淺析特種艦船兩型氣體滅火系統(tǒng)應(yīng)用

何春平 朱佳偉

摘? ? 要：當(dāng)前雖然 1301 滅火劑不是環(huán)保型，但仍有不少特殊艦船上采用 1301 滅火系統(tǒng)而不用高壓CO2 滅火系統(tǒng)。本文從滅火效率、經(jīng)濟(jì)性和主要參數(shù)、毒性對(duì)比兩種氣體滅火的優(yōu)缺點(diǎn)，分析以上現(xiàn)象的原因。此外，本文分析 1301 滅火劑適裝性及其可替代的新型滅火劑型式，提出后期艦船滅火劑選型建議。

關(guān)鍵詞：特種艦船；氣體滅火系統(tǒng)；滅火效率；經(jīng)濟(jì)性；毒性

中圖分類號(hào)：U664.88 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Brief Analysis on Two Common Gas Fire Extinguishing

Systems for Special Naval Ships

HE Chunping，? ZHU Jiawei

（ Third Military Representative Office of Navy in Guangzhou， Guangzhou 511462 ）

Abstract： Although 1301 fire extinguishing agent is not environmentally friendly at present， the 1301 fire extinguishing system is still used on a lot of special naval ships instead of high pressure CO2 fire extinguishing system. The article compares the advantages and disadvantages of special naval ship 1301 fire extinguishing system and CO2 fire extinguishing system in terms of fire extinguishing efficiency，economy， major parameters and toxicity， for readers to understand the reasons thereof. Furtherfore， this paper analyzes 1301 fire extinguishing system application as well as the alternative new type fie extinguishing agents and proposes the future types of fie extinguishing agents on new naval ships.

Key words： naval ship; gas fire extinguishing systems; fire extinguishing efficiency; economy; toxicity

1? ? ?前言

艦船機(jī)艙用固定滅火系統(tǒng)一般有泡沫滅火系統(tǒng)、水霧滅火系統(tǒng)和氣體滅火系統(tǒng)。相對(duì)于泡沫和水霧滅火系統(tǒng)，氣體滅火系統(tǒng)滅火劑腐蝕性小，不導(dǎo)電，蒸發(fā)后無殘留，適用于多種火災(zāi)撲救。目前特種艦船的機(jī)艙常用氣體滅火系統(tǒng)一般有高壓CO2和鹵代烷1301（CF3 Br）兩類。根據(jù)《蒙特利爾議定書》的要求，我國(guó)于2010由環(huán)境保護(hù)部、發(fā)改委、工信部三部門聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于發(fā)布<中國(guó)受控消耗臭氧層物質(zhì)清單>的公告》，從2010年1月1日起，除特殊用途外（如軍事用途），全面禁止三氟一溴甲烷的生產(chǎn)和使用。為此，當(dāng)前新造民用船舶氣體滅火不得使用1301介質(zhì)，而采用高壓CO2滅火系統(tǒng)替代。但縱觀各國(guó)海軍艦船，其使用1301滅火系統(tǒng)居多。為何出現(xiàn)如此現(xiàn)象，本文從滅火效率、經(jīng)濟(jì)性、毒性等方面淺析兩種滅火系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)，并對(duì)新型環(huán)保滅火劑進(jìn)行展望。

2? ? ?滅火特性對(duì)比

通常，燃燒有四個(gè)要素：燃料、氧氣、熱量、燃燒連鎖反應(yīng)，即通常所說的火災(zāi)四要素。如果要撲滅火災(zāi)，則需消除這四要素之間的任何一個(gè)或多個(gè)鏈接，或改變它們之間的平衡狀態(tài)：

A.打斷燃燒連鎖反應(yīng)；

B.控制或消除燃料來源；

C.切斷或稀釋氧氣來源；

D.從火災(zāi)區(qū)除去充足的熱量。

其中A項(xiàng)為化學(xué)作用滅火方法，BCD項(xiàng)為物理作用滅火方法。1301和CO2滅火系統(tǒng)的滅火劑都是液態(tài)儲(chǔ)存，滅火時(shí)經(jīng)噴射形成氣態(tài)，吸收大量熱量，減少火災(zāi)區(qū)熱量，并稀釋火災(zāi)區(qū)域的含氧量，達(dá)到切斷或稀釋氧氣的目的。因此，1301和CO2系統(tǒng)均具有物理作用滅火的特性。

