舰船火灾爆炸危险源风险评估

1 引 言

根据有关资料，舰船遭破坏的类型已从二战中的以不沉性的丧失或减少为主，转变为以火灾爆炸为主。舰船防火防爆在舰船生命力诸要素中已成为主要矛盾[1,2]。现代舰船上存在着大量的易燃易爆物品，战斗中由于敌人的武器攻击或平时舰员的不慎，都可能给舰艇带来火灾和爆炸。如果发生火灾后控制不力，任其蔓延，还可能造成进水、冲击等二次破坏，并会导致极为严重的灾难性后果。因此，进行舰艇火灾爆炸的危险源识别与风险评估，并针对重大危险源采取有效的改进措施，降低舰船的火灾爆炸危险性，对增强现代舰船的生存能力具有重要意义。本文采用风险辨识—风险评价—风险控制的讨论方法，对舰船的火灾爆炸危险源进行了辨识和评估。

2 舰船火灾爆炸危险源的识别

对舰船火灾爆炸危险源识别的第一步是对其存在的危险、危害因素进行分析，确定其主要存在的危险、危害因素的种类、分布及可能产生的危险、危害方式和途径。

2.1 舰船火灾爆炸危险源的分类

根据危险源的分类[3]，火灾爆炸的第一类危险源包括易燃易爆物、火灾烟气及燃烧和爆炸产生的有毒有害气体；第二类危险源是导致人们为了防止火灾爆炸发生或减小该类事故所采取的措施失效,或破坏性的各种不安全因素，包括人、物、环境三方面的问题隐患。

具体讲，针对舰船，第一类危险源应考虑的有：

1) 易爆炸性物质，如舰载武器、弹药以及武备机械等；

2) 易燃性气体，如蒸发的燃油气体等；

3) 易燃性液体，如机舱燃油、航空燃油等；

4) 固体易燃物，如硝化棉等和某些无机化合物等；

5) 自燃物质，如短路后的绝缘胶皮等；

6) 毒性物质，如发生火灾后产生的有毒烟气等。

其中，第二类危险源主要是在导致火灾爆炸事故的人为失误，如违章焊接、乱扔烟头、危险区域使用明火、管理麻痹大意等。

在舰船火灾、爆炸事故中还应注意对重大危险源进行识别和管理。有的舰船载有作战用的武器和弹药，有的舰船上有核设备，这些危险源一旦发生事故，将会对整艘舰船乃至周边环境造成巨大危害，因此属于重大危险源，应特别关注。

2.2 FTA法识别舰船火灾爆炸危险源

目前对危险源进行识别的方法多种多样，常用的方法有安全检查分析表(SCL)、故障模式和影响分析法(FMEA)、工作危害分析法(JHA)、管理失误风险树法(MORT)和事件树分析法(FTA)[4,5]等。其中，FTA法在风险分析中得到了广泛的应用。对于舰船火灾爆炸事故，利用FTA法，能通过逻辑关系将潜在原因和最终事故联系起来，方便查清事故责任，也为采取整改措施提供依据。同时通过对原因的逻辑分析，可以分清导致事故原因的主次，控制住有限的几个关键原因，以达到有效防止重大火灾爆炸事故的发生。

因此，可依据舰船安全性的要求，以易燃、易爆一般危险源和故障危险源为对象，利用故障树分析法建立舰船火灾爆炸安全风险分析的框架。

经过大量舰船火灾爆炸事故的搜集和整理，逐级向下找出各自的直接原因事件，通过分析找出导致火灾爆炸事故的基本因素，如违章操作、设备老化、弹药问题、恶劣海况等。针对该故障树的特点，限定底事件分析到构成舰船的基本设备为止(如主机、通风设备、弹药)，不再继续分析设备零件的故障。

按逻辑关系画出火灾爆炸的故障树，如图1所示。

分析得出的基本事件实际上就是导致顶事件——舰船火灾爆炸事故发生的危险源。其中事件X18-弹药自身质量、X21-弹药发射时引燃旁边物质、X22-管道静电、X25-烟头、X26-货物自燃、X30-短路、X31-漏电、X33-击中可燃物属于第一类危险源；而事件X1-麻痹大意等其他基本事件属于第二类危险源。

3 舰船火灾爆炸的风险概率

通过FTA法识别出各基本事件, 亦即舰船火灾爆炸的危险源后，若能进一步得到各基本事件发生的概率，则能通过故障树的逻辑关系得到顶事件发生的概率，更准确全面地对舰船火灾爆炸事故发生的危险性做出评价，为防范事故提供更科学、客观的参考依据。

