某船固定式CO2灭火系统误释放事故分析
时间：2023-01-24 22:30:02 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
全后朋
(中国船级社珠海分社，广东 珠海 519000)
船舶固定式CO2灭火系统对机舱灭火起关键性作用，但系统CO2气体有高压和窒息的特性，如控制装置操作不当会有很高的安全风险，近几年发生多起固定式CO2系统在检修、试验过程中被误释放而导致重大人员伤亡事故。某新造船固定式CO2系统装船后进行模拟释放功能试验[1-2]，船厂工作人员直接把瓶头阀气动控制管路外接高压氮气(见图1)，插有保险销的瓶头阀被意外开启，导致瓶组CO2气体瞬间释放到机舱，所幸当时机舱无人员作业，未造成人命伤亡。为避免事故的重复发生，结合上述误释放事故发生的过程，具体分析事故相关的影响因素，针对性采取改进措施。
图1 某船固定式CO2灭火系统原理及事故示意图
按照《国际消防安全系统规则》和船舶建造规范有关固定式CO2系统的计算[3]，该船CO2气体理论配备重量为89.60 kg，实际配备各68 L/充装重量45 kg的CO2气瓶2瓶，遥控释放箱内配备2瓶各4 L的控制气瓶(充装压力5.9 MPa)及延时装置。该系统满足中国船舶行业标准CB/T 3294—1998《船用二氧化碳灭火装置》和中国海事局《国内航行海船法定检验技术规则》2011及其修改通报第4篇第2-2章的技术要求，气瓶瓶头阀为国内常用B型气动式，配备气动遥控释放和手动应急释放2种方式[4]，控制系统符合2套独立的控制装置[5-6]，具备先后顺序开启总管释放阀和瓶头阀[7-9]的逻辑功能。
勘查发现，固定式CO2系统及管系布置均符合图纸设计要求；
经查明试验时船厂工人拆掉瓶头阀控制气瓶出口管路与延时气瓶的螺纹接头，从接头处外接高压氮气瓶(40 L，12.5 MPa)，且未接通延时气瓶[10]，氮气瓶出口也未安装有效的减压阀，短时间内释放过多高压氮气(未经过延时气瓶缓冲)至插有保险销的瓶头阀，启动气缸阀芯受力顶升瓶头阀手柄，手柄转动而使保险销受剪切力，直径3 mm的保险销被铜质连接块切断(见图2)，瓶头阀启动块受手柄转动力矩的作用触发开启，此时CO2总管上的释放阀未处于关闭状态，钢瓶内CO2气体直接通过汇集总管、总管释放阀以及支管被释放到被保护处所机舱。事故最直接的原因是瓶头阀保险销被铜质连接块切断失效，而试验时总管释放阀又未处于关闭状态。保险销被切断无外乎两种可能；
第一，保险销的强度偏低；
第二，试验用高压氮气压力过高导致保险销受力过大；
试验时释放阀未关闭则属于违规操作，可能是船厂工作人员模拟释放阀开启功能试验后未及时复位，通常该释放阀处于常闭状态。
保险销选用的是不锈钢圆钢，材料均为合格产品，在出厂前也进行了同样的功能试验。不同的是试验直接释放瓶头阀控制气瓶的氮气(压力5.9 MPa)，经过延时气瓶和管路后的气压降至约2.5 MPa，保险销均保持正常状态。分析认为最大可能还是因系统外接氮气压力过高而保险销受力过大，非材料强度不够。此次事故发生的过程清晰、原因简单，但事故风险等级较高，整个试验操作过程存在较多安全隐患。
2.1 固定式CO2系统功能试验的必要性
据查，中国海事局《国内海船法定检验技术规则》2020第4篇第2-2章第2-2.1.4.2.(10) ④条要求：完工后，二氧化碳系统应进行气体压力不少于2.47 MPa的功能试验，以检查二氧化碳释放机构动作、管路畅通性和报警设备是否正常。中国船级社《钢质海船入级规范》2021第6篇第2章第2节第2.2.2.9.(4)要求：完工后，二氧化碳系统应进行气体压力不少于2.47 MPa的功能试验，以检查二氧化碳释放机构动作是否正常。中国船舶行业标准CB/T 3294-1998《船用二氧化碳灭火装置》第6.4.1.3条：在机舱控制气瓶集合管的一端接入压力为2.47 MPa的外接气源，观察所有机舱灭火气瓶的瓶头阀开启装置是否动作，检查管路连接处的密封情况。
