會有很高的安全風險，近幾年發生多起固定式CO2系統在檢修、試驗過程中被誤釋放而導致重大人員傷亡事故。某新造船固定式CO2系統裝船后進行模擬釋放功能試驗[1-2]，船廠工作人員直接把瓶頭閥氣動控制管路外接高壓氮氣(見圖1)，插有保險銷的瓶頭閥被意外開啟，導致瓶組CO2氣體瞬間釋放到機艙，所幸當時機艙無人員作業，未造成人命傷亡。為避免事故的重復發生，結合上述誤釋放事故發生的過程，具體分析事故相關的影響因素，針對性采取改進措施。

圖1 某船固定式CO2滅火系統原理及事故示意圖

1 某新造船固定式CO2滅火系統簡介

按照《國際消防安全系統規則》和船舶建造規范有關固定式CO2系統的計算[3]，該船CO2氣體理論配備重量為89.60 kg，實際配備各68 L/充裝重量45 kg的CO2氣瓶2瓶，遙控釋放箱內配備2瓶各4 L的控制氣瓶(充裝壓力5.9 MPa)及延時裝置。該系統滿足中國船舶行業標準CB/T 3294—1998《船用二氧化碳滅火裝置》和中國海事局《國內航行海船法定檢驗技術規則》2011及其修改通報第4篇第2-2章的技術要求，氣瓶瓶頭閥為國內常用B型氣動式，配備氣動遙控釋放和手動應急釋放2種方式[4]，控制系統符合2套獨立的控制裝置[5-6]，具備先后順序開啟總管釋放閥和瓶頭閥[7-9]的邏輯功能。

2 事故現場勘查及分析

勘查發現，固定式CO2系統及管系布置均符合圖紙設計要求；經查明試驗時船廠工人拆掉瓶頭閥控制氣瓶出口管路與延時氣瓶的螺紋接頭，從接頭處外接高壓氮氣瓶(40 L，12.5 MPa)，且未接通延時氣瓶[10]，氮氣瓶出口也未安裝有效的減壓閥，短時間內釋放過多高壓氮氣(未經過延時氣瓶緩沖)至插有保險銷的瓶頭閥，啟動氣缸閥芯受力頂升瓶頭閥手柄，手柄轉動而使保險銷受剪切力，直徑3 mm的保險銷被銅質連接塊切斷(見圖2)，瓶頭閥啟動塊受手柄轉動力矩的作用觸發開啟，此時CO2總管上的釋放閥未處于關閉狀態，鋼瓶內CO2氣體直接通過匯集總管、總管釋放閥以及支管被釋放到被保護處所機艙。事故最直接的原因是瓶頭閥保險銷被銅質連接塊切斷失效，而試驗時總管釋放閥又未處于關閉狀態。保險銷被切斷無外乎兩種可能；第一，保險銷的強度偏低；第二，試驗用高壓氮氣壓力過高導致保險銷受力過大；試驗時釋放閥未關閉則屬于違規操作，可能是船廠工作人員模擬釋放閥開啟功能試驗后未及時復位，通常該釋放閥處于常閉狀態。

保險銷選用的是不銹鋼圓鋼，材料均為合格產品，在出廠前也進行了同樣的功能試驗。不同的是試驗直接釋放瓶頭閥控制氣瓶的氮氣(壓力5.9 MPa)，經過延時氣瓶和管路后的氣壓降至約2.5 MPa，保險銷均保持正常狀態。分析認為最大可能還是因系統外接氮氣壓力過高而保險銷受力過大，非材料強度不夠。此次事故發生的過程清晰、原因簡單，但事故風險等級較高，整個試驗操作過程存在較多安全隱患。

2.1 固定式CO2系統功能試驗的必要性

據查，中國海事局《國內海船法定檢驗技術規則》2020第4篇第2-2章第2-2.1.4.2.(10) ④條要求：完工后，二氧化碳系統應進行氣體壓力不少于2.47 MPa的功能試驗，以檢查二氧化碳釋放機構動作、管路暢通性和報警設備是否正常。中國船級社《鋼質海船入級規范》2021第6篇第2章第2節第2.2.2.9.(4)要求：完工后，二氧化碳系統應進行氣體壓力不少于2.47 MPa的功能試驗，以檢查二氧化碳釋放機構動作是否正常。中國船舶行業標準CB/T 3294-1998《船用二氧化碳滅火裝置》第6.4.1.3條：在機艙控制氣瓶集合管的一端接入壓力為2.47 MPa的外接氣源，觀察所有機艙滅火氣瓶的瓶頭閥開啟裝置是否動作，檢查管路連接處的密封情況。

