平臺(tái)固定式水成膜泡沫滅火系統(tǒng)消防安全試驗(yàn)與評(píng)估

曾 勇，楊滿江

中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢430064

0 引 言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在越來(lái)越多的海上執(zhí)法船（如邊防船、海事船、海監(jiān)船及漁政船等）均可搭載或懸停直升機(jī)，以方便其迅速完成執(zhí)法和救助等任務(wù)。此外，海上石油鉆井平臺(tái)，以及中、大型艦船也可搭載直升機(jī)。對(duì)于海上復(fù)雜的環(huán)境，要想在相對(duì)不穩(wěn)定的平臺(tái)上完成直升機(jī)的起降和燃油加注等具有一定的安全性風(fēng)險(xiǎn)，其最大的風(fēng)險(xiǎn)來(lái)自直升機(jī)燃油泄露引發(fā)的火災(zāi)，如果火災(zāi)不能得到及時(shí)、有效的控制，將會(huì)對(duì)船員的生命安全以及財(cái)產(chǎn)構(gòu)成重大威脅。鑒于此，相關(guān)規(guī)范均規(guī)定要在直升機(jī)平臺(tái)上配置泡沫滅火系統(tǒng)，例如，《國(guó)際海上人命安全公約》［1］就要求在直升機(jī)甲板上配置泡沫炮或泡沫槍滅火系統(tǒng)，并根據(jù)直升機(jī)的長(zhǎng)度規(guī)定不同的泡沫噴射率。

然而，采用泡沫槍滅火系統(tǒng)存在一定的缺陷：

1）一般情況下，泡沫槍針對(duì)的是面積相對(duì)較小的油池火或某一局部的火災(zāi)，對(duì)此其往往能取得較好的滅火效果，但對(duì)于較大的油池火，其滅火效能則會(huì)下降；

2）不能大面積均勻地冷卻直升機(jī)甲板平臺(tái)；

3）在火勢(shì)較大的情況下，由于強(qiáng)烈的熱輻射作用，船員難以在有效的距離內(nèi)實(shí)施滅火；

4）船員的持槍方式、噴灑策略以及熟練程度等的不同也會(huì)對(duì)滅火時(shí)間有較大影響。

根據(jù)國(guó)外相關(guān)資料報(bào)道，美國(guó)在部分艦船，如CG-47，DD-963，F(xiàn)FG-7 和DDG-51 等的直升機(jī)甲板上安裝有固定式甲板泡沫噴灑系統(tǒng)，以應(yīng)對(duì)直升機(jī)甲板上發(fā)生的因JP-5 航空煤油所引發(fā)的油池火［2］。根據(jù)文獻(xiàn)［3］中的描述，航母飛行甲板上的水幕系統(tǒng)可噴灑水成膜泡沫混合液，即在甲板上安裝泡沫噴灑噴頭，自下向上噴灑泡沫，以控制、撲滅甲板上發(fā)生的火災(zāi)，它是甲板上的一個(gè)主要滅火手段，其形式不同于一般的自上而下的泡沫噴淋形式。為檢驗(yàn)該系統(tǒng)的滅火能力，美國(guó)開展了一系列甲板泡沫噴灑系統(tǒng)滅火試驗(yàn)，以評(píng)估其消防能力［4］。

對(duì)于露天部位，我國(guó)設(shè)置的泡沫滅火系統(tǒng)主要還是泡沫炮或泡沫槍滅火系統(tǒng)，暫時(shí)還沒(méi)有關(guān)于設(shè)置自下而上的泡沫噴灑系統(tǒng)的報(bào)道。對(duì)設(shè)置于室內(nèi)的泡沫滅火系統(tǒng)，在《飛機(jī)庫(kù)設(shè)計(jì)防火規(guī)范》［5］中有設(shè)置翼下泡沫滅火系統(tǒng)的規(guī)定，以用來(lái)?yè)錅顼w機(jī)機(jī)翼下的流散火，但由于所處的環(huán)境不同，對(duì)于船舶直升機(jī)起降甲板的固定泡沫滅火系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其只具參考價(jià)值。

