大型集裝箱船消防水炮系統(tǒng)加裝技術(shù)研究

路 通 徐恩廣 王家支 白志平 萬(wàn)東偉

（大連船舶重工集團(tuán)設(shè)計(jì)研究院有限公司 大連 116000）

0 引 言

隨著集裝箱船迅猛發(fā)展，最大承載量的記錄也被不斷刷新，船舶的營(yíng)運(yùn)效益隨之提高，但同時(shí)也帶來(lái)了更多的安全問(wèn)題。增加集裝箱船的載重和箱數(shù)是提高集裝箱船營(yíng)運(yùn)效率的主要途徑，不過(guò)也會(huì)加大船舶運(yùn)輸貨物的復(fù)雜性及不確定性，由此產(chǎn)生了更多的營(yíng)運(yùn)安全隱患?；馂?zāi)、淹沒(méi)和碰撞是船舶安全的三大威脅，船舶特殊的功能和結(jié)構(gòu)特征決定了船舶火災(zāi)具有特殊性。我國(guó)每年的海難事故中，約10%因船舶火災(zāi)所造成[1-2]。近年來(lái)，多起集裝箱船火災(zāi)事故造成了重大財(cái)產(chǎn)損失，尤其是發(fā)生在主甲板以上區(qū)域的火情。由于缺乏有效的滅火措施，火勢(shì)往往難以得到快速有效控制，火災(zāi)的蔓延會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致更大的安全風(fēng)險(xiǎn)。隨著集裝箱船載重和箱數(shù)的不斷加大，甲板以上區(qū)域的消防問(wèn)題更是日益凸顯。

本文以1 艘19 000 標(biāo)準(zhǔn)箱集裝箱船為研究對(duì)象，針對(duì)其原有設(shè)計(jì)，分析了當(dāng)前消防能力的缺陷，在確保能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期功能的前提下，以改動(dòng)小、成本低為目標(biāo)，設(shè)計(jì)了1 種頂部消防加裝方案，并通過(guò)三維建模及流體仿真計(jì)算，驗(yàn)證了改裝方案的可行性，為順利開(kāi)展消防改裝提供了有力保障。

1 消防安全分析

1.1 集裝箱船火災(zāi)特征

通常情況下，營(yíng)運(yùn)過(guò)程中的船舶整體可視為1 個(gè)相對(duì)獨(dú)立的流動(dòng)場(chǎng)所。船體漂浮位置距離海岸和其他船舶較遠(yuǎn)，在發(fā)生火災(zāi)的情況下，難以得到快速及時(shí)的外界救援。集裝箱船火情的引發(fā)及蔓延主要受以下因素影響。

1.1.1 集裝箱的排布設(shè)計(jì)

為盡可能提高空間的使用效率，在集裝箱的布局設(shè)計(jì)中，最大限度地壓縮了集裝箱的間距，甲板上的集裝箱基本以層層堆放的形式密集布置，行列之間的間距很小。集裝箱本體為金屬材質(zhì)，通常沒(méi)有特殊的隔熱材料，當(dāng)箱內(nèi)發(fā)生火情時(shí)，熱量很容易傳播到相鄰箱體，進(jìn)而導(dǎo)致火情蔓延，引發(fā)大面積火災(zāi)。同時(shí)，在緊急滅火的情況下，布置密集的集裝箱影響了通行空間，進(jìn)而對(duì)水龍帶的布置或其他便攜滅火設(shè)備的搬運(yùn)造成一定阻礙，延誤了初始火情的最佳滅火時(shí)機(jī)，進(jìn)一步加大了火情的控制 難度。[2-3]

