謝歡歡,梁曉瑜,董桂枝,李玉紅

(中國民航科學(xué)技術(shù)研究院,危險品運輸管理中心,北京 101399)

鋰電池是日常生活和生產(chǎn)制造的主要動力來源[1],航空運輸鋰電池貨物的頻次和數(shù)量在逐年增加[2]。國際航空運輸協(xié)會(IATA)危險品委員會曾估計,在某些貨運航線中,鋰電池貨物占比高達25%[3]。據(jù)統(tǒng)計,2021年國內(nèi)航空公司鋰電池及含鋰電池設(shè)備的運輸量為67.9 萬噸,比2020年增長了16.2%,比2017年增長了35.8%。鋰電池已經(jīng)成為航空運輸過程中的重要流通元素。

鋰電池因材料的化學(xué)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計的特點而具有熱失控的安全風(fēng)險[4-5],在航空運輸中被認(rèn)定為第9 類危險物品。高密度的鋰電池貨物排列在高空密閉的飛機貨艙,一旦發(fā)生熱失控,極易發(fā)生火災(zāi)蔓延,而機上滅火系統(tǒng)無法完全處理鋰電池火災(zāi)[6],將給飛機和機上人員造成災(zāi)難性危害。據(jù)美國聯(lián)邦航空局(FAA)統(tǒng)計,從2006年1月23日至2021年底,全球已發(fā)生356 起與鋰電池有關(guān)的空中或機場地面事件[7]。近年來,我國每年也會發(fā)生鋰電池航空運輸不安全事件。國內(nèi)鋰電池航空運輸事件的數(shù)量有逐年增長的趨勢;據(jù)相關(guān)統(tǒng)計,2017-2021年,涉及鋰電池的航空運輸事件占總危險品事件的比例高達71%。鋰電池不安全事件嚴(yán)重影響航空運輸安全,需要采取有效措施緩解安全風(fēng)險。

安全可以與危險共存,前提是將鋰電池航空運輸?shù)娘L(fēng)險控制在可接受水平之內(nèi)。風(fēng)險管理是航空安全管理體系的核心,能夠?qū)崿F(xiàn)安全關(guān)口前移[8],然而,航空貨物所帶來的風(fēng)險仍未得到充分緩解,尤其是針對鋰電池等新型產(chǎn)品固有危險特性的后果。2020年,國際民航組織(ICAO)附件6《航空器的運行》第Ⅰ部分《國際商業(yè)航空運輸-飛機》的第44 次修訂中增添了第15 章貨艙安全,規(guī)定了承運人需為貨艙運輸?shù)奈锲分贫ò踩L(fēng)險評估[9]。隨后,ICAO Doc 10102《飛機貨艙安全運行指南》發(fā)布了具體的安全風(fēng)險評估指導(dǎo)方法,并指出鋰電池可作為風(fēng)險管理研究的參考對象[10]。此外,ICAO Doc 9284《危險物品安全航空運輸細(xì)則》增添了鋰電池安全風(fēng)險管理的要求[11];IATA 發(fā)布了《承運人鋰電池風(fēng)險評估指南》[3],積極推進鋰電池風(fēng)險管理的落實和實施。民航企業(yè)結(jié)合鋰電池的運輸情況和企業(yè)運營特點,有針對性地制定相關(guān)操作流程,然而,鋰電池的風(fēng)險管理體系在應(yīng)用方面仍不成熟,需更深入的研究和分析。

本文作者對鋰電池的運輸風(fēng)險進行深度剖析,介紹風(fēng)險管理在航空運輸鋰電池中的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀,形成航空運輸鋰電池貨物的蝴蝶結(jié)風(fēng)險模型,以期為提升危險品的航空運輸安全提供依據(jù)和參考。

1 鋰電池航空運輸事件分析

根據(jù)FAA 發(fā)布的鋰電池航空運輸事件數(shù)據(jù)[7],統(tǒng)計分析鋰電池運輸事件的發(fā)生因素。2006-2021年鋰電池航空運輸事件類型和數(shù)量見表1。

表1 2006-2021年鋰電池航空運輸事件Table 1 The lithium battery events in air transportation from 2006 to 2021

