船舶艙室火災(zāi)一般規(guī)律研究

李杰　浦金云　于利峰

摘要：船舶艙室火災(zāi)一般規(guī)律能夠反映不同種類火災(zāi)特征信息參數(shù)變化情況，與“預(yù)防為主，消防結(jié)合”的防治原則是一致的，并能為火災(zāi)防治提供指導(dǎo)。在總結(jié)分析船舶火災(zāi)一般規(guī)律的基礎(chǔ)上對不同載荷火災(zāi)的特殊性進(jìn)行系統(tǒng)分析：立足于可燃載荷物理化學(xué)特性，對艙室火災(zāi)不同階段溫度場和煙氣生成特性進(jìn)行對比分析，并對其特定火災(zāi)場景中的典型火行為進(jìn)行深入探討分析。

關(guān)鍵詞：船舶火災(zāi)；溫度場特性；煙氣生成特性；火災(zāi)探測

中圖分類號：U674.771文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Study on the general rule of fire in a ship cabin

LI Jie PU JinyunYU Lifeng

College of Power EngineeringNaval Univ. of EngineeringHuBeiWuhan430033

Abstract：The general rule of fire in a ship cabin reflects the character variations of different fires，which is consistent with the prevention principle “put prevention first and combine prevention with elimination” and can provide guidance on fire prevention and control. This paper presents a systematic inquiry on the particularity of different fire loads based on the summary of the general rule. And it carries out a comparative analysis on the temperature field and smoke generation characters at different combustion stages of a ship cabin fire as well as further discussion on the classic fire behavior in a specific fire scene on the basis of physical and chemical characters of fire loads.

Key words：ship cabin fire；temperature field characters；smoke generation characters；fire detection

船舶艙室火災(zāi)是一種典型的受限空間火災(zāi)，因其獨(dú)特的艙室結(jié)構(gòu)而不同于一般建筑火災(zāi)。一旦發(fā)生火災(zāi)，火場撲救和人員逃生難度大，直接威脅著船員生命財(cái)產(chǎn)安全甚至造成船舶生命力損失[1]。因此，船舶火災(zāi)防治是我國海上經(jīng)濟(jì)發(fā)展面臨的一大安全挑戰(zhàn)，是火災(zāi)安全研究的重要領(lǐng)域之一。區(qū)別于傳統(tǒng)建筑火災(zāi)，船舶艙室火災(zāi)側(cè)重于初火探測，即如何在火災(zāi)發(fā)生初期及時(shí)準(zhǔn)確地探測火情，進(jìn)而為火災(zāi)應(yīng)急預(yù)案制定和實(shí)施提供依據(jù)[2]。因此，在火災(zāi)初期特征信息參數(shù)研究分析的基礎(chǔ)上，開展火災(zāi)探測方法和技術(shù)研究是船舶火災(zāi)防治的前提，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和理論應(yīng)用價(jià)值。

目前，國內(nèi)船舶火災(zāi)研究主要立足于火災(zāi)撲救和船員逃生，開展火場行為試驗(yàn)和仿真研究，對船舶受限空間內(nèi)火災(zāi)溫度場和煙氣場特性進(jìn)行機(jī)理性研究[36]，鮮有學(xué)者開展船舶火災(zāi)初期過程參數(shù)演變行為研究，相關(guān)研究成果主要集中于火災(zāi)初期的探測技術(shù)和方法。本文在船舶火災(zāi)防治的基礎(chǔ)上，對受限空間火災(zāi)初期參數(shù)一般變化規(guī)律進(jìn)行總結(jié)和分析；結(jié)合先進(jìn)的信息采集技術(shù)，對現(xiàn)有火災(zāi)報(bào)警裝置進(jìn)行改進(jìn)，提高船舶火災(zāi)初期探測的及時(shí)性和準(zhǔn)確性，為船舶火災(zāi)防治提供參考性意見。