T-火灾爆炸事故；A1-可燃气体到达爆炸极限；A2-火源；S-空气；B1-油气泄露；B2-未及时发现险情；B3-弹药；B4-静电；B5-明火；B6-暗火；B7-雷击火花；B8-撞击；C1-燃油气体大量泄露；C2-可燃气体积聚；C3-报警系统损坏；D1-违章检修；D2-管道损坏；D3-密封不严；D4-通风不良；D5-弹药爆炸；D6-设备故障；D7-飞机回航撞击母舰；E1-碰撞损坏；E2-人为损坏；E3-自爆；E4-设备老化；F1-触礁；F2-两船相撞；X1-麻痹大意；X2-监督不力；X3-遭遇风暴；X4-地貌不清；X5-恶劣海况；X6-人为失误；X7-设备故障；X8-操作不当；X9-有意损坏；X10-阀门泄露；X11-接口问题；X12-空间密闭；X13-通风设备失效；X14-未及时检修；X15-设备老化；X16-故意破坏；X17-舱室通风不佳；X18-弹药自身质量；X19-出现灾情未及时扑灭；X20-保管不善；X21-弹药发射时引燃旁边物质；X22-管道静电；X23-化纤衣服；X24-厨房失火；X25-烟头；X26-货物自燃；X27-违章焊接；X28-违章用电；X29-操作不当；X30-短路；X31-漏电；X32-避雷装置失效；X33-击中可燃物；X34-飞行员失误；X35-指挥塔指挥失误

但是要得到各基本事件的概率非常困难。首先，不同类型船的基本事件发生概率是不一样的；其次，舰船火灾爆炸事故的具体详细原因涉及到各国的军事秘密，第一手资料很难获得。在缺乏相关资料的情况下，目前通常采取的方法有层次分析法[6]，综合模糊评判法[7]等。本文将探讨如何在缺乏相关数据的情况下，尽可能客观准确地得到各基本事件的概率，以对危险源进行评价。

3.1 危险源的分类

按前文所述，舰船火灾爆炸的危险源共有35个，X1～X35，进一步归纳会发现：舰船火灾爆炸的危险因素来自舰船自身、人因失误和外界环境的危险三个方面。继续细分舰船自身的危险包括：舰载的武备弹药、装载的燃油货物、机械设备等；人因失误的危险包括：违章操作、管理疏忽、蓄意破坏等；外界环境危险包括：恶劣的海面状况、雷雨天气等。具体的分析如图2所示。

图2 故障危险源分类示意图

由图2可见，舰船火灾爆炸事故是一个非常复杂的事件，涉及到舰船自身、舰员和外界方方面面的因素。目前对舰船火灾爆炸的研究有对舱室火灾的研究[8]，对机舱防爆防燃的研究[9]，对LNG船火灾爆炸的研究[10,11]，但并未综合考虑对舰船火灾爆炸事故的所有危险源评估方法的研究，本文采取通过对危险源的分类评估方法，达到对舰船火灾爆炸整体危险性进行评估的目的。

3.2 舰船自身风险概率

1) 易燃易爆物风险概率

舰船上装载有燃油、弹药、武备等易燃易爆物，如有不慎则很容易发生火灾或者爆炸事故。目前很少有直接计算弹药和燃油等危险物出现火灾或者爆炸的概率模型，本文初步探讨了该概率模型的建立。

舰船舱室内危险物是否会出现火灾事故和舱室内的温度t、压强p、湿度s有直接的关系，而出现爆炸事故除了和上述三种因素有关系外,还和舱室内可燃气体浓度ρ有关。设舰船舱室发生火灾、爆炸的概率分别为：

(1)

(2)

其中，N(t,p,s)为关于温度t、压强p、湿度s的概率密度函数；M(t,p,s,ρ)为关于温度t、压强p、湿度s、可燃气体浓度ρ的概率密度函数。N(t,p,s)和M(t,p,s,ρ)可以通过实船数据的测量得到，如N(t,p,s)可以选择多艘实船不同舱不同时段同时对t,p,s进行多次测量，如果测量次数足够，可以将测得的数据按正态分布拟合，得到概率密度函数的协方差矩阵和中心值，求出N(t,p,s)的具体表达式，同理可得到M(t,p,s,ρ)的表达式，进而可得Pf和Pe。

