NBC 防護區(qū)超壓控制的研究與運用

施曉波，祁 麗

（滬東中華造船（集團）有限公司，上海 200129）

0 引 言

NBC防護系統(tǒng)（又稱“集體防護系統(tǒng)”）是體現(xiàn)水面艦船核生化防護能力的重要衡量指標。當(dāng)艦船通過受放射性灰塵、生物戰(zhàn)劑、毒劑污染的海域時，NBC防護系統(tǒng)能向防護區(qū)域內(nèi)部送入過濾后的潔凈空氣，并形成一定的艙室正壓，避免外界污染空氣滲入防護區(qū)，確保防護區(qū)域內(nèi)艦員在不穿戴個人防化服的情況下，維持艦船最基本的作戰(zhàn)指揮能力以及正常的生活和工作，使艦船能順利通過污染海域并保障艦員的人身安全。

NBC防護區(qū)內(nèi)必須維持穩(wěn)定的正壓，同時防護區(qū)的洗消站、氣閘室氣流保持一定的壓力梯度，保證防護區(qū)進、出通道內(nèi)可以進行連續(xù)的空氣吹掃和洗消，以便去除氣態(tài)的沾染物。因此，NBC防護區(qū)的超壓控制主要是針對洗消站、氣閘室的壓力梯度及防護區(qū)正壓的穩(wěn)定建立。

1 NBC防護等級

艦船 NBC防護系統(tǒng)防護范圍一般與艦船的作戰(zhàn)任務(wù)、作戰(zhàn)要求和建造費用等有關(guān)。美國海軍艦船集體防護系統(tǒng)（CPS）分為3個防護等級，分別為等級Ⅰ、等級Ⅱ、等級Ⅲ[1]。

1）等級Ⅰ-掩蔽區(qū)：對40%艦員的住艙、餐廳、廁所和作戰(zhàn)防護區(qū)的設(shè)備提供防護，也稱為安全港；

2）等級Ⅱ-小作戰(zhàn)區(qū)：包括等級Ⅰ的掩蔽區(qū)和一些關(guān)鍵的作戰(zhàn)功能，可以經(jīng)濟地綜合到艦船的設(shè)計中，重點是突然襲擊下的生存能力；

3）等級Ⅲ-大作戰(zhàn)區(qū)：除了飛行甲板、凹形甲板作戰(zhàn)區(qū)、艏部敞開作業(yè)區(qū)以外，包括等級Ⅰ的掩蔽區(qū)、等級Ⅱ的小作戰(zhàn)區(qū)，有足以滿足作戰(zhàn)任務(wù)要求的全防護區(qū)域。

不同作戰(zhàn)任務(wù)，不同航程的艦船安裝不同等級的集體防護系統(tǒng)。圖1為防護等級Ⅲ艦船的典型防護范圍和分區(qū)情況。

圖1 Ⅲ級防護的艦船典型防護范圍和防護區(qū)劃分

從圖1可知，Ⅲ級防護是全船式集體防護。全船式集體防護是艦船在遭受核生化襲擊的情況下仍具備作戰(zhàn)能力、機動性、反擊力及生存能力的必要手段。

美國海軍CPS的防護形式分為兩種：

1) 全防護：在全防護區(qū)內(nèi)，高壓風(fēng)機將任何含物理狀態(tài)的核生化污染物空氣分別流經(jīng)初濾器、HEPA (高效空氣粒子過濾器)及活性炭濾器的三級濾器凈化，對沾染物顆粒由大到小逐級濾除，以去除氣溶膠、煙霧、放射性沾染物、生物戰(zhàn)劑及化學(xué)毒劑[2]。過濾后的潔凈空氣進入防護區(qū)內(nèi)，使艙內(nèi)保持約 2.0±0.5英寸水標（～500Pa）的超壓。全防護區(qū)內(nèi)提供了無毒環(huán)境，不必穿戴防化服或面具。

2) 有限防護：有限防護區(qū)只能提供較低程度的防護安全性[3]，僅通過利用HEPA濾器將進入有限防護區(qū)的供氣中的放射性、化學(xué)和生物氣溶膠清除。有限防護區(qū)內(nèi)的進風(fēng)機并不是高壓風(fēng)機，因此無法建立超壓，而且HEPA濾器無法過濾化學(xué)戰(zhàn)劑蒸汽，所以必須穿戴具有防御化學(xué)戰(zhàn)劑蒸汽的全套防化服及防護面具。有限防護一般設(shè)置在如機艙等具有極高空氣流量要求的艙室。

