鋼結(jié)構(gòu)艙室熱防護(hù)措施有效性大尺寸試驗(yàn)和仿真研究

石邦凱　陳慧璽　姚圣姿　王書恒　吳明晨　周馳

摘要：本研究通過(guò)大尺寸試驗(yàn)和FDS數(shù)值仿真模擬，探究了在不同火源類型下典型船舶鋼結(jié)構(gòu)艙室內(nèi)溫度變化情況，并對(duì)鋼結(jié)構(gòu)艙室熱防護(hù)措施有效性進(jìn)行驗(yàn)證。研究采用噴射火、流淌火兩種火源類型，使用8 mm纖維碳酸鈣板作為隔熱防護(hù)材料。結(jié)果表明，F(xiàn)DS數(shù)值仿真結(jié)果與大尺寸試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，在流淌火條件下纖維硅酸鈣板的隔熱防護(hù)效果表現(xiàn)良好，而在噴射火條件下纖維碳酸鈣板的隔熱防護(hù)效果不佳。同時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)艙室上壁即火焰正上方處溫度最高，接近900℃，熱危害性更強(qiáng)。因此，在真實(shí)場(chǎng)景中，應(yīng)優(yōu)先考慮在鋼結(jié)構(gòu)艙室上方安裝防火板進(jìn)行隔熱處理。

關(guān)鍵詞：船舶火災(zāi)；典型艙室；纖維硅酸鈣板；熱防護(hù)技術(shù)措施；數(shù)值模擬

引言

隨著我國(guó)船舶行業(yè)快速發(fā)展，船舶艙室結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，機(jī)械、電子設(shè)備種類增加，使船舶火災(zāi)隱患也更加復(fù)雜。由于具有受限空間特征和更高可燃物密度，船舶火災(zāi)發(fā)生的可能性很高[1]。同時(shí)，在航行時(shí)，船舶火災(zāi)更多只能依靠自救，難以依靠外部救援[2]。因此，除了提高滅火救援之外，探究有效熱防護(hù)技術(shù)措施對(duì)保障船舶安全有重要意義。

張茜[3]構(gòu)建了多組火災(zāi)場(chǎng)景，運(yùn)用FDS進(jìn)行仿真，發(fā)現(xiàn)GA-SVM方法具有良好的泛化能力和預(yù)測(cè)效果。袁敏杰[4]以艙室甲板為研究對(duì)象進(jìn)行火災(zāi)-熱-結(jié)構(gòu)耦合分析，發(fā)現(xiàn)在真實(shí)火災(zāi)作用下，甲板與整個(gè)艙室都存在明顯溫度梯度。郝軍凱[5]采用大渦模擬方法，研究了密閉艙室0.64m2流淌火作用下結(jié)構(gòu)熱力響應(yīng)和剩余極限強(qiáng)度。張晨[6]運(yùn)用FDS軟件對(duì)船舶艙室火災(zāi)煙氣流動(dòng)規(guī)律和危險(xiǎn)參數(shù)的變化情況進(jìn)行了探究。White等[7]建立了船舶艙室轟燃后向相鄰艙室的傳熱模型。通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量了高溫壁面溫度，計(jì)算得到的冷艙室氣溫和壁面溫度與試驗(yàn)值符合較好。Jansson[8]等人，在邊長(zhǎng)為6m的立方體，頂部有開口的封閉空間進(jìn)行了火災(zāi)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)封閉空間頂部開口的大小會(huì)影響到煙氣的溫度的變化，開口增大會(huì)導(dǎo)致空間內(nèi)火災(zāi)荷載增加，破壞性會(huì)更大。張佳慶等[9]對(duì)封閉艙室的火災(zāi)特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，但研究的對(duì)象是小尺寸艙室模型。

目前，針對(duì)船舶火災(zāi)研究的大尺寸試驗(yàn)成果較少。本文針對(duì)典型船舶鋼結(jié)構(gòu)艙室，基于實(shí)際燃燒空間尺寸、多種火源及硅酸鈣板隔熱防護(hù)措施，進(jìn)行了大尺寸船舶鋼結(jié)構(gòu)艙室火災(zāi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究，并對(duì)鋼結(jié)構(gòu)艙室的熱防護(hù)措施有效性進(jìn)行驗(yàn)證分析。本研究可為船舶安全防護(hù)設(shè)計(jì)提供一些科學(xué)指導(dǎo)。

一、試驗(yàn)設(shè)計(jì)

（一）火災(zāi)場(chǎng)景設(shè)計(jì)

在船舶結(jié)構(gòu)中，艙室內(nèi)設(shè)備較多，對(duì)船舶整體功能影響較大。由于人員流動(dòng)量較大，其發(fā)生火災(zāi)后產(chǎn)生的后果也更為嚴(yán)重。本次試驗(yàn)火災(zāi)場(chǎng)景選擇船舶鋼結(jié)構(gòu)艙室作為最不利火災(zāi)場(chǎng)景，艙室模型長(zhǎng)21m，寬13m，高8m?？紤]到船舶使用燃油類型及潛在的泄漏方式，試驗(yàn)火源采用流淌柴油火和噴射柴油火。參照《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》要求，試驗(yàn)選用纖維硅酸鈣板模擬鋼結(jié)構(gòu)艙室的隔熱措施（性能參數(shù)如表1所示），纖維硅酸鈣板做防火板時(shí)厚度在5～20mm[10]。考慮到防火板固定搬運(yùn)等因素，本試驗(yàn)中使用8mm防火板。

