艦船甲板航空煤油流淌火滅火試驗研究

蒲曉亮，鐘 濤

(中國船舶及海洋工程研究院，上海 200011)

0 引 言

近年來，我國艦船裝備快速發(fā)展，帶有大型飛行甲板的艦船陸續(xù)研發(fā)，艦船飛行甲板的安全防護尤為重要，而火災(zāi)是艦船飛行甲板面臨的主要危險之一，據(jù)統(tǒng)計二戰(zhàn)后歐美國家航母火災(zāi)中飛行甲板火災(zāi)占比達到39%[1]。帶有飛行甲板的大型軍用艦艇，由于艦載機加注的航空煤油量大，一旦發(fā)生事故泄漏，起火后快速燃燒，燃燒強度大，并隨著艦船的搖擺有較強流淌性。同時在海風的作用下，勢必加劇蔓延，形成一邊流淌一邊燃燒的蔓延性火災(zāi)，增加了滅火工作的難度和強度。因此，必須選擇有效的滅火劑和滅火方法，確保飛行甲板發(fā)生火災(zāi)后能夠有效滅火，保護裝備和人員的安全。

美國在吸取了二戰(zhàn)中航母火災(zāi)的經(jīng)驗教訓后，將飛行甲板和機庫甲板消防措施改為泡沫滅火，二戰(zhàn)后在經(jīng)歷多次航母火災(zāi)后又將泡沫滅火劑換為可噴灑的水成膜泡沫滅火系統(tǒng)，隨后又開展了大量的水成膜泡沫滅火試驗研究[2]，美國現(xiàn)役航母和兩棲攻擊艦飛行甲板仍在大量應(yīng)用水成膜泡沫滅火系統(tǒng)[3]。由于干粉的控火能力強，在撲滅油類火時具有很高的滅火效率，其在艦船甲板滅火中也被廣泛應(yīng)用[4]?？傊?，水成膜泡沫和干粉是目前飛行甲板最主要的滅火劑。從各類規(guī)范的要求也可看出干粉滅火和水成膜泡沫滅火是飛行甲板最重要的滅火措施。如《艦船通用規(guī)范》規(guī)定直升機起降平臺應(yīng)配置水成膜或甲板泡沫滅火系統(tǒng)（和干粉聯(lián)用）；《國際海上人命安全公約》要求在靠近直升機甲板處配備至少2 具干粉滅火器，還應(yīng)配備一個由泡沫炮或泡沫發(fā)生支管組成的合適泡沫滅火系統(tǒng)。

但這2 種滅火措施如何配合使用才能達到最佳滅火效果，規(guī)范沒有明確規(guī)定。特別在應(yīng)對艦船搖擺和甲板風場作用下的甲板流淌火時，如何應(yīng)用水成膜泡沫滅火系統(tǒng)和干粉滅火實現(xiàn)最佳滅火效果，相關(guān)研究較少。國內(nèi)在流淌火領(lǐng)域已開展了大量研究，但主要集中在流淌火的特性和模型研究[5-9]，對如何有效控制和撲滅流淌火的研究則較少。王馨等[10]以油池火為對象進行試驗，對比了融合超細干粉的水成膜泡沫和單獨使用水成膜泡沫的滅火效果，但未研究對流淌火的滅火效果。

為驗證干粉和泡沫不同聯(lián)用方式對艦船甲板航空煤油流淌火的滅火效果，本文設(shè)計并搭建試驗平臺，模擬了艦船飛行甲板的流淌火災(zāi)，進行了滅火試驗驗證。試驗運用熱電偶和紅外線技術(shù)，監(jiān)測了試驗溫度數(shù)據(jù)，用CCD 攝像機和視屏監(jiān)控系統(tǒng)拍攝了滅火試驗過程。通過在水平流淌模型和傾斜流淌模型上分別進行先干粉后水成膜、干粉與水成膜混合的聯(lián)用滅火，一方面對甲板航煤流淌火的燃燒特點進行了試驗，另一方面驗證了不同聯(lián)用方式應(yīng)對甲板航煤流淌火的滅火效能，對滅火劑的使用和滅火方式提出了建議。