1.1.2 集裝箱內(nèi)的貨物屬性

大型集裝箱船的載重和配備箱數(shù)龐大且對(duì)應(yīng)的載貨種類(lèi)繁多，集裝箱內(nèi)的貨物屬性復(fù)雜，其中不可避免會(huì)包括多種危險(xiǎn)品貨物。對(duì)于易燃、易爆的危險(xiǎn)品貨物（如活性炭、人工塑料草皮、化纖類(lèi)服裝及酒精棉等）。若船舶承運(yùn)的貨物中出現(xiàn)危險(xiǎn)品漏報(bào)、誤報(bào)或瞞報(bào)的情況，會(huì)導(dǎo)致不能準(zhǔn)確掌握各個(gè)集裝箱的貨物屬性。此外，若因貨物屬性未被留意而使對(duì)應(yīng)集裝箱未按照相關(guān)安全排布規(guī)則布置，甚至被錯(cuò)誤放置在甲板區(qū)域頂部，當(dāng)船舶航行至赤道航線(xiàn)附近海域時(shí)，在強(qiáng)烈光線(xiàn)的持續(xù)照射下，集裝箱表面會(huì)因不斷吸收熱量而導(dǎo)致箱內(nèi)溫度升高，進(jìn)而引發(fā)火災(zāi)的可能性。[3-4]

1.1.3 消防設(shè)備及措施短缺

為盡可能提升集裝箱船的運(yùn)載量，通常會(huì)充分利用甲板上的有效空間，由此導(dǎo)致集裝箱船甲板上空間內(nèi)貨物堆積較高（集裝箱堆碼高度可達(dá)10 層左右）、甲板剩余空間較少。船只如果未在艏樓和艉樓頂部設(shè)置專(zhuān)用的消防水炮，當(dāng)上層集裝箱貨物發(fā)生火情時(shí)，普通的消防水槍難以對(duì)貨物頂部的火勢(shì)形成有效控制。同時(shí)，甲板上狹小的通行空間和闊長(zhǎng)的甲板區(qū)域也不利于快速送達(dá)并布置移動(dòng)消防水炮或移動(dòng)水霧槍?zhuān)M(jìn)而影響船舶的滅火效率，加大了火勢(shì)的蔓延風(fēng)險(xiǎn)和控制難度。[5-6]

1.2 目標(biāo)船舶消防能力分析

目標(biāo)船為19 000 標(biāo)準(zhǔn)箱的大型集裝箱船，集裝箱排布設(shè)計(jì)密集、機(jī)艙空間內(nèi)設(shè)備布置緊湊，整體船體空間利用率較高。根據(jù)其原有設(shè)計(jì)圖紙分析，目標(biāo)船舶當(dāng)前的消防措施主要包括水霧噴淋滅火、二氧化碳滅火及消防閥。

其中水霧噴淋滅火系統(tǒng)主要針對(duì)機(jī)艙內(nèi)的重要燃油設(shè)備，通過(guò)水霧噴頭的節(jié)流作用將水以指定角度噴灑控制火情；二氧化碳滅火系統(tǒng)以二氧化碳作為滅火介質(zhì)，儲(chǔ)備在瓶組內(nèi)的氣體在啟動(dòng)時(shí)被迅速釋放，當(dāng)二氧化碳在空氣中的濃度累積至30% ～ 35%時(shí)，即可熄滅絕大多數(shù)火情[7]。消防閥通常與附近對(duì)應(yīng)的消防水龍帶搭配使用，可布置在機(jī)艙內(nèi)及甲板上。當(dāng)發(fā)現(xiàn)火情時(shí)，船員人工操作將消防水帶連接到消防閥上，拖動(dòng)水龍帶至火情處并開(kāi)啟消防閥，以噴射出的水流來(lái)控制火勢(shì)并降溫等。

水噴淋滅火和二氧化碳滅火受其布置的環(huán)境需求，大部分只適用于機(jī)艙和貨艙區(qū)域內(nèi)，對(duì)于甲板上的開(kāi)放空間，由于二氧化碳濃度無(wú)法有效累積，難以發(fā)揮有效作用。目標(biāo)船主甲板以上區(qū)域以水消防為主，消防水通過(guò)消防泵及管路泵送至消防栓。受垂直高度差及沿程損失的影響，閥門(mén)出口的流體壓力低、流量小，而甲板上集裝箱的堆積高度可達(dá)20 ～ 30 m，由水龍帶噴射自下而上的水流滅火效果較差，難以覆蓋集裝箱的最頂層。頂端集裝箱火勢(shì)一旦引發(fā)，將很難得到有效控制，因此甲板以上區(qū)域是目標(biāo)船舶的重大消防缺陷。

