■李 顯 陳曉曉 王 歡 段思怡

（上海海事大學(xué)海洋科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201306）

0 引言

隨著經(jīng)濟的飛速發(fā)展和改革開放的不斷深入，船舶作為主要的水上運輸工具，使國家間、地區(qū)間的貿(mào)易交流與往來得到了繁榮發(fā)展。然而，船舶發(fā)生各種海事事故（如火災(zāi)、傾覆、碰撞等）的概率和危險性也在逐漸增加。其中，船舶火災(zāi)是船舶海難事故中直接損失較為嚴(yán)重的海事之一，一旦發(fā)生船舶火災(zāi)，通常為“整船全毀”的災(zāi)難性損失，而且不僅是巨大的財產(chǎn)損失，更多可能會導(dǎo)致的是大量人員的死傷。

在當(dāng)前民用船舶中，客滾船最為常用，因此，客滾船的火災(zāi)事故也頻頻出現(xiàn)在公眾視野中。客滾船汽車甲板可以說是客滾船上安全隱患較為集中且風(fēng)險性較大的位置之一，汽車中存在的大量汽油則是火災(zāi)風(fēng)險的重中之重。而當(dāng)許多的汽車同時停放在一定的區(qū)域內(nèi)，火災(zāi)風(fēng)險度隨之猛增。汽車甲板中的車輛會因固定不佳或是外力撞擊等因素，發(fā)生車輛與車輛間的碰撞與摩擦，一旦有火星引燃車輛內(nèi)的汽油，緊跟其后的將是火災(zāi)甚至是爆炸。因此，對客滾船汽車甲板車輛的火災(zāi)特征進(jìn)行研究顯得尤其必要。

關(guān)于滾裝船的安全性能，國外學(xué)者大多將目光集中在公約、規(guī)范與準(zhǔn)則的制定上，客滾船汽車甲板上車輛的安全固定是研究重點。在客滾船火災(zāi)方面，國內(nèi)較多著眼于進(jìn)行火災(zāi)的安全評價以及滅火對策等工作，比如客滾船的火災(zāi)安全評價研究，是根據(jù)FSA方法為基本構(gòu)架，以“人—機—環(huán)—管”理論為基礎(chǔ)構(gòu)建了滾裝船火災(zāi)安全評價體系，運用魚刺圖法分析客滾船火災(zāi)的原因，應(yīng)用故障樹分析方法對客滾船火災(zāi)發(fā)展過程進(jìn)行分析，采用模糊數(shù)學(xué)建立綜合評價模型，通過實船調(diào)研獲得相關(guān)數(shù)據(jù)，對客滾船火災(zāi)進(jìn)行安全評估。

煙臺港公安局消防支隊在幾起客滾船的火災(zāi)中發(fā)現(xiàn)，其中最為重大的事故原因是由車輛及車載重件貨的移位、相互碰撞、擠壓及傾覆導(dǎo)致油箱破裂而引發(fā)的火災(zāi)。當(dāng)汽車甲板發(fā)生火災(zāi)時，由于車輛擺放較密集，貨物集中，包裝、捆扎較緊，加上汽車甲板相對密閉（尤其底層），通風(fēng)孔洞少，空氣流通速率較為緩慢，煙霧較大，容易造成燃燒猛烈的假象，此時應(yīng)為滅火的最佳時機。因此，對客滾船汽車甲板車輛火災(zāi)的場景特性規(guī)律進(jìn)行詳細(xì)描述，對于滅火救援具有重要意義。

火災(zāi)的孕育、發(fā)生和發(fā)展是一種復(fù)雜多變的動力學(xué)過程，其發(fā)展和蔓延受到可燃物、構(gòu)筑物、外界環(huán)境等諸多方面因素的相互作用和綜合影響。就火災(zāi)燃燒機理而言，通常用游離基的鏈鎖反應(yīng)理論來解釋。一起火災(zāi)的發(fā)生，就一定具備了火災(zāi)三要素：可燃物、氧化劑和引火源。艙室火災(zāi)過程可按照時間順序分為5個階段：起火階段、增長階段、轟燃階段、充分發(fā)展階段、衰退階段。

計算機火災(zāi)模擬技術(shù)是在描述火災(zāi)過程各種數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)之上進(jìn)行的，分析研究火災(zāi)的發(fā)生、發(fā)展情況，煙氣蔓延規(guī)律，以及周圍環(huán)境溫度的變化。本文采用火災(zāi)動力學(xué)模擬軟件FDS來模擬汽車甲板車輛火災(zāi)的典型場景，以某萬噸級客滾船設(shè)計結(jié)構(gòu)為模型基礎(chǔ)，通過對萬噸級客滾船汽車甲板火災(zāi)場景的一些合理性簡化與假設(shè)，構(gòu)造描述典型火災(zāi)場景和過程的物理模型，基于FDS分析萬噸級客滾船汽車車輛火災(zāi)的煙氣流動及蔓延規(guī)律，對客滾輪汽車甲板火災(zāi)危險性進(jìn)行定性、定量的評估，并重點探討在通風(fēng)情況下火災(zāi)能見度、溫度場和CO濃度場的變化等煙氣蔓延規(guī)律。

