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(中國船舶重工集團公司第七二六研究所，上海 201108)

艦艇消防安全是艦艇損管體系中的主要分支，無論平時還是戰(zhàn)時都對艦艇安全具有重要意義，為保障艦艇安全需要系統(tǒng)性地開展艦艇的消防安全研究。艦艇的消防安全能力需要以對艦艇火災(zāi)研究為基礎(chǔ)，分析艦艇火災(zāi)所具有特殊規(guī)律，進而進行有針對性的設(shè)計開發(fā)。同時，還應(yīng)當(dāng)注意借鑒實船事故，對事故進行充分分析并研究合適的解決方案。以美國潛艇消防安全能力建設(shè)為例，其擁有專業(yè)的研究機構(gòu)(Naval Research Laboratory)進行艦艇火災(zāi)動力學(xué)和應(yīng)用技術(shù)的研究，同時還定期在內(nèi)部發(fā)行刊物(Factual Lines About Submarine Hazards)，對潛艇日常運行中遇到的事故和風(fēng)險進行分析和總結(jié)，在理論和實踐上互為補充，有效地推動了其消防安全能力的提升。

1 艦艇消防安全關(guān)鍵環(huán)節(jié)分析

對艦艇火災(zāi)發(fā)生規(guī)律的研究，既艦艇火災(zāi)動力學(xué)研究，是開展艦艇消防安全研究的基礎(chǔ)。國內(nèi)外研究機構(gòu)在該領(lǐng)域一直進行著廣泛的研究并取得了大量成果[1-2]，研究發(fā)現(xiàn)艦艇火災(zāi)類型復(fù)雜，規(guī)律特殊，后果也往往比較嚴(yán)重，一般來說，艦艇火災(zāi)具有以下兩個明顯的特點。

1)火災(zāi)荷載大，風(fēng)險高。艦艇內(nèi)機電設(shè)備密集(多為高溫、高壓、大電流、高轉(zhuǎn)速設(shè)備)，運轉(zhuǎn)時間長強度高，且存在多種易燃、易爆物(武器彈藥、燃油、液壓油、高壓空氣等)，布線和管路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，都導(dǎo)致發(fā)生火災(zāi)的風(fēng)險變大。

2)火災(zāi)發(fā)展快，蔓延迅速。由于艦艇艙室相對狹小封閉，著火艙內(nèi)熱量容易聚集，使得艙內(nèi)火蔓延速度很快，艦艇艙室的剛體結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致熱能的快速傳遞，同時，大量的線纜布置也會導(dǎo)致火情的快速蔓延，甚至隔艙蔓延。

同時隨著現(xiàn)代艦艇智能化的不斷提高，艦艇系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)也日趨復(fù)雜，各類設(shè)施設(shè)備明顯增加，在提高了艦艇整體性能的同時，客觀上也增加了艦艇上發(fā)生機電火災(zāi)的風(fēng)險；又由于艦艇通常載有大量易燃易爆物品，如果在發(fā)生火災(zāi)時未能及時控制，很容易導(dǎo)致火勢的快速蔓延；并且考慮到艦艇上人員密集、穿梭通道相對狹窄，發(fā)生火情時，人員很難快速疏散，半封閉的艙室不利于火災(zāi)產(chǎn)生的濃煙和毒氣的排散，很可能傷害到艦艇人員的身體，甚至威脅他們的生命；加之，艦艇經(jīng)常遠(yuǎn)離口岸，一旦發(fā)生火災(zāi)，很難得到有效的外部支援，如果不能及時有效地發(fā)現(xiàn)和控制火情，往往會導(dǎo)致嚴(yán)重的后果，甚至沉沒。

對于艦艇上一般的固體和液體可燃物，如艦艇內(nèi)裝飾、機械潤滑油等，當(dāng)發(fā)生異常或故障時，會形成熱量聚集、進而導(dǎo)致可燃物分解、陰燃，產(chǎn)生明火，甚至到轟燃的過程，見圖1。

由圖1可見，艦艇火災(zāi)在故障異常階段及熱解階段的發(fā)展速度也比較緩慢，而一旦發(fā)展到陰燃階段，艦艇火災(zāi)就開始迅速發(fā)展，規(guī)模與普通建筑火災(zāi)相比明顯增大，火勢更難以控制。因此，為了獲得最優(yōu)的消防安全保障，就需要在火災(zāi)發(fā)生的初始階段，既在異常故障或熱解階段就及時進行有效的預(yù)警和報警，在發(fā)生損失前就消滅火險?？梢姡缙诨馂?zāi)預(yù)警和報警能力是提高艦艇消防安全的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