1 船舶火災(zāi)總體變化規(guī)律

船舶火災(zāi)載荷及其種類多樣：（1）A類火，主要指木材、棉和紙張等固體著火；（2）B類火，是船舶油火的統(tǒng)稱；（3）E類火，主要指用電設(shè)備著火；（4）F類火，主要指烹飪器具內(nèi)的蔬菜油或動物油火災(zāi)[2]。不同類型火災(zāi)一般會經(jīng)歷吸熱、熱解、發(fā)煙、火焰擴(kuò)散、劇烈燃燒和衰減六個(gè)階段[7]，船舶火災(zāi)過程特征信息參數(shù)會呈現(xiàn)明顯的階段性特性：火災(zāi)初期（初火）火災(zāi)煙氣逐漸在艙室內(nèi)積聚，受災(zāi)艙室溫度和壓力上升；在火焰擴(kuò)散和劇烈燃燒階段受災(zāi)艙室產(chǎn)生大量煙氣，艙室內(nèi)溫度和壓力迅速上升至穩(wěn)定值；在火災(zāi)衰減階段火災(zāi)煙氣在艙室內(nèi)進(jìn)一步蔓延，艙室溫度和壓力呈現(xiàn)下降趨勢，如下圖所示。

船舶火災(zāi)特征參數(shù)變化規(guī)律圖

本文在船舶火災(zāi)總體變化規(guī)律的基礎(chǔ)上，立足于船舶火災(zāi)發(fā)展過程中特征信息參數(shù)演變行為規(guī)律對不同種類船舶火災(zāi)的一般規(guī)律進(jìn)行總結(jié)性分析，對其變化機(jī)理進(jìn)行深入探討和分析，為船舶火災(zāi)探測和火災(zāi)撲救提供參考。本文主要從四種常見船舶火災(zāi)發(fā)生發(fā)展過程中溫度場和煙氣場兩個(gè)方面對溫度場、煙氣及其組分濃度和艙室壓力等特征信息參數(shù)一般演變規(guī)律進(jìn)行歸納總結(jié)，針對性分析不同種類火災(zāi)變化特殊性，為船舶火災(zāi)救援提出合理化建議。

2 不同種類火災(zāi)變化規(guī)律

結(jié)合國內(nèi)外學(xué)者船舶火災(zāi)研究成果，在不同種類火災(zāi)載荷物理和化學(xué)特性分析的基礎(chǔ)上，著眼于船舶火災(zāi)探測和船舶火災(zāi)撲救對常見船舶火災(zāi)發(fā)生發(fā)展過程中的階段性規(guī)律以及特殊行為現(xiàn)象進(jìn)行探索性分析，進(jìn)而為船舶火災(zāi)防治和救援提供指導(dǎo)：船舶火災(zāi)溫度規(guī)律主要從火場溫度極值、火焰溫度突變現(xiàn)象和火場蔓延特性等進(jìn)行分析；船舶火災(zāi)煙氣行為規(guī)律主要從發(fā)煙量、煙氣變化率突變現(xiàn)象、煙氣組分特性和煙氣毒性等進(jìn)行分析。

2.1 A類火

A類火隸屬于固體火，與工作人員日常生活息息相關(guān)。船舶A類火燃燒過程中伴隨著固體的熱解、發(fā)煙和燃燒等復(fù)雜物理化學(xué)反應(yīng)。由于船舶固體載荷著火點(diǎn)較低，一旦出現(xiàn)火源極易在艙室內(nèi)蔓延，嚴(yán)重威脅工作人員生命財(cái)產(chǎn)安全。此外，A類火固體內(nèi)部溫度較高，燃燒后期與新鮮空氣接觸極易復(fù)燃。

2.1.1 溫度場特性

A類火在發(fā)生發(fā)展過程中經(jīng)歷吸熱、熱解、發(fā)煙、火焰擴(kuò)散、劇烈燃燒和衰減六個(gè)階段。火災(zāi)初期固體吸熱過程中，固體表面及附近溫度沒有明顯變化，固體內(nèi)部溫度上升；固體熱解和發(fā)煙著火過程中，固體內(nèi)部溫度持續(xù)上升，固體熱解析出揮發(fā)性產(chǎn)物和碳，一旦溫度上升至固體燃點(diǎn)艙室火災(zāi)產(chǎn)生并在短時(shí)間內(nèi)發(fā)展和蔓延；在火焰擴(kuò)散和劇烈燃燒階段，火焰溫度最高可達(dá)800℃[89]。

在整個(gè)火災(zāi)發(fā)生發(fā)展過程中，艙室溫度和壓力變化顯著，尤其是火焰擴(kuò)散和劇烈燃燒階段。但是在火災(zāi)初期艙室內(nèi)部難以由此產(chǎn)生明顯溫升效應(yīng)，不能在短時(shí)間內(nèi)觸發(fā)艙室溫度報(bào)警器來達(dá)到預(yù)警的目的。此外，陰燃現(xiàn)象是該類火災(zāi)過程中的特有現(xiàn)象，是其火災(zāi)發(fā)生的一大誘因。

