航空运输锂电池的风险管理应用

谢欢欢,梁晓瑜,董桂枝,李玉红

(中国民航科学技术研究院,危险品运输管理中心,北京 101399)

锂电池是日常生活和生产制造的主要动力来源[1],航空运输锂电池货物的频次和数量在逐年增加[2]。国际航空运输协会(IATA)危险品委员会曾估计,在某些货运航线中,锂电池货物占比高达25%[3]。据统计,2021年国内航空公司锂电池及含锂电池设备的运输量为67.9 万吨,比2020年增长了16.2%,比2017年增长了35.8%。锂电池已经成为航空运输过程中的重要流通元素。

锂电池因材料的化学性质和结构设计的特点而具有热失控的安全风险[4-5],在航空运输中被认定为第9 类危险物品。高密度的锂电池货物排列在高空密闭的飞机货舱,一旦发生热失控,极易发生火灾蔓延,而机上灭火系统无法完全处理锂电池火灾[6],将给飞机和机上人员造成灾难性危害。据美国联邦航空局(FAA)统计,从2006年1月23日至2021年底,全球已发生356 起与锂电池有关的空中或机场地面事件[7]。近年来,我国每年也会发生锂电池航空运输不安全事件。国内锂电池航空运输事件的数量有逐年增长的趋势;据相关统计,2017-2021年,涉及锂电池的航空运输事件占总危险品事件的比例高达71%。锂电池不安全事件严重影响航空运输安全,需要采取有效措施缓解安全风险。

安全可以与危险共存,前提是将锂电池航空运输的风险控制在可接受水平之内。风险管理是航空安全管理体系的核心,能够实现安全关口前移[8],然而,航空货物所带来的风险仍未得到充分缓解,尤其是针对锂电池等新型产品固有危险特性的后果。2020年,国际民航组织(ICAO)附件6《航空器的运行》第Ⅰ部分《国际商业航空运输-飞机》的第44 次修订中增添了第15 章货舱安全,规定了承运人需为货舱运输的物品制定安全风险评估[9]。随后,ICAO Doc 10102《飞机货舱安全运行指南》发布了具体的安全风险评估指导方法,并指出锂电池可作为风险管理研究的参考对象[10]。此外,ICAO Doc 9284《危险物品安全航空运输细则》增添了锂电池安全风险管理的要求[11];IATA 发布了《承运人锂电池风险评估指南》[3],积极推进锂电池风险管理的落实和实施。民航企业结合锂电池的运输情况和企业运营特点,有针对性地制定相关操作流程,然而,锂电池的风险管理体系在应用方面仍不成熟,需更深入的研究和分析。

本文作者对锂电池的运输风险进行深度剖析,介绍风险管理在航空运输锂电池中的研究和应用现状,形成航空运输锂电池货物的蝴蝶结风险模型,以期为提升危险品的航空运输安全提供依据和参考。

1 锂电池航空运输事件分析

根据FAA 发布的锂电池航空运输事件数据[7],统计分析锂电池运输事件的发生因素。2006-2021年锂电池航空运输事件类型和数量见表1。

表1 2006-2021年锂电池航空运输事件Table 1 The lithium battery events in air transportation from 2006 to 2021

从表1 可知,锂电池运输事件的主要表现为:冒烟、燃烧、过热、爆炸、电池鼓包和存在烧焦味等。多种现象是同时发生的,比如燃烧与过热、燃烧与冒烟,这也增加了锂电池运输事件处理的难度。在356 起锂电池运输事件中,冒烟事件占比高达50%;燃烧事件占比为43%;过热事件占比为21%。其中,燃烧事件包含锂电池着火、阴燃、冒火星和燃烧痕迹等。由此可知,锂电池运输事件主要的风险表现为冒烟、燃烧以及过热,共计335 起,占比高达94%。

研究表明,锂电池运输事件的危险现象主要源于锂电池在机械滥用、电滥用、热滥用条件下引发的热失控[5]。锂电池在滥用条件下,内部发生连锁放热化学反应,并产生大量的热量和气体,电池温度随之升高;当热量和压力积聚到一定程度时,电池外壳破裂,引发锂电池冒烟、燃烧,甚至爆炸,这一过程被称为锂电池的热失控(见图1)[4-5]。

图1 航空运输中锂电池热失控风险因素和相关事件Fig.1 Risk factors and events related to thermal runaway of lithium battery in air transportation

