趙?。ê\婑v上海地區(qū)艦炮系統(tǒng)軍事代表室 上海 200135)
凌純(海軍駐江南造船(集團(tuán))有限責(zé)任公司代表室 上海 201913)
艦船艙室防火設(shè)計(jì)研究
趙?。ê\婑v上海地區(qū)艦炮系統(tǒng)軍事代表室 上海 200135)
凌純(海軍駐江南造船(集團(tuán))有限責(zé)任公司代表室 上海 201913)
結(jié)構(gòu)防火;防火分隔;大型艙室
主要研究艦船的防火設(shè)計(jì),著重于艦船大型艙室在進(jìn)行防火設(shè)計(jì)時(shí)所遇到的防火分隔設(shè)置這一問題。主要目的是對(duì)大型艙室的防火分隔進(jìn)行設(shè)計(jì),通過火災(zāi)模擬程序模擬計(jì)算,提出最優(yōu)設(shè)計(jì)方案,使防火費(fèi)效比達(dá)到最佳。
對(duì)于艦艇來說,威脅其生命力的一個(gè)極重要因素就是艦船火災(zāi)。不論在和平時(shí)期還是戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)期,火災(zāi)都是艦船面臨的主要危險(xiǎn)之一,它嚴(yán)重危及艦船的安全和艦員的生命。以1982年英阿馬島海戰(zhàn)為例,海戰(zhàn)中,阿軍向英軍艦船共發(fā)射了五枚導(dǎo)彈,其中有4枚命中,都引起了火災(zāi)。按命中導(dǎo)彈數(shù)計(jì)算,起火概率高達(dá)100%。而且英軍損失的五艘軍艦中有四艘就是由于火災(zāi)原因造成的。資料表明,艦船遭破壞的類型已從二次世界大戰(zhàn)中的以不沉性的喪失或減少為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐曰馂?zāi)爆炸為主,艦船防火防爆在艦船生命力諸要素中已成為主要矛盾;良好的防火防爆性能已成為艦船安全性能的重要保障。
本文針對(duì)艦船防火設(shè)計(jì)中大型艙室的分隔問題展開研究,簡(jiǎn)要介紹了艦船防火設(shè)計(jì)的一般原則和方法,分析了艦船火災(zāi)不同于陸地火災(zāi)和一般民用船舶火災(zāi)的特點(diǎn),提出了艦船防火設(shè)計(jì)最基本的原則——結(jié)構(gòu)防火,最后以某型艦船艙室的防火分隔設(shè)計(jì)為例,介紹了艦船大型艙室進(jìn)行防火分隔設(shè)計(jì)的一般方法和步驟。
控制艦船火災(zāi)的根本方法是加強(qiáng)艦船的消防能力,標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定:艦船本身應(yīng)具有的防止起火、起火后能即時(shí)探測(cè)報(bào)警并撲滅火災(zāi)、在火災(zāi)中人員能自防自救等能力,即艦船的消防能力。具體的說,艦船消防能力應(yīng)包括以下六個(gè)方面:防火能力;防爆能力;探火報(bào)警能力;滅火能力;排煙能力;人員消防防護(hù)能力。在這六個(gè)方面中,最重要的是艦船的防火能力。
艦船的消防能力主要體現(xiàn)在艦船防火設(shè)計(jì),艦船消防工作所應(yīng)遵循的總原則是“以防為主、消防結(jié)合”,這是人們長(zhǎng)期以來與火災(zāi)作斗爭(zhēng)的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。具體到艦船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面,就主要是艦船防火結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。防火結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)遵循下列原則:
(1)防火結(jié)構(gòu)布置的合理性;
(2)防火結(jié)構(gòu)防火的有效性;