從表1 可知,鋰電池運輸事件的主要表現(xiàn)為:冒煙、燃燒、過熱、爆炸、電池鼓包和存在燒焦味等。多種現(xiàn)象是同時發(fā)生的,比如燃燒與過熱、燃燒與冒煙,這也增加了鋰電池運輸事件處理的難度。在356 起鋰電池運輸事件中,冒煙事件占比高達50%;燃燒事件占比為43%;過熱事件占比為21%。其中,燃燒事件包含鋰電池著火、陰燃、冒火星和燃燒痕跡等。由此可知,鋰電池運輸事件主要的風(fēng)險表現(xiàn)為冒煙、燃燒以及過熱,共計335 起,占比高達94%。

研究表明,鋰電池運輸事件的危險現(xiàn)象主要源于鋰電池在機械濫用、電濫用、熱濫用條件下引發(fā)的熱失控[5]。鋰電池在濫用條件下,內(nèi)部發(fā)生連鎖放熱化學(xué)反應(yīng),并產(chǎn)生大量的熱量和氣體,電池溫度隨之升高;當(dāng)熱量和壓力積聚到一定程度時,電池外殼破裂,引發(fā)鋰電池冒煙、燃燒,甚至爆炸,這一過程被稱為鋰電池的熱失控(見圖1)[4-5]。

圖1 航空運輸中鋰電池?zé)崾Э仫L(fēng)險因素和相關(guān)事件Fig.1 Risk factors and events related to thermal runaway of lithium battery in air transportation

在航空運輸過程中,極端環(huán)境條件、飛機顛簸和沖撞等作用、裝卸操作不當(dāng)、電池質(zhì)量問題、接觸熱源等,都可能產(chǎn)生引發(fā)鋰電池?zé)崾Э氐臑E用條件,進而導(dǎo)致鋰電池航空運輸安全事件發(fā)生(見圖1)。一種濫用條件會誘發(fā)另一種濫用條件的產(chǎn)生,加速鋰電池?zé)崾Э厥录陌l(fā)生。例如,在搬運裝卸過程中可能會因機械作用而擠壓和刺穿鋰電池,發(fā)生機械濫用;之后,隔膜破壞發(fā)生內(nèi)部短路,引發(fā)電濫用;隨之,電池內(nèi)部發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并釋放熱量,引發(fā)熱濫用;進一步,電池溫度繼續(xù)升高并釋放氣體等,引起電池內(nèi)部連鎖化學(xué)反應(yīng),最終導(dǎo)致電池?zé)崾Э?引發(fā)航空運輸火情等事件。

2 風(fēng)險管理在鋰電池航空運輸中的應(yīng)用

由于航空運輸系統(tǒng)開放和動態(tài)的特點,危險伴隨著航空活動,鋰電池等危險貨物增加了航空的安全隱患。風(fēng)險管理能夠衡量危險的可能性和嚴(yán)重性,并提出將風(fēng)險降低至可接受水平的策略,包括危險識別、風(fēng)險評估和風(fēng)險緩解[8]等。

2.1 危險識別

危險識別能夠辨析危險以及相關(guān)后果,是風(fēng)險管理的基本流程,將為風(fēng)險評估和緩解提供依據(jù)。危險識別是一個持續(xù)的過程,識別的途徑來源于管理體系組織內(nèi)部的日常監(jiān)督管理和反饋信息,以及外部的安全報告和行業(yè)信息[8]。

以鋰電池貨物為對象,危險識別可分別從內(nèi)部和外部因素考慮。內(nèi)部因素是鋰電池貨物自身的潛在危險,包括鋰電池的質(zhì)量問題(包括假冒偽劣及不合格產(chǎn)品)、包裝不合規(guī)、未申報或未符合規(guī)定的鋰電池貨物等。外部因素指航空運輸過程中引起鋰電池?zé)崾Э氐恼T發(fā)因素,包括極端運輸環(huán)境、飛機顛簸沖撞、存放或防護不當(dāng)、室外(或停機坪)停留過久、企業(yè)及人員資質(zhì)不足等。鋰電池航空運輸?shù)奈ｋU識別,應(yīng)綜合考慮鋰電池的內(nèi)部和外部因素。鋰電池航空運輸?shù)奈ｋU核心在貨物本身,鋰電池貨物供應(yīng)鏈的任何一個環(huán)節(jié)都可能影響運輸安全,通過排查及識別供應(yīng)鏈中的危險隱患,將有助于提升鋰電池航空運輸風(fēng)險分析的準(zhǔn)確性。