近年來(lái)，大型集裝箱船甲板上集裝箱發(fā)生火災(zāi)的情況較多，在航運(yùn)界引起了廣泛關(guān)注。為確保船只安全運(yùn)行、控制船舶營(yíng)運(yùn)風(fēng)險(xiǎn)，目標(biāo)船的船東希望在原有基礎(chǔ)上增加新的消防系統(tǒng)，進(jìn)一步完善和提升船只的消防能力，增強(qiáng)船舶整體可靠性。基于當(dāng)前目標(biāo)船的消防能力分析結(jié)果，在船體高處增加消防水炮是有效的改裝方案之一。對(duì)于改裝船只，新增消防水炮的改裝成本可控，對(duì)原有消防系統(tǒng)管系的連通及控制的改造體量相對(duì)較小，且可避免對(duì)主船體大量改動(dòng)，是提高船舶消防能力的優(yōu)先方案[8]。

2 加裝消防方案設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

加裝消防方案需確保船舶現(xiàn)有營(yíng)運(yùn)效益不受影響，保持原有集裝箱的密集排列布局，盡可能減少對(duì)原有管路系統(tǒng)和船體結(jié)構(gòu)的修改與調(diào)整，在確保能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期消防功能的基礎(chǔ)上，最大限度地控制改裝成本。

對(duì)于甲板以上區(qū)域的消防缺陷，可通過(guò)在船體高點(diǎn)加裝提供高壓滅火介質(zhì)的消防水炮，以形成自上而下的有效滅火途徑。根據(jù)目標(biāo)船的船體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可在煙囪區(qū)域（艉樓）和生活區(qū)域（艏樓）頂端分別加裝面向艏艉2 個(gè)方向的消防水炮，利用水炮高壓、大流量、長(zhǎng)射程的屬性和高度優(yōu)勢(shì)，中段區(qū)域前后水炮交叉配合，便可達(dá)到甲板上集裝箱區(qū)域消防全面覆蓋的效果。

根據(jù)原有設(shè)計(jì)圖紙分析，艉樓后方集裝箱區(qū)域縱向長(zhǎng)度A約為71 m，由艉樓頂端面向艉部的消防水炮覆蓋；艏樓和艉樓之間縱向間距B約為157 m，由艉樓頂端面向艏部、艏樓頂端面向艉部的消防水炮交叉覆蓋；艏樓前方集裝箱區(qū)域縱向長(zhǎng)度C約為114 m，由艏樓頂端面向艏部的消防水炮覆蓋。消防覆蓋方案如圖1 所示。

圖1 消防覆蓋方案

為加強(qiáng)滅火效果和增加設(shè)計(jì)冗余，每個(gè)方向上在左、右舷各設(shè)置1 個(gè)消防水炮（共4 個(gè)方向、8個(gè)消防水炮）。根據(jù)射程覆蓋需求初步選用消防水炮，其參數(shù)如圖2 所示。根據(jù)水炮特征曲線(xiàn)顯示，送至艏樓和艉樓頂端消防水炮處的流體狀態(tài)需滿(mǎn)足壓力不低于1.5 MPa 且流量不低于250 m3/h。

圖2 水炮性能參數(shù)

2.2 消防方案

為滿(mǎn)足加裝消防系統(tǒng)中管路流量需求，滅火介質(zhì)選用海水，利用壓載泵從海水總管抽水，泵送至通道甲板高度附近；同時(shí)，根據(jù)消防水炮的壓力需求，在通道甲板高度附近增設(shè)增壓泵，增壓泵吸口接壓載泵排出支管末端，海水經(jīng)過(guò)2 次增壓供水至艏樓和艉樓頂端的消防水炮，通過(guò)消防水炮的噴射，實(shí)現(xiàn)甲板上集裝箱區(qū)域消防的全面覆蓋。

新增消防系統(tǒng)主要由4 臺(tái)增壓泵、8 臺(tái)消防水炮、遙控蝶閥及系統(tǒng)管路等組成，其中增壓泵、消防水炮及遙控蝶閥的啟停和開(kāi)閉可在駕駛室遙控，新增消防系統(tǒng)原理圖見(jiàn)圖3。