配置全船式 NBC防護系統(tǒng)要綜合考慮全船結(jié)構(gòu)、管系、電纜的密性，濾毒裝置的過濾能力，相關(guān)機電設(shè)備配置等因素以及艦船其他裝備與集體防護的耦合度。按照目前艦船整體設(shè)計能力、建造水平和安裝工藝，裝載全船式集體防護系統(tǒng)必將花費大量人力、物力，而且很大程度上可能會致使設(shè)計和建造的集體防護系統(tǒng)存在某些缺陷。

目前大多數(shù)水面艦船 NBC防護系統(tǒng)的防護等級是類似于美國海軍等級Ⅱ的全防護形式，即：有限選擇某些重要艙室，如作戰(zhàn)艙室、機電集控室、部分住艙、餐廳、活動室、廁所等區(qū)域作為NBC防護區(qū)（小作戰(zhàn)區(qū)），同時防護區(qū)內(nèi)裝備NBC過濾系統(tǒng)[4]，包括高壓風(fēng)機、初濾器、HEPA濾器和NBC濾毒過濾器等，以濾除外界核生化環(huán)境中氣溶膠、煙霧、放射性沾染物、生物戰(zhàn)劑及化學(xué)毒劑為艙室提供清潔空氣，同時將過濾后的空氣加壓通入該NBC防護區(qū)域并形成約500Pa正壓。

2 NBC防護區(qū)的進出通道

NBC防護系統(tǒng)對防護區(qū)的進出是有嚴格控制的，一般設(shè)置洗消站和氣閘室作為防護區(qū)的進出口，同時維持正壓并防止污染物的進入。

從圖2可知，在核生化環(huán)境下人員進出集體防護區(qū)的要求是：外界人員一般只能通過洗消站進入防護區(qū)，而出防護區(qū)則只能通過氣閘室。對于NBC防護區(qū)的進、出應(yīng)分別設(shè)計不同的專用通道。

圖2 艦船集體防護系統(tǒng)（CPS）基本原理

2.1 洗消站

為有效防止核生化沾染物在艦船艙室內(nèi)部傳播，NBC防護區(qū)必須設(shè)置洗消站，從而盡可能減少沾染物污染到內(nèi)部人員[5]。NBC防護系統(tǒng)洗消站用途單一，它專門用于為已經(jīng)暴露在化學(xué)、生物或輻射戰(zhàn)劑的人員洗消。NBC防護系統(tǒng)洗消站一般由3～4個隔間組成，分為脫衣室（脫外衣區(qū)和脫內(nèi)衣區(qū)）、淋浴室和氣浴室。圖3為典型的洗消站布置。

圖3 典型的洗消站布置

核生化污染環(huán)境中在露天甲板上值勤的人員在可能遭受到液態(tài)或固態(tài)戰(zhàn)劑污染的情況下只有先通過洗消站才能進入 NBC防護系統(tǒng)的防護區(qū)。人員進入的路線是從露天通過脫衣室，然后進入淋浴室，再進入氣浴室，最后進入防護區(qū)。隨著人員通過洗消站的過程，先要關(guān)閉前一艙室的門，然后才打開下一艙室的門，這可防止防護區(qū)中的壓力損失。防護區(qū)的正壓力是在經(jīng)幾個艙室的過程中逐步下降的，吹氣從氣浴室起，經(jīng)淋浴室、脫衣室，最后由此排至外界或未加壓區(qū)。

NBC防護區(qū)的洗消站一般是通過在其內(nèi)部幾個艙室壁上設(shè)置壓力泄放閥（圖3中為“氣吹器”，其工作原理與壓力泄放閥稍有不同但功能一樣）來實現(xiàn)防護區(qū)內(nèi)部經(jīng)洗消站至防護區(qū)外部產(chǎn)生一段連續(xù)的壓力梯度，從而保證洗消站內(nèi)可以進行連續(xù)的空氣吹掃和洗消，以便去除氣態(tài)的沾染物。

2.2 氣閘室

NBC防護系統(tǒng)的氣閘室是一個較小的雙門隔艙。其雙門均為外開型，內(nèi)門開向加壓區(qū)，外門開向未加壓區(qū)。圖4為典型的氣閘室構(gòu)型。

為保證進出防護區(qū)時不損失超壓狀態(tài)，同一時間只允許打開氣閘室其中的一扇門。防護區(qū)設(shè)置氣閘室的目的主要是讓人員進出防護區(qū)而無壓力損失并阻止空氣中的污染物進入防護區(qū)[6]。

氣閘室是通過吹氣的方式來去除氣態(tài)污染物的，因此吹除氣態(tài)污染物的時間主要取決于氣閘室的換氣次數(shù)和吹氣的風(fēng)量。表1列出了空氣換氣法清除有毒蒸汽的百分數(shù)[7]。

