艦艇火災危險性評估研究

李明宸，董文洪，趙元立

（海軍航空工程學院 a.研究生管理大隊；b.指揮系，山東 煙臺 264001）

火災是危害艦艇安全的一項重大隱患，相當多的事例已經(jīng)說明我們需要對艦艇火災的危險性有清醒的認識，才能在意外發(fā)生后做出及時正確的處置。國內(nèi)外就火災危險性的研究已經(jīng)達到了一定高度，取得了相當?shù)某晒?，但研究多集中在對陸地建筑火災的評估上，針對艦艇火災的危險性評估由于先前認識不足，加之研究試驗成本過高等原因并沒有大面積的開展，直到上個世紀80年代英國最先進的“謝菲爾德”號驅逐艦因火勢蔓延而沉沒，這一事件使得各國意識到開展對艦艇火災危險性評估的重要性。

經(jīng)過多年的發(fā)展，國際上目前已經(jīng)形成了幾類常用的艦艇火災危險性評估方法：安全表法、火災模化法和綜合評估法等。國內(nèi)的研究起步較晚還沒有形成完整的艦艇火災危險性評估體系，對艦艇火災模型的研究主要是在成熟的建筑物火災模型的基礎上進行改進完善，尚存在許多問題有待進一步的研究[1]。本文所用到的艦艇火災階段危險性評估模型就是這樣一種建筑火災模型在艦艇環(huán)境下的改良應用。會議室是艦艇生活艙室中布局最典型的一類，所以本文以某型艦艇會議室火災為例，用以說明火災階段危險性評估模型的適用性。

1 火災階段危險性評估模型

對火災危險性進行階段評估，可以明確具體艙室在發(fā)生火災后不同階段的燃燒和損失情況，同時也為消防方案預案的制定提供相應的依據(jù)，為平時的消防安全管理工作提供參照。

1.1 火災發(fā)展階段劃分

艦艇火災從發(fā)生、發(fā)展、蔓延的角度講可以被劃分為6個階段：

階段1是指從著火到能夠被艦艇內(nèi)人員使用滅火器撲滅的階段。

階段2是指艦員使用滅火器撲救失敗，導致火勢繼續(xù)發(fā)展的階段。

階段3是指艦員使用消防栓滅火失敗，火災沒有得到遏制而繼續(xù)發(fā)展到轟燃的階段。

階段4是指轟燃后起火艙室內(nèi)所有可燃物都開始燃燒，由于起火艙室分隔墻和防火門的作用使得火被限制在起火艙室內(nèi)的階段。

階段5是指火災持續(xù)時間超過分隔墻或防火門的耐火時間，導致火災蔓延至相鄰艙室的階段。

階段6是指火勢已經(jīng)蔓延至起火艙室所在的整個防火分區(qū)。

1.2 臨界時間確定

1.2.1 階段1的臨界時間

由于到達轟燃之前火災的熱釋放速率是隨時間呈指數(shù)型增長的，即：

根據(jù)有關研究[2]認為，在火源的熱釋放速率沒有超過950 kW的時候，火災可以被滅火器撲滅，此時就是階段1的臨界時間：

式中，火災成長因子：

其中：fα為可燃物載荷密度影響因素；mα為內(nèi)墻面裝修材料可燃等級因素。

如果熱釋放速率達到950 kW的時間長于煙氣層高度下降到對人體構成危險的時間，則臨界時間應取小者：

1.2.2 階段2的臨界時間

煙氣層溫度為：

式中：Z為煙氣羽流離地面高度；Z0為火源的高度；Ta為Z 高度處周圍空氣的絕對溫度；ρa為Z 高度處空氣密度；Cp為Z 處的空氣比熱；Qc為火源總熱釋放速率Q的對流部分，Qc=0.7Q；C5為常數(shù)等于9.1。

煙氣層高度方程為：

式中：wA為艙室開口面積。

階段2的臨界時間指火災環(huán)境達到可對艙室內(nèi)人員造成嚴重傷害的臨界危險狀態(tài)時間。

1.2.3 階段3的臨界時間

影響轟燃的因素主要有房間的面積、房間通風等，一般認為煙氣層溫度達到600℃是發(fā)生轟燃的臨界溫度[3-4]，艙室轟燃的臨界熱釋放速率可表達為：

式中：TA為著火艙室總面積；Hw為開口高度。

將式(1)與式(9)聯(lián)立就可得出階段3的臨界時間Tph3。

1.2.4 階段4的臨界時間

一般選取隔墻或門的極限耐火時間作為這一階段的臨界時間Tph4?？梢酝ㄟ^比較火災持續(xù)時間 tdur與Tph4的大小來確定火災是否會發(fā)展到下一階段。