為研究在船舶直升機(jī)甲板設(shè)置泡沫噴灑系統(tǒng)的可行性，本文開展了一系列的研究試驗(yàn)，包括噴頭的研制和試驗(yàn)，以及泡沫噴灑系統(tǒng)的滅火試驗(yàn)等，下面將簡(jiǎn)要介紹、分析和評(píng)估所開展的甲板平臺(tái)水成膜泡沫噴灑系統(tǒng)的滅火試驗(yàn)工作。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為開展甲板平臺(tái)泡沫滅火系統(tǒng)試驗(yàn)，設(shè)計(jì)了3 個(gè)基本試驗(yàn)?zāi)Ｐ停?］，如圖1～圖3 所示。

考慮到直升機(jī)甲板有因燃油泄漏而引發(fā)火災(zāi)的可能，故試驗(yàn)中采用的是限制型油池火，燃油采用的是航空煤油。

圖1 4 噴頭試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.1 Experiment model of 4 nozzles for deck fire extinguishment test

圖2 2 噴頭試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.2 Experiment model of 2 nozzles for deck fire extinguishment test

圖3 1 噴頭試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.3 Experiment model of single nozzle for deck fire extinguishment test

噴頭的設(shè)置主要考慮3 種情況：第1 種是油池火發(fā)生在平臺(tái)甲板泡沫噴灑系統(tǒng)的中間，由此設(shè)置了4 噴頭的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?；? 種是油池火發(fā)生在平臺(tái)甲板泡沫噴灑系統(tǒng)的邊緣，由此設(shè)置了2 噴頭的試驗(yàn)?zāi)Ｐ停坏? 種是油池火發(fā)生在系統(tǒng)的一角上，由此設(shè)置了1 噴頭的試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

試驗(yàn)用噴頭呈360°向四周噴灑滅火劑，覆蓋半徑3～3.5 m，即在該覆蓋面積范圍內(nèi)可噴灑水成膜泡沫混合液。

油池的面積主要由以下幾個(gè)因素考慮確定：

1）該系統(tǒng)針對(duì)的主要是面積較大的油池型火災(zāi)，因此，油池面積不宜太??；

2）噴頭的噴射半徑和流量等性能參數(shù)；

3）燃油泄漏量。因燃油泄漏量是一個(gè)隨機(jī)參數(shù)，難以直接確定，因此，在設(shè)計(jì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜁r(shí)做了如下假定：通過(guò)試驗(yàn)和仿真，10 kg 和35 kg 航空煤油在平面內(nèi)的最大擴(kuò)散面積約為12 m2和23 m2；此外，結(jié)合噴頭的覆蓋情況，確定上述3 個(gè)試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭械挠统鼗鸬拿娣e分別為25，17.5，12.25 m2。

試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦€考慮了障礙火和無(wú)障礙火2 種情況，即在滅火過(guò)程中油池火上方有障礙物（如直升機(jī)）或無(wú)障礙物。

試驗(yàn)滅火劑采用海水型3%水成膜泡沫液。為了測(cè)試不同系統(tǒng)流量對(duì)滅火效果的影響，設(shè)置了0.4，0.5，0.6 MPa 這3 種系統(tǒng)試驗(yàn)壓力。

為便于對(duì)整個(gè)滅火過(guò)程進(jìn)行分析研究，設(shè)置了熱電偶和輻射熱流計(jì)，以對(duì)火場(chǎng)的溫度和熱輻射進(jìn)行測(cè)試。

表1 所示為甲板平臺(tái)滅火試驗(yàn)的詳細(xì)設(shè)置。

表1 甲板滅火試驗(yàn)工況設(shè)置Tab.1 Summary of deck fire extinguishing experiments

本文的試驗(yàn)?zāi)Ｐ碗m然只是平臺(tái)泡沫滅火系統(tǒng)的局部，但包含了整個(gè)平臺(tái)甲板泡沫噴灑滅火系統(tǒng)的3 種典型部位，即中心部位、邊緣部位和角部位。通過(guò)局部尺度滅火試驗(yàn)，對(duì)于全尺度滅火效果具有較高的參考價(jià)值。