固定式CO2系統試驗，用不少于2.47 MPa氣體模擬功能試驗是船舶建造規范、法規及船舶行業標準都明確規定的試驗項目，目的就是為驗證釋放機構動作，在產品出廠前和裝船后都有必要進行模擬試驗，實際上各廠家也執行了上述試驗要求。

2.2 試驗方法的選擇

據查除中國船舶行業標準CB/T 3294—1998第6.4.1.3條規定可外接2.47 MPa的氣源試驗外，并無其他明確規定的試驗方法。經調查，行業內對該功能試驗方法有多種，生產廠家和大多數船廠在試驗時直接采用釋放啟動控制氣瓶中高壓氣體(充裝壓力5.9 MPa，氣體經延時氣瓶及控制管路擴容后壓力降至約2.5 MPa)來檢查釋放機構的動作，試驗完畢后再將啟動控制氣瓶充氣至5.9 MPa。該方法能保證試驗氣體壓力不會超標，試驗氣體經過延時氣瓶緩沖延時后壓力會明顯下降，能最大程度地保障試驗安全。有少部分船廠在試驗時通過外接工業氮氣瓶來釋放高壓氮氣(壓力高達12.5 MPa)，通過氮氣瓶減壓閥釋放一定量的氣體來檢查瓶頭閥的動作，原啟動控制氣瓶的氣體未消耗無需補充壓力。這種方法對操作水平要求較高，在氮氣瓶放氣過程中難以精準控制氣壓，氮氣瓶減壓閥也存在較大的不確定性。本次事故就是因為采用這種試驗方法，釋放氮氣操作不當，導致控制管路氣體壓力過高，開啟氣缸閥芯受力過大，保險銷被切斷。很顯然第二種操作方法存在較大的安全隱患，容易產生失誤，應該被摒棄。

2.3 瓶頭閥保險銷受力計算

CB/T 3294—1998對瓶頭閥保險銷的材料及直徑并無明確技術要求，行業內通常選用鍍鉻45#高強鋼、不銹鋼及其他常規牌號圓鋼，其屈服強度主要分布在200～400 MPa區間內，故下面選取保險銷屈服強度為200 MPa進行力學計算。國內常用瓶頭閥的保險銷直徑通常為3 mm，插銷安裝位置也基本一致，其結構原理及受力示意見圖3。

圖3 B型氣動式瓶頭閥結構示意

通過受力分析計算出保險銷不被切斷的控制管路中最高壓力。事故中氣動式瓶頭閥的相關技術參數見表1。

表1 某船固定式CO2系統瓶頭閥的技術參數

根據受力分析，當閥芯作用力(F1)對手柄轉動支點的力矩(M1)要小于保險銷極限剪切力所對應的銅質連接塊反作用力(F2)對轉動支點的力矩(M2)才能保證保險銷不被切斷。已知保險銷的材料參數，可計算保險銷所能承受的極限剪切力(F剪)，反推出保險銷未被剪斷時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，S1為閥芯橫截面積)；保險銷受力剪切屬于雙剪切(見圖2)，故F剪=1/2×F2。

圖2 CO2氣瓶瓶頭閥、保險銷位置說明

即M1=F1×L1

根據工程上一般采用實用計算方法，假設應力在剪切面是均勻分布，則保險銷極限剪切力F剪=Rp0.2×S2(Rp0.2為屈服強度，S2為保險銷受力截面積)。

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

經計算開啟氣缸氣壓P小于6 MPa，保險銷才能不被切斷。很顯然事故中外接高壓氮氣瓶釋放的高壓氮氣超過6 MPa。

故船標CB/T 3294—1998中規定啟動控制氣瓶充裝壓力為5.9 MPa也是出于安全的考慮，不管控制氣瓶有無連接延時裝置(經延時裝置后氣壓會明顯降低)，即使控制氣瓶被誤釋放，在保險銷的保護下瓶頭閥也不會被開啟。

