从“桑吉”轮事故看油轮的防爆保护和逃生设计

陶伯政 陈 忱

2018年1月6日，“桑吉”轮碰撞事故发生，惊心动魄的救援，巨大的人命伤害和财产损失，给人们带来极大的震动。如何能够避免这样的悲剧？当船舶发生诸如碰撞、危险品泄漏、失火爆炸等事故使船员陷入危险境地的时候，油轮应具备什么样的条件才能够有效保护船员逃生，保证最重要的生命安全？本文在估算爆炸TNT当量的基础上，对油轮防爆保护主要措施展开分析，并通过分析油轮的逃生系统设计，提出改进措施。

一、“桑吉”轮事件回顾

根据“桑吉”轮事故分析报告[1]及公开纪实[2]，事故发生和救援过程如下：

“桑吉”轮满载11.12万吨凝析油从伊朗出发驶往韩国，“长峰水晶”轮装载6.4万吨高粱从美国驶往我国东莞，2018年1月6日两轮航行至我国东海海域，当日19：50：03，“桑吉”轮与“长峰水晶”轮发生碰撞，“桑吉”轮船长立即激活GMDSS（全球海上遇险与安全系统）发出求救信号。19：51，“桑吉”轮起火，船长命令打开消防泵。与此同时，“长峰水晶”轮首部起火，其船长到驾驶室并命令全速倒退。19：52，“桑吉”轮发生爆炸，火势覆盖了驾驶室和整个生活区。19：53，“桑吉”轮全船被大火吞噬，GMDSS信号停止，主机、发电机停止运转。“长峰水晶”轮全部船员逃到尾部，利用抛投式救生艇弃船逃生，后被附近渔船救起。

1月8日上午，“东海救117”轮在事发水域打捞起1具穿着浸水保温服的船员遗体。

1月13日上午，4名救助人员登上“桑吉”轮，在救生艇甲板处发现两具遇难船员遗体，同时带回该轮VDR设备（黑匣子）。

1月14日下午，“桑吉”轮发生大规模爆燃，不久即沉没。

5月11日，中国、伊朗、巴拿马三国和中国香港地区共同签署了事故安全调查报告并向IMO提交。图1～图4展示了“桑吉”轮事故发生到救援的典型画面。

二、“桑吉”轮爆炸的能量

从爆炸现场情况和“长峰水晶”轮的首部破损情形来看，显然，“长峰水晶”轮撞破了“桑吉”轮的外板，并且捅破了货舱，造成凝析油大量泄漏。同时，碰撞引起火灾。凝析油快速挥发形成凝析蒸气云，从而引发爆炸。爆炸造成全船尽毁，上舱壁严重变形，初步预测蒸气云爆炸达到了油气混合物爆炸的最高等级爆轰[3]。为此，有必要定量计算本次爆炸的能量[4]，方能估计对船员的影响。

图1 “桑吉”轮起火爆炸

图2 “长峰水晶”轮受损情况

图3 现场救援画面

图4 救援人员进入“桑吉”轮搜救

一般地，利用TNT当量法计算出爆炸的TNT当量，进而求出比例距离Z，再利用M.A.Sadovskyi表达式计算超压峰值ΔP，根据ΔP大小即可判断爆炸对船员的影响[5-7]。

1.爆炸TNT当量计算

根据TNT当量法，有计算式

其中：QTNT为TNT当量，单位kg；v为蒸气云当量系数，统计平均值为0.04；W为蒸气云中可燃物质量，事件中为凝析油挥发量，单位kg；Hc为可燃物的反应发热量，凝析油的燃烧热，取43 110 kJ/kg；qTNT为TNT爆炸时所释放出的能量，取平均值4 500 kJ/kg。

式（1）中，可燃物质量W取决于凝析油泄漏量及蒸发率。“长峰水晶”轮撞破“桑吉”轮右舷船中靠首的2号货舱，而事发时“桑吉”轮装载量为11.12万吨，根据该型油轮的常规布置，推测2号货舱装载量约8 000吨[7]，舷侧敞口状态泄漏并挥发。凝析油本身极易挥发，但碰撞到爆炸时间较短，仅2分钟，总挥发量应该不大。现假定不同挥发率，计算对应的TNT当量。