消防設(shè)備分為2 組，每組包括2 臺(tái)增壓泵（1 用1 備）、4 臺(tái)消防水炮、對(duì)應(yīng)蝶閥及管系，分別布置在艏樓和艉樓區(qū)域。艏樓和艉樓頂部均布置4 臺(tái)消防水炮（頂部前后方各2 個(gè)，分別布置在左右兩側(cè)），水炮可360°旋轉(zhuǎn)，2 組增壓泵和消防水炮不同時(shí)工作。

結(jié)合目標(biāo)船舶的原有設(shè)計(jì)，完成加裝消防系統(tǒng)管路模型的三維建模布置，在原有消防管路系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，于機(jī)艙內(nèi)底部區(qū)域壓載泵排出管新增支管用于艉樓1 組消防設(shè)備供水。供水管路上設(shè)置閥件并送至二甲板上的增壓泵組，2 臺(tái)增壓泵1 用1 備并聯(lián)布置。增壓后的管路沿艉樓內(nèi)壁船體結(jié)構(gòu)直至艉樓煙囪頂端的4 臺(tái)消防水炮；艏樓1 組消防設(shè)備自管隧內(nèi)原有消防管路（肋位FR322 附近）取水，并在艏樓二甲板上附近設(shè)置增壓泵組。受限于艏樓管路布置的局限性，增壓泵組后的供水管路在穿出主甲板后，貼沿艏樓外壁蜿蜒向上，送至艏樓頂部的消防水炮。加裝消防系統(tǒng)管路的三維模型走向及艏樓和艉樓頂端的4 臺(tái)消防水炮布置如下頁(yè) 圖4 和圖5 所示。

圖4 艏樓區(qū)域管路及水炮布置

圖5 艉樓區(qū)域管路及水炮布置

3 方案驗(yàn)證

為確保改裝方案能夠達(dá)成預(yù)期效果且實(shí)現(xiàn)甲板上集裝箱區(qū)域消防全面覆蓋的功能，在正式下發(fā)制作與安裝等圖紙前，需事先完成加裝系統(tǒng)的可行性分析，為改裝項(xiàng)目的順利交付提供有力保障。

壓載泵位于機(jī)艙內(nèi)底部區(qū)域，自機(jī)艙至艏樓縱向水平距離約160 m，且消防水炮位置較高，距離艙底壓載泵高差約60 m，管路走向布置復(fù)雜。整個(gè)泵送過(guò)程中，管路內(nèi)流體的能量損失很難準(zhǔn)確預(yù)估，常規(guī)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)難以斷定其可行性。為確保加裝的消防水炮能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)，結(jié)合加裝修改后的消防系統(tǒng)原理和三維模型建立AFT Fathom 消防系統(tǒng)仿真模型（如下頁(yè)圖6 所示），利用AFT Fathom 軟件流體仿真計(jì)算進(jìn)行方案驗(yàn)證。

圖6 AFT Fathom 仿真模型

AFT Fathom 流體計(jì)算軟件采用修正后的牛頓-拉夫森矩陣迭代方法，可模擬仿真多種工況下的管道流體狀態(tài)，對(duì)于穩(wěn)態(tài)分析，其沿程阻力和節(jié)點(diǎn)間的壓力變化可通過(guò)以下方程描述[9-10]：

式中：λ為沿程阻力系數(shù)；l為管路長(zhǎng)度，m；d為管路直徑，m；v為流速，m/s；g為重力加速度, m/s2；P1、P2為前后2 點(diǎn)壓強(qiáng)，Pa；ρ為流體密度，kg/m3；v1、v2為 對(duì) 應(yīng) 流速，m/s；h1、h2為2 點(diǎn)所處的高度，m。

流體仿真計(jì)算中，對(duì)于泵的工作特性曲線(xiàn)可通過(guò)非線(xiàn)性擬合和取樣插值進(jìn)行表達(dá)，但計(jì)算結(jié)果顯示，模型中壓載泵特性曲線(xiàn)的擬合效果較差，平均誤差較大。為確保仿真計(jì)算的準(zhǔn)確性，對(duì)于壓載泵和增壓泵的工作特性選用密集取樣插值的形式描述，其中壓載泵取樣數(shù)據(jù)66 組，增壓泵取樣數(shù)據(jù)92 組，如下頁(yè)圖7 所示。