(3)防火結(jié)構(gòu)要具有良好的可靠性和維修性;
(4)防火結(jié)構(gòu)的設(shè)置要有利于各武器系統(tǒng)戰(zhàn)斗力的發(fā)揮;(5)防火結(jié)構(gòu)的設(shè)置要有利于艦船人員的保護(hù);(6)防火結(jié)構(gòu)的設(shè)置應(yīng)對(duì)艦船其他性能的影響最小。
規(guī)范和規(guī)則對(duì)海上人命安全,或者說對(duì)于防止船舶海難,主要是從預(yù)防、抑制和逃生三個(gè)方面提出要求。當(dāng)然,這其中最重要的應(yīng)是防患于未然的預(yù)防措施,即指船的總體性能(包括穩(wěn)性、耐波性及操縱性)、船體強(qiáng)度和機(jī)電設(shè)備的可靠性能等。在預(yù)防火災(zāi)的眾多措施中,最為有效和廣泛應(yīng)用的就是結(jié)構(gòu)防火方法。國內(nèi)外關(guān)于艦船消防理論的研究和大量艦艇火災(zāi)統(tǒng)計(jì)資料表明:在艦船上采用結(jié)構(gòu)防火方法是預(yù)防和控制船舶火災(zāi)行之有效的科學(xué)方法。《國際海上人命安全公約》從1914年制定起,歷經(jīng)1948、1960到現(xiàn)行的1974年公約及其1981、1983年修正案,每次都把船舶結(jié)構(gòu)防火列為重要內(nèi)容。所謂結(jié)構(gòu)防火方法,簡(jiǎn)單的說,就是在艦船上用防火材料建立起耐火分隔,使火災(zāi)無法蔓延進(jìn)而撲滅的方法,這也是艦船防火設(shè)計(jì)的最基本原則。
隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,中國年輕人的思想道德建設(shè)也面臨著巨大的挑戰(zhàn)。青少年在學(xué)習(xí)傳統(tǒng)文化的過程中,可以從古人先進(jìn)的思想文化中汲取先進(jìn)的知識(shí)完善自己的知識(shí)系統(tǒng)。當(dāng)代社會(huì),青少年的學(xué)業(yè)壓力過大,忽略了對(duì)自身思想道德和價(jià)值取向的建設(shè)。接受傳統(tǒng)文化的教育與熏陶,不僅可以開拓視野,增加知識(shí)面,在豐富青少年精神內(nèi)涵的同時(shí)也提高了思想境界。
本文研究的是艦船艙室的防火問題,主要集中在結(jié)構(gòu)防火方面。由于現(xiàn)行規(guī)定一方面要求不全面,不能很好地支持實(shí)際的艦船設(shè)計(jì)與制造;另一方面其本身指標(biāo)規(guī)定缺乏充分的依據(jù)。另外,現(xiàn)行規(guī)范對(duì)某些新型裝備并無明確的規(guī)定,或其規(guī)定本身是借鑒民用船舶的設(shè)計(jì)規(guī)范,對(duì)軍用艦船的指導(dǎo)性不強(qiáng)。本文主要針對(duì)最后一種情況,就某些新型艦船大型艙室的防火分隔問題展開討論,以期有助于實(shí)際設(shè)計(jì)中對(duì)大型艙室的防火分隔設(shè)計(jì)。
大型艙室的防火設(shè)計(jì)重點(diǎn)和難點(diǎn)在于:一方面,軍用艦船本身具有不同于陸地火災(zāi)和民用船舶火災(zāi)的特殊性;另一方面,大型處所的防火分隔問題一直就是困擾消防設(shè)計(jì)人員的一個(gè)難點(diǎn)問題。兩方面的要求結(jié)合起來,就要求我們?cè)谠O(shè)計(jì)前首先要仔細(xì)分析軍用艦船使命任務(wù)、火源載荷、活動(dòng)環(huán)境、自身結(jié)構(gòu)等特征對(duì)防火有何影響;其次要重點(diǎn)分析大型密閉環(huán)境下,艙室內(nèi)溫度上升、煙氣流動(dòng)等火災(zāi)特性;最后,在設(shè)計(jì)中還要隨時(shí)注意借鑒民用消防新技術(shù)、新材料、新方法的應(yīng)用。