當tdur＞Tph4時火勢會蔓延到臨近的艙室，此時的火災發(fā)展將進入到階段5。

1.2.5 階段5、6的臨界時間

階段5的臨界時間是指火勢已經(jīng)蔓延出起火艙室并引燃四周相鄰艙室所用時，此時可以認為分區(qū)內(nèi)火勢已經(jīng)失控，人員需要撤離出防火分區(qū)，并封閉分區(qū)施放滅火劑。

階段6的臨界時間是指火災使整個分區(qū)轟燃的時間。

1.3 預計燒毀面積

火災對艦艇的損害能夠直接的通過燒毀面積表示，下式就是火災發(fā)展各個階段燒毀面積的表達式：

2 模型計算

現(xiàn)以某艦會議室為例進行火災階段危險性評估。由于階段5、6過程相當復雜，這里只就階段1～4 進行評估計算。

2.1 艙室介紹

會議室長7.0 m，寬4.2 m，高2.8 m，面積29.4 m2，房間內(nèi)物品數(shù)量和單位熱值見表1：

表1 會議室物品及其單位熱值表

另外艙室有鑲嵌玻璃的鋁合金對開門（并非防火門），高為1.8 m、寬為1.2 m；3 扇舷窗，每扇面積0.9 m2；且室內(nèi)沒有安裝火警報警系統(tǒng)和消防滅火系統(tǒng)。

2.2 火災階段危險性評估

由式(6)得火災載荷密度 q=506.46 MJ/m2，αf=0.083 66 kW/s2，取墻面裝修材料等級為A級[2]，則α=0.087 16 kW/s2，屬于快速型火災[5]。將式(1)與式(10)聯(lián)立，參數(shù)取 AT=121.52 m2，Aw=2.43 m2，Hw=1.8 m。得熱釋放速率隨時間變化：

上式中取λ=0.089 58，t降=156 s，熱釋放速率隨時間的變化曲線如圖1所示。

圖1 會議室火災熱釋放速率曲線

階段1時：t950=104.4 s。

階段2時：將式(1)和式(7)聯(lián)立，且取aT=294 K，g=9.8 m/s2，aρ=1.161 4 kg/m3，Cp=1.007 kJ/kgK，Z=2.8 m，Z0=0.5 m，得煙氣層溫度隨時間變化：

煙氣層溫度隨時間變化曲線如圖2所示。

圖2 會議室火災煙氣溫度曲線

由相關規(guī)定可知，機械通風在此種艦艇上是被禁止的，所以式(8)中Ve項為0，且可以近似將ρs值取為aρ，得煙氣層高度隨時間變化：

煙氣層高度隨時間變化曲線如圖3所示。

當煙氣層降低到人眼的危險高度Z=1.5 m時，用時 theight=12.33 s。顯然，theight＜t950，則Tph1=theight=12.33 s，那么Tph2=t950=104.4 s，且Tph3=158.157 s。

艙室內(nèi)大部分可燃物為木材、纖維板、膠合板，其單位熱值為17～20 MJ/kg，取平均值18.5 MJ/kg可得火災載荷 qf=27.376 kg/m2，那么 tdur=44.7 min。由于會議室的門是嵌有玻璃的，玻璃在房間發(fā)生快速火災轟燃30～60 s后會破裂[5]，這里，T耐火=60 s。則Tph4=Tph3+T耐火=2 18.157 s＜tdur，階段4后期高溫煙氣將會通過破碎的門玻璃使火勢蔓延出艙室。

圖3 會議室火災煙氣層高度曲線

根據(jù)上面計算結果，Tph4時火災蔓延出艙室，燒毀面積就是艙室面積 29.4 m2，由式(12)得ν=0.014 m/s，從而可得各階段臨界時間和預計燒毀面積的表格和曲線形式如表2、圖4所示：

表2 臨界時間和燒毀面積

圖4 會議室火災預計燒毀面積曲線

3 評估結果分析

上述計算作為危險性評估的一個部分提供了火災發(fā)展的可能狀態(tài)，評估工作更為重要的部分則是針對可能出現(xiàn)的狀態(tài)給出用以降低危險的相應解決辦法，從而為以后艦艇的消防安全管理工作提供根據(jù)和指導。

式(1)中的t0是指火在有效燃燒之前的時間，也即火警系統(tǒng)的報警時間，經(jīng)統(tǒng)計認為此時間在60 s左右[2]。然而這一會議室并沒有安裝火警報警系統(tǒng)，火警警報只能由艦員發(fā)出，而艦員發(fā)現(xiàn)火情的時間又不定，在對該艦火災響應時間作規(guī)定時應該以有火警系統(tǒng)的響應時間而定，即損管隊員應該在響應時間 ta≈t0+t950=164.4 s=2.74 min（這里取整數(shù)），也就是ta=2 min 之前攜裝趕往起火艙室滅火。