此外，基于1301滅火劑可通過奪去燃燒鏈?zhǔn)椒磻?yīng)中的活潑自由基的能力，其還具有化學(xué)作用滅火特性。采用1301滅火，噴放到火場(chǎng)的滅火劑在火焰產(chǎn)生的高溫作用下，分解產(chǎn)生大量的F·、Br·等活性游離自由基，捕捉維持火焰燃燒的H·、OH·等活性自由基，并形成穩(wěn)定化合物，從而消除維持燃燒所必須的自由基，破壞燃燒鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，可迅速撲滅火災(zāi)。以發(fā)生甲烷火災(zāi)事故為例，1301滅火劑釋放后受熱或與火焰接觸時(shí)會(huì)發(fā)生分解，其化學(xué)反應(yīng)式如下：

CF3 Br→CF3·+Br·? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

CF3→F·+其他氟碳化合物? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

甲烷燃燒過程發(fā)生如下反應(yīng)：

O2+2CH4→CO+OH·+4H·+其他碳?xì)浠衔铮?）

由式1、2反應(yīng)產(chǎn)生的F·、Br·可與未分解的甲烷反應(yīng)：

Br·+CH4→HBr+其他碳?xì)浠衔? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

F·+CH4→HF+其他碳?xì)浠衔? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （5）

甲烷燃燒過程產(chǎn)生的H·也會(huì)與Br·反應(yīng)：

H·+Br·→HBr? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （6）

上述反應(yīng)中產(chǎn)生的HBr和HF與火焰中的羥自由基發(fā)生反應(yīng)如下：

HBr+ OH·→H2 O+Br·? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （7）

HF+ OH·→H2 O+F·? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （8）

式7、8的反應(yīng)使得F·、Br·再生，重復(fù)式3-6的反應(yīng)過程：即鹵素捕獲氫自由基，可使氫自由基與燃料的進(jìn)一步降解反應(yīng)分割開來；由燃料氧化反應(yīng)產(chǎn)生的羥自由基與鹵化氫反應(yīng)生成惰性的水，在此過程中活性鹵原子再生，捕獲和消除自由基的反應(yīng)反復(fù)進(jìn)行，進(jìn)而破壞燃燒鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，達(dá)到撲滅火災(zāi)的目的。

對(duì)比CO2和1301的滅火原理可知，CO2只能通過物理方式隔離可燃物、稀釋氧氣、降低溫度，1301兼具物理和化學(xué)作用滅火特性。試驗(yàn)數(shù)據(jù)也表明，CO2和1301兩種型式的最低滅火劑濃度分別為34%和5%，因此，采用1301系統(tǒng)所需的滅火劑質(zhì)量少得多，重量更輕，占比空間小。

3? ? ?經(jīng)濟(jì)性和主要參數(shù)對(duì)比

滅火系統(tǒng)的成本主要由控制系統(tǒng)、滅火劑儲(chǔ)存輸送設(shè)施（如氣瓶、管路設(shè)計(jì)）、

滅火劑量等組成。目前，CO2滅火系統(tǒng)通常有高壓系統(tǒng)和低壓系統(tǒng)。由于低壓CO2滅火系統(tǒng)儲(chǔ)存溫度為-20℃～-18 ℃，通常需要配備兩套制冷機(jī)組（一用一備），系統(tǒng)建設(shè)成本高，應(yīng)用極少[1]。而高壓CO2系統(tǒng)配置簡(jiǎn)單，體積小，相比低壓系統(tǒng)成本較低，為此，當(dāng)前民用船舶上幾乎均采用高壓CO2滅火系統(tǒng)型式。

以某船1 500 m3機(jī)械處所配備滅火系統(tǒng)為例，使用1301滅火系統(tǒng)控制系統(tǒng)時(shí)，按機(jī)械處所凈容積5%的配備滅火劑[2]。每千克1301能釋放出0.16 m3的氣體體積，1301鋼瓶設(shè)計(jì)壓力2.5 MPa，充填率取1.1 kg/L時(shí)，該處所需滅火劑重量為468.8 kg，需要?dú)馄咳莘e至少426 L，即需配置4只100 L氣瓶和1只27升氣瓶即可。

如選用高壓CO2滅火系統(tǒng)，需按機(jī)械處所凈容積35%的配備滅火劑。每千克CO2能釋放出0.56 m3的氣體體積，CO2鋼瓶設(shè)計(jì)壓力15 MPa，充填率取0.67 kg/L時(shí)，該處所需滅火劑重量為937.5 kg，需要?dú)馄咳莘e至少為1 400 L，即配置14只100 L氣瓶。

根據(jù)規(guī)范要求，CO2滅火系統(tǒng)應(yīng)能在2 min中內(nèi)，將機(jī)械處所滅火所需的85%的CO2釋放出去。而1301滅火系統(tǒng)滅火劑釋放時(shí)間是不大于20 s。則二氧化碳滅火系統(tǒng)管路最大內(nèi)徑為流速D1=65 mm，選取DN65，壁厚5.5 mm的管路；1301滅火系統(tǒng)管路最大內(nèi)徑為D2=100 mm，選取DN100，壁厚7 mm的管路。以同樣為50 m長(zhǎng)度的滅火總管為例，二氧化碳滅火系統(tǒng)管路重量為440 kg，1301滅火系統(tǒng)管路重量約為863 kg。

