艦船艙室防火設計研究

趙健（海軍駐上海地區艦炮系統軍事代表室 上海 200135）

凌純（海軍駐江南造船（集團）有限責任公司代表室 上海 201913）

艦船艙室防火設計研究

趙?。ê＼婑v上海地區艦炮系統軍事代表室 上海 200135）

凌純（海軍駐江南造船（集團）有限責任公司代表室 上海 201913）

結構防火;防火分隔;大型艙室

主要研究艦船的防火設計，著重于艦船大型艙室在進行防火設計時所遇到的防火分隔設置這一問題。主要目的是對大型艙室的防火分隔進行設計，通過火災模擬程序模擬計算，提出最優設計方案，使防火費效比達到最佳。

0 引言

對于艦艇來說，威脅其生命力的一個極重要因素就是艦船火災。不論在和平時期還是戰爭時期，火災都是艦船面臨的主要危險之一，它嚴重危及艦船的安全和艦員的生命。以1982年英阿馬島海戰為例，海戰中，阿軍向英軍艦船共發射了五枚導彈，其中有4枚命中，都引起了火災。按命中導彈數計算，起火概率高達100%。而且英軍損失的五艘軍艦中有四艘就是由于火災原因造成的。資料表明，艦船遭破壞的類型已從二次世界大戰中的以不沉性的喪失或減少為主轉變為以火災爆炸為主，艦船防火防爆在艦船生命力諸要素中已成為主要矛盾；良好的防火防爆性能已成為艦船安全性能的重要保障。

本文針對艦船防火設計中大型艙室的分隔問題展開研究，簡要介紹了艦船防火設計的一般原則和方法，分析了艦船火災不同于陸地火災和一般民用船舶火災的特點，提出了艦船防火設計最基本的原則——結構防火，最后以某型艦船艙室的防火分隔設計為例，介紹了艦船大型艙室進行防火分隔設計的一般方法和步驟。

1 艦船防火設計的一般原則和方法

1.1 艦船防火設計的一般原則

控制艦船火災的根本方法是加強艦船的消防能力，標準中規定：艦船本身應具有的防止起火、起火后能即時探測報警并撲滅火災、在火災中人員能自防自救等能力，即艦船的消防能力。具體的說，艦船消防能力應包括以下六個方面：防火能力；防爆能力；探火報警能力；滅火能力；排煙能力；人員消防防護能力。在這六個方面中，最重要的是艦船的防火能力。

艦船的消防能力主要體現在艦船防火設計，艦船消防工作所應遵循的總原則是“以防為主、消防結合”，這是人們長期以來與火災作斗爭的經驗總結。具體到艦船結構設計方面，就主要是艦船防火結構的優化設計。防火結構設計應遵循下列原則：

（1）防火結構布置的合理性；

（2）防火結構防火的有效性；

（3）防火結構要具有良好的可靠性和維修性；

（4）防火結構的設置要有利于各武器系統戰斗力的發揮；（5）防火結構的設置要有利于艦船人員的保護；（6）防火結構的設置應對艦船其他性能的影響最小。

1.2 結構防火方法的應用

規范和規則對海上人命安全，或者說對于防止船舶海難，主要是從預防、抑制和逃生三個方面提出要求。當然，這其中最重要的應是防患于未然的預防措施，即指船的總體性能（包括穩性、耐波性及操縱性）、船體強度和機電設備的可靠性能等。在預防火災的眾多措施中，最為有效和廣泛應用的就是結構防火方法。國內外關于艦船消防理論的研究和大量艦艇火災統計資料表明：在艦船上采用結構防火方法是預防和控制船舶火災行之有效的科學方法。《國際海上人命安全公約》從1914年制定起，歷經1948、1960到現行的1974年公約及其1981、1983年修正案，每次都把船舶結構防火列為重要內容。所謂結構防火方法，簡單的說，就是在艦船上用防火材料建立起耐火分隔，使火災無法蔓延進而撲滅的方法，這也是艦船防火設計的最基本原則。

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本文研究的是艦船艙室的防火問題，主要集中在結構防火方面。由于現行規定一方面要求不全面，不能很好地支持實際的艦船設計與制造；另一方面其本身指標規定缺乏充分的依據。另外，現行規范對某些新型裝備并無明確的規定，或其規定本身是借鑒民用船舶的設計規范，對軍用艦船的指導性不強。本文主要針對最后一種情況，就某些新型艦船大型艙室的防火分隔問題展開討論，以期有助于實際設計中對大型艙室的防火分隔設計。