圖1 火災(zāi)發(fā)展過程比較

另外，對于艦艇上一些特殊的場所，如電池艙和輪機艙，其火災(zāi)形式表現(xiàn)為瞬間發(fā)生的明火或爆炸，普通探測和滅火設(shè)備基本沒有反應(yīng)時間，會對艦艇安全會造成極大的威脅。如2005年，某艇由于電池熔斷盤短路，瞬間引發(fā)明火，造成了嚴(yán)重的后果；1991年，某艇由于輸油總管破裂引起燃?xì)獗?，?dǎo)致了多名在艇人員受傷的嚴(yán)重后果。1989年，蘇聯(lián)潛艇“共青團員”號由于電線短路瞬間產(chǎn)生明火，在短短9 min的時間里就對潛艇造成了重創(chuàng)，最終導(dǎo)致該艇失事[3]?？梢姡瑢τ谶@種艦艇火災(zāi)類型，如何做到快速準(zhǔn)確的滅火聯(lián)動控制，也是提高消防安全能力的一個關(guān)鍵點。

以上分析可見，為了有效控制艦艇火災(zāi)，需要重點關(guān)注艦艇火災(zāi)發(fā)生的初始階段，并采取有針對性的措施，對艦艇高風(fēng)險區(qū)域采取早期異常預(yù)警、報警及快速滅火聯(lián)動等防護措施。

2 紅外技術(shù)的應(yīng)用

紅外技術(shù)從上世紀(jì)中葉發(fā)展至今一直是個研究熱點，其中紅外光譜技術(shù)和紅外熱檢測技術(shù)近年來更是倍受關(guān)注，被廣泛應(yīng)用于化工、醫(yī)療、紅外成像及生命科學(xué)等領(lǐng)域。在艦艇環(huán)境中，合理地應(yīng)用紅外技術(shù)，可以幫助實現(xiàn)艦艇在火災(zāi)早期預(yù)警、報警和快速滅火聯(lián)動等方面的需求，大幅度提高艦艇的消防安全能力。

2.1 基于FTIR的早期火災(zāi)探測

傅立葉變換紅外光譜技術(shù)(FTIR)，通過對寬譜紅外干涉光的傅立葉變換，可以快速獲得設(shè)定頻譜范圍內(nèi)的紅外光譜。光譜學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)物質(zhì)的分子轉(zhuǎn)動-振動運動的能級都位于中紅外波段，且由物質(zhì)固有的分子結(jié)構(gòu)所決定，這就使得幾乎所有的物質(zhì)(除H2、O2等對稱雙原子結(jié)構(gòu)分子物質(zhì))都有其特征的紅外光譜。因此，在FTIR技術(shù)發(fā)展初期一般用于分析物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)特征[4]。近年來，通過與化學(xué)計量學(xué)先進成果的結(jié)合，F(xiàn)TIR技術(shù)逐漸拓展到定量檢測方面的應(yīng)用，并可以實現(xiàn)氣體物質(zhì)的多組分在線監(jiān)測[5]。而任何燃燒過程實際就是可燃?xì)怏w的氧化反應(yīng)過程。根據(jù)火災(zāi)學(xué)研究，一般可燃物在發(fā)生異常的熱積聚后會進行熱分解并釋放出火災(zāi)特征氣體，如可燃烷類以及可燃油蒸氣等，而這些氣體產(chǎn)物正是建立燃燒的必要條件。這些火災(zāi)特征氣體就是火災(zāi)發(fā)生的重要特征，因此對火災(zāi)熱解氣體的監(jiān)測就成為實現(xiàn)艦艇火災(zāi)早期探測的有力判據(jù)和有效途徑。

此外，針對艦艇特殊環(huán)境要求，對艦艇火災(zāi)探測技術(shù)的設(shè)計，不僅要考慮功能的有效性，還要同時考慮三個重要的因素，即漏報率、誤報率以及適用性。對于早期探測設(shè)備，如果漏報就會導(dǎo)致消防系統(tǒng)錯過最佳的報警時機而增加了控制火災(zāi)的難度，如果誤報將引發(fā)船上不必要的緊急狀態(tài)，而適用性決定了是否可以對艦艇的特殊艙室進行有效保護。為了解決以上問題，一般探測方式是通過提高靈敏度來降低漏報率，通過增加判據(jù)來優(yōu)化算法降低誤報率，通過防爆設(shè)計等措施來提高設(shè)備的適用性，但對三方面的要求很難得到整體的提高。以目前比較先進的基于非色散(或激光)的吸氣式探測技術(shù)為例，該技術(shù)雖然在探測靈敏度上遠(yuǎn)優(yōu)于普通電化學(xué)探測方式，但很難同時實現(xiàn)多判據(jù)探測，導(dǎo)致其誤報率較高，見表1。

