航空运输货损原因分析与安全对策

□ 马小明 □ 宋慧怡

华南理工大学 机械与汽车工程学院 广州 510640

1 分析背景

航空货运具有安全、快捷、优质的服务特点,如今已逐步成为国内外货物快递的主要运输方式。根据相关统计,正常情况下世界航空客运量每年增长4%～5%,货运量则每年增长7%[1]。航空货物的组成结构极其复杂,包装大小不一,物品成分中科技含量高且隐含危险品较多,航空安全风险较高[2]。国内外航空货运行业的整体发展迅速,虽然相比其它运输方式,航空运输发生事故的概率较低,但是航空货运安全管理体系和理念更为重要,一旦发生大的事故,所造成的伤害和损失将是灾难性的[3]。航空货运包裹的不正常运输无论是发生在飞机飞行过程中,还是发生在货运包裹装卸环节,事故后果都是不可接受的。航空货运安全问题不仅直接危害航空安全,而且制约航空货运行业的健康发展,给空防安全和社会治安带来的影响也应当引起高度重视[4]。我国较为重视航空火灾、航空器事故和事故征候的统计分析工作[5],但目前还没有专门针对航空运输快递包裹损坏方面分析的文献发布。笔者以一起航空运输货损事故为例,分析货损原理,并提出合理可行的安全对策措施。

某航空公司一架航运机在包裹收拣的过程中发现了包裹熔损现象,这批运送的包裹与集装板的总质量为6 804 kg,到达目的地发现表面熔损的三个大型包裹内有160件小型快递包裹,其中67件都存在不同程度的熔损痕迹。为了分析货运包裹熔损的原因,防止类似事故重复发生,笔者分别对熔损包裹样品和装卸过程中所使用的集装板样品进行宏观形貌分析、理化检验,并提出了相应的安全对策。

2 熔损包裹初始检验结果

2.1 宏观分析

通过对受损包裹样品的熔损部位进行观察,发现红色圣诞帽受损最为严重,存在明显的穿孔痕迹,孔洞周围附着可见黄色胶状残留物。熔损包裹宏观形貌如图1所示。不同程度受损的包裹样品表面也均附着黄色胶状残留物,残留物的形态与包裹的受损程度、摆放位置及材质特性有关。

2.2 材质检验

提取黑白格毯子、红色圣诞帽、黄色包装袋、灰色快递袋典型样品,采用VERTEX 70型傅里叶变换红外光谱仪检验,包裹样品的红外吸收光谱分析结果见表1。黑白格毯子与红色圣诞帽均为聚酯纤维制品,黄色包装袋为聚丙烯塑料制品,灰色快递袋为聚乙烯塑料制品。

表1 包裹样品红外吸收光谱分析结果

2.3 热重分析

采用热重分析研究包裹在加热过程中伴随物理、化学变化所发生的热力学性质变化。物理变化包括升华、脱水、结晶等,热力学性质包括热焓、比热容、导热系数等[6]。选取红色圣诞帽、黄色包装袋、灰色快递袋样品进行热重分析。在绝氧含氮气的环境下,以10 K/min的升温速率从40 ℃加热样品至600 ℃,自然冷却,通过热重分析与微商热重分析,得到包裹样品的特征热效应参数,见表2。由表2可以发现,红色圣诞帽的热分解起始温度最低,在相同条件下,最容易发生热分解;灰色包装袋在600 ℃时的质量残重率最低,表明受热分解最充分;三组样品均未出现二次分解现象。

表2 包裹样品特征热效应参数

2.4 对比引燃试验

将货运包裹完好的部分分别用明火、烟火两种方式引燃,并与实际受损后的包裹样品进行对比,结果如图2所示。明火引燃样品时,样品燃烧主要向四周扩展,不能自熄,各层塑料变形烧损严重,孔洞周围存在黑色焦状物质。烟火引燃包裹底部时,包裹底部阴燃,即只冒烟而无火焰燃烧,或火焰十分贴近可燃物表面[7-8]。样品表面形成较小孔洞,孔洞周围存在黑色焦状物质。实际受损包裹孔洞较大,形状规则,边界清晰,孔洞竖直向深处发展,周围未发现焦状物质,红色圣诞帽表面附着熔融胶状物,综合分析可排除包裹阴燃与明火引燃的可能性。