1 客滾船汽車甲板模型的確定

以1.6萬t級“普陀島”輪為例，設(shè)定汽車甲板模型。其主要參數(shù)情況如下：總長137.3 m，兩柱間長127.5 m，型寬23.4 m，型深8.6 m，設(shè)計吃水5.4 m，結(jié)構(gòu)吃水5.8 m，載重量（結(jié)構(gòu)吃水）3 996 t，載客量640 P（國際短途）1 500 P[1 428名乘客＋72名船員（國內(nèi)航行）]，車道長度835 m（寬3.1 m）或1 178 m（寬2.25 m），裝拖車84輛或轎車232輛，航速約為20 kn，續(xù)航力為2 500 n mile，主動功率為2×5 800 kW×600 r/min。客滾船汽車甲板模型具體布局如圖1所示。車輛裝在第一和第三甲板，兩層甲板不連續(xù)，第三甲板艏部有升降平臺，中部右舷有斜坡車道。全船車道長度及載重量分布見表1。

表1 全船車道長度及載重量分布

2 客滾船汽車甲板火災(zāi)模擬模型建立

根據(jù)1.6萬t級“普陀島”輪的實際艙室數(shù)據(jù)進(jìn)行簡化，設(shè)定客滾船汽車甲板長120.0 m，寬24.0 m，高4.8 m。由于甲板的厚度為13.5 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于網(wǎng)格的單位數(shù)據(jù)（0.4 m×0.4 m×0.4 m），因此可將甲板厚度忽略。甲板的材質(zhì)為鋼材，可在網(wǎng)格即甲板設(shè)置為鋼材。汽車甲板內(nèi)分布著146輛汽車，符合規(guī)范的要求。車道寬設(shè)置為3.0 m。車輛左右間距為0.3 m，前后間距為1.8 m。汽車甲板模型的4個樓梯口均位于汽車甲板的上甲板，左右對稱，其長為4.0 m，寬為2.2 m。

以保守最不利原則為火災(zāi)場景設(shè)計原則，設(shè)定在客滾船汽車甲板居中位置設(shè)置3個火源（見圖2），中間位置的車輛首先起火，并引燃左右兩側(cè)的車輛，從而分析產(chǎn)生煙氣在汽車甲板的蔓延狀態(tài)、溫度場變化及能見度分布，即中間車輛為初火源，另外兩個為延遲火源，延遲120 s后起火，見圖3，可知火源熱釋放速率分為2個增長階段，第一階段在50 s時增長至3 MW，第二階段即起始于120 s的延遲點火，最終火源總熱釋放速率為9 MW（三輛轎車）。采用t2火源模型進(jìn)行分析，客滾船汽車甲板車輛火災(zāi)類型屬于超快速火，對應(yīng)火災(zāi)增長系數(shù)為0.187 6 kW/s2，設(shè)置模擬火災(zāi)時間為300 s。FDS中設(shè)置網(wǎng)格局部加密，火源位置的中間網(wǎng)格為0.4 m×0.4 m×0.4 m，左右兩側(cè)為0.8 m×0.8 m×0.8 m，得到總網(wǎng)格數(shù)為90 000，正中間網(wǎng)格數(shù)為72 000，左右兩側(cè)網(wǎng)格數(shù)分都為9 000。通風(fēng)設(shè)置為自然通風(fēng)，無機械通風(fēng)設(shè)施。數(shù)據(jù)監(jiān)測設(shè)置為高度z=1.6 m的水平切面與汽車甲板通向上層空間的8個樓梯間的監(jiān)測（測點1～測點8），分別監(jiān)測溫度和CO濃度數(shù)據(jù)。

圖2 車輛位置分布圖和火源位置

圖3 火源熱釋放速率

3 結(jié)果分析

3.1 溫度分析

汽車甲板高度為1.6 m的平面上的溫度場分布見表2?？芍舆t點火使50 s時為單火源，150 s和300 s為三火源。平面各點溫度隨火災(zāi)的持續(xù)而不斷升高，但除火源上方和火源附近溫度高外，其余區(qū)域溫度均未出現(xiàn)顯著增加。