表1 探測方式性能比較

可見基于FTIR的探測技術(shù)相對于其它探測技術(shù)有著明顯的優(yōu)勢，不僅可以實現(xiàn)艦艇火災(zāi)的早期報警，同時能較好地滿足艦艇環(huán)境對探測設(shè)備在誤報、漏報和適用性方面的性能要求，是一種實現(xiàn)艦艇火災(zāi)早期探測的有效手段，具有廣泛的應(yīng)用前景。

2.2 基于紅外熱檢測的故障異常預(yù)警

通過對大量艦艇火災(zāi)事故的分析發(fā)現(xiàn)，由于機電設(shè)備部件老化、連接故障以及運行異常所引發(fā)的火災(zāi)占事故總數(shù)中相當(dāng)大的比重，且往往造成嚴(yán)重的后果。為應(yīng)對機電火災(zāi)的威脅，目前艦艇上都會對機電設(shè)備和電氣連接進行定期的檢修保養(yǎng)，并使用了大量阻燃材料，這些措施雖然在一定程度上發(fā)揮了作用，但仍然存在著不足。因為艦艇機電設(shè)備的檢修和保養(yǎng)一般都只在靠港或停塢時進行，但在靠港停塢時機電設(shè)備大多處于停機狀態(tài)，在這種“靜止”狀態(tài)下所進行的檢測往往不能充分發(fā)現(xiàn)設(shè)備的異常狀態(tài)，只有在出現(xiàn)非常明顯的問題時才能被發(fā)現(xiàn)，如明顯的連接松動、液壓滲漏或管路老化等，而對隱藏的嚴(yán)重問題卻無法發(fā)覺。事實上，機電設(shè)備只有在運行時才能表現(xiàn)出其真實的狀態(tài)。因為在設(shè)備運行時，大電流、摩擦力、高壓力等物理荷載才會作用于設(shè)備，隱藏的設(shè)備異常才會顯現(xiàn)。這些異常和故障如果未能及時發(fā)現(xiàn)，很可能導(dǎo)致熱量的異常積聚，造成設(shè)備失靈甚至引發(fā)火災(zāi)，因此，除了對機電設(shè)備定期檢修外，對艦艇重要機電設(shè)備進行運行中的異常檢測也是保障艦艇航行安全的必要措施。

研究發(fā)現(xiàn)各種類型的機電故障往往伴隨著異常的發(fā)熱現(xiàn)象，如果通過恰當(dāng)?shù)募夹g(shù)途徑對這些熱現(xiàn)象實現(xiàn)有效監(jiān)測，將會及早發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常，進而在火災(zāi)的醞釀期就發(fā)出預(yù)警信息，就可以大幅度地提高預(yù)防火災(zāi)事故的能力。

紅外熱像技術(shù)就是一種較好的技術(shù)路徑，該技術(shù)具有非接觸、二維和實時的特點，最早應(yīng)用于導(dǎo)彈制導(dǎo)領(lǐng)域，自20世紀(jì)初逐漸推廣到其它領(lǐng)域。在工業(yè)領(lǐng)域，紅外熱成像檢測應(yīng)用較早，但都需要專業(yè)熱像分析人員對采集到的紅外熱圖像進行分析，需要投入大量的人力和時間。然而，艦艇上的重要機電設(shè)備，如柴油機、供電裝置等，在航行中往往運行時間長，負(fù)荷大，容易產(chǎn)生設(shè)備故障或異常，如果未及時發(fā)現(xiàn)和排除，一旦發(fā)生設(shè)備失靈或引發(fā)火災(zāi)將對艦艇安全造成重大的威脅。所以，對艦艇設(shè)備的故障和異常檢測，不能沿用工業(yè)領(lǐng)域中以高人力投入的檢測方法，而需要進行全時段、自動化的快速分析能力，實現(xiàn)對機電設(shè)備的全程監(jiān)測，提高可靠性，同時減少人員投入。

因此，需要根據(jù)艦艇環(huán)境特點，通過火災(zāi)風(fēng)險定量或定性分析，獲得整個艦艇火災(zāi)風(fēng)險的“概率-影響”分布，以確定需要進行故障異常熱監(jiān)測的重點保護設(shè)施。對確定保護設(shè)施根據(jù)其結(jié)構(gòu)特征和運行方式，通過FEA(有限元分析)分析其熱傳導(dǎo)和熱分布模式。依據(jù)分析結(jié)果對紅外熱像監(jiān)測設(shè)備的光譜響應(yīng)范圍、空間分辨率以及輻射校準(zhǔn)方法等參數(shù)進行設(shè)計和配置，并建立被保護設(shè)施正常運行時的熱輻射及分布的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫和診斷算法，從而實現(xiàn)對艦艇重要設(shè)備的智能化全程實時故障異常檢測。真正作到防患于未燃，提高艦艇的消防安全能力。