在航空运输过程中,极端环境条件、飞机颠簸和冲撞等作用、装卸操作不当、电池质量问题、接触热源等,都可能产生引发锂电池热失控的滥用条件,进而导致锂电池航空运输安全事件发生(见图1)。一种滥用条件会诱发另一种滥用条件的产生,加速锂电池热失控事件的发生。例如,在搬运装卸过程中可能会因机械作用而挤压和刺穿锂电池,发生机械滥用;之后,隔膜破坏发生内部短路,引发电滥用;随之,电池内部发生化学反应并释放热量,引发热滥用;进一步,电池温度继续升高并释放气体等,引起电池内部连锁化学反应,最终导致电池热失控,引发航空运输火情等事件。

2 风险管理在锂电池航空运输中的应用

由于航空运输系统开放和动态的特点,危险伴随着航空活动,锂电池等危险货物增加了航空的安全隐患。风险管理能够衡量危险的可能性和严重性,并提出将风险降低至可接受水平的策略,包括危险识别、风险评估和风险缓解[8]等。

2.1 危险识别

危险识别能够辨析危险以及相关后果,是风险管理的基本流程,将为风险评估和缓解提供依据。危险识别是一个持续的过程,识别的途径来源于管理体系组织内部的日常监督管理和反馈信息,以及外部的安全报告和行业信息[8]。

以锂电池货物为对象,危险识别可分别从内部和外部因素考虑。内部因素是锂电池货物自身的潜在危险,包括锂电池的质量问题(包括假冒伪劣及不合格产品)、包装不合规、未申报或未符合规定的锂电池货物等。外部因素指航空运输过程中引起锂电池热失控的诱发因素,包括极端运输环境、飞机颠簸冲撞、存放或防护不当、室外(或停机坪)停留过久、企业及人员资质不足等。锂电池航空运输的危险识别,应综合考虑锂电池的内部和外部因素。锂电池航空运输的危险核心在货物本身,锂电池货物供应链的任何一个环节都可能影响运输安全,通过排查及识别供应链中的危险隐患,将有助于提升锂电池航空运输风险分析的准确性。

2.2 风险评估

风险评估是对已识别危险的发生可能性及后果严重性进行判断,将抽象的安全概念具体化为定性或定量的评判标准,为优化航空安全管理和监督提供科学依据。安全风险评估需设计合理的评估模型和程序,以提供安全风险指标,确定行动的优先次序。评估结果一般包括3 种:可接受的、可容忍的和不可容忍的[8]。可接受和可容忍的安全风险由组织者决策是否采取控制措施,而不可容忍的安全风险是在任何情况下都不允许接受的,应采取缓解措施或停止活动。

安全风险评定矩阵是应用于风险评估的一种普遍方法[8],主要是将危险的发生概率(即可能性)与严重性进行组合,创建由数字和字母标识的安全风险指数等级(见表2)。通过安全风险评估矩阵可以确定安全风险容忍度,而容忍度的结构可由组织者设计并最终确定。如表2 中给出的黑色区域代表不可容忍的,深灰色区域代表可容忍的,浅灰色区域代表可接受的。对于航空运输锂电池,IATA 提供了利用安全风险矩阵评估来自香港货物的示例[3]:香港前期发生过有关锂电池航空运输货物的火灾事件,因此危险可能发生,概率为3 级;主货舱起火将可能难以控制,并导致灾难性后果,因此严重性应为灾难性的A 级;根据表2 可知,风险指数等级为3A(不可容忍的)。

表2 安全风险矩阵示例Table 2 The example of security risk matrix

针对锂电池航空运输过程中的开放复杂体系,基于三角模糊数的事故树模型可应用于确定锂电池航空运输安全风险评估体系[12]。这种自上而下的方法,可对体系中的风险进行定量和定性分析,为控制锂电池航空运输火灾事件提供一种思路。基于锂电池的安全特性和航空运输要求,借助试验技术,可以对不同类型、不同能量的锂电池进行航空运输风险评估,提前排查潜在安全风险并进行风险评级,为锂电池安全航空运输提供科学验证方法[13]。

锂电池航空运输的风险评估涉及范围广、系统中不确定因素较多、安全评估依靠专家意见和管理经验,导致评判结果主观性较强,也没有形成通用的标准化评估模型。开发针对锂电池航空运输安全的量化风险评估模型,对于提升航空运输安全能力具有重要意义。