2.4 保險銷安全余量影響因素

保險銷安裝位置的設置和材質、銷直徑的選擇都關系到保險銷的安全余量。對于前述常規類型的瓶頭閥，保險銷安裝位置離轉動支點距離比較小(5 mm)，氣缸閥芯作用力點離轉動支點距離較大(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生同等力矩，支點兩端的杠桿比例越大則保險銷受力就越大，如保險銷安裝位置離支點的距離大幾毫米，就能明顯減少力矩作用的高杠桿比例，安全余量會高出許多。保險銷直徑選擇粗一點，同樣的材料強度會變大，也會增加安全余量。但受瓶頭閥銅質連接塊形狀和大小的限制，很難進一步通過改變保險銷直徑和安裝位置來明顯提高安全余量。

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

2.5 試驗操作人員的因素

對于固定式CO2系統的試驗以及操作，整個行業現狀就是除系統設計以及生產廠家的技術人員外，較少有非專業人員能充分了解該系統各部件的工作原理以及系統內在的安全風險，包括很多船舶駕駛員也未能全面掌握系統試驗操作細節[10-11]。通常對于正常釋放操作的步驟和內容都以操作告示牌的形式予以明確，按步驟執行即可；而系統試驗操作和注意事項會更復雜，試驗操作的安全風險遠大于正常釋放操作的風險，對操作人員的要求會更高，應采取一定措施盡量減少人為操作失誤并降低失誤的影響。對安全風險比較高的CO2檢修和試驗人員要進行資質管理，經過相關培訓全面掌握技術要求以及能熟練完成試驗操作的人員才被授予合格資質，實際上該系統上船安裝后的試驗通常由生產廠家技術人員或船廠技術人員來完成，船廠技術人員對CO2系統試驗操作掌握還不夠深入和熟練，存在風險隱患。

此外，有必要對系統中存在較大安全風險的環節進行永久性標識和提醒，比如啟動控制氣瓶的最高充裝壓力應通過銘牌等形式明確標識，進一步降低試驗中人為失誤的安全風險。在試驗時，總管釋放閥需保持在關閉狀態，試驗人員應確認對該閥的狀態。

船舶建造、修理、調試的現場施工作業很繁雜，不同于船舶在航行過程中機艙僅留有少量值班人員；在固定式CO2系統試驗時，雖然很多人能意識到機艙不應有人，但實際受很多外在影響不一定都能做到清場的要求，故系統試驗時禁止人員在機艙[12]應成為行業內的強制要求，避免僥幸心理，即使發生事故也不會造成人命安全。

3 結論

本次事故的直接原因就是固定式CO2系統功能試驗時，非專業試驗操作人員外接高壓試驗氣體的壓力過高，導致瓶頭閥保險銷受力過大而被切斷失效，最終發生誤釋放事故。從以下幾個方面提出改進措施來消除系統試驗的安全風險：

1)選擇正確的試驗方法，應使用系統自帶的啟動控制氣瓶來試驗，試驗后再補充控制氣瓶的壓力，船廠必須摒棄這種直接采用外接高壓氮氣的高風險試驗方法。

2)系統啟動控制氣瓶的最高充裝壓力應以銘牌等形式永久性明確標識，避免相關人員因不便獲取最高壓力值而錯誤使用過高氣壓。

3)該系統安裝上船后的試驗操作必須由產品廠家或有相關消防檢測資質人員來操作，相關方必須加強操作人員的培訓和責任人員的監督。

4)船標CB/T 3294—1998第6條對系統試驗方法已有較詳細的描述和指引，但未能包括涉及安全的試驗程序和注意事項。在做系統功能試驗時，必須清理機艙所有作業人員，以及必須確認總管釋放閥處于關閉狀態；如先做釋放閥的功能試驗，需及時復位開啟后的釋放閥保證處于關閉狀態，該要求有必要成為船舶行業關于固定式CO2系統試驗的硬性規定。

5)雖船標CB/T 3294—1998對保險銷的材質未作明確要求，但生產廠家可以選擇高強度的保險銷(比如鍍鉻45#鋼)以提高系統的可靠性。

6)《鋼質海船入級規范》和《國內海船法定檢驗技術規則》對固定式CO2系統功能試驗的要求不應只提出試驗最低氣壓(2.47 MPa)要求，還可進一步從試驗安全的角度提出試驗氣壓的上限規定(比如最高試驗氣壓不高于5.9 MPa)，從船舶建造規范和法規層面降低系統試驗的安全風險。