固定式CO2系统试验，用不少于2.47 MPa气体模拟功能试验是船舶建造规范、法规及船舶行业标准都明确规定的试验项目，目的就是为验证释放机构动作，在产品出厂前和装船后都有必要进行模拟试验，实际上各厂家也执行了上述试验要求。
2.2 试验方法的选择
据查除中国船舶行业标准CB/T 3294—1998第6.4.1.3条规定可外接2.47 MPa的气源试验外，并无其他明确规定的试验方法。经调查，行业内对该功能试验方法有多种，生产厂家和大多数船厂在试验时直接采用释放启动控制气瓶中高压气体(充装压力5.9 MPa，气体经延时气瓶及控制管路扩容后压力降至约2.5 MPa)来检查释放机构的动作，试验完毕后再将启动控制气瓶充气至5.9 MPa。该方法能保证试验气体压力不会超标，试验气体经过延时气瓶缓冲延时后压力会明显下降，能最大程度地保障试验安全。有少部分船厂在试验时通过外接工业氮气瓶来释放高压氮气(压力高达12.5 MPa)，通过氮气瓶减压阀释放一定量的气体来检查瓶头阀的动作，原启动控制气瓶的气体未消耗无需补充压力。这种方法对操作水平要求较高，在氮气瓶放气过程中难以精准控制气压，氮气瓶减压阀也存在较大的不确定性。本次事故就是因为采用这种试验方法，释放氮气操作不当，导致控制管路气体压力过高，开启气缸阀芯受力过大，保险销被切断。很显然第二种操作方法存在较大的安全隐患，容易产生失误，应该被摒弃。
2.3 瓶头阀保险销受力计算
CB/T 3294—1998对瓶头阀保险销的材料及直径并无明确技术要求，行业内通常选用镀铬45#高强钢、不锈钢及其他常规牌号圆钢，其屈服强度主要分布在200～400 MPa区间内，故下面选取保险销屈服强度为200 MPa进行力学计算。国内常用瓶头阀的保险销直径通常为3 mm，插销安装位置也基本一致，其结构原理及受力示意见图3。
图3 B型气动式瓶头阀结构示意
通过受力分析计算出保险销不被切断的控制管路中最高压力。事故中气动式瓶头阀的相关技术参数见表1。
表1 某船固定式CO2系统瓶头阀的技术参数
根据受力分析，当阀芯作用力(F1)对手柄转动支点的力矩(M1)要小于保险销极限剪切力所对应的铜质连接块反作用力(F2)对转动支点的力矩(M2)才能保证保险销不被切断。已知保险销的材料参数，可计算保险销所能承受的极限剪切力(F剪)，反推出保险销未被剪断时气缸阀芯的最大安全作用力，其中气缸阀芯作用力F1=P×S1(P为气缸气体压强，S1为阀芯横截面积)；
保险销受力剪切属于双剪切(见图2)，故F剪=1/2×F2。
图2 CO2气瓶瓶头阀、保险销位置说明
即M1=F1×L1 根据工程上一般采用实用计算方法，假设应力在剪切面是均匀分布，则保险销极限剪切力F剪=Rp0.2×S2(Rp0.2为屈服强度，S2为保险销受力截面积)。 故M1=P×π(5 mm)2×30 mm，M2=(2×Rp0.2)×π(1.5 mm)2×5 mm。 经计算开启气缸气压P小于6 MPa，保险销才能不被切断。很显然事故中外接高压氮气瓶释放的高压氮气超过6 MPa。 故船标CB/T 3294—1998中规定启动控制气瓶充装压力为5.9 MPa也是出于安全的考虑，不管控制气瓶有无连接延时装置(经延时装置后气压会明显降低)，即使控制气瓶被误释放，在保险销的保护下瓶头阀也不会被开启。 保险销安装位置的设置和材质、销直径的选择都关系到保险销的安全余量。对于前述常规类型的瓶头阀，保险销安装位置离转动支点距离比较小(5 mm)，气缸阀芯作用力点离转动支点距离较大(30 mm)，属于高杠杆作用(6∶1)，如在一定气压作用下气缸阀芯产生同等力矩，支点两端的杠杆比例越大则保险销受力就越大，如保险销安装位置离支点的距离大几毫米，就能明显减少力矩作用的高杠杆比例，安全余量会高出许多。