圖7 壓載泵、增泵插值取樣點(diǎn)

吸口（海水總管）壓力、三通、異徑、彎頭及部分閥件等部件的參數(shù)根據(jù)實(shí)際布置確定，其他特殊部件則借鑒輪機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)的經(jīng)驗(yàn)值，利用模型中的通用構(gòu)建來(lái)表達(dá)對(duì)系統(tǒng)管路特性的影響。流體介質(zhì)選用17.40 ℃的海水參數(shù)，密度為1.05×103kg/m3，運(yùn)動(dòng)黏度為1.12×10-6m2/s。

根據(jù)消防方案，2 組消防設(shè)備分別布置在艏樓和艉樓區(qū)域，2 組不同時(shí)工作，每組2臺(tái)增壓泵并聯(lián)且1 用1 備。按照火情發(fā)生區(qū)域，將仿真計(jì)算分為2 種極限工況，分別為艉樓頂端4臺(tái)消防水炮同時(shí)工作和艏樓頂端4臺(tái)消防水炮同時(shí)工作，如下頁(yè) 表1 所示。

表1 仿真計(jì)算工況

仿真計(jì)算中，可通過(guò)設(shè)定4 個(gè)消防水炮的進(jìn)口流量，計(jì)算得出指定流量情況下整個(gè)系統(tǒng)管路的工作特性，獲取消防水炮在該狀態(tài)下的進(jìn)口壓力，將計(jì)算結(jié)果同消防水炮的最低壓力需求對(duì)比，進(jìn)而判斷消防系統(tǒng)的可行性。

根據(jù)消防水炮性能參數(shù)，在預(yù)定設(shè)計(jì)目標(biāo)下，消防水炮的流量需不低于250 m3/h。在2 種工況下的穩(wěn)態(tài)分析中，將設(shè)定流量空間添加在消防水炮的進(jìn)口處，計(jì)算得出該設(shè)定流量下4 臺(tái)消防水炮的進(jìn)口壓力P1～P4，仿真計(jì)算結(jié)果如表2 所示。

表2 仿真計(jì)算結(jié)果

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知：艉樓4臺(tái)消防水炮工作時(shí)，水炮進(jìn)口壓力不低于1.73 MPa；艏樓4臺(tái)消防水炮工作時(shí)，由于艏艉管路布置較長(zhǎng)，沿程損失占比增大，水炮進(jìn)口壓力為1.68 MPa。對(duì)于當(dāng)前消防改裝布置方案，2種工況下的消防系統(tǒng)為各水炮所提供的消防介質(zhì)足夠滿(mǎn)足其工作需求，能夠?qū)崿F(xiàn)甲板上全面覆蓋的消防目的（如圖8所示）。

圖8 消防覆蓋效果

在管路實(shí)船安裝后，可以通過(guò)添加節(jié)流孔板等方式進(jìn)行調(diào)節(jié)，盡可能使消防水炮在最佳工作點(diǎn)運(yùn)行。

4 結(jié) 語(yǔ)

集裝箱船甲板上箱體堆積高度高、布置密集,常規(guī)消防栓的流量和壓力難以滿(mǎn)足實(shí)際需求。當(dāng)前集裝箱船箱數(shù)龐大，甲板上區(qū)域消防問(wèn)題亟待解決。通過(guò)在煙囪和生活區(qū)域頂部加裝消防水炮,進(jìn)而對(duì)甲板上貨物形成全面覆蓋的設(shè)計(jì)方案是解決消防問(wèn)題的有效途徑之一。頂部消防系統(tǒng)管路長(zhǎng)度及高差較大、布置復(fù)雜，預(yù)先采用流體仿真計(jì)算進(jìn)行可行性分析是方案實(shí)施的必要前提。此外，集裝箱船也需嚴(yán)格把控貨物類(lèi)型的申報(bào)管理工作，杜絕危險(xiǎn)貨物瞞報(bào)，合理布置危險(xiǎn)品集裝箱船的放置位置，盡可能降低火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)及火情蔓延速度。