2 大型艙室火災特性分析

大型艙室的防火設計重點和難點在于：一方面，軍用艦船本身具有不同于陸地火災和民用船舶火災的特殊性；另一方面，大型處所的防火分隔問題一直就是困擾消防設計人員的一個難點問題。兩方面的要求結合起來，就要求我們在設計前首先要仔細分析軍用艦船使命任務、火源載荷、活動環境、自身結構等特征對防火有何影響；其次要重點分析大型密閉環境下，艙室內溫度上升、煙氣流動等火災特性；最后，在設計中還要隨時注意借鑒民用消防新技術、新材料、新方法的應用。

艦船火災的發生、發展是與艦船的活動環境及自身結構特征密不可分的，因此，有必要先對艦船的上述兩方面特性有所了解，并考察一下這些結構特征對艦船的防火性能有何影響。

2.1 艦船的活動環境及自身特征

艦船是海軍最重要的裝備，是航行在茫茫大海上的活動戰斗平臺，其活動環境不外乎兩種狀態（見表1）。

表1 船舶的狀態

資料顯示［1］，艦船從戰斗航行一直到進廠大修，都很容易遭受火災的威脅。盡管航行途中，艦船的物質條件具有最高等級的被動式防火性能，但由于航行時條件惡劣，在風浪及各種因素的聯合作用下，發生火災的可能性還是很大。而在船廠大修時，盡管船廠采取了額外的防火措施，但由于各種人員、環境的意外因素，船舶還是特別容易發生火災。

艦船作為水上活動平臺，為了適應航行的需要，其外形特征有一些不同于一般結構物的顯著特點：船體首部尖瘦，線形變化較大，體積、空間狹?。淮w中部肥大，一般布置有較高的船樓，因此甲板層數較多；船體尾部趨于平坦，線形變化不大。船體外形的這些特點決定了在防火設計時，就必須考慮各部份的不同特點和防火要求，采用不同的防火分隔方法。

2.2 艦船特征對防火的影響

綜合艦船各方面的特征，全面考慮對艦船防火性能的利弊，對一些艦船的特殊結構、特殊艙室有如下分析：

（1）艦船火災中一個很重要的類型就是密閉艙室的火災，這是由艦船艙室的水密性能所決定的。因此，對艦船密閉艙室的火災過程及防治方法的研究就顯得極為重要。文獻在這一方面給出了詳盡的計算模型和結果［2］。目前對于艦船密閉艙室的火災撲救方法主要就是利用艙室密閉性好的特點，采取相應的措施。具體實施方法是，在火災發生和發展的一定階段，關閉全部通風口并施放滅火劑，抑制并最終撲滅火災；

（2）大型艙室的防火。艦船的機艙部分，在作用上是全艦的動力中心，在結構上則體現典型大型艙室的特征。對某些特殊用途的艦船，也需要在防火主豎區內提供一個較大面積的艙室。大型艙室的防火設計，歷來是艦船防火設計的重點和難點。但這方面的內容標準中沒有明確的規定，只是概括的說：“不滿足防火主豎區劃分要求的艙室，應以縱艙壁作為防火區限界面，或采用經海軍定貨部門同意的能控制和限制火災的其他等效設施來代替?！边@就為執行規定提出了難度。如何設計才能既滿足海軍訂貨部門的同意和規范的要求，又能盡可能利用最優化方法來完成設計方案。這方面目前還處于探索階段，因此，這也是本文著重論述的方面。

3 某型艦船艙室的防火分隔設計

某型艦船共設置有三類大型艙室，其中最大艙室總面積達2 000多平方米。如此巨大的艙室，大大超過了標準關于艦船防火主豎區設置的要求。但是，由于艙室功能的特殊性，我們在進行消防設計時，不可能在艙室內設置防火限界面以滿足防火要求，這就要求我們對大型艙室的防火設計提出新的設計方案。具體來說，大型艙室結構防火設計的重點就是：在不破壞艙室整體性的前提下，設計有效、安全、價廉、可行的防火分隔，最大可能地減少火災引起的危害。

大型艙室因其結構方向的特點，在火災發生時，往往有著特殊的危險性，會給滅火工作帶來極大的困難。如：長度特別長或高度非常高；大空間內空氣量多，火災可能性大；相鄰艙室起火時，大空間內氣體會與燃燒艙室內煙氣發生交換，等等。因此研究大型艙室的防火防煙分隔具有重要的現實意義。

目前，大型處所的防火分隔在民用大型建筑中得到較多的應用，其主要方法有：鋼質（復合）防火卷簾分隔、無機布基防火卷簾分隔、水幕分隔、氣幕分隔等。本節所要做的工作就是在這些防火分隔方法中，通過計算機模擬計算，找到最適合艦船大型艙室的方法。