艦船火災(zāi)的發(fā)生、發(fā)展是與艦船的活動(dòng)環(huán)境及自身結(jié)構(gòu)特征密不可分的,因此,有必要先對(duì)艦船的上述兩方面特性有所了解,并考察一下這些結(jié)構(gòu)特征對(duì)艦船的防火性能有何影響。
艦船是海軍最重要的裝備,是航行在茫茫大海上的活動(dòng)戰(zhàn)斗平臺(tái),其活動(dòng)環(huán)境不外乎兩種狀態(tài)(見表1)。
表1 船舶的狀態(tài)
資料顯示[1],艦船從戰(zhàn)斗航行一直到進(jìn)廠大修,都很容易遭受火災(zāi)的威脅。盡管航行途中,艦船的物質(zhì)條件具有最高等級(jí)的被動(dòng)式防火性能,但由于航行時(shí)條件惡劣,在風(fēng)浪及各種因素的聯(lián)合作用下,發(fā)生火災(zāi)的可能性還是很大。而在船廠大修時(shí),盡管船廠采取了額外的防火措施,但由于各種人員、環(huán)境的意外因素,船舶還是特別容易發(fā)生火災(zāi)。
艦船作為水上活動(dòng)平臺(tái),為了適應(yīng)航行的需要,其外形特征有一些不同于一般結(jié)構(gòu)物的顯著特點(diǎn):船體首部尖瘦,線形變化較大,體積、空間狹?。淮w中部肥大,一般布置有較高的船樓,因此甲板層數(shù)較多;船體尾部趨于平坦,線形變化不大。船體外形的這些特點(diǎn)決定了在防火設(shè)計(jì)時(shí),就必須考慮各部份的不同特點(diǎn)和防火要求,采用不同的防火分隔方法。
綜合艦船各方面的特征,全面考慮對(duì)艦船防火性能的利弊,對(duì)一些艦船的特殊結(jié)構(gòu)、特殊艙室有如下分析:
(1)艦船火災(zāi)中一個(gè)很重要的類型就是密閉艙室的火災(zāi),這是由艦船艙室的水密性能所決定的。因此,對(duì)艦船密閉艙室的火災(zāi)過程及防治方法的研究就顯得極為重要。文獻(xiàn)在這一方面給出了詳盡的計(jì)算模型和結(jié)果[2]。目前對(duì)于艦船密閉艙室的火災(zāi)撲救方法主要就是利用艙室密閉性好的特點(diǎn),采取相應(yīng)的措施。具體實(shí)施方法是,在火災(zāi)發(fā)生和發(fā)展的一定階段,關(guān)閉全部通風(fēng)口并施放滅火劑,抑制并最終撲滅火災(zāi);
(2)大型艙室的防火。艦船的機(jī)艙部分,在作用上是全艦的動(dòng)力中心,在結(jié)構(gòu)上則體現(xiàn)典型大型艙室的特征。對(duì)某些特殊用途的艦船,也需要在防火主豎區(qū)內(nèi)提供一個(gè)較大面積的艙室。大型艙室的防火設(shè)計(jì),歷來是艦船防火設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。但這方面的內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)中沒有明確的規(guī)定,只是概括的說:“不滿足防火主豎區(qū)劃分要求的艙室,應(yīng)以縱艙壁作為防火區(qū)限界面,或采用經(jīng)海軍定貨部門同意的能控制和限制火災(zāi)的其他等效設(shè)施來代替?!边@就為執(zhí)行規(guī)定提出了難度。如何設(shè)計(jì)才能既滿足海軍訂貨部門的同意和規(guī)范的要求,又能盡可能利用最優(yōu)化方法來完成設(shè)計(jì)方案。這方面目前還處于探索階段,因此,這也是本文著重論述的方面。
某型艦船共設(shè)置有三類大型艙室,其中最大艙室總面積達(dá)2 000多平方米。如此巨大的艙室,大大超過了標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于艦船防火主豎區(qū)設(shè)置的要求。但是,由于艙室功能的特殊性,我們?cè)谶M(jìn)行消防設(shè)計(jì)時(shí),不可能在艙室內(nèi)設(shè)置防火限界面以滿足防火要求,這就要求我們對(duì)大型艙室的防火設(shè)計(jì)提出新的設(shè)計(jì)方案。具體來說,大型艙室結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)的重點(diǎn)就是:在不破壞艙室整體性的前提下,設(shè)計(jì)有效、安全、價(jià)廉、可行的防火分隔,最大可能地減少火災(zāi)引起的危害。
