徐成， 劉崇

(1.中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011；2.上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海 201203)

0 引 言

隨著民用航運(yùn)業(yè)的不斷發(fā)展，貨運(yùn)量的不斷上升以及運(yùn)輸船舶的越來(lái)越大型化，再加上大型船舶上配置的各類電力設(shè)施趨于復(fù)雜化，這些因素間接導(dǎo)致了船舶失電事故變得越來(lái)越頻繁，后果也越發(fā)嚴(yán)重化。另外，隨著大型客、貨船尺寸和人員不斷增加，國(guó)際海事組織更加關(guān)注航行的安全?；趯?duì)僅30年來(lái)因火災(zāi)和進(jìn)水事故導(dǎo)致的動(dòng)力失效、棄船或沉船事故的分析發(fā)現(xiàn)，若能將意外有效控制，防止船舶失電，對(duì)于保證航運(yùn)輸送的安全運(yùn)營(yíng)和保障運(yùn)營(yíng)方財(cái)產(chǎn)的安全具有重大的意義[1]。同時(shí)，進(jìn)行船舶失電風(fēng)險(xiǎn)分析，可為船舶安全航行提供科學(xué)、有效和經(jīng)濟(jì)的防治技術(shù)，為防治方案研究奠定基礎(chǔ)。

1 船舶失電事件

1.1 船舶失電造成的危害

危害按其發(fā)生時(shí)間順序可分為原生危害和次生危害。危害鏈中最早發(fā)生的起作用的危害稱為原生危害，例如在船舶失電事故中發(fā)電機(jī)解列和電氣設(shè)備損壞等。而由原生危害所誘導(dǎo)出來(lái)的危害則成為次生危害，例如船舶發(fā)生碰撞、火災(zāi)和人身安全等。

一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)船舶航行過(guò)程中發(fā)生故障時(shí)，例如設(shè)備過(guò)載或短路，并聯(lián)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)解列，進(jìn)而使得整個(gè)電力系統(tǒng)失電，產(chǎn)生的直接危害(原生危害)，包括：推進(jìn)系統(tǒng)及操縱系統(tǒng)功能癱瘓、導(dǎo)航通信能力受損或失去、重要船舶航行或任務(wù)設(shè)備損壞。因原生危害而引伸出的次生危害包括：進(jìn)出港時(shí)船舶失去控制，撞向碼頭或碼頭周邊設(shè)施；狹水道航行時(shí)，容易擱淺或撞擊島礁；繁忙航行水道，容易發(fā)生撞船事故。

1.2 典型失電事故案例分析

案例1：2012年一條液化天然氣運(yùn)輸船，在日本川崎市靠港航行，準(zhǔn)備在液化天然氣泊位碼頭卸貨，安裝在燃?xì)夤苈飞系臍怏w泄漏探測(cè)器發(fā)生誤報(bào)警導(dǎo)致鍋爐在燃?xì)饽Ｊ较孪ɑ?，為保持推進(jìn)裝置安全運(yùn)行，輪機(jī)長(zhǎng)手動(dòng)將鍋爐燃燒模式改為燃油模式，并采用啟動(dòng)備用柴油發(fā)電機(jī)的方式，替換一臺(tái)鍋爐驅(qū)動(dòng)的蒸汽渦輪發(fā)電機(jī)。然而備用柴油發(fā)電機(jī)在與另一臺(tái)渦輪發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行5 min后，出現(xiàn)了不穩(wěn)定運(yùn)行，最終柴油發(fā)電機(jī)和渦輪發(fā)電機(jī)的主斷路器跳閘，全船失去供電。

案例2：2019年一條散貨船在航行過(guò)程中突然出現(xiàn)主機(jī)滑油壓力低報(bào)警，該報(bào)警觸發(fā)了主機(jī)降速運(yùn)行信號(hào)，而主機(jī)降速后，為其服務(wù)的輔助鼓風(fēng)機(jī)和液壓泵自動(dòng)啟動(dòng)。自動(dòng)啟動(dòng)觸發(fā)了電站的優(yōu)先脫扣動(dòng)作，而后發(fā)電機(jī)主斷路器脫扣，主電源失電。應(yīng)急發(fā)電機(jī)啟動(dòng)后供電。后船員試圖啟動(dòng)脫扣的發(fā)電機(jī)和其另外的備用發(fā)電機(jī)，但均失敗，最終應(yīng)急發(fā)電機(jī)也失效，造成全船失電。