保险销直径选择粗一点，同样的材料强度会变大，也会增加安全余量。但受瓶头阀铜质连接块形状和大小的限制，很难进一步通过改变保险销直径和安装位置来明显提高安全余量。 保险销的材质通常为钢质，不同牌号钢的屈服强度有一定的差别(200 MPa～400 MPa)，根据前述保险销所受力矩公式看出，不同牌号的钢对安全余量有一定的影响，故厂家有必要选择强度更高的钢材作为保险销的材料，优质的保险销对成本的增加是非常有限，但却能提高系统的可靠性。故限制启动控制气瓶的最高充装压力和选用高强度保险销是最简单和最优的策略。 对于固定式CO2系统的试验以及操作，整个行业现状就是除系统设计以及生产厂家的技术人员外，较少有非专业人员能充分了解该系统各部件的工作原理以及系统内在的安全风险，包括很多船舶驾驶员也未能全面掌握系统试验操作细节[10-11]。通常对于正常释放操作的步骤和内容都以操作告示牌的形式予以明确，按步骤执行即可； 此外，有必要对系统中存在较大安全风险的环节进行永久性标识和提醒，比如启动控制气瓶的最高充装压力应通过铭牌等形式明确标识，进一步降低试验中人为失误的安全风险。在试验时，总管释放阀需保持在关闭状态，试验人员应确认对该阀的状态。 船舶建造、修理、调试的现场施工作业很繁杂，不同于船舶在航行过程中机舱仅留有少量值班人员； 本次事故的直接原因就是固定式CO2系统功能试验时，非专业试验操作人员外接高压试验气体的压力过高，导致瓶头阀保险销受力过大而被切断失效，最终发生误释放事故。从以下几个方面提出改进措施来消除系统试验的安全风险： 1)选择正确的试验方法，应使用系统自带的启动控制气瓶来试验，试验后再补充控制气瓶的压力，船厂必须摒弃这种直接采用外接高压氮气的高风险试验方法。 2)系统启动控制气瓶的最高充装压力应以铭牌等形式永久性明确标识，避免相关人员因不便获取最高压力值而错误使用过高气压。 3)该系统安装上船后的试验操作必须由产品厂家或有相关消防检测资质人员来操作，相关方必须加强操作人员的培训和责任人员的监督。 4)船标CB/T 3294—1998第6条对系统试验方法已有较详细的描述和指引，但未能包括涉及安全的试验程序和注意事项。在做系统功能试验时，必须清理机舱所有作业人员，以及必须确认总管释放阀处于关闭状态； 5)虽船标CB/T 3294—1998对保险销的材质未作明确要求，但生产厂家可以选择高强度的保险销(比如镀铬45#钢)以提高系统的可靠性。 6)《钢质海船入级规范》和《国内海船法定检验技术规则》对固定式CO2系统功能试验的要求不应只提出试验最低气压(2.47 MPa)要求，还可进一步从试验安全的角度提出试验气压的上限规定(比如最高试验气压不高于5.9 MPa)，从船舶建造规范和法规层面降低系统试验的安全风险。2.4 保险销安全余量影响因素
2.5 试验操作人员的因素
而系统试验操作和注意事项会更复杂，试验操作的安全风险远大于正常释放操作的风险，对操作人员的要求会更高，应采取一定措施尽量减少人为操作失误并降低失误的影响。对安全风险比较高的CO2检修和试验人员要进行资质管理，经过相关培训全面掌握技术要求以及能熟练完成试验操作的人员才被授予合格资质，实际上该系统上船安装后的试验通常由生产厂家技术人员或船厂技术人员来完成，船厂技术人员对CO2系统试验操作掌握还不够深入和熟练，存在风险隐患。
在固定式CO2系统试验时，虽然很多人能意识到机舱不应有人，但实际受很多外在影响不一定都能做到清场的要求，故系统试验时禁止人员在机舱[12]应成为行业内的强制要求，避免侥幸心理，即使发生事故也不会造成人命安全。
如先做释放阀的功能试验，需及时复位开启后的释放阀保证处于关闭状态，该要求有必要成为船舶行业关于固定式CO2系统试验的硬性规定。