大型艙室因其結(jié)構(gòu)方向的特點(diǎn),在火災(zāi)發(fā)生時(shí),往往有著特殊的危險(xiǎn)性,會(huì)給滅火工作帶來極大的困難。如:長(zhǎng)度特別長(zhǎng)或高度非常高;大空間內(nèi)空氣量多,火災(zāi)可能性大;相鄰艙室起火時(shí),大空間內(nèi)氣體會(huì)與燃燒艙室內(nèi)煙氣發(fā)生交換,等等。因此研究大型艙室的防火防煙分隔具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
目前,大型處所的防火分隔在民用大型建筑中得到較多的應(yīng)用,其主要方法有:鋼質(zhì)(復(fù)合)防火卷簾分隔、無機(jī)布基防火卷簾分隔、水幕分隔、氣幕分隔等。本節(jié)所要做的工作就是在這些防火分隔方法中,通過計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算,找到最適合艦船大型艙室的方法。
如前所述,該型艦船內(nèi)共設(shè)置有三類大型艙室。下面就以其中一類艙室為例,簡(jiǎn)要介紹一下大型艙室防火分隔設(shè)計(jì)的主要方法和步驟。
在進(jìn)行防火設(shè)計(jì)之前,首先要考慮設(shè)計(jì)的可行性。艙室的防火設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于可供選擇的分隔方案受到艙室結(jié)構(gòu)的很大限制。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)可知,某型裝備的頂端距艙室頂部的余量?jī)H有20 cm。在這20 cm的空間內(nèi),布置鋼質(zhì)、無機(jī)布基防火卷簾都是不可能的了,因此,最可行的分隔方案就是設(shè)置水幕分隔。這里主要比較的是艙室不加水幕分隔和加水幕后兩種方案的優(yōu)劣。
艙室的防火分隔設(shè)計(jì),考慮到結(jié)構(gòu)可行性,只有設(shè)置水幕分隔。為了保證某型裝備完全處于獨(dú)立的防火區(qū)內(nèi),所以擬沿艙室的長(zhǎng)度方向設(shè)置三道水幕,把艙室均分為四部分。(布置圖見圖1)
圖1 ××艙室分隔示意圖
圖1中水幕的具體位置為:第一道,99#肋位前200 mm處;第二道,131#肋位處;第三道,163#肋位后200mm處。
在開始模擬計(jì)算前應(yīng)先設(shè)置模擬方案,為了增加比較的普遍性,我們準(zhǔn)備設(shè)置三種起火方案(包括單艙起火和兩艙起火)。方案1,假設(shè)Ⅰ艙為起火源;方案2,假設(shè)Ⅱ艙起火;方案3,Ⅰ、Ⅱ同時(shí)起火。通過比較3項(xiàng)方案對(duì)起火艙、相鄰艙的上層氣體、下層氣體、煙氣流動(dòng)的影響的效果不同,說明水幕分隔對(duì)熱量、煙氣阻隔的優(yōu)點(diǎn)。
大型艙室的模型比較簡(jiǎn)單,即一個(gè)方腔,周圍艙壁上有門窗或其他開口與外界相通,其中設(shè)置可燃物、起火源,采用區(qū)域模擬的方法計(jì)算方腔內(nèi)火災(zāi)發(fā)展蔓延情況。大空間艙室火災(zāi)過程是一個(gè)三維非定常問題,可抽象為矩形空間內(nèi)的燃燒所引起的自然對(duì)流問題。其空間結(jié)構(gòu)可簡(jiǎn)化如圖2。
圖2 大空間艙室起火模型示意圖
針對(duì)艙室的特點(diǎn),選取的計(jì)算條件如下:
艙壁的導(dǎo)熱系數(shù):λ=48W/(m℃)
火源最大釋熱速率:Q=2.21×107kW
可燃物(油料)燃燒熱:q=4.42×107J/kg
鋼材密度:ρ=7 854 kg/m3