案例1中的液化天然氣運(yùn)輸船的動(dòng)力模式為主鍋爐蒸汽推進(jìn)方式，安裝在天燃?xì)鈩?dòng)力主管路上的氣體泄漏傳感器與燃?xì)夤鈫卧?lián)鎖。當(dāng)發(fā)生嚴(yán)重燃?xì)庑孤┖螅鈫卧詣?dòng)切斷供氣，保證機(jī)艙安全。然而該傳感器的誤報(bào)警，使得在并未發(fā)生燃?xì)庑孤r(shí)，供氣單元就切斷了向動(dòng)力裝置提供燃?xì)?，?dǎo)致主鍋爐熄火，為減少蒸汽消耗，輪機(jī)長(zhǎng)貿(mào)然用一臺(tái)額定功率較小的柴油備用發(fā)電機(jī)代替在網(wǎng)運(yùn)行的蒸汽動(dòng)力發(fā)電機(jī)，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)并網(wǎng)后，負(fù)荷沖擊電網(wǎng)造成發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置脫扣，全船失電。案例2主機(jī)降速報(bào)警信號(hào)使得主機(jī)降速運(yùn)行，主機(jī)在低轉(zhuǎn)速情況下，為了維持空氣與燃料的燃燒比，系統(tǒng)自動(dòng)起動(dòng)了主機(jī)輔助鼓風(fēng)機(jī)和相關(guān)的電氣設(shè)備，然而這些電氣設(shè)備的同時(shí)啟動(dòng)超過(guò)了一臺(tái)發(fā)電機(jī)的額定負(fù)荷率，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)過(guò)載失電。

2 Bowtie方法簡(jiǎn)介及其構(gòu)建方法

2.1 Bowtie模型簡(jiǎn)介

Bowtie分析法(也稱為“蝴蝶結(jié)分析法”)是基于“三角模型”以蝴蝶結(jié)的方式最初進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析。Bowtie方法主要用于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、風(fēng)險(xiǎn)管理及事故調(diào)查分析等，可以更好地說(shuō)明特定風(fēng)險(xiǎn)的狀況，以幫助人們了解風(fēng)險(xiǎn)系統(tǒng)及防控措施系統(tǒng)。由于其圖形與蝴蝶結(jié)相似，故也叫蝴蝶結(jié)分析法，這種分析方法又稱作關(guān)聯(lián)圖分析法。

2.2 構(gòu)建Bowtie模型的方法

構(gòu)建Bowtie圖的方法如下：

(1) 通過(guò)認(rèn)識(shí)并判別需要具體分析的事故事件或危險(xiǎn)事件，將其定義為該模型內(nèi)的頂級(jí)事件。

(2) 分析發(fā)生頂級(jí)事件的起因(危險(xiǎn)源頭)，并將其在蝴蝶結(jié)圖的左側(cè)的各個(gè)源頭因素與頂事件之間進(jìn)行線性關(guān)聯(lián)。

(3) 分析發(fā)生頂級(jí)事件與危險(xiǎn)源頭之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)性，提出相應(yīng)的預(yù)防性方案或控制措施(主動(dòng)性)。識(shí)別可能造成主動(dòng)預(yù)防控制解決措施無(wú)效的升級(jí)因素及控制這類風(fēng)險(xiǎn)提升因素的措施，并納入模型圖中。

(4) 在整個(gè)模型圖的右側(cè)，識(shí)別頂級(jí)事故事件可能導(dǎo)致的各類潛在后果，并用直線連接。分析頂級(jí)事件與各類后果間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)性，制訂相應(yīng)的減緩或控制措施(被動(dòng)性)，列入連接頂級(jí)事件與潛在后果之間。

Bowtie模型拓?fù)鋱D如圖1所示。

圖1 Bowtie模型拓樸圖

3 應(yīng)用Bowtie方法對(duì)船舶失電事故進(jìn)行分析

對(duì)于整個(gè)失電事故的發(fā)生所經(jīng)過(guò)的必要條件是船舶和電力系統(tǒng)或電力設(shè)施，其中船舶是人類發(fā)展全球貿(mào)易所必需的交通工具，為避免失電事故的產(chǎn)生而限制船舶的使用是不可取的，因此剩下的研究目標(biāo)主要就是電力系統(tǒng)，即如何減少電力系統(tǒng)或電力設(shè)施發(fā)生故障。