2.2 風(fēng)險評估

風(fēng)險評估是對已識別危險的發(fā)生可能性及后果嚴(yán)重性進行判斷,將抽象的安全概念具體化為定性或定量的評判標(biāo)準(zhǔn),為優(yōu)化航空安全管理和監(jiān)督提供科學(xué)依據(jù)。安全風(fēng)險評估需設(shè)計合理的評估模型和程序,以提供安全風(fēng)險指標(biāo),確定行動的優(yōu)先次序。評估結(jié)果一般包括3 種:可接受的、可容忍的和不可容忍的[8]?？山邮芎涂扇萑痰陌踩L(fēng)險由組織者決策是否采取控制措施,而不可容忍的安全風(fēng)險是在任何情況下都不允許接受的,應(yīng)采取緩解措施或停止活動。

安全風(fēng)險評定矩陣是應(yīng)用于風(fēng)險評估的一種普遍方法[8],主要是將危險的發(fā)生概率(即可能性)與嚴(yán)重性進行組合,創(chuàng)建由數(shù)字和字母標(biāo)識的安全風(fēng)險指數(shù)等級(見表2)。通過安全風(fēng)險評估矩陣可以確定安全風(fēng)險容忍度,而容忍度的結(jié)構(gòu)可由組織者設(shè)計并最終確定。如表2 中給出的黑色區(qū)域代表不可容忍的,深灰色區(qū)域代表可容忍的,淺灰色區(qū)域代表可接受的。對于航空運輸鋰電池,IATA 提供了利用安全風(fēng)險矩陣評估來自香港貨物的示例[3]:香港前期發(fā)生過有關(guān)鋰電池航空運輸貨物的火災(zāi)事件,因此危險可能發(fā)生,概率為3 級;主貨艙起火將可能難以控制,并導(dǎo)致災(zāi)難性后果,因此嚴(yán)重性應(yīng)為災(zāi)難性的A 級;根據(jù)表2 可知,風(fēng)險指數(shù)等級為3A(不可容忍的)。

表2 安全風(fēng)險矩陣示例Table 2 The example of security risk matrix

針對鋰電池航空運輸過程中的開放復(fù)雜體系,基于三角模糊數(shù)的事故樹模型可應(yīng)用于確定鋰電池航空運輸安全風(fēng)險評估體系[12]。這種自上而下的方法,可對體系中的風(fēng)險進行定量和定性分析,為控制鋰電池航空運輸火災(zāi)事件提供一種思路?；阡囯姵氐陌踩匦院秃娇者\輸要求,借助試驗技術(shù),可以對不同類型、不同能量的鋰電池進行航空運輸風(fēng)險評估,提前排查潛在安全風(fēng)險并進行風(fēng)險評級,為鋰電池安全航空運輸提供科學(xué)驗證方法[13]。

鋰電池航空運輸?shù)娘L(fēng)險評估涉及范圍廣、系統(tǒng)中不確定因素較多、安全評估依靠專家意見和管理經(jīng)驗,導(dǎo)致評判結(jié)果主觀性較強,也沒有形成通用的標(biāo)準(zhǔn)化評估模型。開發(fā)針對鋰電池航空運輸安全的量化風(fēng)險評估模型,對于提升航空運輸安全能力具有重要意義。

2.3 風(fēng)險緩解

為將安全風(fēng)險消除或緩解到最低合理可行(ALARP)水平,需要進行風(fēng)險緩解(也稱作風(fēng)險控制)。風(fēng)險緩解措施并不是指絕對地消除安全風(fēng)險,而是綜合考慮了成本、時間和難度,以便滿足相關(guān)方對安全風(fēng)險和技術(shù)成本的接受能力。風(fēng)險緩解策略可從事前和事后兩個角度考慮,包括降低危險發(fā)生的可能性和降低危險發(fā)生后果的嚴(yán)重性[10]。