圖4 典型的氣閘室構(gòu)型

表1 新鮮空氣換氣法清除氣態(tài)戰(zhàn)劑的百分數(shù)的經(jīng)驗估算

由表1可知，在氣閘室關(guān)閉狀態(tài)下，需進行6次以上換氣才足以使氣閘室內(nèi)的氣態(tài)污染物濃度降低到很小的危險程度。在吹氣風(fēng)量一定的情況下，凈化時間隨氣閘室的容積大小而變化。氣閘室的吹氣量和壓力梯度同樣是通過設(shè)置在其艙壁上的壓力泄放閥（圖 4中為“氣吹器”）來實現(xiàn)的，利用防護區(qū)的過濾空氣吹除核生化環(huán)境下開門時可能進入氣閘室的沾染物。

2.3 洗消站和氣閘室的布置

常規(guī)的NBC防護區(qū)一般前、后連接的區(qū)域分別為露天區(qū)和未加壓的內(nèi)部區(qū)，故防護區(qū)前、后方各應(yīng)設(shè)置洗消站和氣閘室（見圖5）。

圖5 洗消站和氣閘室設(shè)置

圖5中，1號氣閘室和1號洗消站連接的是防護區(qū)與露天，2號氣閘室和2號洗消站連接的是防護區(qū)與船上其他未加壓區(qū)。前、后洗消站功能沒有區(qū)別。核生化環(huán)境下NBC防護區(qū)的進口和出口選擇見表2。

表2 NBC防護區(qū)的進口和出口

3 超壓控制

根據(jù)能量守恒定理，防護區(qū)在達到某個恒定正壓值（平衡點）時，其進風(fēng)量應(yīng)等于泄放量。所以防護區(qū)內(nèi)若要維持一個相對恒定的超壓，除了不斷的向內(nèi)送入一定正壓風(fēng)外，還應(yīng)設(shè)置一個主動泄放口以平衡防護區(qū)內(nèi)的送風(fēng)量和正壓值。而對于壓力梯度的形成其原理就相當(dāng)于類似上述幾個連續(xù)的小防護區(qū)之間設(shè)置泄放口，維持這幾個泄放口的泄放量一致，并使這幾個小防護區(qū)內(nèi)的超壓呈一定數(shù)值的遞減。無論是超壓或壓力梯度，防護區(qū)內(nèi)的壓差均主要是由泄放口來實現(xiàn)的。

圖6 185 GI型壓力泄放閥結(jié)構(gòu)

3.1 壓力泄放閥

185 GI型壓力泄放閥是一種通過彈簧壓力來維持兩個位于超壓控制區(qū)域的艙室間或防護區(qū)內(nèi)外間恒定壓差的裝置，該型閥適用于連續(xù)艙室間壓力梯度的控制。裝置主要由一個閥盤、閥軸、橡膠密封墊片、彈簧及壓力調(diào)節(jié)器組成（見圖6）。

壓力泄放閥的控制特性體現(xiàn)在兩個方面：1) 壓力泄放閥的開啟壓力值；2) 在定壓差下的風(fēng)量值。這兩點控制特性均取決于彈簧的性能。不同彈簧開啟壓力范圍及工作性能曲線見表3和圖7。

表3 185 GI型壓力泄放閥各型彈簧參數(shù)表

圖7 185 GI型壓力泄放閥性能曲線

壓力泄放閥彈簧的選型是由壓力泄放閥的壓差值和流量值而確定的。

對于壓力泄放閥流量的設(shè)定，主要取決于壓力泄放閥所在艙室的通風(fēng)量設(shè)計。洗消站、氣閘室的通風(fēng)換氣次數(shù)應(yīng)保證在核生化環(huán)境下人員進出防護區(qū)時，其進出通道具備在外門關(guān)閉時排氣流量快速增加的功能。為考慮快速建壓及人員去污需要，一般設(shè)置通風(fēng)換氣次數(shù)為30次/h。

一般，氣閘室的面積應(yīng)不小于1m2，通常其容積V1大約為3m3；而洗消站的各分隔間中脫衣室的結(jié)構(gòu)尺寸相對最大，其容積V2大約為6m3。按照最低通風(fēng)換氣次數(shù)30次/h要求計算，氣閘室的通風(fēng)量Q1和洗消站的通風(fēng)量Q2分別大致為90m3/h和180m3/h，取整后將氣閘室的通風(fēng)量定為100m3/h，洗消站的通風(fēng)量定為200m3/h。即，確定壓力泄放閥流量值分別為100m3/h和200m3/h。