2.爆炸冲击波的超压峰值计算

爆炸的破坏能量常通过冲击波的超压峰值ΔP来表示，而超压峰值ΔP与比例距离Z相关。比例距离Z的计算式如下：

其中：Z为比例距离，单位m/kg1/3；R为与爆炸源中心的距离，单位m。根据“桑吉”轮船型的布置，取上层建筑前壁中心到爆炸源中心距离，为150 m；W为TNT当量，等于qTNT，单位kg。

根据M.A.Sadovskyi理论，超压峰值与比例距离的关系表达式如下：

其中：ΔP为目标处超压，单位MPa；Z为比例距离，单位m。

假定不同比例的蒸发率，带入上述各式，可求得各目标值，表1为爆炸TNT当量和冲击波超压峰值计算书。

抽取表1中蒸发率、QTNT、ΔP数据，制作表2，图5为蒸发率、QTNT、ΔP关系图。

从图5中可以看出，当蒸发率小于10%，QTNT、ΔP与蒸发率基本成正相关，蒸发量的大小直接决定了TNT当量QTNT爆炸超压峰值ΔP的大小。

3.爆炸的伤害等级

根据公开的研究数据[8-10]，爆炸超压峰值对建筑和人员伤害的等级表，表2为爆炸冲击波对建筑物破坏程度，表3为爆炸冲击波对人员的伤害程度。

表1 爆炸TNT当量和冲击波超压峰值计算书

图5 蒸发率、QTNT、ΔP关系图

表2 爆炸冲击波对建筑物破坏程度

4.爆炸能量等级推测

根据前述超压峰值的计算结果，在0.5%挥发率下即达到0.02兆帕，对应表2中，门框损坏、墙出现裂缝，对应表3中人员轻微伤害。但“桑吉”轮事故中船长激活GMDSS系统传回的信息显示爆炸发生后船员窒息死亡，推测超压峰值应该更高，应在0.05~0.10兆帕，即大部分船员在爆炸冲击后受重伤或者死亡。根据表1可知，蒸发率在2%~6%，爆炸TNT当量61~184吨。

表3 爆炸冲击波对人员的损伤程度

三、油轮防爆保护设计

自石油被发现并大规模开采以来，油轮运输方兴未艾，而伴随油气泄漏导致的火灾和爆炸也从未停歇，一旦发生，常导致环境污染、人员伤亡的巨大灾难。为此，对船员和船舶的防爆保护已有很多深入的研究[11-17]，结合对“桑吉”轮爆炸能量的分析，可以认为，只有通过建立必要的保护屏障，才能帮助船员成功抵御爆炸冲击波，赢得生存的机会。

1.建立上层建筑防爆屏障

上层建筑是船员生活住所，同时也是整个船舶的控制枢纽和信息中心，增强上层建筑的防爆能力尤为重要。国内外研究人员对此做过深入的研究[16,17]，通常采用以下两种措施来实现。

（1）强化上层建筑的防爆能力

陈彬[17]利用有限元软件Abaqus，研究不同的爆炸载荷下生活区的结构随时间变化的位移和加速度，量化评估上层建筑的抗爆能力。图6为不同区域的加速度大小随时间变化曲线。研究结果显示，在相同的爆炸峰值下，不同楼层、同一楼层不同位置房间的加速度都不一样。越是靠近爆炸区，或者越是朝上楼层，加速度响应就越大，对船员的伤害越大。因此，优化上层建筑舱室布置，能够显著增强上层建筑的防爆能力。

图6 不同区域的加速度大小随时间变化曲线

另外，在材料方面，通过提高屈服极限，如使用高强度钢材，使用高温条件下机械性能更好的不锈钢等措施，也可以明显改善上层建筑的整体防御能力，进而提高船舶和船员的生存能力。

（2）设置防爆墙

防爆墙[17-18]，顾名思义，是专门设置于上层建筑和货舱之间，用于起隔离和吸收爆炸冲击波的作用。朱锟[15]研究了不同TNT当量下和不同爆炸源距离下防爆墙的应力响应规律，发现防爆墙效果与距离爆炸源远近成正相关，即在远离爆炸危险区设置防爆墙效果更佳。陈彬[17]研究了不同爆炸载荷下防爆墙的不同结构区域的应力及损伤模式，发现防爆墙在超压峰值为0.2兆帕时才发生塑性变形，在0.5兆帕时才开始撕裂坍塌，而这明显高于“桑吉”轮爆炸上层建筑前端的超压峰值，这说明，设置防爆墙能够有效地抵御较大强度的爆炸而使船员不受冲击波伤害。图7为防爆墙应力响应云图。