第一步，將失電事故確定為進(jìn)行著重分析的風(fēng)險(xiǎn)事件。

第二步，分析失電事故的起因。

(1) 機(jī)械及管路故障導(dǎo)致船舶失電。隨著船舶越來(lái)越大型化，船上機(jī)械及管路設(shè)備也越發(fā)復(fù)雜化和多樣化，單系統(tǒng)管路閥件故障，導(dǎo)致該管路中原存儲(chǔ)介質(zhì)發(fā)生泄漏或產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，從而牽連觸發(fā)各種原本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的報(bào)警，出現(xiàn)系統(tǒng)保護(hù)誤動(dòng)作，最終發(fā)電機(jī)停止運(yùn)行。該現(xiàn)象的存在對(duì)船舶航行構(gòu)成了威脅。

(2) 電氣電子設(shè)備故障導(dǎo)致船舶失電。因船舶長(zhǎng)期工作在海上惡劣的環(huán)境下，受到潮濕、鹽霧、腐蝕和振動(dòng)等不同因素的影響，這些電氣電子設(shè)備在使用過(guò)程中必然會(huì)出現(xiàn)不同程度的元器件老化及損壞，或是出現(xiàn)功能性故障，從而成為失電事件的原因之一。

(3) 人員操作不當(dāng)導(dǎo)致船舶失電。對(duì)于大多數(shù)普通船員來(lái)說(shuō)，在本就惡劣的環(huán)境下生活，長(zhǎng)期、繁重的操船工作，且在不斷操作各種不同形式的船舶裝置，勢(shì)必會(huì)增加操作不當(dāng)?shù)陌l(fā)生率，這個(gè)因素也是失電事件起因中不容忽視的因素。

(4) 設(shè)計(jì)存在隱患導(dǎo)致船舶失電。設(shè)計(jì)過(guò)程中出現(xiàn)專業(yè)設(shè)計(jì)僅考慮本專業(yè)各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)，對(duì)跨專業(yè)系統(tǒng)間、設(shè)備間的關(guān)聯(lián)性忽視。同時(shí)，船舶自動(dòng)化控制設(shè)備繁多，安全保護(hù)控制邏輯取決于設(shè)計(jì)輸入，設(shè)計(jì)輸入存在一定的缺陷，都將為失電事件埋下了安全隱患。

第三步，找出相應(yīng)有效的預(yù)防性控制措施。

(1) 針對(duì)發(fā)電機(jī)燃油滑油系統(tǒng)中重要的設(shè)備進(jìn)行定期檢查與維護(hù)，當(dāng)設(shè)備超過(guò)使用周期后，及時(shí)對(duì)其進(jìn)行更換。

(2) 在設(shè)備投入使用過(guò)程中，確保電氣設(shè)備不出現(xiàn)設(shè)計(jì)功能性故障。對(duì)于頻繁投切的電氣設(shè)備需要增加實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能，并定期維護(hù)，如超過(guò)使用周期，應(yīng)及時(shí)更換。

(3) 加強(qiáng)船員對(duì)電氣設(shè)備、輪機(jī)設(shè)備管理知識(shí)的學(xué)習(xí)，定期對(duì)船員進(jìn)行設(shè)備使用考核。平時(shí)可多加操練突發(fā)情況的臨場(chǎng)應(yīng)急方法，提高船員應(yīng)變能力。

(4) 應(yīng)要求在滿足規(guī)范要求的基礎(chǔ)上，盡量采用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)方法，減少中間環(huán)節(jié)，進(jìn)而減少可能發(fā)生的故障節(jié)點(diǎn)。

