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(hù)尤為重要，而火災(zāi)是艦船飛行甲板面臨的主要危險(xiǎn)之一，據(jù)統(tǒng)計(jì)二戰(zhàn)后歐美國家航母火災(zāi)中飛行甲板火災(zāi)占比達(dá)到39%[1]。帶有飛行甲板的大型軍用艦艇，由于艦載機(jī)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(qiáng)度大，并隨著艦船的搖擺有較強(qiáng)流淌性。同時(shí)在海風(fēng)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(qiáng)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(hù)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(yàn)教訓(xùn)后，將飛行甲板和機(jī)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(yàn)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(qiáng)，在撲滅油類火時(shí)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(jī)起降平臺(tái)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(jī)甲板處配備至少2 具干粉滅火器，還應(yīng)配備一個(gè)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(dá)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(fēng)場作用下的甲板流淌火時(shí)，如何應(yīng)用水成膜泡沫滅火系統(tǒng)和干粉滅火實(shí)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(jìn)行試驗(yàn)，對比了融合超細(xì)干粉的水成膜泡沫和單獨(dú)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(yàn)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(jì)并搭建試驗(yàn)平臺(tái)，模擬了艦船飛行甲板的流淌火災(zāi)，進(jìn)行了滅火試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)運(yùn)用熱電偶和紅外線技術(shù)，監(jiān)測了試驗(yàn)溫度數(shù)據(jù)，用CCD 攝像機(jī)和視屏監(jiān)控系統(tǒng)拍攝了滅火試驗(yàn)過程。通過在水平流淌模型和傾斜流淌模型上分別進(jìn)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(diǎn)進(jìn)行了試驗(yàn)，另一方面驗(yàn)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(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)場地搭建

試驗(yàn)場地原理圖如圖1 所示，主要由試驗(yàn)平臺(tái)、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(fēng)機(jī)、點(diǎn)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(yàn)平臺(tái)分為斜度4.5°的傾斜流淌試驗(yàn)區(qū)域和水平流淌試驗(yàn)區(qū)域，兩處試驗(yàn)區(qū)域大小相同，單個(gè)試驗(yàn)區(qū)域面積約150 m2，尺寸為長17.75 m、寬8.45 m。試驗(yàn)平臺(tái)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(yàn)場地原理圖Fig. 1 Schematic diagram of the fire extinguishing experiment site

試驗(yàn)燃料為RP-5 航空煤油，供油采用油箱重力供油，油箱和試驗(yàn)平臺(tái)之間用磚墻隔開，為盡量模擬直升機(jī)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(yàn)平臺(tái)，泄放速率為5 L/s。

試驗(yàn)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(dòng)泡沫消防炮。為實(shí)現(xiàn)水成膜泡沫與干粉混合噴灑，對電動(dòng)泡沫消防炮的炮管進(jìn)行了改進(jìn)，使得電動(dòng)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(yù)留了干粉滅火劑的入口，可在消防炮炮管的末端進(jìn)行干粉與水成膜的混合，實(shí)現(xiàn)干粉和3%水成膜混合滅火。

試驗(yàn)場地設(shè)置風(fēng)機(jī)用于模擬海風(fēng)，考慮直升機(jī)可在6 級風(fēng)下起降，因此選擇的風(fēng)機(jī)可使試驗(yàn)場地產(chǎn)生約11 m/s 的風(fēng)速。

1.2 數(shù)據(jù)采集設(shè)備及其布置

試驗(yàn)場火災(zāi)試驗(yàn)測試設(shè)備主要包括熱電偶、紅外熱像儀、CCD 攝像機(jī)、流量計(jì)、輻射熱通量計(jì)、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(yàn)過程、泡沫噴灑流量、試驗(yàn)環(huán)境溫度、火焰熱輻射等參數(shù)進(jìn)行測量記錄。為全方位觀測整個(gè)試驗(yàn)過程和現(xiàn)象，試驗(yàn)時(shí)同時(shí)采用4 部CCD 攝像機(jī)和紅外熱像儀對試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪芑鹈鏈囟纫约盎饒鰷囟冗M(jìn)行監(jiān)測，判斷流淌火燃燒狀態(tài)，為確認(rèn)滅火時(shí)間提供輔助手段。采用鎧裝式K 型熱電偶進(jìn)行溫度測量，其測溫范圍是0～1 200℃，采用補(bǔ)償導(dǎo)線接入數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集。試驗(yàn)共設(shè)置3 組熱電偶，均勻布置在3 個(gè)熱電偶靶上，熱電偶靶內(nèi)，間隔0.5 m布設(shè)一個(gè)，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(bǔ)償導(dǎo)線與數(shù)據(jù)采集儀插槽線板連接，補(bǔ)償導(dǎo)線及連接端子用隔熱毯或石棉進(jìn)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(yàn)工況