2 結(jié)果分析

本文開展了4 組共10 次滅火試驗(yàn)，其中9 次滅火成功，詳細(xì)結(jié)果與分析詳見(jiàn)下文。下面將以4 噴頭水成膜泡沫噴灑抑制無(wú)障礙25 m2油面火的典型滅火試驗(yàn)為例，簡(jiǎn)要分析泡沫噴灑系統(tǒng)的滅火過(guò)程。

圖4 和圖5 所示分別為0.5 MPa 壓力下4 噴頭水成膜泡沫噴灑系統(tǒng)滅火過(guò)程的錄像截圖和紅外熱像儀截圖。點(diǎn)火完畢計(jì)時(shí)為0 s，40 s 時(shí)整個(gè)油面已全部著火，火焰高度達(dá)6 m，60 s 時(shí)油面穩(wěn)定燃燒，火焰高度達(dá)8 m，火焰外部被濃煙覆蓋。74 s時(shí)啟動(dòng)水成膜泡沫噴灑系統(tǒng)，泡沫進(jìn)入時(shí)火勢(shì)突然增大，火焰和泡沫相互作用，火勢(shì)維持一段時(shí)間的穩(wěn)定。泡沫不斷進(jìn)入火焰區(qū)，壓制住了靠近噴頭較近的火焰，90 s 時(shí)僅油面中央部分還留有火焰。隨后，泡沫在油面上鋪展，火焰逐漸熄滅，隨著泡沫的流動(dòng)，火焰也可能會(huì)發(fā)生移動(dòng)，120 s 時(shí)火焰從油池中央向一側(cè)轉(zhuǎn)移。最后，隨著泡沫完全覆蓋油池，火焰逐漸被撲滅，135 s 時(shí)火焰完全熄滅。此工況下的滅火時(shí)間為61 s。

圖4 0.5 MPa 壓力下4 噴頭水成膜泡沫噴灑系統(tǒng)滅火過(guò)程的錄像截圖Fig.4 Video images of the pool fire extinguishment by 4 nozzles AFFF system at the pressure of 0.5 MPa

圖5 0.5 MPa 壓力下4 噴頭水成膜泡沫噴灑系統(tǒng)滅火過(guò)程的紅外熱像截圖Fig.5 Infrared images of the pool fire extinguishment by 4 nozzles AFFF system at the pressure of 0.5 MPa

2.1 滅火效能分析與評(píng)估

一般情況下，是采用滅火時(shí)間和控火時(shí)間來(lái)評(píng)價(jià)系統(tǒng)的滅火效能。其中，滅火時(shí)間指滅火劑作用于火焰至火焰完全熄滅的時(shí)間；控火時(shí)間是指滅火劑與火焰開始作用，至距離油盤中心1.5 倍油盤寬度處，輻射通量降至滅火劑未作用時(shí)的10%所需的時(shí)間。

對(duì)于滅火/控火時(shí)間，可以通過(guò)下式進(jìn)行計(jì)算［7］：

T臨界一般根據(jù)火災(zāi)對(duì)人員或直升機(jī)等設(shè)備造成不可接受毀傷的時(shí)間來(lái)確定，一種更合理的設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)是將臨界時(shí)間設(shè)為1～2 min。甲板上火災(zāi)的探測(cè)與響應(yīng)時(shí)間幾乎是瞬時(shí)的，因此，T探測(cè)可以設(shè)定為0。直升機(jī)甲板平臺(tái)固定泡沫噴灑系統(tǒng)比較小，系統(tǒng)完全投入工作的時(shí)間大約為10～15 s。因此，可計(jì)算得出T滅火/控火＜45～105 s。表2 和表3所示分別為試驗(yàn)的滅火時(shí)間和控火時(shí)間。

表2 滅火時(shí)間Tab.2 Fire extinguishment time

表3 控火時(shí)間Tab.3 Fire control time

2.1.1 噴頭數(shù)量對(duì)滅火/控火時(shí)間的影響

根據(jù)表2 和表3 可見(jiàn)，在無(wú)遮擋的情況下，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生在平臺(tái)的靠中間位置時(shí)（4 噴頭情況），泡沫噴灑系統(tǒng)取得了較好的滅火效果，在邊緣位置（2 噴頭情況）的效果次之，其控火、滅火時(shí)間基本小于所要求的45～105 s 范圍。而當(dāng)火災(zāi)發(fā)生在平臺(tái)邊角位置時(shí)（1 噴頭情況），泡沫噴灑系統(tǒng)的滅火、控火情況則較差。這是由于噴頭噴出的滅火介質(zhì)能否有效覆蓋油池火表面對(duì)滅火、控火時(shí)間有較大影響，單噴頭的有效覆蓋范圍相對(duì)較小，因而滅火效果也相對(duì)較差。