本案中會議室沒有消防滅火系統(tǒng)，導致在火災階段3中不能夠通過滅火系統(tǒng)將火勢控制住甚至熄滅。因此早在聽到火警報警之初，就應該有艦員分別備便消防泵和水龍帶，在火災階段1 用滅火器救火不奏效后馬上換用水龍帶滅火，而不應該再死板地照搬程序步驟，以爭取在火災發(fā)展到階段2的臨界時間 t950之前控制住火勢。

而如果會議室預裝有滅火系統(tǒng)，比如裝有噴淋系統(tǒng)時火災的熱釋放速率將會以另外一種形式呈現(xiàn)。根據(jù)NIST給出的一個計算具有自動水噴淋系統(tǒng)的單室內(nèi)火災熱釋放速率的方法：

在水噴淋強度w′=8 L/min?m2=0.133 mm/s，系統(tǒng)動作時間為tact=120 s的熱釋放速率曲線如下圖粗虛線部分，可見滅火系統(tǒng)對發(fā)展到轟燃之前的火災有顯著的抑制作用，如圖5粗虛線部分所示。

圖5 噴淋作用下的火災熱釋放速率曲線

火災發(fā)展到轟燃之后由于Tph4＜tdur火災會在燒毀室門后蔓延到通道。根據(jù)文獻[6]火災已蔓延至臨艙的判據(jù)為：

1）起火艙室煙氣層的最高溫度 θmax≥480℃；

2）鄰艙煙氣層的最高溫度tθ ≥220℃。

可以認為如果不采取措施，在艙室火災達到轟燃之前，火勢就已經(jīng)通過高溫隔墻的輻射作用蔓延至臨艙了。所以在滅火過程中要及時對相鄰艙室的墻壁進行冷卻以減少火災蔓延的可能。

情況1：在其他艙室門都關閉的情況下，也就是無人冷卻臨艙，高溫會通過艙壁在Tph4之前就將臨艙引燃。

情況2：在有人冷卻臨艙的情況下，臨艙防火門將打開，高溫煙氣會通過通道進入臨艙，由火災蔓延的判據(jù)此時的Tcp=862.614℃將使tθ ≥220℃，也會使臨艙著火。

情況3：在人員努力地為臨近艙室甲板降溫后，起火室通道對面的艙室由于通道頂棚的燃燒即便有防火門的情況下仍然會通過鋼制隔墻導入大量的熱，使其室內(nèi)溫度逐漸大于著火的臨界條件，最終室內(nèi)可燃物也將被引燃。

通過以上情況的分析，我們了解到，一旦會議室著火如果火勢不能夠在Tph2=t950=104.4 s 之前得到有效控制，那么火災一定會通過轟燃過程得以蔓延，并進而發(fā)展成為能夠燒毀整個防火分區(qū)危害全艦安全的大火[7]。

4 結論

1）要求會議室火警響應時間短。要求艦艇的火警響應時間 ta足夠短，經(jīng)上述分析要求 ta≤2 min。

2）會議室也應該裝有火警監(jiān)控系統(tǒng)。建議安裝紅外成像報警器或其他非煙感報警器以提高火災撲救的成功率。

3）會議室應該裝有滅火系統(tǒng)。若能及時封艙并啟動滅火系統(tǒng)，火勢將會得以控制甚至是能夠熄滅。

4）艦艇的艙室門都應該使用防火門。在冷卻工作做得足夠好的情況下，墻壁和門的耐火性就決定了火災是否會發(fā)展蔓延到其他艙室，0.9 h的耐火時間也能夠使火災限制在本艙室而不向外蔓延。[8]

5）人員應該加強針對性的消防演練訓練。演練要有針對性，對于會議室的快速型火災要注重滅火效果。

[1]盧悅,遲衛(wèi),石侃.船舶火災危險性評估技術現(xiàn)狀與研究展望[J].中國航海,2008,9(3)∶272-275.

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[5]BSI DD240.Fire Safety Engineering in Buildongs[S].London British Standards Institution,1997.

[6]蔡一輪,浦金云.多種武器攻擊下艦艇火災危險性評估模型[J].海軍工程大學學報,2004,16(1)∶99-102.

[7]馬明初,楊志青,仲晨華.用區(qū)域模擬方法評估艦艇火災危險性[J].武漢理工大學學報,2006,30(3)∶512-515.

[8]劉合發(fā),劉坤,李云霞,等.消防安全基礎讀本[M].北京∶中國石化出版社,2009.