1 試驗設(shè)計

1.1 試驗場地搭建

試驗場地原理圖如圖1 所示，主要由試驗平臺、供水系統(tǒng)、水成膜泡沫滅火系統(tǒng)、推車式干粉滅火裝置、風機、點火裝置、供油系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)等部分組成。為模擬艦船的傾斜搖擺，試驗平臺分為斜度4.5°的傾斜流淌試驗區(qū)域和水平流淌試驗區(qū)域，兩處試驗區(qū)域大小相同，單個試驗區(qū)域面積約150 m2，尺寸為長17.75 m、寬8.45 m。試驗平臺的表面依次采用耐火磚、耐火水泥和16 目的金剛砂按比例混合鋪設(shè)而成。

圖1 滅火試驗場地原理圖Fig. 1 Schematic diagram of the fire extinguishing experiment site

試驗燃料為RP-5 航空煤油，供油采用油箱重力供油，油箱和試驗平臺之間用磚墻隔開，為盡量模擬直升機油箱破損后的燃油泄漏速率，油箱內(nèi)的航空煤油通過DN65 的管路泄放到試驗平臺，泄放速率為5 L/s。

試驗用泡沫滅火劑為海水型3% 水成膜泡沫液，水成膜泡沫的末端噴射裝置為電動泡沫消防炮。為實現(xiàn)水成膜泡沫與干粉混合噴灑，對電動泡沫消防炮的炮管進行了改進，使得電動消防炮有2 種噴射方式：一種是噴射3%的水成膜泡沫，另一種是在炮管處預留了干粉滅火劑的入口，可在消防炮炮管的末端進行干粉與水成膜的混合，實現(xiàn)干粉和3%水成膜混合滅火。

試驗場地設(shè)置風機用于模擬海風，考慮直升機可在6 級風下起降，因此選擇的風機可使試驗場地產(chǎn)生約11 m/s 的風速。

1.2 數(shù)據(jù)采集設(shè)備及其布置

試驗場火災(zāi)試驗測試設(shè)備主要包括熱電偶、紅外熱像儀、CCD 攝像機、流量計、輻射熱通量計、數(shù)據(jù)采集儀等。通過這些測試儀器對干粉與水成膜泡沫滅火系統(tǒng)聯(lián)用滅火試驗過程、泡沫噴灑流量、試驗環(huán)境溫度、火焰熱輻射等參數(shù)進行測量記錄。為全方位觀測整個試驗過程和現(xiàn)象，試驗時同時采用4 部CCD 攝像機和紅外熱像儀對試驗?zāi)Ｐ褪芑鹈鏈囟纫约盎饒鰷囟冗M行監(jiān)測，判斷流淌火燃燒狀態(tài)，為確認滅火時間提供輔助手段。采用鎧裝式K 型熱電偶進行溫度測量，其測溫范圍是0～1 200℃，采用補償導線接入數(shù)據(jù)采集器進行實時數(shù)據(jù)采集。試驗共設(shè)置3 組熱電偶，均勻布置在3 個熱電偶靶上，熱電偶靶內(nèi)，間隔0.5 m布設(shè)一個，熱電偶靶放置在距離流淌模型側(cè)面1.5 m的位置。熱電偶使用補償導線與數(shù)據(jù)采集儀插槽線板連接，補償導線及連接端子用隔熱毯或石棉進行包裹。檢測設(shè)備布置如圖2 所示。

圖2 檢測儀器及其布置示意圖Fig. 2 Monitoring devices layout

1.3 試驗工況

試驗油品選用RP-5 航空煤油，密度為815.9 kg/m3，比熱值為43.1 MJ/kg。

直升機平臺泡沫混合液供給強度按每平方米被保護面積不小于4.1 L/min，保護面積按最大試驗區(qū)域面積150 m2計算，因此需泡沫混合液流量10.25 L/s，試驗中采用1 臺泡沫消防炮噴射，額定流量為16 L/s。干粉滅火裝置采用超細干粉滅火劑，容量為30 kg，噴射速率為0.8 kg/s。