2) 机械设备的风险概率

随着科技的发展，舰船的机械设备构成也越来越复杂，为了评估发生火灾或者爆炸事故的概率，采用危险源清单及危险评价表法来对机械设备进行评估。

评估时，需填入评估表中的内容包括：序号、所在区域名称、危险源编号、危险源、任务阶段、危险事件、可能导致的后果、严重性、可能性指数等。

评估表的数据来源可以从两方面得到：一是从实验室进行的可靠性试验和数值计算中得到，如图3中的构件试验报告、结构可靠性报告等；其次,从设备装置的实际使用现场得到，如图3中的失效报告、使用日志、维修报告等。两方面的数据相互补充，则可得到完整的机械设备发生火灾或爆炸事故的可能性指数，亦即概率Pmf或Pme。

图3 机械设备风险评估数据来源

3.3 人因风险概率

人在信息处理过程中是一个极其复杂的过程：感知—决策—行动。在此过程中任何一个环节出现差错都会导致人为失误，失误的形式也多种多样。因此，人为因素是引起事故和避免事故的最重要因素之一。人因分析在近十几年来逐步成熟地用于海洋工程，KHAN等[12]给出了人因模式失效、影响与严重度分析的基本框架和实施框架。

在对舰船火灾爆炸事故的人为失误评估时，采取文献[13]中的概率回归曲线法：选取每年在操纵该类舰船的舰员数为变量X，选取舰船火灾爆炸故障树某一底事件的人为失误率为因变量Y，建立函数Y=F(X)。对历史数据进行详细分析，找出人为失误的各种原因，并归类统计，计算出各种人为失误的概率后，按照概率回归模式，利用最小二乘法、最小二乘直线或样本方差和协方差表示最小二乘直线的方法进行曲线拟合，通过计算比较相关系数，找出与相关系数|r|最大值对应的一条曲线函数，进而得到X和Y的关系式。得到人因失误模型后，只要知道了每年操纵该类舰船的人数，则可求出各基本事件人为失误的概率，继而得到人因失误导致火灾或爆炸事故发生的概率Ppf或Ppe。

3.4 环境风险概率

环境危险主要指恶劣的海况和雷雨灾害天气。鉴于环境因素的不可预知性，该类危险源导致的火灾、爆炸事故的评估可借用历史数据进行分析。因此，由外界环境导致的舰船火灾、爆炸事故概率可用式(3)进行计算。

(3)

式中，g为由于环境因素造成的舰船火灾、爆炸事故发生的次数；m为该类事故发生g次的时间段内舰船的数量。

4 舰船火灾爆炸的危险度评估

得到舰船火灾、爆炸事故的概率后，若能求得火灾、爆炸的危险度，则其乘积可作为对该类事故风险评估的数值依据。

舰船火灾的危险度和爆炸危险性的评估可以从危险物的能量特性、危险物的数量两方面考虑，同时考虑火灾、爆炸事故的起因、特点以及造成的后果都不尽相同，对两种危险的危险度分别建模讨论。

4.1 火灾危险度

舱室火灾的危险度评判指标可参考文献[14]提出的公式，再结合舰船本身结构材料均为防火阻燃材料等特点，将单个舱室火灾危险性的评估式写为关于k1、k2、k3、k4、k5因子的函数。

Qf=k1k2k3k4k5+∑Yif(1-RIif/ROif)/Cif

(4)

式中，Qf——舱室火灾危险度；

k1——舱室内可燃物着火因子，其中，k1=(CH-C1)/(CH-CL)，CH为该舱室可燃物最高燃点，CL为该舱室可燃物最低燃点，C1为该舱室主要可燃物燃点；

k2——舱室内可燃物负荷密度，其中k2=q/qm，q为舱室内可燃物的可燃载荷(kg/m2)，qm为潜在失火危险性最大时可燃负荷(kg/m2)；

k3——舱室内可燃物燃烧速度因子，其中k3=C3/Cm，C3为舱室内主要可燃物燃烧速度(kg/m2·min)，Cm为舱室内可燃物的潜在最大燃烧速度(kg/m2·min)；

k4——舱室通风状态因子，当舱室处于完全封闭状态时，k4=0。当舱室被击中处于破损状态时，k4=1;

k5——舱室耐火因子，根据文献[15]的要求，舰船结构材料的耐火等级分为7个等级，k5亦相应分为7个等级(其值见表1);

