, ,雪峰

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七二六研究所，上海 201108)

艦船的大空間場所與其它場所相比涉及的系統(tǒng)和設(shè)備更加復(fù)雜，火災(zāi)荷載更多，因而火災(zāi)風(fēng)險和危害性更大。根據(jù)國外的事故統(tǒng)計，船上典型大空間場所——機(jī)庫的火災(zāi)在大型艦船火災(zāi)中占有一定比例，且均造成了重大經(jīng)濟(jì)和軍事?lián)p失。根據(jù)艦船消防“早期探測 快速滅火”的要求，火災(zāi)探測系統(tǒng)對抑制初期火災(zāi)并控制火災(zāi)的危害程度能起關(guān)鍵作用。本文以機(jī)庫為例討論艦船上的大空間場所火災(zāi)探測系統(tǒng)的設(shè)計，內(nèi)容僅涉及火災(zāi)探測器的選型、布置和性能試驗(yàn)，不包括火警系統(tǒng)的設(shè)計。

1 規(guī)范要求

《GJB 4000—2000 艦船通用規(guī)范》[1](以下簡稱《規(guī)范》)和《GJB 868—91 艦船消防要求》[2](以下簡稱《要求》)是目前艦船火災(zāi)探測系統(tǒng)設(shè)計的主要依據(jù)?！兑?guī)范》中“528章 火災(zāi)探測、報警和滅火控制系統(tǒng)”，《要求》中“8 探火、失火報警系統(tǒng)及滅火設(shè)施的設(shè)置”和“9 固定式探火和失火報警系統(tǒng)”規(guī)定了艦船探火、失火報警設(shè)施的配置及系統(tǒng)設(shè)計的一般要求。它們對機(jī)庫火災(zāi)探測設(shè)置的要求是一致的，主要可以歸納為：安裝固定式可燃?xì)怏w濃度探測器。根據(jù)環(huán)境條件、火災(zāi)的危險程度和火災(zāi)發(fā)生時的燃燒物，選擇感溫、感煙、感光或組合型等不同型式的防爆型探測器。探測器的安裝部位應(yīng)能保證取得最佳的探火效能，并使所有潛在的失火點(diǎn)均能被探測到，且應(yīng)不致受到灰塵、氣流、油霧和熱氣的影響而產(chǎn)生誤動作。此外，民規(guī)《GB 50284—98飛機(jī)庫設(shè)計防火規(guī)范》[3]“8.4 火災(zāi)自動報警系統(tǒng)”中規(guī)定，飛機(jī)停放和維修區(qū)的屋頂承重構(gòu)件宜選用感溫探測器；飛機(jī)維修工作區(qū)宜選用火焰探測器、紅外光束感煙探測器；在有可燃蒸汽聚集的空間宜選用可燃?xì)怏w探測器。

根據(jù)規(guī)范要求初步可確定機(jī)庫中設(shè)置的探測器種類為可燃?xì)怏w濃度探測器、感溫探測器、感煙探測器和光學(xué)火焰探測器。雖然點(diǎn)式感溫或感煙探測器的布置(保護(hù)面積、安裝高度和間距等)在規(guī)范中也有規(guī)定，總體上各類探測器的布置方案還需聯(lián)系保護(hù)區(qū)內(nèi)的實(shí)際情況后確定。

2 性能設(shè)計及實(shí)例

探測器實(shí)際效能易受環(huán)境因素的影響，而國家標(biāo)準(zhǔn)對點(diǎn)型感溫或感煙火災(zāi)探測器技術(shù)要求及試驗(yàn)方法，以及點(diǎn)型紅外或紫外火焰探測器性能要求及試驗(yàn)方法，只能給出指定實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的探測器性能試驗(yàn)方法及要求。探測器型式試驗(yàn)結(jié)果并不能完全反映出探測器在真實(shí)復(fù)雜環(huán)境下的效能。國外在制訂適用于軍用機(jī)庫的探測器性能評價標(biāo)準(zhǔn)方面曾開展過專門研究。以美國、加拿大對光學(xué)火焰探測器的研究工作為例進(jìn)行說明。