2.3 风险缓解

为将安全风险消除或缓解到最低合理可行(ALARP)水平,需要进行风险缓解(也称作风险控制)。风险缓解措施并不是指绝对地消除安全风险,而是综合考虑了成本、时间和难度,以便满足相关方对安全风险和技术成本的接受能力。风险缓解策略可从事前和事后两个角度考虑,包括降低危险发生的可能性和降低危险发生后果的严重性[10]。

2.3.1 降低锂电池航空运输危险发生的可能性

结合识别的危险和风险评估结果,通过减少暴露于风险的机会,将有助于风险关口前移,降低锂电池航空运输危险发生的可能性,增强预防风险的能力。目前,在规则、资质和技术上形成了相对完善的风险缓解措施。

在规则方面,联合国从2006年开始在《关于危险货物运输的建议书-规章范本》中引入锂电池航空运输要求[14],并在《试验与标准手册》中第38 章第3 节(简称UN38.3)详细列出了关于锂电池的测试方法与标准[15],航空运输锂电池必须遵循相关运输要求。各个国家和相关组织依据国际要求和各自特色制定有针对性的锂电池航空运输的规则。例如,IATA 发布的《危险品规则》中详细列明了锂电池航空运输的分类、标记、标签和包装等要求[16]。我国也发布了多项有关锂电池的规范要求,包括MH/T 1020—2018《锂电池航空运输规范》[17]、MH/T 1052—2013《航空运输锂电池测试规范》[18]等。这些规则要求明确了严谨的操作管理办法和良好的安全责任制度,为锂电池航空运输前的准备和运输过程中的运作提供执行标准。

在资质方面,航空运输有关方,包括托运人、承运人、地面代理和检验检测机构等,需具备所需的知识、技能和资源,同时获取相应的危险品操作资质。针对不同的岗位,需要对员工进行相应的培训,保障收运、装载、存放和隔离等操作能力。航空运输相关利益方的工作能力和安全形态是保障锂电池航空运输的重要支撑。

在技术方面,首先,锂电池货物固有的技术安全仍是关键,为此,锂电池制造商应具备质量管理方案,锂电池交付时必须能够提供UN38.3 系列测试的通过证明(2020年后仅需提供规定的测试摘要)[11],单独运输的锂电池的荷电状态不能超过30%,锂电池包装时也需进行短路保护等,并且防止不合格产品进入运输。其次,在正常的航空运输操作条件下,排查未申报或不符合规定的锂电池货物至关重要,锂电池侦测技术将发挥重要作用,例如结合人工智能的X 光设备能够自动快速地筛查锂电池,这项技术已经研发并将应用于行李安检中,而大型货物的自动侦测系统也亟待开发。通过技术手段遏制运输前的有关风险因素,有助于提升收运锂电池货物的安全性,降低运输中热失控危险发生的概率。

2.3.2 降低锂电池航空运输危险发生后果的严重性

一旦锂电池货物发生热失控,合理的缓解策略能应对突发情况,将危险发生后的严重性控制在可接受水平,减少经济、人、环境等方面的损失。降低锂电池货物发生热失控后果严重性的缓解措施主要是应对热失控引发的冒烟、燃烧、过热等产生的火情,可从货物包装技术、航空器系统方面考虑。

将锂电池发生热失控后的范围控制在包装件内,可减少热失控的蔓延,避免造成更大程度的损失。根据锂电池货物尺寸的要求,可采用防火袋、防火罩/毯或耐火集装箱等防护设备[3],防护设备自身能够承受高于650 ℃的高温而不燃烧,锂电池热失控后产生的烟雾、火焰没有扩散至防护包装之外,且包装外的表面温度低于100 ℃,由此将锂电池热失控产生的烟雾、火灾以及温度控制在包装件内[19]。锂电池防火包装已经较为成熟并且在市场上较为普遍,很多航空公司在客舱中都备有防火袋,已能较好应对乘客携带电子产品的热失控事件。然而,针对航空运输锂电池货物的防护产品仍有待推广和应用,尤其是抑制锂电池货物固有危险特性的新产品和新技术,有待研发和应用。

航空器内发生锂电池热失控事件可能给飞机和人员带来灾难性的后果,因此航空器内应配备火情抑制系统以及使用合适的灭火剂[10],将实现锂电池热失控的火情监测和预警,并释放灭火介质和置换驾驶舱烟雾,从而遏制锂电池产生的热失控危险,保障飞机运行安全。例如,联邦快递自2009年开始在货机上安装火情抑制系统,被证明能较好应对锂等可燃金属引发的极高温度下的燃烧。然而,不同飞机货舱等级不同,火情抑制系统适配性的设计和适航要求不同。此外,航空运输企业需要有一套应急响应程序,相关人员应进行全面安全培训,熟知安全处理和应急程序。