2.设置防爆门窗

第三、1节中强调的是结构防爆能力，在实际中，常存在一些非结构薄弱环节，比如门、窗部位，在爆炸冲击波作用下，门窗首先被破坏，形成缺口[15]。图8为上层建筑前壁的应力响应云图，可以看出，在窗位置有明显的应力集中，驾驶室大型窗斗附件更加明显。图9为救援现场反馈的画面，整个上层建筑钢制结构仍然能够保持有效，不至完全坍塌，而门窗等缺口部位变形均较其他区域严重。

图7 防爆墙应力响应云图

图8 上层建筑前壁的应力响应云图

图9 “桑吉”轮左后45°画面

为此，门窗在满足规范绝缘等级的基础上，还应具备防爆能力。门窗框架具备与结构相同的强度，透视窗、门用材需具有防爆能力[19-20]。

3.防爆保护设计展望

常规油轮设计中，通常只在危险区域内赋予设备防爆性能，较少考虑船舶或者船员抵抗爆炸的能力。根据IEC[21]的定义，防爆设备是在规定条件下不会引起周围爆炸性环境点燃的电气设备。而越来越多的油轮爆炸事故说明，仅考虑设备防爆设计是不够的，“桑吉”轮因碰撞导致油气泄漏引发爆炸就是最好的例证。油轮运营公司和油轮设计建造单位应该主动作为，开发防爆保护型油轮，寻求经济成本与人命财产安全的最大公约数。

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四、油轮逃生设计

船上爆炸发生后，幸存的船员会利用船上装备做好自我保护，向艇筏区域逃生。但至救援行动结束，“桑吉”轮无一船员生还。可见，在如“桑吉”轮爆炸的情况下，按正常规范要求的逃生设计，已不能够保证船员的顺利逃生。为此，有必要对逃生系统作深入分析，以确保爆炸工况下船员的生命安全。

1.“桑吉”轮船员逃生失败原因分析

“桑吉”轮32名船员，最终仅发现3具遗体，事发水域打捞起1具，救助人员登轮后在救生艇甲板处发现2具。结合前文分析，我们认为在爆炸冲击波下仍然生存的船员未能成功逃生有以下几个原因：

（1）上层建筑内外大火、高温，有毒有害气体蔓延，船员进退不能

“桑吉”轮爆炸直接携带火源从破碎的门窗进入房间内部，而房间内的装修材料、寝具、衣柜都是易燃物，房间内部产生火灾。而爆炸瞬间整个船只即被大火包裹，浓烟弥漫，船员在无保护下进退不能，被火海吞噬。

（2）单人逃生装备数量严重不足，存放位置单一导致船员逃生准备不足

船员单人逃生装备主要包括应急逃生呼吸器（EEBD）、消防员装备、浸水保温服等。图10为消防员装备，图11为应急逃生呼吸器，图12为浸水保温服。“桑吉”轮建造于2008年，符合彼时《国际海上人命安全公约》（SOLAS）[22]、《国际救生设备规则》（LSA code）[23]和《防火安全系统规则》（FSS code）[24]的配置要求，也即至少配备两套消防员装备，两套应急逃生呼吸器。消防员装备通常存放于消防控制室内，EEBD存放于机舱、泵舱等机械处所及其逃生通道上。其中，消防员装备具备防火能力，并提供不少于30分钟的呼吸供氧能力；EEBD提供不少于10分钟的呼吸供氧能力，但不具备防火功能。

图10 消防员装备

图11 应急逃生呼吸器

图12 浸水保温服

显然，规范要求的布置并不针对如本案“桑吉”轮爆炸的特殊情况。应急逃生呼吸器未全员配备，放置位置也未就近船员休息娱乐处所，这就导致船员不能在第一时间完成穿戴并做好逃生准备。