Roif——标准安全距离值，可参考相关规范取值；

RIif——舰船上舱室间实际距离值；

Cif——危险舱室外第i个安全距离不足的舱室,或设施受危险源火灾事故影响的严重度，Cif=(1+0.5Wcif)Eif，其中，Wcif为第i个安全距离不足的舱室或设施内易燃物及其装置的危险系数，Eif为人员可能伤亡和设备设施受损的程度指标值，Wcif、Eif由舰长或大副根据舱室影响危险表得出。

表1 耐火因子

表2 εs取值

表3 εf取值

4.2 爆炸危险度

舱室爆炸危险性的评估可参考BZA-1法[16]，结合舰船自身爆炸危险物以及结构特点可以建立如下公式表示舱室爆炸的危险度。

Qe=Qei+Qeo=(V+KB)+

∑(1-RIie/ROie)Cie

(5)

式中，Qe——爆炸危险度；

Qei——舱室内易爆物危险度；

Qeo——舱室外易爆物危险度；

V——舱室内易爆物固有危险度，V=αβ，其中，α为物性危险系数，可通过查常用炸药的各种感度性能参数表得到，β为物量危险系数，β=(G×f/fTNT)1/3，而G为易爆物的炸药量，f为易爆物炸药的比能，fTNT易爆物梯恩梯比能；

K——不安全隐患系数，可参考相关的《安全性评价标准》，根据舰船易爆物储存安全的特殊性，结合事故统计，拟定《舰船易爆物安全评价标准》，经比较后确定；

B——舱室内可控危险度，B=αβγD，γ为环境条件危险系，γ=γ1+γ2+γ3，其中，γ1为温度系数，γ2为其他机械系数，γ3为静电系数,D为人员密度系数，各系数根据实船具体情况而有所不同，由舰上相关人员取定；

RIie——舰船上舱室间的实际距离值；

Roie——标准安全距离值，可参考相关规范取值；

Cie——危险舱室外第i个安全距离不足的舱室或设施受危险源爆炸事故影响的严重度，Cie=(1+0.5Wcie)Eie，其中，Wcie为第i个安全距离不足的舱室或设施内易爆物及其装置的危险系数，Eie为人员可能伤亡和设备设施受损的程度指标值，Wcif、Eif由舰长或大副根据舱室影响危险表得出。

5 舰船火灾爆炸事故风险评估

在求得舰船舱室火灾爆炸事故的发生概率和危险度后，则舰船舱室火灾风险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的值均指要计算风险的同一舱室的火灾概率值，Qf为该舱室的火灾危险度。

同理，舰船舱室爆炸风险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的值均指要计算风险的同一舱室的爆炸概率值，Qe为该舱室的爆炸危险度。

应用式(6)、式(7)可定量求出舰船所有舱室的火灾爆炸事故风险，通过数值大小的比较即可直观判定。对于具体舰船，其中的哪些舱室是重大危险源，需要重点防范火灾爆炸事故的出现，哪些舱室是一般危险源，可以在有限的人力、物力、财力资源下，做出最优化的风险决策，保障舰船的生命力。

6 具体算例

应用上述风险概率模型和危险度计算公式对一艘护卫舰的机舱、燃油舱、卧室、食堂、锚机室进行火灾爆炸风险评估，其无因次计算结果如表4所示。

表4 某护卫舰部分舱室的风险评估

由评估结果可以看出，燃油舱的火灾、爆炸风险均最高，所以燃油舱是重大危险源，应为重点考虑防范和采取改进措施的地方。现提出对其火灾爆炸风险进行优化安全的方法，补偿改进措施系数J火、J爆(表5)。

表5 安全补偿系数

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

于是通过改进措施后的燃油舱火灾风险度为：0.266 372×0.681=0.181 38，爆炸风险度为0.017 7×0.681=0.012 05，火灾风险和爆炸风险分别减少了30.5%和31.9%。

7 结 论

本文应用FTA法辨识出了舰船火灾爆炸事故的危险源，对所有可能的危险源进行了分类，并在此基础上，分别建立了不同类型危险源导致火灾爆炸事故的概率的数学模型；同时针对性地建立了求解舱室火灾爆炸危险度的计算公式，对舰船舱室的火灾爆炸风险评估提供了参考依据。本文提出了舰船舱室火灾爆炸风险评估的一般研究方法，还有很多内容需要进一步深入地研究和探讨，如风险概率数学模型的明确化和具体化，危险度数学模型中各系数的确定方法和标准的精准化，风险准则的制定，以及舱室火灾爆炸危险和整船生命力的关系等。

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