本文所用的火災(zāi)模擬計(jì)算程序是由美國國家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究所(National Institute of Standards and Technology)下屬的建筑和火災(zāi)研究實(shí)驗(yàn)室(Building and Fire Research Laboratory)研制的FAST程序。該程序是研究火災(zāi)發(fā)生和煙氣流動(dòng)的各種模擬工具(包括較早期的C-FAST程序和新添加的FIREFORM程序)的綜合,主要用于對(duì)建筑物火災(zāi)的工程計(jì)算和火災(zāi)現(xiàn)象研究。這里將艦船艙室假設(shè)為一個(gè)四面鋼質(zhì)的空腔,是為了簡(jiǎn)化邊界條件和計(jì)算步驟,由此必然會(huì)引起計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況的偏差。由于本文只是對(duì)各種防火分隔方式進(jìn)行比較,由此提出定性的最佳方案,并不涉及防火效能的具體數(shù)值,因此可以認(rèn)為這樣的簡(jiǎn)化假設(shè)是可以成立并且是有效的。
運(yùn)用FAST程序進(jìn)行模擬計(jì)算,我們選擇三個(gè)重要參數(shù)作為比較對(duì)象:起火艙氣體溫度;相鄰艙氣體溫度;起火艙和相鄰艙的煙氣流動(dòng)情況。通過比較不加水幕和增加水幕分隔兩種情況下以上三個(gè)變量的變化曲線,我們可以得出以下結(jié)論:在××艙室內(nèi)寬度方向上設(shè)置水幕分隔后,可以有效地阻隔熱量和煙氣的傳遞。在艙室結(jié)構(gòu)限制的條件下,采用水幕分隔實(shí)現(xiàn)防火目的是目前唯一可行且有效的方法。
艦船火災(zāi)現(xiàn)已日益得到艦艇設(shè)計(jì)、使用部門的重視。作為和平時(shí)期軍艦面臨的重大災(zāi)害之一,艦船火災(zāi)帶來的損失巨大,后果極為嚴(yán)重。進(jìn)行艦船火災(zāi)研究,提高艦船防火能力,以增強(qiáng)艦船生命力,是艦船設(shè)計(jì)研究工作的重要組成部分,也是提高艦船戰(zhàn)斗力的重要保證。
[1]何崇德譯.船舶防火安全性的評(píng)價(jià)方法論[J].國外艦船工程.1998(3).
[2]董華,范維澄.船舶密閉艙室火災(zāi)過程及其模擬計(jì)算[J].計(jì)算力學(xué)學(xué)報(bào).Vol.15 No.1.
[3]中華人民共和國國家軍用標(biāo)準(zhǔn)[J].GJB868-91《艦船消防要求》.
[4]中華人民共和國國家軍用標(biāo)準(zhǔn)[J].GJB4000-2000《艦船通用規(guī)范》.
Fireproofing design for warships
Zhao Jian Ling Chun
structure fireproofing;fireproofing compartmentation;large cabin room
This paper examines the fireproofing design for warships,and focuses on the setting of the fire compartmentation for large cabin rooms.The optimum design scheme is put forward through the simulation by using the fire simulation program in order to achieve the best cost-effectiveness ratio.
U664.88
A
1001-9855(2011)01-0057-04
2010-12-31
趙?。?980.05-)男,漢族,工程師,主要從事船舶監(jiān)造工作。
凌純(1980.07-)男,漢族,工程師,主要從事船舶監(jiān)造工作。