試驗(yàn)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(jī)平臺(tái)泡沫混合液供給強(qiáng)度按每平方米被保護(hù)面積不小于4.1 L/min，保護(hù)面積按最大試驗(yàn)區(qū)域面積150 m2計(jì)算，因此需泡沫混合液流量10.25 L/s，試驗(yàn)中采用1 臺(tái)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(xì)干粉滅火劑，容量為30 kg，噴射速率為0.8 kg/s。

試驗(yàn)共設(shè)置4 個(gè)工況，每個(gè)工況進(jìn)行3 組試驗(yàn)，具體如表1 所示。

表1 試驗(yàn)工況表Tab. 1 Table of test condition

1.3.1 水平流淌模型滅火試驗(yàn)

開啟風(fēng)機(jī)，在水平流淌模型上進(jìn)行6 次超細(xì)干粉與水成膜泡沫系統(tǒng)聯(lián)用的對比滅火試驗(yàn)，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(yàn)

開啟風(fēng)機(jī)，在傾斜4.5°流淌模型上進(jìn)行6 次超細(xì)干粉與水成膜泡沫系統(tǒng)聯(lián)用的對比滅火試驗(yàn)，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(yàn)結(jié)果分析與討論

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

共開展了4 組共12 次滅火試驗(yàn)，其中11 次滅火成功，試驗(yàn)中通過攝像、熱成像儀及熱電偶等方式記錄了試驗(yàn)過程，通過綜合分析，各滅火試驗(yàn)的控火時(shí)間和滅火時(shí)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(shí)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(shí)間和滅火時(shí)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(yàn)過程

2.2.1 “先干粉后泡沫”滅火試驗(yàn)

在水平流淌模型上按“先干粉后泡沫”的滅火方式進(jìn)行了3 次試驗(yàn)，3 次試驗(yàn)均能成功滅火。3 次試驗(yàn)消耗航空煤油均為178 kg，泄放速率均為5 L/s，由于試驗(yàn)在開放環(huán)境中進(jìn)行，受環(huán)境影響，3 次試驗(yàn)預(yù)燃時(shí)間不盡相同。3 次試驗(yàn)控火時(shí)間基本接近，滅火時(shí)間差異較大，最長滅火時(shí)間91 s，最短為39 s，這是因?yàn)樵囼?yàn)在開放環(huán)境中進(jìn)行，環(huán)境風(fēng)的風(fēng)向和風(fēng)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(dǎo)致某些試驗(yàn)中模型邊緣處存在一些零星燃燒，由于距離泡沫炮較遠(yuǎn)，完全滅火耗時(shí)較長。

圖3 為第1 次試驗(yàn)的滅火過程，圖4 為第1 次試驗(yàn)過程熱電偶采集到的溫度變化情況。以點(diǎn)火成功為t=0 s計(jì)時(shí)，點(diǎn)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(shí)，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(diǎn)3 m處的熱電偶最高溫度為536.5℃，火焰中心的溫度最高達(dá)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(jìn)行滅火，用干粉進(jìn)行滅火10 s后火勢仍然較大（t=62 s），同時(shí)可以看到在模擬風(fēng)場和環(huán)境風(fēng)的作用下，干粉和濃煙一起彌漫。t=85 s時(shí)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(shí)，火勢有所減小，可見僅使用干粉無法撲滅火情。此時(shí)開啟泡沫消防炮，使用水成膜泡沫進(jìn)行滅火，火勢迅速減小，從圖3 可知，到t=117 s時(shí)，火勢已較微弱，到t=143 s完成滅火，滅火過程耗時(shí)91 s。