但對(duì)于一個(gè)實(shí)際的直升機(jī)甲板平臺(tái)而言，其噴頭布置數(shù)量遠(yuǎn)大于4 個(gè)，因此，在平臺(tái)的任何部位，在多噴頭的共同作用效應(yīng)下，其滅火效能應(yīng)不低于單噴頭的滅火效果。

2.1.2 火場(chǎng)有無(wú)遮擋對(duì)滅火/控火時(shí)間的影響

通過(guò)表2 和表3 可以看出，在無(wú)遮擋的情況下，滅火、控火效果較好，而當(dāng)有遮擋物時(shí)，雖然可以滅火，但滅火時(shí)間較長(zhǎng)，不能滿足滅火/控火的時(shí)間要求。這是由于遮擋物阻隔了滅火劑的噴灑線路，使其不能有效進(jìn)入遮擋區(qū)域，從而使得滅火效果較差。在這種情況下，需借助泡沫槍等滅火手段，有針對(duì)性地對(duì)遮擋區(qū)域進(jìn)行滅火。

2.1.3 噴頭的流量和壓力對(duì)滅火效能的影響

表4 所示為試驗(yàn)噴頭的性能參數(shù)。由表4 可見(jiàn)，隨著壓力的升高，噴頭流量增大，一般情況下，流量越大其滅火效果越好，但試驗(yàn)結(jié)果顯示的卻剛好相反，在最高壓力（0.6 MPa）時(shí)滅火效果最差，對(duì)此，將予以初步分析。

表4 噴頭性能參數(shù)Tab.4 The nozzle parameters

如圖6 所示，在噴頭距離油池一定距離處，在較低的壓力條件下，噴頭的泡沫進(jìn)入火焰區(qū)時(shí)的軌跡較低，從火焰的底部進(jìn)入后，可以快速在油面上鋪展并覆蓋住油面，限制燃料的蒸發(fā)，從而使火焰熄滅；而在壓力較高時(shí)，泡沫進(jìn)入火焰區(qū)的角度較大，距離油面較高，在火場(chǎng)溫度較高的情況下易蒸發(fā)并被吹散，難以降落在油面上，因而導(dǎo)致滅火效果較差。

圖6 不同壓力情況下噴頭噴灑軌跡示意圖Fig.6 The trajectory of AFFF spray under different working pressures

通過(guò)以上討論，可初步得出以下2 點(diǎn)結(jié)論：

1）無(wú)論噴頭壓力如何，只要噴頭噴灑的滅火介質(zhì)以較低的入射角度進(jìn)入火場(chǎng)，就可以取得較好的滅火效果。

2）當(dāng)系統(tǒng)流量大到一定程度時(shí)，增加滅火劑量對(duì)滅火/控火時(shí)間的影響并不明顯。

2.1.4 滅火時(shí)間與控火時(shí)間的關(guān)系

由表2、表3 列出的滅火、控火時(shí)間可以看出，控火時(shí)間雖與滅火時(shí)間具有一定的關(guān)系，但并非嚴(yán)格的關(guān)系，一般而言，滅火時(shí)間長(zhǎng)，控火時(shí)間相對(duì)也會(huì)較長(zhǎng)。但如果火焰處于滅火劑噴放的“死角”，雖然火焰沒(méi)有完全熄滅，但火焰主體已經(jīng)被撲滅，因而滅火時(shí)間要大大延長(zhǎng)，而控火時(shí)間卻較短，例如，第6 組試驗(yàn)就屬于這種情況。通過(guò)采用泡沫槍對(duì)“死角”處的火進(jìn)行及時(shí)撲滅，滅火時(shí)間可大大縮短。

