摘要：船舶通常携带便携式气体探测仪，主要用于检测封闭舱室中的有毒和爆炸性气体。本文结合国际公约和实际操作，探讨气体探测仪在货舱火灾风险监测中的应用。
作者：赵庆伟（船长），樊伟伟
船舶通常携带便携式气体探测仪，主要用于检测封闭舱室中的有毒和爆炸性气体。本文结合国际公约和实际操作，探讨气体探测仪在货舱火灾风险监测中的应用。
一、相关公约要求及行业标准
相关海运公约对船舶气体探测仪的配备及气体检测有以下要求：
1. 国际海上人命安全(SOLAS)公约
SOLAS第XI-1/7条，封闭处所气体检测仪，要求船舶配备一台或多台妥当的便携式气体检测仪，能够在进入封闭处所前至少测量氧气浓度、可燃气或蒸汽浓度、硫化氢气体浓度和一氧化碳浓度。
2. 国际海运固体散装货物规则(IMSBC CODE)公约
船舶应配备气体探测仪、温度计和货舱污水 PH 检测试纸，气体探测仪必须能测量甲烷、一氧化碳、硫化氢和氧气浓度。
3. 国标《防止船舶封闭处所缺氧危险作业安全规程(GB16993-2021)》
要求进入船舶封闭处所作业时，氧气浓度始终大于或等于19.5%（按体积比计），且小于或等于23.5%（按体积比计）；有毒有害气体浓度符合GBZ2.1职业接触限值的相关规定；可燃气体浓度小于或等于可燃下限(LFL)的1%。
4. 《经修订的进入船上围蔽处所建议案》(第A.1050(27)号决议)
要求进入封闭空间时测氧仪测得氧气含量在21%及以上；若空间里有潜在的可燃气体或蒸汽，经可燃气体测量仪测得，其含量不超可燃下限1%；有毒气体或蒸汽不得超职业暴露极限(OEL)的50%。
二、探测气体的常见种类
在船舶货运航行中，常见需要检测的气体种类包括氧气、一氧化碳以及潜在的爆炸性气体。以下简要介绍这些气体的危害、安全含量范围以及检测的重要性。
1.氧气
当空气中氧气（O2）浓度低于18%时，被认定为缺氧环境，人体暴露于此环境可能导致一系列健康问题，甚至窒息风险。船舶上进行氧气检测的目的是确认封闭空间内的氧气浓度是否达到安全水平，即不低于21%。在进入任何封闭区域之前，操作人员必须使用氧气检测器检测，以确保该区域内的氧气含量。在火灾事件或火灾酝酿阶段，通过监测氧气含量及其变化，有助于评估舱室内燃烧情况或火灾风险的可能性。
2.有毒有害气体
船舶上常见的有毒有害气体包括硫化氢、二氧化碳、一氧化碳、磷化氢（熏舱产生）等。有毒气体的浓度通常以百万分比（ppm）或毫克/立方米（mg/m3）等单位进行计量。为确保工作人员的安全，规定了这些气体的工作场所接触限值（WELs）。WEL是指空气中某种有害物质在特定时间段内的平均浓度，采用时间加权平均值（TWA）进行计量。通常使用长期（8小时）和短期（15分钟）两个时间段来评估。常见的有毒气体的WEL如下：
气体
8小时 TWA (ppm)
15分钟 TWA (ppm)
硫化氢
5
10
二氧化碳
5000
一氧化碳
30
200
磷化氢
0.1
0.2
3. 可燃气体
可燃气体主要包括甲烷、一氧化碳、硫化氢等，在与空气混合达到一定比例时，遇热源可能发生燃烧，甚至引发爆炸。可燃气体是否会发生爆炸主要取决于其浓度值，通过爆炸下限（LEL：Lower Explosion Limit）和爆炸上限（UEL：Upper Explosion Limit）这两个关键指标进行界定。爆炸下限是指能够引起爆炸的可燃气体在空气中所占体积百分比的最小值；而爆炸上限则是指能够引起爆炸的最大体积百分比。船舶上常见的几种可燃气体的爆炸LEL和UEL如下：
气体
LEL(Vol%)
UEL(Vol%)
硫化氢
4.3
45
甲烷CH4
5
16
一氧化碳
12
75
氢气
4
75
磷化氢
1.8
96
备注：1%VOL=10000PPM（体积份数）
三、常用气体浓度单位及其含义
船舶气体探测中常用气体浓度单位有PPM，%VOL和%LEL等，为了明确其含义与用途，列出以下表格比较说明。
单位
含义
适用场合
例子
PPM
百万分之一，无量纲。
常用于微量有毒有害气体探测的单位。