此外，“桑吉”轮救援行动中，发现一名身穿浸水保温服的落水遇难船员。浸水保温服是为落水人员保持体温并提供一定浮力的救生用具，如图12。它本身并不能防火及提供呼吸氧气和面部保护。推测该船员在无其他可靠装备下只能从房间内穿戴浸水保温服，冒死逃出房间，但室外有毒气体导致呼吸困难，不久即失去意识，跌落舷外，逃生失败。

（3）逃生装备使用程序烦琐导致船员逃生时间延长

此外，“桑吉”轮使用常规的重力倒臂式救生艇，其完成释放一般要经过6~10个程序不等。释放程序的烦琐，以及在紧急情况下船员的行动能力和意识无法保证，很容易导致操作失误，从而失去逃生的宝贵时间。

“桑吉”轮事故中，救生艇甲板的两名船员因靠近应急呼吸器或者消防员装备存放位置，得以利用装备逃至救生艇甲板，但受制于救生艇释放程序烦琐，人力不足（可能受伤），登艇失败。

（4）逃生路径无遮挡保护，船员逃生难度加大

“桑吉”轮救生艇布置于上层建筑两舷，均为开敞甲板，如图13所示，船员逃生集合均暴露在大火和有毒浓烟中，这无形增加了船员逃生、救生艇登乘的难度。图13为登艇区与货舱区示位。

2.逃生设计优化

根据上述分析，相应地，从以下几个方面优化油轮的逃生设计。

图13 登艇区与货舱区示位

（1）全员配备消防员装备和应急逃生呼吸器，并就近布置

船东、运营公司可突破现行规范的最低配置要求，为全部在船船员配置消防员装备和应急逃生呼吸器，存放在船员住舱和办公场所。同时，IMO也应对“桑吉”轮爆炸做出合理评估，对现行规范作必要修改，最大化保护船员的生命安全。

（2）设置自由抛落式救生艇

“桑吉”轮配置的救生艇为重力倒臂式，如图14所示。而事故的另一方，“长峰水晶”轮配置的救生艇为自由降落式，如图15所示。“桑吉”轮船员无一人逃生成功，“长峰水晶”轮船员则全部逃生成功，反差巨大。图14为重力倒臂式救生艇，图15为自由降落式救生艇。

图14 重力倒臂式救生艇

采用船尾自由降落式救生艇的配置，船员在紧急情况下能够快速撤到船尾，远离货舱危险区域，为逃生提供暂时的保护，争取宝贵的时间。此外，自由降落式救生艇释放程序简单，也能增加船员逃生的概率。

图15 自由降落式救生艇

（3）逃生通道增加保护

在从室内到集合站的逃生通道上，设置遮蔽结构屏障，保护船员不受有毒烟气、火灾辐射的影响。

（4）安装海上撤离系统

海上撤离系统，是一类由释放装置、撤离轨道和救生筏构成的综合性海上救生设备，其释放操作简单，只需要一名船员就可以完成，安全撤离速度远胜传统的由救生艇和救生筏组成的逃生系统，显示出极大优越性。目前该类系统主要用于客船，但“桑吉”轮事故再次警醒业界，在货船上配备该系统是必要的。图16为垂直降落式海上撤离系统，图17为倾斜滑道式海上撤离系统。

图16 垂直降落式海上撤离系统

3.逃生设计小结

从上述分析看出，逃生设计牵涉很多细节，涉及房舱的布置、个人装备的选择、逃生路径的规划、弃船设备的选型等。只有通过业界各方的合力，包括规则的升级、设备上的改进、船舶用户的适应性配置，才能形成一个能在特殊环境下为船员提供有效保护的逃生系统。

五、总结

本文基于“桑吉”轮事故，利用TNT当量法估算出爆炸的能量在61~184吨，随之探讨了通过改进船舶的防爆保护和逃生设计，双管齐下，最大限度地保证船员的生命安全。其中，防爆保护有两个措施，即建立上层建筑结构防爆屏障和设置防爆门窗。而在逃生设计论述中，通过分析“桑吉”轮爆炸后幸存船员逃生失败的原因，提出了针对性的改进措施。希望业界能够加强油轮安全研究，加快新船型开发，避免诸如“桑吉”轮事故的再次发生。