從美國NRL《軍用飛機(jī)庫光學(xué)火焰探測器：光學(xué)火焰探測器對燃料流淌火和光學(xué)干擾的性能最終報告》(2000年5月)看，之前美國在軍用機(jī)庫中采用的主要消防策略是由光學(xué)火焰探測器發(fā)出報警信號后由手動啟動翼下的AFFF系統(tǒng)，并且要求安裝在低位(low-level)的光學(xué)火焰探測器采用紫/紅外復(fù)合探測器。由于更為先進(jìn)的光學(xué)探測技術(shù)要投入使用以及海軍對探測器工作中出現(xiàn)的一些常見誤報情況的經(jīng)驗(yàn)，美國海軍設(shè)施工程司令部(NAVFAC)提出了制訂軍用機(jī)庫光學(xué)火焰探測器性能標(biāo)準(zhǔn)的需求。該項(xiàng)目由HAI公司選取了多型火焰探測器(包括紫/紅外，雙波段紅外和波段三紅外)進(jìn)行大量試驗(yàn)，測試探測器對JP-5或JP-8燃料火的探測能力以及對特殊光源、焊接等常見干擾的免疫能力，其中關(guān)于抗干擾能力的試驗(yàn)借鑒了加拿大國家研究委員會(NRC)在1994～1998年的部分研究成果?；诖罅康脑囼?yàn)結(jié)果，報告最后對建立光學(xué)火焰探測器性能標(biāo)準(zhǔn)提出了多項(xiàng)建議，如關(guān)于試驗(yàn)探測器的安裝(距離和角度)，探測器在不同距離至少能探測到的火源功率，通過對飛機(jī)進(jìn)行破壞性試驗(yàn)確定最大火災(zāi)規(guī)模，遮擋物的放置方式，虛假火源模擬裝置以及不必要的試驗(yàn)項(xiàng)目等。由NRC編制的《軍用機(jī)庫中光學(xué)火焰探測器性能規(guī)范草案》可以被看作是一部驗(yàn)證機(jī)庫或飛機(jī)掩體中光學(xué)火焰探測器探測火源及抗誤報能力的試驗(yàn)大綱，主要分為響應(yīng)試驗(yàn)和干擾光源試驗(yàn)兩部分，各部分均包括合格判據(jù)。試驗(yàn)的火源等由NAVFAC指定，較為符合機(jī)庫的實(shí)情。以上文獻(xiàn)雖距今已有很長時間，但這種通過大量試驗(yàn)研究成果，形成探測器性能測試規(guī)范的方法值得借鑒。

大型艦船的飛機(jī)庫是艦載機(jī)停放、維修和加油的場所，具有非常高的火災(zāi)風(fēng)險。機(jī)庫空間大、遮擋嚴(yán)重和風(fēng)速高等特點(diǎn)對探測器的探測距離和靈敏度提出了更高的要求。機(jī)庫中最嚴(yán)重的火災(zāi)場景是飛機(jī)燃料箱或油管受到外部因素碰撞而破裂，燃油蒸發(fā)形成的可燃?xì)怏w受點(diǎn)火能的意外激發(fā)導(dǎo)致火災(zāi)。庫內(nèi)其它火災(zāi)場景還包括電氣設(shè)備線路老化、短路形成的陰燃，機(jī)庫的通風(fēng)系統(tǒng)會將煙霧很快稀釋，這類潛在火源較難被發(fā)現(xiàn)。機(jī)庫內(nèi)對探測器報警的干擾主要源于機(jī)翼或機(jī)身的遮擋、強(qiáng)日光、水霧等靜態(tài)因素和機(jī)械通風(fēng)及戰(zhàn)時信號燈快速變換等動態(tài)因素。由于機(jī)庫內(nèi)火源類型較多，而不同工作原理的探測器對各類火源的探測能力以及環(huán)境適應(yīng)性差異很大，在機(jī)庫中必須結(jié)合多種判據(jù)(光學(xué)、煙霧、溫度)進(jìn)行火災(zāi)探測，這也符合國內(nèi)規(guī)范對機(jī)庫中火災(zāi)探測器設(shè)置的要求。以下說明各類探測器系統(tǒng)的選型設(shè)計過程，總體上最終確定的探測器型號是相同試驗(yàn)場景中響應(yīng)最快，抗干擾能力最強(qiáng)的。

1)光學(xué)火焰探測器。紫外火焰探測器易受雷電、電焊等常見強(qiáng)紫外光源的干擾，紫外輻射波長較短，易被煙塵、煙霧粒子和蒸汽等吸收，雖然響應(yīng)快，但探測距離較短。紅外火焰探測器特別適用于碳?xì)浠衔锏幕鹧嫣綔y，由于紅外線穿透能力強(qiáng)，紅外探測器的探測距離較長，增加了輔助監(jiān)視通道的雙波段紅外或三波段紅外探測器誤報率和漏報率較低，響應(yīng)時間更短。結(jié)合光電技術(shù)和圖像處理的圖像感焰探測器與傳統(tǒng)的火焰探測器相比，擴(kuò)大了探測器的感焰面積，能給用戶提供更多的火場信息。參與選型的探測器包括三波段紅外探測器(2型)，圖像型感焰探測器。選型試驗(yàn)包括對探測器響應(yīng)能力和抗干擾能力的測試，響應(yīng)能力試驗(yàn)的變量為火源尺寸、探測角度和探測距離，抗干擾能力試驗(yàn)的變量為光線和障礙物，試驗(yàn)參數(shù)的設(shè)計都源于真實(shí)工況。對光學(xué)探測器布置也進(jìn)行了專門試驗(yàn)，目的是確定安裝高度。