試驗共設(shè)置4 個工況，每個工況進行3 組試驗，具體如表1 所示。

表1 試驗工況表Tab. 1 Table of test condition

1.3.1 水平流淌模型滅火試驗

開啟風機，在水平流淌模型上進行6 次超細干粉與水成膜泡沫系統(tǒng)聯(lián)用的對比滅火試驗，前3 次為“先干粉后泡沫”的聯(lián)用滅火方式，后3 次為“泡沫干粉混合”的聯(lián)用滅火方式。

1.3.2 傾斜4.5°流淌模型滅火試驗

開啟風機，在傾斜4.5°流淌模型上進行6 次超細干粉與水成膜泡沫系統(tǒng)聯(lián)用的對比滅火試驗，前3 次為“先干粉后泡沫”的聯(lián)用滅火方式，后3 次為“泡沫干粉混合”的聯(lián)用滅火方式。

2 試驗結(jié)果分析與討論

2.1 試驗結(jié)果

共開展了4 組共12 次滅火試驗，其中11 次滅火成功，試驗中通過攝像、熱成像儀及熱電偶等方式記錄了試驗過程，通過綜合分析，各滅火試驗的控火時間和滅火時間匯總?cè)绫? 所示。從結(jié)果可看出，在水平流淌模型上，采用“泡沫干粉混合”的滅火方式，控火時間短于“先干粉后泡沫”的聯(lián)用滅火方式；在傾斜流淌模型上，采用“泡沫干粉混合”的滅火方式，控火時間和滅火時間都明顯短于“先干粉后泡沫”的聯(lián)用滅火方式。

2.2 水平流淌模型滅火試驗過程

2.2.1 “先干粉后泡沫”滅火試驗

在水平流淌模型上按“先干粉后泡沫”的滅火方式進行了3 次試驗，3 次試驗均能成功滅火。3 次試驗消耗航空煤油均為178 kg，泄放速率均為5 L/s，由于試驗在開放環(huán)境中進行，受環(huán)境影響，3 次試驗預燃時間不盡相同。3 次試驗控火時間基本接近，滅火時間差異較大，最長滅火時間91 s，最短為39 s，這是因為試驗在開放環(huán)境中進行，環(huán)境風的風向和風速大小差異較大，燃燒蔓延的方向和面積不同，而干粉和泡沫的噴射方向固定，滅火劑噴射與燃燒蔓延相對方向的不同以及人為因素造成滅火操作的差異性，導致某些試驗中模型邊緣處存在一些零星燃燒，由于距離泡沫炮較遠，完全滅火耗時較長。

圖3 為第1 次試驗的滅火過程，圖4 為第1 次試驗過程熱電偶采集到的溫度變化情況。以點火成功為t=0 s計時，點火不久即形成較大規(guī)模的火焰并釋放大量濃煙（t=25 s），到t=43 s時，燃燒基本穩(wěn)定，形成大規(guī)?；鹧娌⒊掷m(xù)釋放大量濃煙，距離中心點3 m處的熱電偶最高溫度為536.5℃，火焰中心的溫度最高達到了1 510℃。繼續(xù)穩(wěn)定燃燒約10 s，t=52 s開始噴射干粉進行滅火，用干粉進行滅火10 s后火勢仍然較大（t=62 s），同時可以看到在模擬風場和環(huán)境風的作用下，干粉和濃煙一起彌漫。t=85 s時停止干粉噴射，火勢得到了一定控制，但火情尚未撲滅。到t=100 s時，火勢有所減小，可見僅使用干粉無法撲滅火情。此時開啟泡沫消防炮，使用水成膜泡沫進行滅火，火勢迅速減小，從圖3 可知，到t=117 s時，火勢已較微弱，到t=143 s完成滅火，滅火過程耗時91 s。

圖3 水平模型“先干粉后泡沫”滅火試驗現(xiàn)象Fig. 3 Horizontal platform dry powder before AFFF fire extinguishing test phenomenon

圖4 水平模型“先干粉后泡沫”滅火試驗溫度變化Fig. 4 Horizontal platform ＂dry powder before AFFF＂ fire extinguishing test temperature

2.2.2 泡沫干粉混合滅火試驗

在水平流淌模型上按“泡沫干粉混合”的滅火方式進行了3 次試驗，2 次試驗成功滅火，1 次由于操作問題未能滅火。前2 次試驗控火時間約8 s，第3 次控火時間14 s，除未成功滅火的1 次試驗外，另2 次試驗滅火時間較為接近，第2 次滅火時間66 s，第3 次滅火時間55 s。