3 蝴蝶结(Bow-Tie)模型

蝴蝶结(Bow-Tie)模型是一种简明且直观展示危险事件演化过程的风险分析方法,包含事故危险源、事故前的缓解措施、顶端事件、事故后的缓解措施和事故结果等[20]的模型。在蝴蝶结模型中,以顶端事件为核心,向左通过事故树来识别危险源,向右通过事件树分析产生的后果,并有针对性地设置屏障进行风险缓解,形成类似蝴蝶形状的分析模型。蝴蝶结模型已经成熟地应用到石油天然气的安全管理中[21],也逐步应用于航空安全领域[22]。

锂电池航空运输系统复杂、安全风险因素多、风险量化难度大,将风险管理的3 个步骤独立化,将不利于风险管控。ICAO 在《飞机货舱安全运行指南》中推荐将蝴蝶结模型用于锂电池航空运输[10],将风险管理中的危险、后果及缓解措施通过直观的图例展示,方便快速查明和管理风险,评估安全屏障的风险缓解能力,尽量降低危险发生的可能性和后果严重性。由此,结合风险分析结果,以锂电池货物的热失控为顶端事件,形成锂电池航空货物的蝴蝶结模型(见图2)。

图2 锂电池货物的航空运输蝴蝶结模型Fig.2 Bow-Tie model of lithium battery by air transportation

以锂电池为危险源,模型左侧模块列出4 种类型的锂电池危险,包括因自身存在质量问题的“缺陷”锂电池、因运输操作失当导致的“破损”锂电池、因申报不当而产生的“灰色”锂电池,以及因外部热源诱发的“飞温”锂电池。在每种锂电池危险源和热失控顶端事件中提出风险屏障/缓解措施,为降低事件发生的可能性提供建议。对于“缺陷”锂电池,应从制造出厂出发,满足质量体系要求并符合国际国内的安全标准;对于“破损”锂电池,应提升运输操作能力和水平,加强收运包装的坚固性和完整性,提高操作人员的履职能力;对于“灰色”锂电池,要提升排查力度,完善安保制度和侦测技术,同时完善信用体系建设和奖惩制度,倒逼货源的规范性;对于“飞温”锂电池,重点在于锂电池的存放,保证锂电池货物的周围环境符合要求。由此,能快速识别危险并采取应对措施,对事件前的预防采取有针对性的缓解措施。

根据运输中事件可能发生的位置,模型右侧区域给出锂电池航空运输中的危险后果,即货舱火情和地面火情,提出相应的风险屏障/缓解措施,为降低事件后果的严重性提供建议。应对锂电池发生热失控引发的火情,需要完善应急操作管理办法、完善和明确人员的安全职责、开发和应用耐火保护设备和灭火材料、提升机上火情应急系统的水平等。通过完善管理能力和技术水平,可提高应对突发情况的能力,降低潜在后果的危害,保障航空运输安全的稳定性。

4 结论

锂电池作为具有固有危险特性的危险品,给航空运输带来巨大挑战,风险管理有助于将风险控制在合理且可接受的水平。本文作者对锂电池航空运输风险管理进行分析和应用。首先,通过对锂电池航空运输事件的统计和分析,发现其主要危害表现为锂电池的冒烟、燃烧、过热,占比高达94%,并梳理了航空运输过程中可能引发锂电池热失控的滥用条件。随后,从危险识别、风险评估和风险缓解等3 个方面分析风险管理在锂电池航空运输中的应用,并从降低危险发生的可能性和降低危险发生后果的严重性两个方面提出相应的缓解措施。最后,以锂电池热失控为顶端事件建立蝴蝶结模型,介绍锂电池航空运输风险的危险源、后果及缓解措施,直观且系统地展示锂电池航空运输风险管理的流程。

随着锂电池产品的技术升级和新技术的发展,不可预见的危险可能带来更多的风险隐患。面对势不可挡的锂电池航空运输发展态势,航空运输相关方可根据各自的管理特点,形成有特色的风险管理体系,同时,根据运行结果保持动态灵活的发展模式。风险管理在航空运输锂电池中的应用,将为航空运输安全提供重要的理论基础和应用实践。