5ppm的一氧化碳，指的是空气中含有百万分之5含量的一氧化碳。
%VOL
气体体积百分比。
数量级较大。用来描述高浓度气体比例。
5%VOL指的是特定气体在空气中的体积占5%。
%LEL
可燃气体爆炸下限的百分比。
用于可燃气体含量的描述，便于安全评估和控制可燃气体浓度。
10%LEL指的是达到了气体爆炸下限浓度的10%。如甲烷的爆炸下限是5%VOL，所以10%LEL的甲烷气体浓度为：10%LEL=0.5%VOL。
四、气体探测仪的传感器类别
对于不同气体的检测，检测仪所采用的传感器技术也会有所不同，包括电化学传感器、红外传感器、半导体传感器等。列出以下表格，以说明常用的传感器功能与使用方法。
传感器
探测气体
浓度显示单位
电化学传感器
O2、CO 和H2S等。
通常以百万分之一 (ppm) 或体积百分比 (%.vol)
化学传感器使用过程中易饱和，饱和的传感器暴露于新鲜空气或重新校准后可以恢复正常。然而，如果长时间处于饱和状态，传感器可能会损坏，因此需要及时检查或更换。
催化燃烧传感器
可燃气体或蒸汽
通常以% LEL（甲烷爆炸下限）为单位。
催化燃烧传感器原理是借助于可燃气体的燃烧，将产生的热能转为电信号工作，需要富氧环境中(>10%)才可正常工作，但传感器无法区分可燃气体或蒸汽种类。通常以甲烷进行校准，如果同时存在其他可燃气体，探测结果不够准确。催化燃烧器暴露于高浓度的碳氢化合物时，易因饱和而损坏。
红外 (IR)传感器
碳氢化合物气体
通常以% LEL（甲烷爆炸下限）为单位
不依赖于燃烧反应进行检测，能在贫氧环境中可靠运行，但对氢气、乙炔检测无效。
在选择船舶气体检测仪时，需要特别注意检测仪的量程。举例来说，在CO检测中，如果某气体探测仪的最高探测浓度为1000 ppm，在超过这个数值时将会触发超量程（OL）警报，此时需要更换具有更高量程的探测仪以满足检测需求。
船舶的部分气体探测建议选择的量程如下：氧气：0-30%VOL；硫化氢：0-100PPM；一氧化碳：0-10000PPM；可燃气体：0-100%LEL。
五、煤炭运输的气体探测
在煤炭运输过程中，船舶面临的主要风险包括煤炭自燃和可燃气体（尤其是甲烷）的产生。为了有效应对这些风险，选择性通风和气体检测至关重要。IMSBC Code明确规定，船舶必须配备能够测量甲烷、一氧化碳、硫化氢和氧气浓度的监测装置。
1. 选择性通风
在煤炭运输过程中，通风及通风方式的选择取决于煤炭的类型。对于非自燃但会释放甲烷(emitting methane)的煤炭，应当采用并保持表面通风，除非有明确规定要求密闭运输。对于自热型(self-heating)煤炭，只允许在清除甲烷积聚所需的最短时间内进行自然表面通风。
2. 关于气体含量变化趋势的检测
煤炭运输中预防火灾、爆炸等情况，不只是检测气体的含量，记录各种气体含量的变化趋势尤为重要，通过气体含量的变化趋势可以判断煤炭的反应情况，如下表所述。
气体
气体含量变化趋势及意义
O2
煤炭氧化自热会导致仓内氧气含量下降，自燃发生时反应速率加快，氧气含量的减少速率进一步加快。如果24小时内氧气含量迅速下降，通常意味着货物已经发生了自热。
CO
Ø对于易自热或长期不当存放的煤炭，如果完货没有通风，由于自身的氧化作用，容易出现较高的CO含量。
Ø在煤炭装载初期的前24小时内，由于装运过程中的翻倒，CO含量通常难以被检测到。在运输过程中，若检测到微量CO上升，表明煤炭开始氧化反应，可作为自燃早期预警信号。
Ø一旦自燃发生，在初始自热阶段，随着时间和温度的增加，CO生成速率将迅速增加。随着进入剧烈燃烧阶段，由于燃烧反应迅速而充分进行，CO浓度可能会略有下降。
Ø相关研究指出，燃烧阶段的CO含量变化与氧气浓度密切相关。当氧气含量高于7%时，CO生成量显著减少，同时氧气快速消耗。当氧气含量降至7%以下时，由于煤炭燃烧不完全，CO生成量大幅增加；当氧气含量进一步降至5%以下时，CO生成率趋于零。
LEL