应用S-3700N型扫描电子显微镜对采用烟火引燃的残留物和实际包裹上的残留物进行扫描电镜能谱对比分析,得到烟火引燃的残留物中存在钾元素[9]。在样品材料中,仅烟丝受热分解后会残留钾元素。通过现场考察及样品外观形貌勘察,并未发现烟头遗留物,查看搬运过程监控,未发现有吸烟人员,因此,可以排除烟头引燃包裹的可能性。

2.5 熔融残留物成分分析

为排查包裹熔融部位是否存在其它可疑物质,采用气相色谱-质谱联用技术进行对比试验。设置空白组与对比组,空白组为取自相同样品中完好的材料进行对比引燃试验后的残留物,编号为1-0、2-0,对比组为此次事故中实际包裹熔融部位残留物,编号为1-1、1-2、2-1、2-2。熔融残留物分析结果见表3。明火引燃残留物和现场残留物的化学成分基本相同,主要包括苯、甲苯、乙苯、芳香酸、芳香醛、芳香烃等芳香族化合物。由于塑料混合汽油燃烧后残留物的主要成分与汽油类似[10],而样品的总离子流色谱中均未发现汽油、柴油、煤油的特征峰组合,因此可以排除现场汽油、柴油、煤油作为助燃剂的可能性。通过对航运包裹的装卸监控录像和X射线图片进行分析,未发现有人员纵火迹象,综合以上分析结果,可以排除人员纵火因素。

表3 包裹样品熔融残留物分析结果

▲图2 包裹对比引燃试验结果

3 集装板理化检验结果

3.1 表面宏观形貌分析

包裹装卸过程中使用的集装板尺寸为3 180 mm×2 440 mm×5 mm,材质为Al-Zn-Mg7075合金。集装板上表面用于承载堆放的包裹,底部与平台车相接触,集装板与包裹总质量为6 804 kg。对集装板进行宏观形貌观察,发现集装板上表面有两个附着包裹熔融物的区域E1和E2。E1呈不规则状,E2呈花生状。E1和E2内部附着部分黄色包装袋、红色圣诞帽、透明雨布的熔融残留物,E1和E2的中心距约为650 mm。集装板宏观形貌如图3所示,集装板装机过程如图4所示。

▲图3 集装板宏观形貌

▲图4 集装板装机过程

E1和E2底部磨损面可见规则磨痕,痕迹细小且平行于集装板的宽度方向。E1和E2外围存在不规则的划痕,痕迹较粗且方向无规律,外围划痕属于集装板底部与叉车插入时形成的划痕。集装板底部宏观形貌如图5所示。集装板上表面包裹熔融位置、形状与集装板底部磨损面磨痕区域的轮廓完全吻合。平台车相隔滚轮的中心距约为670 mm,与集装板上表面E1和E2的中心距相近。E1和E2底部磨损面磨痕的形态、方向、相对位置表明,集装板底部磨损面的细小磨痕为装卸过程中平台车滚轮与集装板底部摩擦而产生。

3.2 厚度检验

采用CTS-500型超声测厚仪检验集装板磨损区域的厚度,结果如图6所示。由图6可知,正常区域厚度较均匀,为4.13 mm;E1内最小厚度为3.33 mm,是正常区域内厚度均值的73%,位于E1中心;E2内最小厚度为3.73 mm,是正常区域内厚度均值的85%。E1和E2减薄明显,E1、E2与厚度减薄区域轮廓基本吻合,属于平台车滚轮与集装板原位滑动摩擦所致,厚度检验结果符合装卸过程中平台车滚轮与集装板摩擦的轮廓形态。

3.3 硬度检验

使用便携式金属硬度检测仪分别对集装板上表面和底部磨损面进行硬度检验,结果如图7所示。集装板上表面正常区域硬度分布均匀,且变化幅度较小。集装板底部磨损面磨痕区域E1、E2内部平均硬度分别为边缘平均硬度的83%和90%,说明集装板底部磨损面磨痕区域受温度影响较大。硬度检验结果符合集装板装卸过程中平台车滚轮与集装板原位持续滑动摩擦的情形,磨损接触点产生的高温使磨痕区域内集装板硬度降低。