（二）試驗(yàn)系統(tǒng)與工況

流淌火試驗(yàn)平臺(tái)如圖1所示，有效流淌平面尺寸為5m（長(zhǎng)）×0.8m（寬），左右兩側(cè)預(yù)留供油孔和溢油孔。試驗(yàn)中采用蠕動(dòng)泵連接供油孔供給燃料，通過(guò)改變?nèi)鋭?dòng)泵的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)燃料在玻璃平面上均勻流淌蔓延。噴射火試驗(yàn)平臺(tái)如圖2所示，尺寸為3m（長(zhǎng)）×0.5m（寬）×0.3m（高）。為了控制整流效果，采用整流過(guò)濾網(wǎng)，噴口的壓力設(shè)定為0.07MPa。試驗(yàn)中主要測(cè)量鋼結(jié)構(gòu)艙室火災(zāi)中防火板隔熱性能（用貼片熱電偶測(cè)量隔熱材料兩側(cè)溫度）、艙室火災(zāi)溫度場(chǎng)（K型熱電偶測(cè)量）。

在鋼結(jié)構(gòu)艙室內(nèi)火源上方頂部鋪設(shè)增強(qiáng)05m×05m的纖維硅酸鈣板防火板，如圖3所示，用于模擬隔熱措施。頂部的防火板表面及背面共各鋪設(shè)1片貼片熱電偶，用于監(jiān)測(cè)隔熱材料內(nèi)外表面的溫度，驗(yàn)證防火材料的隔熱性能。在火源上方、頂棚短邊、頂棚長(zhǎng)邊、艙室門前側(cè)和艙室離火源最遠(yuǎn)處角落共布置5串K型熱電偶，用于測(cè)量艙室內(nèi)發(fā)生火災(zāi)后的火焰區(qū)、艙室頂棚和艙室不同高度位置的煙氣溫度，如圖4所示。在火源左側(cè)布設(shè)相機(jī)，用于記錄火災(zāi)發(fā)展過(guò)程。

（三）試驗(yàn)工況

在大尺寸試驗(yàn)中，考慮兩種類型火源（柴油流淌火和柴油噴射火）、兩種防火板設(shè)置場(chǎng)景（無(wú)防火板和8mm防火板），共設(shè)計(jì)以下4種典型工況。

二、試驗(yàn)結(jié)果與分析

（一）防火板隔熱效果分析

通過(guò)對(duì)比防火板迎火面和背火面貼片熱電偶數(shù)據(jù)，對(duì)纖維硅酸鈣板防火板的隔熱效果進(jìn)行分析。圖5和圖6分別給出了柴油流淌火場(chǎng)景和柴油射流火場(chǎng)景下艙室頂部防火板迎火面和背火面溫度變化情況。

從圖5和圖6可以看出，在柴油流淌火場(chǎng)景中（工況2），防火板迎火面最高溫度達(dá)到75℃，經(jīng)過(guò)8mm厚防火板的阻隔，其背火面最高溫度為38℃。而在在柴油噴射火場(chǎng)景中（工況4），防火板迎火面最高溫度達(dá)到160℃，經(jīng)過(guò)8mm厚防火板的阻隔后，其背火面最高溫度仍然可以達(dá)到76℃。對(duì)比分析可以發(fā)現(xiàn)，8mm厚度的纖維硅酸鈣板防火板可有效阻隔船舶鋼結(jié)構(gòu)艙室內(nèi)柴油流淌火的熱危害，但對(duì)于柴油噴射火的熱防護(hù)效果則相對(duì)有限。

（二）艙室內(nèi)部溫度變化特征

圖7和圖8分別給出了柴油流淌火和射流火場(chǎng)景下船舶鋼結(jié)構(gòu)艙室內(nèi)部典型位置處的溫度分布情況。

從圖7和圖8可以看出，在柴油流淌火和柴油噴射火場(chǎng)景下，艙內(nèi)溫度隨火災(zāi)持續(xù)時(shí)間的增加，呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢(shì)。在柴油噴射火場(chǎng)景中，艙室內(nèi)高溫分布范圍相對(duì)更大，熱危害性更為強(qiáng)烈。在艙室發(fā)生柴油流淌火場(chǎng)景中，由火源上方R1列溫度數(shù)據(jù)可知，火焰垂直方向最高溫度可達(dá)130℃。通過(guò)頂棚短邊R2、頂棚長(zhǎng)邊R3列溫度數(shù)據(jù)可知，頂棚處煙氣溫度在80-150℃范圍內(nèi)。艙室門前側(cè)R5列熱電偶處最高溫度也不超過(guò)35℃。而當(dāng)船舶艙室發(fā)生柴油噴射火時(shí)，火焰垂直方向最高溫度將近900℃，頂棚處煙氣溫度在200-330℃范圍內(nèi)，艙室門前側(cè)R5串熱電偶處最高溫度不超過(guò)60℃。整體而言，噴射火場(chǎng)景的火災(zāi)危險(xiǎn)性大于流淌火場(chǎng)景。