2.3.1 降低鋰電池航空運輸危險發(fā)生的可能性

結(jié)合識別的危險和風(fēng)險評估結(jié)果,通過減少暴露于風(fēng)險的機會,將有助于風(fēng)險關(guān)口前移,降低鋰電池航空運輸危險發(fā)生的可能性,增強預(yù)防風(fēng)險的能力。目前,在規(guī)則、資質(zhì)和技術(shù)上形成了相對完善的風(fēng)險緩解措施。

在規(guī)則方面,聯(lián)合國從2006年開始在《關(guān)于危險貨物運輸?shù)慕ㄗh書-規(guī)章范本》中引入鋰電池航空運輸要求[14],并在《試驗與標(biāo)準(zhǔn)手冊》中第38 章第3 節(jié)(簡稱UN38.3)詳細(xì)列出了關(guān)于鋰電池的測試方法與標(biāo)準(zhǔn)[15],航空運輸鋰電池必須遵循相關(guān)運輸要求。各個國家和相關(guān)組織依據(jù)國際要求和各自特色制定有針對性的鋰電池航空運輸?shù)囊?guī)則。例如,IATA 發(fā)布的《危險品規(guī)則》中詳細(xì)列明了鋰電池航空運輸?shù)姆诸悺?biāo)記、標(biāo)簽和包裝等要求[16]。我國也發(fā)布了多項有關(guān)鋰電池的規(guī)范要求,包括MH/T 1020—2018《鋰電池航空運輸規(guī)范》[17]、MH/T 1052—2013《航空運輸鋰電池測試規(guī)范》[18]等。這些規(guī)則要求明確了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牟僮鞴芾磙k法和良好的安全責(zé)任制度,為鋰電池航空運輸前的準(zhǔn)備和運輸過程中的運作提供執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)。

在資質(zhì)方面,航空運輸有關(guān)方,包括托運人、承運人、地面代理和檢驗檢測機構(gòu)等,需具備所需的知識、技能和資源,同時獲取相應(yīng)的危險品操作資質(zhì)。針對不同的崗位,需要對員工進行相應(yīng)的培訓(xùn),保障收運、裝載、存放和隔離等操作能力。航空運輸相關(guān)利益方的工作能力和安全形態(tài)是保障鋰電池航空運輸?shù)闹匾巍?/p>

在技術(shù)方面,首先,鋰電池貨物固有的技術(shù)安全仍是關(guān)鍵,為此,鋰電池制造商應(yīng)具備質(zhì)量管理方案,鋰電池交付時必須能夠提供UN38.3 系列測試的通過證明(2020年后僅需提供規(guī)定的測試摘要)[11],單獨運輸?shù)匿囯姵氐暮呻姞顟B(tài)不能超過30%,鋰電池包裝時也需進行短路保護等,并且防止不合格產(chǎn)品進入運輸。其次,在正常的航空運輸操作條件下,排查未申報或不符合規(guī)定的鋰電池貨物至關(guān)重要,鋰電池偵測技術(shù)將發(fā)揮重要作用,例如結(jié)合人工智能的X 光設(shè)備能夠自動快速地篩查鋰電池,這項技術(shù)已經(jīng)研發(fā)并將應(yīng)用于行李安檢中,而大型貨物的自動偵測系統(tǒng)也亟待開發(fā)。通過技術(shù)手段遏制運輸前的有關(guān)風(fēng)險因素,有助于提升收運鋰電池貨物的安全性,降低運輸中熱失控危險發(fā)生的概率。

2.3.2 降低鋰電池航空運輸危險發(fā)生后果的嚴(yán)重性

一旦鋰電池貨物發(fā)生熱失控,合理的緩解策略能應(yīng)對突發(fā)情況,將危險發(fā)生后的嚴(yán)重性控制在可接受水平,減少經(jīng)濟、人、環(huán)境等方面的損失。降低鋰電池貨物發(fā)生熱失控后果嚴(yán)重性的緩解措施主要是應(yīng)對熱失控引發(fā)的冒煙、燃燒、過熱等產(chǎn)生的火情,可從貨物包裝技術(shù)、航空器系統(tǒng)方面考慮。