圖4為8個測點的溫度數(shù)據(jù)隨時間的變化?？梢钥闯?，各測點溫度值隨火災(zāi)持續(xù)時間的延長而增加。距離火源較遠(yuǎn)的1、2和5、6測點溫度較低，距離火源較近的3、4和7、8測點溫度較高，但3、4和7、8測點的溫度均為超過80℃。

表2 1.6 m高度平面上的溫度分布

圖4 測點溫度

3.2 CO濃度分析

本文在1.6 m的高度，設(shè)置CO濃度監(jiān)測面。由圖可知，100 s時僅初始火源燃燒， CO濃度較低，基本除火源中心外，周圍環(huán)境中均可忽略不計。300 s時，明顯周圍環(huán)境的CO濃度發(fā)生急劇地變化，有很明確的升高跡象，達(dá)到100 mg/kg。450 s時，最大CO濃度可達(dá)200 mg/kg，周圍環(huán)境平均值也可達(dá)到150 mg/kg左右。600 s時，整個汽車甲板的CO濃度都達(dá)到了200 mg/kg值左右。

汽車甲板高度為1.6 m的平面上的CO濃度場分布見表3。平面各點的CO濃度隨火災(zāi)的持續(xù)而不斷升高。圖5為8個測點的CO濃度數(shù)據(jù)隨時間的變化?？梢钥闯龈鳒y點CO濃度值隨火災(zāi)持續(xù)時間的延長而增加。距離火源較遠(yuǎn)的1、2和5、6測點CO濃度較低，距離火源較近的3、4和7、8測點CO濃度較高。最大CO濃度出現(xiàn)在測點4和測點8，濃度達(dá)到15 mg/kg左右，低于100 mg/kg（人體會產(chǎn)生頭暈、乏力等不適感）的臨界值。

本文在4個樓梯口均設(shè)置了CO濃度監(jiān)測器。根據(jù)監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)，生成了圖表，更為直觀地顯示結(jié)果。

表3 1.6 m高度平面上的CO濃度分布

圖5 測點CO濃度

首先分析模型左側(cè)兩個樓梯口的CO濃度與時間關(guān)系圖，可以從圖中很清晰地看出，兩個樓梯間的CO濃度曲線是呈現(xiàn)前500 s左右走勢大致相同，后100 s的波動開始出現(xiàn)不一致的狀態(tài)。但是，可以說整體上左側(cè)兩個樓梯口的CO濃度變化大體呈一致的狀態(tài)。單單分析CO濃度與時間的關(guān)系，大致為500 s前CO濃度為緩慢攀升的過程，500 s后CO濃度變化兩個樓梯口產(chǎn)生分歧，靠上部的樓梯間CO濃度升高，而下部樓梯口出現(xiàn)驟降狀態(tài)。但兩者都在最后100 s內(nèi)CO濃度波動大。

再分析模型右側(cè)兩個樓梯口的CO濃度與時間關(guān)系圖，可以從圖中很清晰地看出，兩個樓梯間的溫度曲線是呈現(xiàn)處600 s內(nèi)走勢大致相同的狀態(tài)，整體上兩者CO濃度變化大體呈一致。單分析CO濃度與時間的關(guān)系，大致為520 s前緩慢攀升，520 s后驟降并波動。

3.3 汽車甲板煙氣分析

圖6為300 s是汽車甲板煙氣的場景特性，可以看出汽車火災(zāi)發(fā)生后5 min產(chǎn)生濃煙現(xiàn)象，明顯降低了能見度，并通過樓梯間向上層空間蔓延，為火災(zāi)的撲救帶來一定的困難。

圖6 300 s時汽車甲板煙氣場景

4 結(jié)論

本文采用火災(zāi)動力學(xué)模擬軟件FDS構(gòu)建了萬噸級客滾船汽車甲板車輛火災(zāi)的典型場景，對客滾船汽車甲板火災(zāi)發(fā)生后300 s內(nèi)的煙氣場景特性進(jìn)行了定量計算，并重點探討在通風(fēng)情況下火災(zāi)的溫度場和CO濃度場的特征。主要得出了以下結(jié)論：

1）由于通風(fēng)的作用，除火源附近外，汽車甲板包括上層樓梯通道的大部分區(qū)域溫度和CO濃度隨火災(zāi)的發(fā)展而增加，但上升不顯著；

2）火災(zāi)發(fā)生后煙氣發(fā)生明顯，使能見度下降，影響火災(zāi)的撲救?？蜐L船汽車甲板車輛火災(zāi)發(fā)生后，煙氣使能見度下降作用明顯，會造成火災(zāi)事故規(guī)模擴大的假象。事實上汽車甲板車輛火災(zāi)發(fā)生后的300 s內(nèi)煙氣溫度和CO濃度并沒有顯著上升，可迅速進(jìn)行火災(zāi)撲救。