三、仿真驗(yàn)算

為了能夠與大尺寸試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，采用FDS軟件對(duì)船舶鋼結(jié)構(gòu)艙室火災(zāi)場(chǎng)景進(jìn)行仿真。艙室尺寸設(shè)置為21m×13m×8m。火源選擇8m×0.25m油池，燃料為柴油。參考前人研究[11]，3.84m2的柴油油池火熱釋放速率為7500kW，本次仿真設(shè)置油池面積為4m2，初步設(shè)定熱釋放速率為8000kW，油池單位面積熱釋放率2000kW。

通過(guò)FDS用戶手冊(cè)推薦的方法進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)，網(wǎng)格尺寸d取在1/16D*和1/4D*之間的仿真結(jié)果更加準(zhǔn)確[19]，D*表達(dá)式為：

（1）

式中：D*——火源特征直徑（m）；Q——熱釋放速率（kW）；T∞——環(huán)境溫度（K），此處取T∞

=293K；ρ∞——環(huán)境溫度（K），此處取ρ∞=1.2kg/m3；cp——空氣的定壓熱容（K），此處取G=1.02kJ/（kg·K）；g——重力加速度（m/s2），此處取g=9.81m/s2。

根據(jù)網(wǎng)格獨(dú)立性測(cè)試結(jié)果，確定當(dāng)前仿真過(guò)程使用的網(wǎng)格尺寸為0.25m。艙室模型如圖9所示。

四、仿真結(jié)果與分析

考慮到大尺寸試驗(yàn)結(jié)果，艙室柴油流淌火場(chǎng)景中的火源燃燒效率更高，潛在的火災(zāi)蔓延和放熱影響范圍更大，故采用流淌火試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。圖10和圖11分別給出了仿真與大尺寸試驗(yàn)柴油流淌火場(chǎng)景中典型位置（艙內(nèi)中心豎直高度7.5m和6.0m處）的溫度數(shù)據(jù)。

根據(jù)圖10和圖11，分別對(duì)比艙內(nèi)中心位置豎直高度7.5m、6.0m處，仿真與大尺寸試驗(yàn)柴油流淌火工況溫度數(shù)據(jù)變化?？梢园l(fā)現(xiàn)，在艙內(nèi)中心位置豎直高度7.5m處，仿真與大尺寸試驗(yàn)結(jié)果的最高溫度比較接近，均達(dá)到320℃左右，而在艙內(nèi)中心位置豎直高度6.0m位置處，火災(zāi)溫度大約為300℃左右。因此，根據(jù)當(dāng)前FDS仿真結(jié)果，可以在一定程度上驗(yàn)證大尺寸試驗(yàn)結(jié)果，仿真結(jié)果和試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果較為吻合。

結(jié)語(yǔ)

本研究通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)大尺寸試驗(yàn)和FDS數(shù)值模擬，探究了在不同火源類型下典型鋼結(jié)構(gòu)艙室溫度變化情況，并對(duì)鋼結(jié)構(gòu)艙室熱防護(hù)措施（8mm纖維硅酸鈣板）有效性進(jìn)行驗(yàn)證，主要結(jié)論如下：

采用8mm纖維硅酸鈣板可明顯降低流淌火和噴射火對(duì)鋼結(jié)構(gòu)艙室的熱危害作用，并且對(duì)柴油流淌火的熱防護(hù)效果更佳（使艙室頂部鋼結(jié)構(gòu)溫度不大于60℃），可有效避免艙室鋼壁受熱失效。在柴油噴射火和柴油流淌火條件下，艙室上壁即火焰正上方溫度最高，接近900℃。因此，在船舶鋼結(jié)構(gòu)艙室熱防護(hù)設(shè)計(jì)中，應(yīng)優(yōu)先考慮在鋼結(jié)構(gòu)艙室上方安裝防火板進(jìn)行隔熱處理。通過(guò)與大尺寸試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，當(dāng)前針對(duì)船舶鋼結(jié)構(gòu)艙室火災(zāi)的FDS數(shù)值仿真具有較好預(yù)測(cè)精度。同時(shí)，也在一定程度上驗(yàn)證了采用8mm纖維硅酸鈣板防火板熱防護(hù)措施的有效性。

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作者簡(jiǎn)介：石邦凱（1988- ），男，漢族，河南固始人，碩士研究生，工程師，研究方向：特種防火防爆安全技術(shù)。

*通信作者：陳慧璽（1998- ），女，漢族，浙江寧波人，碩士研究生，研究方向：艙室熱防護(hù)；姚圣姿（1999- ），女，漢族，河南新鄉(xiāng)人，碩士研究生，研究方向：鋰電池?zé)崾Э亍?/p>