將鋰電池發(fā)生熱失控后的范圍控制在包裝件內(nèi),可減少熱失控的蔓延,避免造成更大程度的損失。根據(jù)鋰電池貨物尺寸的要求,可采用防火袋、防火罩/毯或耐火集裝箱等防護設(shè)備[3],防護設(shè)備自身能夠承受高于650 ℃的高溫而不燃燒,鋰電池?zé)崾Э睾螽a(chǎn)生的煙霧、火焰沒有擴散至防護包裝之外,且包裝外的表面溫度低于100 ℃,由此將鋰電池?zé)崾Э禺a(chǎn)生的煙霧、火災(zāi)以及溫度控制在包裝件內(nèi)[19]。鋰電池防火包裝已經(jīng)較為成熟并且在市場上較為普遍,很多航空公司在客艙中都備有防火袋,已能較好應(yīng)對乘客攜帶電子產(chǎn)品的熱失控事件。然而,針對航空運輸鋰電池貨物的防護產(chǎn)品仍有待推廣和應(yīng)用,尤其是抑制鋰電池貨物固有危險特性的新產(chǎn)品和新技術(shù),有待研發(fā)和應(yīng)用。

航空器內(nèi)發(fā)生鋰電池?zé)崾Э厥录赡芙o飛機和人員帶來災(zāi)難性的后果,因此航空器內(nèi)應(yīng)配備火情抑制系統(tǒng)以及使用合適的滅火劑[10],將實現(xiàn)鋰電池?zé)崾Э氐幕鹎楸O(jiān)測和預(yù)警,并釋放滅火介質(zhì)和置換駕駛艙煙霧,從而遏制鋰電池產(chǎn)生的熱失控危險,保障飛機運行安全。例如,聯(lián)邦快遞自2009年開始在貨機上安裝火情抑制系統(tǒng),被證明能較好應(yīng)對鋰等可燃金屬引發(fā)的極高溫度下的燃燒。然而,不同飛機貨艙等級不同,火情抑制系統(tǒng)適配性的設(shè)計和適航要求不同。此外,航空運輸企業(yè)需要有一套應(yīng)急響應(yīng)程序,相關(guān)人員應(yīng)進行全面安全培訓(xùn),熟知安全處理和應(yīng)急程序。

3 蝴蝶結(jié)(Bow-Tie)模型

蝴蝶結(jié)(Bow-Tie)模型是一種簡明且直觀展示危險事件演化過程的風(fēng)險分析方法,包含事故危險源、事故前的緩解措施、頂端事件、事故后的緩解措施和事故結(jié)果等[20]的模型。在蝴蝶結(jié)模型中,以頂端事件為核心,向左通過事故樹來識別危險源,向右通過事件樹分析產(chǎn)生的后果,并有針對性地設(shè)置屏障進行風(fēng)險緩解,形成類似蝴蝶形狀的分析模型。蝴蝶結(jié)模型已經(jīng)成熟地應(yīng)用到石油天然氣的安全管理中[21],也逐步應(yīng)用于航空安全領(lǐng)域[22]。

鋰電池航空運輸系統(tǒng)復(fù)雜、安全風(fēng)險因素多、風(fēng)險量化難度大,將風(fēng)險管理的3 個步驟獨立化,將不利于風(fēng)險管控。ICAO 在《飛機貨艙安全運行指南》中推薦將蝴蝶結(jié)模型用于鋰電池航空運輸[10],將風(fēng)險管理中的危險、后果及緩解措施通過直觀的圖例展示,方便快速查明和管理風(fēng)險,評估安全屏障的風(fēng)險緩解能力,盡量降低危險發(fā)生的可能性和后果嚴(yán)重性。由此,結(jié)合風(fēng)險分析結(jié)果,以鋰電池貨物的熱失控為頂端事件,形成鋰電池航空貨物的蝴蝶結(jié)模型(見圖2)。