2.1.2 煙氣生成特性

船舶固體載荷多由植物纖維、化學(xué)纖維等組成，其成分多為碳?xì)浠衔锊⒑猩倭康牧?、氯等元素。著火前期固體吸熱、熱解階段固體析出揮發(fā)性氣體例如水、碳?xì)浠衔?、CO、CO2等，這一階段氣體組分與可燃固體溫度有關(guān)；火災(zāi)擴(kuò)散和燃燒階段可燃?xì)怏w達(dá)到燃燒濃度，煙氣組分CO和CO2濃度不斷上升。在整個(gè)燃燒過程中有淡淡的白煙產(chǎn)生，由于固體可燃材料含碳量高，因此該類產(chǎn)煙量大，整個(gè)燃燒過程伴隨著CO和CO2的產(chǎn)生且二者濃度較高，可采用CO探測器進(jìn)行火災(zāi)預(yù)警。

2.2 B類火

B類火隸屬于液體火，在船舶火災(zāi)中占主導(dǎo)地位，其液體汽化和預(yù)混是燃燒的前提。船舶油料物體閃點(diǎn)高但熱值高，一旦艙室油料泄露著火火勢會迅猛發(fā)展和蔓延，嚴(yán)重威脅著船舶生命力安全。

2.2.1 溫度場特性

火災(zāi)在發(fā)生發(fā)展過程中經(jīng)歷吸熱、汽化、火焰擴(kuò)散、劇烈燃燒和衰減五個(gè)階段?；馂?zāi)初期持續(xù)時(shí)間短，沒有明顯的汽化和預(yù)混現(xiàn)象，火焰溫度在液體汽化吸熱和氣體燃燒放熱的交互作用下開始迅速上升；火焰擴(kuò)散階段油火的擴(kuò)散燃燒占主導(dǎo)地位，火焰溫度顯著升高；劇烈燃燒階段火焰溫度高達(dá)1000℃[1011]。

在整個(gè)火災(zāi)發(fā)生發(fā)展過程中，火焰及艙室溫度和艙室壓力變化顯著：火災(zāi)初期艙室溫度變化比較明顯，這一特性可作為溫度傳感器火災(zāi)探測的依據(jù)；不同階段溫度變化率差異顯著：

spread>ignite>stable=0>decay。

2.2.2 煙氣生成特性

船舶油料包括滑油、柴油等，其燃燒過程中煙氣生成特性與燃燒狀態(tài)密不可分。著火前期油料表面多為汽化燃油，開始有黑煙產(chǎn)生且煙氣組分多為CO2；火焰擴(kuò)散和劇烈燃燒階段由于油料含碳量高因此CO和CO2濃度明顯上升尤其是CO濃度，在這一階段該類火由富氧燃燒向富燃燃燒。在整個(gè)燃燒過程中時(shí)刻伴隨著黑煙的產(chǎn)生，可采用煙霧探測器和CO2探測器進(jìn)行火災(zāi)探測。

2.3 E類火

E類火特指電氣設(shè)備著火，是船舶電力系統(tǒng)正常運(yùn)行的重大安全隱患。其中用電設(shè)備過載、短路、局部過熱和外熱作用等都是造成電火的主要因素，但歸根結(jié)底短路是引發(fā)電火的直接原因。

2.3.1 溫度場特性

該類火以電纜著火為代表，其發(fā)生發(fā)展過程中經(jīng)歷裂解、炭化、燃燒、火焰擴(kuò)散和衰減5個(gè)階段，船舶電火可在艙室間蔓延。電火火災(zāi)初期裂解和炭化過程中，故障電路短時(shí)間產(chǎn)生局部高溫，引燃電纜外部絕緣材料；電火擴(kuò)散階段火焰局部溫度可達(dá)800℃～1000℃。此外由于電纜燃燒過程中伴隨著高溫熔滴的產(chǎn)生，艙室底部會出現(xiàn)高溫?zé)嵩?，極易引發(fā)艙室次生災(zāi)害[12]。