如前所述，該型艦船內共設置有三類大型艙室。下面就以其中一類艙室為例，簡要介紹一下大型艙室防火分隔設計的主要方法和步驟。

在進行防火設計之前，首先要考慮設計的可行性。艙室的防火設計難點在于可供選擇的分隔方案受到艙室結構的很大限制。根據相關數據可知，某型裝備的頂端距艙室頂部的余量僅有20 cm。在這20 cm的空間內，布置鋼質、無機布基防火卷簾都是不可能的了，因此，最可行的分隔方案就是設置水幕分隔。這里主要比較的是艙室不加水幕分隔和加水幕后兩種方案的優劣。

3.1 艙室分隔方案

艙室的防火分隔設計，考慮到結構可行性，只有設置水幕分隔。為了保證某型裝備完全處于獨立的防火區內，所以擬沿艙室的長度方向設置三道水幕，把艙室均分為四部分。（布置圖見圖1）

圖1 ××艙室分隔示意圖

圖1中水幕的具體位置為：第一道，99＃肋位前200 mm處；第二道，131＃肋位處；第三道，163＃肋位后200mm處。

在開始模擬計算前應先設置模擬方案，為了增加比較的普遍性，我們準備設置三種起火方案（包括單艙起火和兩艙起火）。方案1，假設Ⅰ艙為起火源；方案2，假設Ⅱ艙起火；方案3，Ⅰ、Ⅱ同時起火。通過比較3項方案對起火艙、相鄰艙的上層氣體、下層氣體、煙氣流動的影響的效果不同，說明水幕分隔對熱量、煙氣阻隔的優點。

3.2 數學模擬模型

大型艙室的模型比較簡單，即一個方腔，周圍艙壁上有門窗或其他開口與外界相通，其中設置可燃物、起火源，采用區域模擬的方法計算方腔內火災發展蔓延情況。大空間艙室火災過程是一個三維非定常問題，可抽象為矩形空間內的燃燒所引起的自然對流問題。其空間結構可簡化如圖2。

圖2 大空間艙室起火模型示意圖

針對艙室的特點，選取的計算條件如下：

艙壁的導熱系數：λ＝48W/(m℃)

火源最大釋熱速率：Q＝2.21×107kW

可燃物（油料）燃燒熱：q＝4.42×107J/kg

鋼材密度：ρ＝7 854 kg/m3

3.3 計算結果分析

本文所用的火災模擬計算程序是由美國國家標準和技術研究所（National Institute of Standards and Technology）下屬的建筑和火災研究實驗室（Building and Fire Research Laboratory）研制的FAST程序。該程序是研究火災發生和煙氣流動的各種模擬工具（包括較早期的C-FAST程序和新添加的FIREFORM程序）的綜合，主要用于對建筑物火災的工程計算和火災現象研究。這里將艦船艙室假設為一個四面鋼質的空腔，是為了簡化邊界條件和計算步驟，由此必然會引起計算結果與實際情況的偏差。由于本文只是對各種防火分隔方式進行比較，由此提出定性的最佳方案，并不涉及防火效能的具體數值，因此可以認為這樣的簡化假設是可以成立并且是有效的。

運用FAST程序進行模擬計算，我們選擇三個重要參數作為比較對象：起火艙氣體溫度；相鄰艙氣體溫度；起火艙和相鄰艙的煙氣流動情況。通過比較不加水幕和增加水幕分隔兩種情況下以上三個變量的變化曲線，我們可以得出以下結論：在××艙室內寬度方向上設置水幕分隔后，可以有效地阻隔熱量和煙氣的傳遞。在艙室結構限制的條件下，采用水幕分隔實現防火目的是目前唯一可行且有效的方法。

4 結語

艦船火災現已日益得到艦艇設計、使用部門的重視。作為和平時期軍艦面臨的重大災害之一，艦船火災帶來的損失巨大，后果極為嚴重。進行艦船火災研究，提高艦船防火能力，以增強艦船生命力，是艦船設計研究工作的重要組成部分，也是提高艦船戰斗力的重要保證。

［1］何崇德譯.船舶防火安全性的評價方法論［J］.國外艦船工程.1998（3）.

［2］董華，范維澄.船舶密閉艙室火災過程及其模擬計算［J］.計算力學學報.Vol.15 No.1.

［3］中華人民共和國國家軍用標準［J］.GJB868-91《艦船消防要求》.

［4］中華人民共和國國家軍用標準［J］.GJB4000-2000《艦船通用規范》.

Fireproofing design for warships

Zhao Jian Ling Chun

structure fireproofing；fireproofing compartmentation；large cabin room

This paper examines the fireproofing design for warships，and focuses on the setting of the fire compartmentation for large cabin rooms.The optimum design scheme is put forward through the simulation by using the fire simulation program in order to achieve the best cost-effectiveness ratio.

U664.88

A

1001-9855（2011）01-0057-04

2010-12-31

趙?。?980.05-）男，漢族，工程師，主要從事船舶監造工作。

凌純（1980.07-）男，漢族，工程師，主要從事船舶監造工作。