圖2 鋰電池貨物的航空運輸蝴蝶結(jié)模型Fig.2 Bow-Tie model of lithium battery by air transportation

以鋰電池為危險源,模型左側(cè)模塊列出4 種類型的鋰電池危險,包括因自身存在質(zhì)量問題的“缺陷”鋰電池、因運輸操作失當(dāng)導(dǎo)致的“破損”鋰電池、因申報不當(dāng)而產(chǎn)生的“灰色”鋰電池,以及因外部熱源誘發(fā)的“飛溫”鋰電池。在每種鋰電池危險源和熱失控頂端事件中提出風(fēng)險屏障/緩解措施,為降低事件發(fā)生的可能性提供建議。對于“缺陷”鋰電池,應(yīng)從制造出廠出發(fā),滿足質(zhì)量體系要求并符合國際國內(nèi)的安全標(biāo)準(zhǔn);對于“破損”鋰電池,應(yīng)提升運輸操作能力和水平,加強收運包裝的堅固性和完整性,提高操作人員的履職能力;對于“灰色”鋰電池,要提升排查力度,完善安保制度和偵測技術(shù),同時完善信用體系建設(shè)和獎懲制度,倒逼貨源的規(guī)范性;對于“飛溫”鋰電池,重點在于鋰電池的存放,保證鋰電池貨物的周圍環(huán)境符合要求。由此,能快速識別危險并采取應(yīng)對措施,對事件前的預(yù)防采取有針對性的緩解措施。

根據(jù)運輸中事件可能發(fā)生的位置,模型右側(cè)區(qū)域給出鋰電池航空運輸中的危險后果,即貨艙火情和地面火情,提出相應(yīng)的風(fēng)險屏障/緩解措施,為降低事件后果的嚴(yán)重性提供建議。應(yīng)對鋰電池發(fā)生熱失控引發(fā)的火情,需要完善應(yīng)急操作管理辦法、完善和明確人員的安全職責(zé)、開發(fā)和應(yīng)用耐火保護設(shè)備和滅火材料、提升機上火情應(yīng)急系統(tǒng)的水平等。通過完善管理能力和技術(shù)水平,可提高應(yīng)對突發(fā)情況的能力,降低潛在后果的危害,保障航空運輸安全的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

鋰電池作為具有固有危險特性的危險品,給航空運輸帶來巨大挑戰(zhàn),風(fēng)險管理有助于將風(fēng)險控制在合理且可接受的水平。本文作者對鋰電池航空運輸風(fēng)險管理進行分析和應(yīng)用。首先,通過對鋰電池航空運輸事件的統(tǒng)計和分析,發(fā)現(xiàn)其主要危害表現(xiàn)為鋰電池的冒煙、燃燒、過熱,占比高達94%,并梳理了航空運輸過程中可能引發(fā)鋰電池?zé)崾Э氐臑E用條件。隨后,從危險識別、風(fēng)險評估和風(fēng)險緩解等3 個方面分析風(fēng)險管理在鋰電池航空運輸中的應(yīng)用,并從降低危險發(fā)生的可能性和降低危險發(fā)生后果的嚴(yán)重性兩個方面提出相應(yīng)的緩解措施。最后,以鋰電池?zé)崾Э貫轫敹耸录⒑Y(jié)模型,介紹鋰電池航空運輸風(fēng)險的危險源、后果及緩解措施,直觀且系統(tǒng)地展示鋰電池航空運輸風(fēng)險管理的流程。

隨著鋰電池產(chǎn)品的技術(shù)升級和新技術(shù)的發(fā)展,不可預(yù)見的危險可能帶來更多的風(fēng)險隱患。面對勢不可擋的鋰電池航空運輸發(fā)展態(tài)勢,航空運輸相關(guān)方可根據(jù)各自的管理特點,形成有特色的風(fēng)險管理體系,同時,根據(jù)運行結(jié)果保持動態(tài)靈活的發(fā)展模式。風(fēng)險管理在航空運輸鋰電池中的應(yīng)用,將為航空運輸安全提供重要的理論基礎(chǔ)和應(yīng)用實踐。