在整個(gè)火災(zāi)發(fā)生發(fā)展過程中著火部位和艙室底部溫度上升顯著：火災(zāi)初期由于線路故障產(chǎn)生局部高溫，難以觸發(fā)艙室溫度報(bào)警器對火災(zāi)進(jìn)行預(yù)警；火災(zāi)擴(kuò)散階段艙室底部因高溫熔滴溫度驟變，極易引發(fā)艙室易燃載荷。

2.3.2 煙氣生成特性

電纜絕緣材料一般為可燃的聚氯乙烯、聚烯烴和橡膠等。著火前期裂解和炭化階段電纜絕緣材料受熱析出烷烴類可燃?xì)怏w并伴隨煙氣產(chǎn)生，但是產(chǎn)煙量較小[13]?；馂?zāi)燃燒和擴(kuò)散階段CO和CO2濃度上升，其中CO濃度變化顯著。此外，在整個(gè)燃燒過程中伴隨著NOx和SO2的產(chǎn)生。綜合該類火煙氣組分變化特性，可采用CO傳感器進(jìn)行船舶電火火災(zāi)預(yù)警。

2.4 F類火

F類火通常指廚余火，因其特定火災(zāi)場景而具有特殊性。船舶廚余火火勢迅猛，短時(shí)間內(nèi)會產(chǎn)生高溫火柱，極易造成人員傷亡。此外，船舶F類火在滅火后因高溫燃油的存在極易復(fù)燃。

2.4.1 溫度場特性

船舶F類火發(fā)生發(fā)展過程經(jīng)歷吸熱、發(fā)煙、燃燒和熄滅4個(gè)階段，整個(gè)燃燒過程是外熱和可燃油燃燒相互作用的結(jié)果?；馂?zāi)初期可燃油在外熱作用下因可燃油發(fā)煙和汽化現(xiàn)象產(chǎn)生高溫可燃油和可燃?xì)怏w，隨著可燃油溫度由常溫經(jīng)煙點(diǎn)至燃點(diǎn)可燃油自燃；火災(zāi)燃燒階段可燃?xì)怏w溫度在外熱和燃燒作用下迅速上升至著火點(diǎn)，火勢迅猛發(fā)展并觸發(fā)艙室溫度傳感器。此外，船舶廚房可燃載荷復(fù)雜多樣，極易因廚余火引發(fā)次生火災(zāi)災(zāi)害。

2.4.2 煙氣生成特性

廚房烹飪油為油脂肪酸的甘油三酯混合物，極易被高溫或者明火引燃。著火初期吸熱和發(fā)煙階段CO濃度上升并伴隨著煙氣產(chǎn)生，沒有明顯的CO2產(chǎn)生?；馂?zāi)燃燒階段CO和CO2濃度上升并伴隨著黑煙產(chǎn)生。此外，烹飪油被加熱到180℃（油煎溫度）時(shí)并沒有煙氣和有毒氣體產(chǎn)生[1415]。鑒于烹飪油這一燃燒特性，可采用煙霧和CO探測器進(jìn)行廚余火火災(zāi)預(yù)警。

3 結(jié)論

船舶火災(zāi)作為船舶損害管制的重要組成部分，具有重要的理論研究價(jià)值。對比不同種類火災(zāi)發(fā)生發(fā)展規(guī)律可得：

（1）整個(gè)火災(zāi)燃燒過程中受災(zāi)艙室存在局部部溫升現(xiàn)象，火焰溫度高達(dá)幾百攝氏度。不同火災(zāi)載荷因其物性差異而表現(xiàn)出不同的燃燒特性：溫升變化率B≥F≥A≥E；火焰溫度TB>TF≥TA>TE。

（2）船舶火災(zāi)燃燒過程中載荷生煙效果顯著，不同種類火燃燒初期均存在發(fā)煙現(xiàn)象，在火災(zāi)蔓延和發(fā)展過程中煙氣組分CO和CO2濃度顯著上升。

（3）船舶火災(zāi)發(fā)生發(fā)展過程中存在陰燃和復(fù)燃現(xiàn)象尤其是船舶A類火。此外，部分船舶火災(zāi)容易引發(fā)二次火災(zāi)，尤其是E類和F類火。

（4）火災(zāi)初期采用多傳感器信息融合技術(shù)進(jìn)行火災(zāi)預(yù)警，火災(zāi)防治應(yīng)杜絕特殊火行為造成的二次火災(zāi)。

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作者簡介：李杰（1988），男，河南濟(jì)源人，海軍工程大學(xué)博士生，研究方向：受限空間火災(zāi)煙氣流動與控制。