▲图5 集装板底部宏观形貌

4 包裹熔损原因综合分析

通过以上分析,可以综合判定集装板表面局部高温使包裹表层熔损,依据有三个方面。

(1) 聚酯材料的软化温度在200 ℃以上,据气象资料记载,事发当天货运航线途径城市均无极端天气,未发生台风、雷电等自然灾害,大气环境温度条件下阳光不可能直接使包裹熔融,可排除自然灾害原因。

▲图6 集装板厚度检验结果

▲图7 集装板硬度检验结果

(2) 明火和烟火引燃后的包裹表面存在黑色焦状物质,而实际熔损样品孔洞周围仅存在黄色胶状熔融残留物,说明包裹材料未曾引燃,表面热量虽高于材料熔点,却未达到材料燃点,可排除包裹被明火引燃或阴燃的可能。

(3) 集装板底部磨损区域中心距约等于平台车相隔滚轮中心距,且集装板磨损面区域减薄明显,痕迹细小,平行滚轮的推进方向,磨损面区域与上表面包裹熔融位置、轮廓一致。 集装板底部磨痕区域内硬度显著降低,说明平台车滚轮与集装板原位持续摩擦部位产生高温,使包裹表层熔损。

综上所述,此次事故原因为集装板表面货物偏载,装卸过程中平台车滚轮与集装板底部发生原位持续滑动摩擦,接触点局部温度升至200 ℃以上;集装板上的包裹为良好的绝热材料,摩擦热除向集装板接触边界四周传导外,还沿厚度方向向包裹传导,导致包裹局部浅表层熔融;当集装板原位摩擦解除后,底部热源中断,底部冷却后熔融物固化附着在包裹表面。

5 集装板表面温度模拟结果

为验证集装板表面高温可以将包裹熔损,笔者对集装板表面温度进行模拟试验。样品外层为黄色包装袋,中间为灰色包装袋,内层为红色圣诞帽。将样品置于集装板上,集装板底部采用电热丝加热,模拟集装板与滚轮摩擦生热后包裹熔融行为,结果见表4。

表4 集装板表面温度模拟试验结果

在模拟试验条件下,样品表层熔融后冷却形成透明胶状物,如图8所示。当集装板局部温度为230 ℃,加热时间为80 s时,红色圣诞帽的浅表层即出现微小孔洞,且包裹下表面附着黄色胶状物质。在相同温度下,加热时间越长,包裹下表面的胶状物黄色色泽越浅,越接近透明状。在相同加热时间下,集装板温度越高,包裹下表面的胶状物黄色色泽越浅,越接近透明状。由于集装板表面温度分布不均,包裹质量不均等原因,试验得到的胶状物与实际受损包裹表面的胶状物颜色略有差异,黄色胶状残留物的状态还与距离摩擦生热点位置有关。试验结果证明,集装板局部温度升至200 ℃以上会使包裹表层熔融,并形成黄色胶状熔融物质。

▲图8 集装板表面温度模拟试验结果

6 安全对策

笔者对航空货运包裹熔损的原因进行了分析,并对包裹熔损情景进行了模拟分析,最终得出结论。具体结论为集装板装卸过程中平台车滚轮与集装板底部发生原位持续滑动摩擦,接触点局部温度升到200 ℃以上;集装板上的包裹为良好的绝热材料,摩擦热除向集装板接触边界四周传导外,还沿厚度方向向包裹传导,导致包裹局部浅表层熔融;当集装板原位摩擦解除后,底部热源中断,底部冷却后熔融物固化附着在包裹表面。

为防止这一类事故重复发生,建议集装板上的包裹布局要密度、质量均衡分布,严格控制偏载;加快平台车滚轮表面摩擦特性、集装板表面摩擦特性的升级技术改造;适时在平台车上安装位移传感器、接近开关、视频监控系统,对集装板打滑与滚轮驱动力通过安全联锁加以控制;加强集装板货物装卸全过程安全管理,一旦发现集装板在平台车上打滑,立即采取辅助措施,解除打滑;加强平台车滚轮、集装板磨损情况的定期检查、检测与维修管理。