第四步，對(duì)工作人員操作不當(dāng)提出控制措施，如部分船員學(xué)習(xí)能力有限，并不能較快地熟悉并掌握設(shè)備的使用。尤其在突發(fā)設(shè)備故障情況下，針對(duì)這一升級(jí)風(fēng)險(xiǎn)，采取相應(yīng)措施，在操作重要涉及航行安全的設(shè)備時(shí)，如主副機(jī)、電站等，需配置以老帶新且人員A/B角色互為備份。對(duì)于重要電氣設(shè)備提高產(chǎn)品的交互性和友好性控制措施，很可能因生產(chǎn)廠家對(duì)設(shè)備功能理解的不同而達(dá)不到預(yù)期效果，針對(duì)這一升級(jí)因素，要倡議總體設(shè)計(jì)單位對(duì)設(shè)備提出必要的研制要求。

第五步，船舶失電事件可能會(huì)對(duì)船體結(jié)構(gòu)、動(dòng)力、電力系統(tǒng)設(shè)備和人員等造成不同的不良后果。針對(duì)不同后果，可找出相應(yīng)的減緩(恢復(fù))措施，再考慮升級(jí)因素及相應(yīng)的控制措施。

(1) 系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)備用發(fā)電機(jī)或應(yīng)急發(fā)電機(jī)，嚴(yán)格限制備用發(fā)電機(jī)組向負(fù)載供電時(shí)間，不超過(guò)35 s。當(dāng)備用發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)失敗，應(yīng)急發(fā)電機(jī)應(yīng)在不超過(guò)40 s向應(yīng)急負(fù)載供電。因此，滿足該要求的自動(dòng)電站能夠在主發(fā)電機(jī)突然失效的情況下，保證船舶失電時(shí)間不超過(guò)60 s。當(dāng)備用電源恢復(fù)向電網(wǎng)供電后，所有電氣設(shè)備均能快速投入工作，降低或消除短時(shí)失電帶來(lái)的影響。

(2) 人工快速應(yīng)急處理程序。當(dāng)自動(dòng)啟動(dòng)備用發(fā)電機(jī)或應(yīng)急發(fā)電機(jī)功能失效后，船員需要按照船舶公司管理部門事先制訂的應(yīng)急處理程序?qū)Υ安倏v和船舶消防程序進(jìn)行快速反應(yīng)操作，盡量將次生災(zāi)害造成的損失降至最低。

(3) 對(duì)于船舶航行中使用兩臺(tái)或兩臺(tái)以上并聯(lián)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)，必需設(shè)置自動(dòng)卸載功能，自動(dòng)卸載又稱為優(yōu)先脫扣，是屬發(fā)電機(jī)過(guò)載保護(hù)的一種形式。當(dāng)發(fā)電機(jī)過(guò)載時(shí)，在其長(zhǎng)延時(shí)脫扣器的延時(shí)時(shí)間內(nèi)，優(yōu)先切除次要負(fù)載，使發(fā)電機(jī)不持續(xù)過(guò)載，從容保證重要負(fù)載的連續(xù)供電[4]。各級(jí)脫扣利用延時(shí)的時(shí)間差來(lái)實(shí)現(xiàn)，如長(zhǎng)延時(shí)脫扣器的延時(shí)為20 s，若分為3級(jí)脫扣時(shí)，延時(shí)整點(diǎn)時(shí)間定為第1級(jí)5 s，第2級(jí)10 s，第3級(jí)15 s。

按照上述步驟構(gòu)建的基于Bowtie方法的船舶失電事故風(fēng)險(xiǎn)分析如圖2所示。

圖2 Bowtie船舶失電事故分析圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以典型船舶失電事故案例作為對(duì)象建立了事故“蝴蝶結(jié)”圖，通過(guò)采用蝴蝶結(jié)分析法的特點(diǎn)，制訂出可靠的預(yù)防性管控措施，結(jié)合Bowtie方法的運(yùn)用，對(duì)失電事件的起因和后果有了更清晰的了解。按照分析得出的“蝴蝶結(jié)”圖對(duì)失電事件進(jìn)行防范于未然，并可以簡(jiǎn)單明了地知悉在哪些形成危害事件的途徑上已采取了必要的預(yù)防措施，哪些途徑?jīng)]有采取任何行動(dòng)或者仍舊存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中具備一定的實(shí)用價(jià)值。另外，通過(guò)分析影響失電事故的風(fēng)險(xiǎn)管理，可為船舶管理人員進(jìn)行用電管理提供理論依據(jù)，為今后更深入地進(jìn)行事故分析研究提供客觀可行的思路。