2.3 基于紅外圖像的快速滅火聯(lián)動

艦艇火災(zāi)中有一類特殊的火災(zāi)類型，多發(fā)于電池艙、輪機艙等部位。這類火災(zāi)具有“階躍”式的發(fā)展特征，通常不經(jīng)過熱解和陰燃過程而瞬間引發(fā)明火，火勢發(fā)展極快，是艦艇安全的重大威脅。對于這類火災(zāi)，常規(guī)的煙、溫探測裝置無法有效響應(yīng)，而對于一些基于光譜檢測的火焰探測裝置(如三波段紅外探測器、紫紅外探測器等)由于其觀察視角和響應(yīng)方式的影響，通常要等到火焰規(guī)模達(dá)到一定程度才能有效報警，導(dǎo)致探測時間較長，火勢快速發(fā)展，很可能影響整個滅火行動的效果，甚至造成火情的失控。因此，有必要開發(fā)一種能夠快速有效地探測“階躍”型火災(zāi)并高效滅火的聯(lián)動技術(shù)來提高艦艇的消防安全能力。

基于紅外圖像的快速滅火聯(lián)動技術(shù)，根據(jù)艦艇上“階躍”型火災(zāi)發(fā)生時可能產(chǎn)生的特征現(xiàn)象，如電池短路形成的電弧、脈沖火花，油霧或氣體爆燃產(chǎn)生的火團等，提取其熱輻射模式特征并進行算法設(shè)計，實現(xiàn)在可燃物發(fā)生閃燃時就探測到火情。同時，由于“階躍”型火災(zāi)發(fā)展速度很快，為有效撲滅火焰必須采用高效的滅火措施，考慮到對人員的保護和對設(shè)備損害的減少及空間彌散性的要求，采用高效清潔氣體滅火劑可以很好地滿足要求。

基于紅外圖像的監(jiān)測能夠?qū)崿F(xiàn)對“階躍”型火災(zāi)的快速發(fā)現(xiàn)，不同于基于可見光的監(jiān)測手段，紅外圖像監(jiān)測利用閃燃時產(chǎn)生的熱輻射模式特征作為判據(jù)，受周圍環(huán)境干擾較少，具有較高的可靠性。通過場景測試，模擬了電池接觸不良而產(chǎn)生的脈沖火花見圖2。

圖2 脈沖火花模擬場景

其中脈沖發(fā)生器激發(fā)頭的面積約為0.08 cm2，觀測距離為2 m，可以觀察到發(fā)生器激發(fā)頭產(chǎn)生的脈沖火花形態(tài)的細(xì)微變化。而與之同時產(chǎn)生的脈沖火花的熱輻射模式變化，見圖3，與干擾源的熱輻射模式相比具有明顯的變化和特征。

圖3 脈沖與干擾輻射模式的對比

另外在探測到“階躍”型火災(zāi)后有效地控制火勢的發(fā)展，需要采用高效的滅火方式，清潔氣體滅火劑是一種比較好的選擇，該類滅火劑可以適用于所有類型的常見火災(zāi)的滅火，同時化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，保證了對人員身心健康沒有影響，對設(shè)備不會有大的損傷。為了驗證滅火劑的效能進行了測試試驗，測試使用正庚烷噴霧模擬機艙油霧或電池艙氫氣的爆燃，燃燒15 s后啟動清潔氣體滅火系統(tǒng)。測試結(jié)果見圖4。

圖4 滅火過程中溫度變化示意

滅火劑釋放后產(chǎn)生了明顯的降溫作用，充分表明清潔氣體滅火劑具有很好的滅火效果。

可見，通過采用基于紅外圖像的快速滅火聯(lián)動技術(shù)，可以有效地發(fā)現(xiàn)和控制在艦艇電池艙和輪機艙可能發(fā)生的“階躍”型火災(zāi)，是一種保護艦艇安全的有效手段。

3 結(jié)束語

艦艇消防安全是艦艇損管體系中的重要組成部分，隨著現(xiàn)代艦艇智能化程度的日益提高，對于艦艇的消防安全也提出了許多新的要求和挑戰(zhàn)。為了能對艦艇火災(zāi)實現(xiàn)有效的控制，需要重點關(guān)注艦艇火災(zāi)發(fā)生的初始階段。在艦艇環(huán)境下，通過應(yīng)用紅外技術(shù)可以有效地提高消防安全系統(tǒng)的效能，增加艦艇在高風(fēng)險區(qū)域的異常預(yù)警、早期報警和快速滅火聯(lián)動的能力，對提升艦艇的消防安全能力提供了重要保障。

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