根據(jù)上述已知的壓差值和流量值參照圖7即可確定壓力泄放閥彈簧型式，詳見表4。

表4 壓力泄放閥選型表

3.2 超壓控制器

超壓控制器分為兩種功能形式：定壓控制器和定流量控制器。

定壓控制器（CD型）是一種能保持防護區(qū)與外界恒定壓差，而且該壓差值不受控制閥風(fēng)量（防護區(qū)通過控制閥流向外界的風(fēng)量）變化影響的裝置；

定流量控制器（CV型）是一種能維持控制閥恒定風(fēng)量，而且該風(fēng)量值不受防護區(qū)與外界間壓差變化影響的裝置。

NBC防護區(qū)要求內(nèi)部維持500Pa的穩(wěn)定正壓為定壓控制，故采用CD型超壓控制器。超壓控制器（CD型）一般主要包含一個壓力電動調(diào)節(jié)閥和一個電控箱（見圖8）。

壓力電動調(diào)節(jié)閥主要由一個促動器機構(gòu)和一個鋁質(zhì)閥組件通過螺栓連接組成（見圖9）。工作原理：一個帶有復(fù)位彈簧的電動旋轉(zhuǎn)促動器通過曲柄、連桿和閥軸控制一個錐形閥盤。在正常工作情況下，當(dāng)錐形閥盤前進口空氣壓力高于錐形閥盤后的出口空氣壓力時，電動促動器將控制錐形閥盤離開閥軸端部前行至某個固定位置；當(dāng)錐形閥盤后的空氣壓力突然上升，電動促動器則會控制錐形閥盤回位至某個位置，以維持閥盤前后的壓差（500Pa）；當(dāng)電動促動器失電時，促動器和閥盤受復(fù)位彈簧作用自動關(guān)閉。

圖8 超壓控制器（CD型）

圖9 壓力電動調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)

超壓控制器（CD型）的系統(tǒng)連接圖（見圖10）。工作原理：電控箱通過超壓管路接受到防護區(qū)內(nèi)外壓差，并將該壓差轉(zhuǎn)化為電信號來控制壓力電動調(diào)節(jié)閥的開度，以到達防護區(qū)內(nèi)相對恒定的超壓值（500Pa）并維持，并將超壓信號反饋至船舶損管控制中心。

超壓控制器（CD型）的可選型號及相對應(yīng)風(fēng)量參數(shù)見表5。

圖10 超壓控制器（CD型）系統(tǒng)連接

表5 超壓控制器型號參數(shù)表

超壓控制器的選型取決于 NBC防護區(qū)的送風(fēng)量，壓力泄放閥泄放量及防護區(qū)的泄漏量。壓力泄放閥泄放量是洗消站和氣閘室的通風(fēng)量的合計值，由“3.1”可知共為600m3/h；而防護區(qū)泄漏量理論上的最小值為0；所以，若NBC防護區(qū)的送風(fēng)量為1500m3/h，則超壓控制器流量的最大值為900m3/h，故按照表5其選型可確定為187.0 CD-1000。

3.3 防護區(qū)超壓原理

綜上“3.1”和“3.2”所述，NBC防護區(qū)的正壓和壓力梯度的控制設(shè)計原理見圖11。

圖11 NBC防護區(qū)超壓控制原理

從上述超壓控制原理圖可知，防護區(qū)內(nèi)正壓500Pa主要由超壓控制器來實現(xiàn)，而洗消站和氣閘室組成的防護區(qū)進出通道內(nèi)壓力梯度則主要由壓力泄放閥來實現(xiàn)。同時，考慮到因超壓控制器或壓力泄放閥出現(xiàn)故障無法正常排風(fēng)而造成防護區(qū)正壓過高的情況，對防護區(qū)內(nèi)設(shè)計了安全泄放閥。該安全泄放閥應(yīng)具備完全關(guān)閉后一定的氣密性及可快速開啟的功能，在防護區(qū)正壓超過允許的上限值時作為應(yīng)急泄放口以維持防護區(qū)內(nèi)的正常超壓，而在常規(guī)狀態(tài)下是常閉的。

4 結(jié) 語

論述了單個NBC防護區(qū)的防護等級、防護區(qū)進出的控制形式及洗消站和氣閘室的設(shè)計；同時根據(jù)防護區(qū)內(nèi)正壓和壓力梯度的要求分析了其控制原理并對超壓控制器和壓力泄放閥的選型和運用進行了研究。

單個 NBC防護區(qū)的進出控制和超壓設(shè)計相對較為簡單，而多區(qū)或全船式的防護則需要考慮各個防護區(qū)之間的連接、進出、正壓及壓力梯度的協(xié)調(diào)控制。所以，通過對單個NBC防護區(qū)及其超壓控制的研究，積累相關(guān)設(shè)計經(jīng)驗為多區(qū)或全船式NBC防護系統(tǒng)的超壓控制設(shè)計提供一定的借鑒。

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