2.2 熱輻射測(cè)試結(jié)果分析

為考察火焰及煙氣對(duì)周圍空間的熱輻射強(qiáng)度，評(píng)價(jià)消防員滅火的安全距離，并確定滅火系統(tǒng)的控火時(shí)間，在試驗(yàn)中使用了輻射熱流計(jì)來(lái)對(duì)熱輻射強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量，熱流計(jì)放置在距油盤邊沿1.5倍油盤寬度處。

圖7 所示為在4 噴頭無(wú)遮擋滅火試驗(yàn)中熱流計(jì)測(cè)得的3 次試驗(yàn)的熱輻射熱流值的變化情況。由圖7 可以看出，在7.5 m 處，在火災(zāi)生成后，在大部分的滅火階段，其熱流密度值都大于10 kW/m2，最大熱流分別為15.8，16.2，16.9 kW/m2。而人體接受的熱輻射通量超過(guò)2.5 kW/m2時(shí)就會(huì)造成嚴(yán)重的灼傷。顯然，在消防員沒(méi)有防護(hù)的情況下，在距火場(chǎng)邊緣7.5 m 處是無(wú)法進(jìn)行消防作業(yè)的。

圖7 距油盤邊緣7.5 m 處的輻射熱流值Fig.7 Thermal radiation flux at a distance of 7.5 m from the pool edge

基于理論推導(dǎo)和試驗(yàn)驗(yàn)證，美國(guó)火災(zāi)消防工程協(xié)會(huì)估算了油火的熱輻射強(qiáng)度［8］：

式中，q’為至目標(biāo)物體的熱流密度，kW/m2；D 為油罐直徑，m；L 為池式火災(zāi)中心至目標(biāo)物體邊緣的距離，m。

由公式（2）可見(jiàn)，在火災(zāi)直徑或尺度一定的情況下，熱流密度與L-1.54成正比。根據(jù)圖7 的測(cè)量結(jié)果可知，距火場(chǎng)邊緣7.5 m 處的熱流密度為16.2 kW/m2，可以推算出，要將熱流密度降至人員的安全強(qiáng)度2.5 kW/m2以下，至火場(chǎng)邊緣的距離應(yīng)為25.2 m。換言之，在消防員來(lái)不及穿上消防服的情況下，其安全作業(yè)距離約為25 m，這個(gè)距離對(duì)于泡沫槍來(lái)說(shuō)顯然太遠(yuǎn)。而對(duì)于具有泡沫噴灑滅火系統(tǒng)的直升機(jī)平臺(tái)來(lái)說(shuō)，在系統(tǒng)工作數(shù)十秒后，熱輻射值會(huì)迅速下降，這時(shí)較有利于消防人員應(yīng)對(duì)甲板上的局部殘留火災(zāi)。

3 結(jié) 論

通過(guò)以上滅火試驗(yàn)和分析評(píng)估，可以得出以下結(jié)論：

1）對(duì)于發(fā)生在直升機(jī)甲板平臺(tái)的無(wú)遮擋大型池式火災(zāi)，甲板平臺(tái)水成膜泡沫噴灑滅火系統(tǒng)具有較好的滅火效能，并且能較為迅速地大面積降低火場(chǎng)及周邊的溫度和熱輻射，這對(duì)于保護(hù)船體結(jié)構(gòu)及其它設(shè)施，使消防人員迅速接近火場(chǎng)起著較關(guān)鍵的作用。該研究成果可為大型艦船直升機(jī)起降平臺(tái)、海上石油鉆井平臺(tái)上的直升機(jī)起降平臺(tái)的火災(zāi)防治系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

2）對(duì)于有遮擋的池式火災(zāi)以及發(fā)生于系統(tǒng)邊緣的火災(zāi)，鑒于該系統(tǒng)的滅火時(shí)間較長(zhǎng)，建議在設(shè)計(jì)中仍考慮設(shè)置泡沫槍滅火系統(tǒng)，以在滅火過(guò)程中點(diǎn)面結(jié)合，縮短滅火時(shí)間。

［1］中國(guó)海事局. SOLAS 74/88 國(guó)際海上人命安全公約（綜合文本）［M］.大連：大連海事大學(xué)出版社，2004.

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