2)感煙探測器。從煙霧的采樣方式不同可以分為被動式感煙探測器和主動吸氣式感煙探測器。通常離子感煙探測器不適用潮濕環(huán)境，適合探測小粒徑的顆粒，而光電感煙探測器適合探測油火產(chǎn)生的大粒徑顆粒。在機(jī)庫大空間上送風(fēng)下回風(fēng)的氣流環(huán)境中，燃燒產(chǎn)生的煙霧達(dá)到探測器分析腔的時間較長，除非是較大規(guī)模的油池火。參與選型的探測器包括空氣采樣感煙探測器(3型)，光截面感煙探測器和點(diǎn)式感煙探測器。選型試驗(yàn)包括對探測器響應(yīng)能力和抗干擾能力的測試，響應(yīng)能力試驗(yàn)針對電纜和油火兩種型式，干擾因素為環(huán)境氣流，試驗(yàn)參數(shù)的設(shè)計都源于真實(shí)工況。感煙探測器的布局遵循現(xiàn)有煙霧探測火災(zāi)報警系統(tǒng)設(shè)計、施工及驗(yàn)收規(guī)范。

3)感溫探測器。相關(guān)規(guī)范都提到要在機(jī)庫中安裝感溫探測器。但煙氣運(yùn)動規(guī)律和計算結(jié)果表明，機(jī)庫大空間機(jī)械通風(fēng)(8～12 m/s)條件下，火災(zāi)早期煙氣溫度上升緩慢，達(dá)到感溫探測器報警閾值點(diǎn)(68 ℃)的時間很長，場景模擬計算結(jié)果見圖1、表1。

場景說明如下。

計算空間：48.5 m×26.0 m×7.5 m;

計算時間：120 s;

火源：0.6 m×0.6 m,煤油。

圖1 計算實(shí)例

表1 計算結(jié)果(120 s時) ℃

4)可燃?xì)怏w探測器。航空燃油在貯存容器中處于靜止?fàn)顟B(tài)時，會通過容器閥門或細(xì)小空隙不斷向外擴(kuò)散，環(huán)境的晝夜溫差還會引起小呼吸現(xiàn)象。如遇管道或油箱破損，燃油會被噴散為霧狀蒸發(fā)。航空燃油的靜蒸發(fā)和動蒸發(fā)狀態(tài)使得機(jī)庫中不可避免會存在一定量的易燃易爆混合油氣，當(dāng)混合氣體中可燃?xì)怏w的濃度處于爆炸極限(燃油：0.6%～4.6%)時，只要具備足夠的點(diǎn)燃能量，就會發(fā)生爆炸?？扇?xì)怏w探測器掛接在數(shù)據(jù)采集箱上，通過分析監(jiān)測數(shù)據(jù)，決定通風(fēng)、油路等外設(shè)的工作狀態(tài)，其性能的優(yōu)劣直接影響機(jī)庫大空間安全防護(hù)的效果。機(jī)庫的可燃?xì)怏w探測器除了要考慮靈敏度、響應(yīng)時間、氣體選擇性和穩(wěn)定性等基本特性參數(shù)，還必須滿足可靠性、維修性、防爆和船用環(huán)境適應(yīng)性的要求，參與選型的包括擴(kuò)散式和吸入式的催化型探測器，點(diǎn)式紅外探測器。對于此類多評價準(zhǔn)則的系統(tǒng)分析，可借助層次分析法[4]等優(yōu)選方法進(jìn)行決策。

3 結(jié)論

在火災(zāi)探測系統(tǒng)設(shè)計過程中，先依據(jù)規(guī)范設(shè)置必要的探測器類型，要達(dá)到規(guī)范對探測系統(tǒng)效能的要求，必然還要進(jìn)行深入的依據(jù)探測器性能的設(shè)計分析。制訂探測器性能試驗(yàn)方案需花費(fèi)較多的時間和精力，建立針對特殊場所的火災(zāi)探測器性能要求及測試方法，有益于推廣新的探測技術(shù)和提高火災(zāi)防護(hù)能力。對大量試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析是形成探測器性能要求及測試方法的基礎(chǔ)，要形成規(guī)范的測試方法還需進(jìn)一步深化研究科學(xué)、通用的測試裝置。

[1] 國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會.GJB4000—2000艦船通用規(guī)范[S].北京：國防科工委軍標(biāo)出版發(fā)行部，2000.

[2] 國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會.GJB868—91艦船消防要求[S].北京：國防科工委軍標(biāo)出版發(fā)行部，1991.

[3] 中華人民共和國建設(shè)部.GB50284—98飛機(jī)庫設(shè)計防火規(guī)范[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1998.

[4] 胡運(yùn)權(quán)，郭耀煌.運(yùn)籌學(xué)教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，1998.