圖5 為第3 次試驗的滅火過程，圖6 為第3 次試驗過程熱電偶采集到的溫度變化情況。以點火成功為t=0 s計時，點火不久即形成較大規(guī)模的火焰并釋放大量的濃煙（t=15 s），到t=35 s時，燃燒基本穩(wěn)定，形成大規(guī)模火焰并持續(xù)釋放大量濃煙，距離中心點3m 處的熱電偶最高溫度為480℃，火焰中心的溫度最高達到了1 520℃。繼續(xù)穩(wěn)定燃燒約10 s，t=45 s開始使用泡沫消防炮噴灑水成膜泡沫與干粉的混合滅火劑進行滅火，開始滅火后火勢迅速減小。t=59 s時火勢基本得到控制，但火情尚未撲滅。繼續(xù)噴灑泡沫進行滅火，到t=71 s時，火焰已較小，濃煙基本消失。到t=100 s完成滅火，滅火過程耗時55 s。

圖5 水平模型“泡沫干粉混合”滅火試驗現(xiàn)象Fig. 5 Horizontal platform dry powder mixed with AFFF fire extinguishing test phenomenon

圖6 水平模型“泡沫干粉混合”滅火試驗溫度變化Fig. 6 Horizontal platform ＂dry powder mixed with AFFF＂ fire extinguishing test temperature

2.3 傾斜流淌模型滅火試驗過程

2.3.1 “先干粉后泡沫”滅火試驗

在傾斜流淌模型上按“先干粉后泡沫”的滅火方式進行了3 次試驗，3 次試驗均能成功滅火。以第1 次滅火試驗為例簡要分析滅火過程，試驗過程主要階段如圖7 所示，試驗溫度變化曲線如圖8 所示。與水平模型相比，熱電偶采集到的溫度較低，最高溫度約192℃，主要因為水平模型熱電偶位置更靠近火源，而傾斜模型距離較遠。從圖7 可看出，以點火成功為t=0 s計時，點火后火勢發(fā)展較慢，溫度上升較為緩慢，到t=60 s時，燃燒范圍沿模型長度方向僅占模型的3/1，到t=112 s 形成大規(guī)?；鹧妫紵啬Ｐ烷L度方向基本布滿，燃燒基本穩(wěn)定，并持續(xù)釋放大量濃煙，距離中心點3 m 處的熱電偶最高溫度為197.3℃，火焰中心的溫度最高1 283℃。繼續(xù)穩(wěn)定燃燒約8 s，t=120 s開始使用干粉滅火劑進行滅火，t=188 s時火勢基本得到控制，但火情尚未撲滅。到t=219 s完成滅火，滅火過程耗時99 s。

圖7 傾斜模型“先干粉后泡沫”滅火試驗現(xiàn)Fig. 7 Inclined platform dry powder before AFFF fire extinguishing test phenomenon

2.3.2 “泡沫干粉混合”滅火試驗

在傾斜流淌模型上按“泡沫干粉混合”的滅火方式進行了3 次試驗，3 次試驗均能成功滅火。以第2 次滅火試驗為例簡要分析滅火過程，該試驗溫度變化曲線如圖9 所示。可以看出，以點火成功為t=0 s計時，點火后火勢發(fā)展較慢，溫度上升較為緩慢，到t=130 s形成大規(guī)?；鹧?，燃燒基本穩(wěn)定，在距離中心點3 m 處的熱電偶最高溫度為112℃，火焰中心的溫度最高963℃。繼續(xù)穩(wěn)定燃燒約10 s，t=140 s開始使用水成膜泡沫與干粉的混合滅火劑進行滅火，t=168 s時火勢基本得到控制，但火情尚未撲滅。到t=201 s完成滅火，滅火過程耗時61 s。

圖9 傾斜模型“干粉泡沫混合”滅火試驗溫度變化Fig. 9 Inclined platform dry powder mixed with AFFF fire extinguishing test temperature