圖3 水平模型“先干粉后泡沫”滅火試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)

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

圖5 為第3 次試驗(yàn)的滅火過程，圖6 為第3 次試驗(yàn)過程熱電偶采集到的溫度變化情況。以點(diǎn)火成功為t=0 s計(jì)時(shí)，點(diǎn)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(shí)，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(diǎn)3m 處的熱電偶最高溫度為480℃，火焰中心的溫度最高達(dá)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(jìn)行滅火，開始滅火后火勢迅速減小。t=59 s時(shí)火勢基本得到控制，但火情尚未撲滅。繼續(xù)噴灑泡沫進(jìn)行滅火，到t=71 s時(shí)，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(shí)55 s。

圖5 水平模型“泡沫干粉混合”滅火試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)過程

2.3.1 “先干粉后泡沫”滅火試驗(yàn)

在傾斜流淌模型上按“先干粉后泡沫”的滅火方式進(jìn)行了3 次試驗(yàn)，3 次試驗(yàn)均能成功滅火。以第1 次滅火試驗(yàn)為例簡要分析滅火過程，試驗(yàn)過程主要階段如圖7 所示，試驗(yàn)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?yàn)樗侥Ｐ蜔犭娕嘉恢酶拷鹪?，而傾斜模型距離較遠(yuǎn)。從圖7 可看出，以點(diǎn)火成功為t=0 s計(jì)時(shí)，點(diǎn)火后火勢發(fā)展較慢，溫度上升較為緩慢，到t=60 s時(shí)，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?，燃燒沿模型長度方向基本布滿，燃燒基本穩(wěn)定，并持續(xù)釋放大量濃煙，距離中心點(diǎn)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(jìn)行滅火，t=188 s時(shí)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(shí)99 s。

圖7 傾斜模型“先干粉后泡沫”滅火試驗(yàn)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(yàn)

在傾斜流淌模型上按“泡沫干粉混合”的滅火方式進(jìn)行了3 次試驗(yàn)，3 次試驗(yàn)均能成功滅火。以第2 次滅火試驗(yàn)為例簡要分析滅火過程，該試驗(yàn)溫度變化曲線如圖9 所示?？梢钥闯?，以點(diǎn)火成功為t=0 s計(jì)時(shí)，點(diǎn)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)模火焰，燃燒基本穩(wěn)定，在距離中心點(diǎn)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(jìn)行滅火，t=168 s時(shí)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(shí)61 s。

圖9 傾斜模型“干粉泡沫混合”滅火試驗(yàn)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(fēng)對甲板航煤火燃燒的影響

從試驗(yàn)現(xiàn)象可看出，在模擬風(fēng)場和自然風(fēng)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(fēng)向的干擾，在風(fēng)向的作用下，順著風(fēng)向燃燒，火焰向下風(fēng)區(qū)快速延伸，易發(fā)生爆燃（見圖3（b）），上風(fēng)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(yàn)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(yàn)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(dá)到穩(wěn)定燃燒所需的預(yù)燃時(shí)間更長，6 次水平流淌火平均預(yù)燃時(shí)間為5 6.3 s，而6 次傾斜流淌火平均預(yù)燃時(shí)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(shí)間和滅火時(shí)間均比水平流淌火更長。采用“先干粉后泡沫”方式滅火時(shí)，水平流淌火的平均控火和平均滅火時(shí)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(shí)間分別為74 s 和101.7 s；采用“干粉泡沫混合”方式滅火時(shí)，水平流淌火的平均控火和平均滅火時(shí)間分別為10 s 和60.5 s，傾斜流淌火的平均控火時(shí)間和平均滅火時(shí)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(jìn)行滅火時(shí)，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(shí)，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(shí)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(shí)，當(dāng)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(shí)間也較短。

從滅火現(xiàn)象可看出，在風(fēng)場作用下，干粉滅火劑噴放時(shí)隨著風(fēng)向產(chǎn)生漂移，也隨著火焰和煙霧向上漂移，漂移、擴(kuò)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(fēng)力作用下，火焰向下風(fēng)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(shí)間和滅火時(shí)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(shí)間和滅火時(shí)間都更短，因此對海風(fēng)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(dá)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。