綜合氣瓶和管路系統(tǒng)重量可知，高壓CO2滅火系統(tǒng)系統(tǒng)總重約為1301滅火系統(tǒng)的3倍。除此之外，CO2前者系統(tǒng)管路試驗(yàn)壓力也比后者高，且其往往還需另配氮?dú)馄坑靡则?qū)動(dòng)主閥和分配閥。對(duì)于滅火劑價(jià)格，由于CO2是工業(yè)過程中常產(chǎn)生的氣體，或可從大氣中獲取，制取簡(jiǎn)易，成本低廉，而1301生產(chǎn)和使用受限，價(jià)格相對(duì)較高。

4? ? 毒性對(duì)比

二氧化碳毒性主要體現(xiàn)在空氣中過高的二氧化碳濃度會(huì)導(dǎo)致血液中二氧化碳分壓大于肺泡中二氧化碳分壓，血液中的二氧化碳彌散于肺泡，導(dǎo)致肺泡內(nèi)碳酸濃度增加，PH值變低，抑制呼吸中樞，使機(jī)體發(fā)生窒息?？諝庵卸趸俭w積分?jǐn)?shù)約為1%時(shí)，人體可能感到氣悶、眩暈、頭疼、記憶喪失等，其體積分?jǐn)?shù)超過6%時(shí)，人體會(huì)神志不清、呼吸逐漸停止。當(dāng)CO2濃度達(dá)到10%時(shí)，1分鐘內(nèi)人就會(huì)失去意識(shí)甚至死亡。

1301滅火劑本身是低毒或無毒的，根據(jù)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其設(shè)計(jì)滅火濃度在不高于7%時(shí)，人體允許暴露時(shí)間為15分鐘。但考慮到1301在高溫時(shí)會(huì)分解產(chǎn)生HF等次級(jí)產(chǎn)物，根據(jù)HF中毒危險(xiǎn)性負(fù)荷值評(píng)估，人體在濃度約為350 mg/m3的環(huán)境中暴露30 min，人和動(dòng)物就會(huì)中毒，表現(xiàn)為灼傷人體皮膚、組織和眼睛，并通過呼吸道、皮膚等侵入人體，造成表皮、真皮甚至皮下組織壞死。另外，進(jìn)入人體的氟離子難以排出體外，將導(dǎo)致氟骨病。

相比CO2滅火系統(tǒng)，1301毒性低，如果產(chǎn)生少量泄漏對(duì)人體危險(xiǎn)較小，滅火后產(chǎn)生的HF氣體亦可通過機(jī)械通風(fēng)等措施清除。

CO2是常見的屬溫室氣體。大氣中的二氧化碳可吸收地面長(zhǎng)波輻射，阻止熱量離開地表向外輻射，導(dǎo)致地球表面溫度上升。為此，宜對(duì)工業(yè)生產(chǎn)所產(chǎn)生的CO2進(jìn)行收集利用（每年產(chǎn)生約370億噸），不宜采用專門制作的方式產(chǎn)生，以減少其對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響。

1301大氣臭氧層具有較嚴(yán)重的破壞作用。1301含有鹵素氯和溴元素，屬于鹵素源氣體，也被稱作臭氧消耗物質(zhì)。大氣科學(xué)中使用ODP（臭氧消耗潛勢(shì)）描述某種氣體對(duì)臭氧層的破壞性，ODP是單位質(zhì)量的某種氣體在大氣中引起的臭氧總量的變化相對(duì)于單位質(zhì)量三氯氟甲烷在大氣中引起的臭氧總量變化量的比值。該比值測(cè)量的是某種氣體對(duì)大氣的長(zhǎng)期效應(yīng)，且該比值不隨時(shí)間變化。ODP值越高，表明該氣體對(duì)臭氧層的破壞性越大。1301在對(duì)流層中是穩(wěn)定的，但到大氣平流層后，會(huì)在紫外線的照射下分解出氯原子或溴原子，它們充當(dāng)催化劑加快臭氧分子轉(zhuǎn)化為氧分子的進(jìn)程，從而破壞臭氧層。據(jù)估計(jì)，一個(gè)氯原子可破壞10萬個(gè)臭氧分子，溴原子破壞臭氧層的能力比氯原子更強(qiáng)。為此，IMO環(huán)保組織出臺(tái)規(guī)定，制止有新造民船上使用。