3 結(jié)果分析

3.1 風對甲板航煤火燃燒的影響

從試驗現(xiàn)象可看出，在模擬風場和自然風的共同作用下，泄漏的RP-5 航空煤油在燃燒過程中，火焰容易受到風向的干擾，在風向的作用下，順著風向燃燒，火焰向下風區(qū)快速延伸，易發(fā)生爆燃（見圖3（b）），上風區(qū)的溫度也隨之降低。

3.2 搖擺對甲板航煤火燃燒及滅火的影響分析

試驗采用傾斜流淌模型模擬艦船甲板的搖擺情況，對比水平和傾斜2 種模型滅火試驗結(jié)果可知，傾斜對流淌火的燃燒過程和滅火均有較大影響。從表2可看出，與水平流淌火相比，傾斜流淌火達到穩(wěn)定燃燒所需的預燃時間更長，6 次水平流淌火平均預燃時間為5 6.3 s，而6 次傾斜流淌火平均預燃時間為120.2 s；與水平流淌火相比，傾斜流淌火焰中心溫度較低，6 次水平流淌火平均火焰中心溫度為1 445.8℃，而6 次傾斜流淌火平均火焰中心溫度為1 195.7℃。對比圖3 和圖7 還可發(fā)現(xiàn)，傾斜流淌火的火焰高度比水平流淌火低，而燃燒范圍比水平流淌火大。這與呂鵬[11]、蔡賓斌[9]等研究結(jié)果基本一致。

在采用相同的滅火方式下，傾斜流淌火的控火時間和滅火時間均比水平流淌火更長。采用“先干粉后泡沫”方式滅火時，水平流淌火的平均控火和平均滅火時間分別為29.3 s 和50.5 s，傾斜流淌火的平均控火和平均滅火時間分別為74 s 和101.7 s；采用“干粉泡沫混合”方式滅火時，水平流淌火的平均控火和平均滅火時間分別為10 s 和60.5 s，傾斜流淌火的平均控火時間和平均滅火時間分別為29.3 s 和68.7 s。

3.3 兩種滅火劑不同聯(lián)用方式滅火效果分析

從表2 可看出，無論對水平流淌火還是傾斜流淌火，“干粉與泡沫混合”的聯(lián)用滅火效果均優(yōu)于采用“先干粉后泡沫”的方式。采用“先干粉后泡沫”方式進行滅火時，干粉滅火劑有抑制火焰的作用，從熱電偶的溫度數(shù)據(jù)看，噴放干粉滅火劑時，火場溫度有所下降，但不能快速控制火勢，后噴灑水成膜泡沫滅火劑時能夠快速控制火勢，直至滅火。采用“干粉與泡沫混合”的聯(lián)用滅火方式時，當泡沫干粉混合液開始作用后，火場溫度下降更快速，能夠更快速地控制火勢，滅火時間也較短。

從滅火現(xiàn)象可看出，在風場作用下，干粉滅火劑噴放時隨著風向產(chǎn)生漂移，也隨著火焰和煙霧向上漂移，漂移、擴散速度較快，對比圖3 和圖5 可看出，干粉滅火劑對火源有一定阻擋作用，能夠阻擋火勢的蔓延。

4 結(jié) 語

1）航空煤油流淌火在風力作用下，火焰向下風區(qū)快速延伸，易發(fā)生爆燃。與水平流淌火相比，斜面航空煤油流淌火火焰高度更低、火焰中心溫度更低、蔓延范圍更大。

2）在采用相同的滅火方式下，撲滅傾斜流淌火所需控火時間和滅火時間均比水平流淌火長，說明艦船甲板流淌火災(zāi)搖擺情況下更難以控制和撲滅。

3）對于水成膜泡沫和干粉聯(lián)用滅火方式，“先干粉后泡沫”和“干粉與泡沫混合”2 種聯(lián)用方式均能滅火，但無論對水平流淌火還是傾斜流淌火，采用“干粉與泡沫混合”的方式控火時間和滅火時間都更短，因此對海風作用下的甲板航煤流淌火，更適合采用“干粉與泡沫混合”的聯(lián)用方式。

4）對于甲板流淌火，為達到更好的滅火效果，應(yīng)使噴灑的滅火劑噴射在火焰中心的上部，均勻落灑在火焰中心并沿火焰中心向外輻射。