Ø使用电化学传感器监测时，需要保证氧气浓度在10%以上，以确保测量结果的准确性。
Ø在未发生自热的情况下，当检测到超过20%LEL的可燃气体，主要为煤自然析出的甲烷，应进行额外的表面通风。
Ø如果发生自热，即使超过规定的20%LEL，也不应通风，以避免氧气进入并引发爆炸。
Ø对于煤炭运输而言，只要保持氧气浓度在12%以下，即使可燃气体超过100%LEL，仓内通常不会存在爆炸风险。
六、板材类货物运输过程中的气体探测
1. 板材燃烧的特性
板材热分解主要生成固体炭、焦油和气体。其中，固体炭约占15%，水和焦油等液体占65%，气体占20%。气体部分除了二氧化碳外，还包括一氧化碳、甲烷、乙烷和甲醛等易燃物质。单板燃烧时分解出的可燃性焦油和可燃性气体是产生有焰燃烧的根源，而固体炭是产生阴燃的根源。
在海上运输中，常用的板材类型主要包括胶合/密度板等。以胶合板为例，由于其原材料成分及制作工艺的特点，展现出明显的燃烧特性。首先，胶合板的燃烧速度较快，这主要是因为其表面通常涂覆有胶粘剂或涂料，这些物质在燃烧过程中能够促进火焰的传播，从而加快燃烧速度。其次，胶合板在燃烧过程中能产生较高的温度，这可能会导致火势迅速蔓延和火灾的扩大。最后，木胶合板常用的胶水类型包括酚醛胶、三聚氰胺胶和脲胶，这些材料在燃烧时会释放大量浓烟和有毒气体，对环境和人体健康构成威胁。
2. 板材货仓火宅时气体的变化趋势
当板材货仓内发生火灾时，在初期阶段，船员通常采用水或灭火器进行灭火。若火势无法得到有效控制，较为理想的处理方式是关闭舱盖并迅速向内充注二氧化碳。在重新开启舱盖之前，可以通过监测仓内气体的变化趋势来判断火势是否已被完全扑灭或是否存在阴燃现象。下表列出了此过程中各种气体含量的变化趋势，可供参考。
气体
气体含量变化趋势及意义
O2
Ø当货仓内板材发生火灾初期，反应速率较高，导致氧气被快速消耗，其浓度迅速下降。当氧气浓度降至极限氧浓度（LOC）以下时，燃烧将逐渐停止，氧气的消耗速率显著减缓，最终浓度趋于稳定。
Ø若在此过程中进行了二氧化碳（CO2）充注，由于其稀释效果，仓内氧气浓度也会急剧下降。
CO
Ø当货仓内氧气充足时，板材的燃烧过程较为完全，主要生成二氧化碳，同时一氧化碳的浓度保持稳定。
Ø然而，当仓内氧气不足时，板材的燃烧将变得不完全，导致一氧化碳的生成量增加，其浓度逐渐上升，这表明可能存在阴燃现象。
Ø当仓内一氧化碳与氧气的浓度最终均趋于稳定时，这通常意味着火势已被熄灭或得到有效控制。
H2S
胶合板中所含化学装饰材料在燃烧时将释放硫化氢气体（H2S）。因此，货仓内硫化氢浓度的升高也可作为火灾发生的预警指标。
LEL
木材燃烧是一个复杂的过程，通常可分为四个主要阶段：干燥和预热阶段、热解阶段、燃烧阶段以及余烬阶段。
Ø在热解阶段中，随着温度升至约150°C至300°C，木材开始经历热解过程，此时会释放大量可燃挥发性物质，如一氧化碳、甲烷、乙烯等可燃气体，其浓度显著增加，可通过探测设备监测到这些可燃气体的存在。
Ø进入燃烧阶段，当温度超过300°C时，之前释放的可燃气体开始燃烧，产生明亮的火焰，并迅速将温度推升至600°C或更高。此时，可燃气体的浓度会短暂下降。随着氧气的逐渐消耗，燃烧速率开始减缓，此时释放的可燃气体量超过其被燃烧消耗的量，导致可燃气体浓度再次上升。同时，由于不同可燃气体的燃点和密度差异，其组成比例也会持续变化。
Ø当氧气极度缺乏时，燃烧活动将停止，木材进入余烬阶段。在此阶段，尽管火焰已经消失，木材仍能保持较高的温度（约400°C至500°C），继续分解并产生可燃气体，其含量将维持在较高水平，直至系统冷却或进行外部通风。
备注：以上所述关于气体检测的结果及其解释来自相关法规/行业指南和实务，仅供大家参考。在进行火灾预警及应对火灾发生的情况时，应依据具体环境条件，结合多种检测技术，参考公约并咨询火灾专家的建议，实施严格和慎重的处理策略。
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来源：小象科技园地