5? ? ?替代滅火劑分析

1301滅火系統(tǒng)滅火效率高、對(duì)人低毒且系統(tǒng)質(zhì)量輕、占用空間小，因此，其雖在民用領(lǐng)域已被完全禁止，但各國(guó)軍用艦船依然沿用為主要滅火劑型。但隨著世界軍用艦船的劇增，其對(duì)臭氧層的破壞不容忽視。

由于CO2滅火劑易制取，價(jià)格低廉，滅火清潔無殘留，系統(tǒng)成熟度高，CO2滅火系統(tǒng)應(yīng)用非常廣泛。但其滅火所需劑量大，重量重，占用空間多，對(duì)高速艦船的總體性能影響大，其使用范圍受限。

目前，新型氣體滅火系統(tǒng)主要有三個(gè)發(fā)展方向[3]：

一是惰性氣體滅火劑。以煙鉻盡為代表，由約50%氬氣、42%氮?dú)狻?%二氧化碳?xì)怏w混合而成，其混合氣體比例近似為5：4：1， 代號(hào)是IG541，其滅火濃度為5%，滅火效率高，且滅火后無殘留，安全環(huán)保。但由于使用高壓系統(tǒng)儲(chǔ)存，且氬氣價(jià)格高，導(dǎo)致系統(tǒng)體積大、造價(jià)高；

二是氣溶膠滅火劑。使用懸浮狀的鉀鹽、鍶鹽等金屬鹽滅火，滅火效率高，環(huán)境友好，建造成本低。但是滅火后有殘留物，容易造成貴重設(shè)備光路堵塞，鼓面、盤面劃傷或接插件磨損。其次，其滅火劑碳酸鉀、氯化鉀等容易吸潮生成強(qiáng)堿氫氧化鉀，對(duì)鋁、鋅、硅等有強(qiáng)烈腐蝕作用，滅火劑受潮后容易結(jié)塊，嚴(yán)重影響氣化效率。另外，其滅火劑的金屬鹽離子有一定導(dǎo)電性，容易引起電路短路不適用于電氣系統(tǒng)滅火；

三是不含溴、氯元素的鹵代烷烴滅火劑。由于鹵素元素中溴、氯元素對(duì)臭氧破壞作用強(qiáng)，副作用時(shí)間久，為此，新型滅火劑的重要研究方向就是去除鹵代烷烴滅火劑中的溴、氯元素，既能繼承鹵代烷烴滅火劑低毒高效的優(yōu)點(diǎn)，還不會(huì)破壞臭氧層。以七氟丙烷（C3 HF7）為例，其滅火濃度為9%左右，與1301相似，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于CO2滅火濃度。且對(duì)臭氧層無破壞作用，其ODP（臭氧消耗潛勢(shì)）為0。但與1301一樣，其滅火后生成的HF對(duì)人體呼吸道有刺激作用，對(duì)設(shè)備也有一定程度腐蝕。

對(duì)比以上三種新型滅火劑發(fā)展方向，鹵代烷烴滅火劑滅火效率高、無殘留、且成本較低，在去除溴、氯元素的前提下，盡量降低滅火劑副產(chǎn)物HF濃度[4]，將是今后滅火劑研究的重要方向。

6? ?結(jié)束語(yǔ)

兩型滅火系統(tǒng)相比，CO2滅火系統(tǒng)成本更高，重量重，占用的艙室空間更多。而1301滅火系統(tǒng)對(duì)臭氧層破壞性大，但體積小，占用空間少，該特性恰好與艦船的設(shè)備布置空間少、需嚴(yán)格控制重量的要求相吻合，如采用1301滅火系統(tǒng)對(duì)提高艦船特別是高速艦船的總體性能優(yōu)勢(shì)明顯。但考慮到1301對(duì)臭氧層破壞性，宜盡量減少使用范圍，在技術(shù)可行的條件下，新型艦船應(yīng)盡可能考慮采用CO2或七氟丙烷或其它新型的滅火劑替代。

參考文獻(xiàn)

[1] 段玉龍，任飛華.船用高低壓二氧化碳滅火系統(tǒng)應(yīng)用比較[J].船舶，2017 （01）.

[2] 劉鳳生.船用1301滅火系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算[J].船舶工程，1992? （04）.

[3] 孟祥海.艦用高效環(huán)保氣體滅火系統(tǒng)的研究[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2018?（01）.

[4] 吳海濤，柳華等.哈龍?zhí)娲鷾缁饎┉h(huán)保及毒性研究進(jìn)展[J].航空維修與工程，2020? （03）.

作者簡(jiǎn)介：何春平（1988- ），男，助理工程師。主要從事艦船修造監(jiān)理工作。

朱佳偉（1992- ），男，助理工程師。主要從事艦船修造監(jiān)理工作。

收稿日期：2023-11-21