紅外技術在艦艇消防安全中的應用

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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，無論平時還是戰時都對艦艇安全具有重要意義，為保障艦艇安全需要系統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研究為基礎，分析艦艇火災所具有特殊規律，進而進行有針對性的設計開發。同時，還應當注意借鑒實船事故，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為例，其擁有專業的研究機構(Naval Research Laboratory)進行艦艇火災動力學和應用技術的研究，同時還定期在內部發行刊物(Factual Lines About Submarine Hazards)，對潛艇日常運行中遇到的事故和風險進行分析和總結，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 艦艇消防安全關鍵環節分析

對艦艇火災發生規律的研究，既艦艇火災動力學研究，是開展艦艇消防安全研究的基礎。國內外研究機構在該領域一直進行著廣泛的研究并取得了大量成果[1-2]，研究發現艦艇火災類型復雜，規律特殊，后果也往往比較嚴重，一般來說，艦艇火災具有以下兩個明顯的特點。

1)火災荷載大，風險高。艦艇內機電設備密集(多為高溫、高壓、大電流、高轉速設備)，運轉時間長強度高，且存在多種易燃、易爆物(武器彈藥、燃油、液壓油、高壓空氣等)，布線和管路結構復雜，都導致發生火災的風險變大。

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

同時隨著現代艦艇智能化的不斷提高，艦艇系統功能結構也日趨復雜，各類設施設備明顯增加，在提高了艦艇整體性能的同時，客觀上也增加了艦艇上發生機電火災的風險；又由于艦艇通常載有大量易燃易爆物品，如果在發生火災時未能及時控制，很容易導致火勢的快速蔓延；并且考慮到艦艇上人員密集、穿梭通道相對狹窄，發生火情時，人員很難快速疏散，半封閉的艙室不利于火災產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，艦艇經常遠離口岸，一旦發生火災，很難得到有效的外部支援，如果不能及時有效地發現和控制火情，往往會導致嚴重的后果，甚至沉沒。

對于艦艇上一般的固體和液體可燃物，如艦艇內裝飾、機械潤滑油等，當發生異常或故障時，會形成熱量聚集、進而導致可燃物分解、陰燃，產生明火，甚至到轟燃的過程，見圖1。

由圖1可見，艦艇火災在故障異常階段及熱解階段的發展速度也比較緩慢，而一旦發展到陰燃階段，艦艇火災就開始迅速發展，規模與普通建筑火災相比明顯增大，火勢更難以控制。因此，為了獲得最優的消防安全保障，就需要在火災發生的初始階段，既在異常故障或熱解階段就及時進行有效的預警和報警，在發生損失前就消滅火險。可見，早期火災預警和報警能力是提高艦艇消防安全的一個關鍵環節。

圖1 火災發展過程比較

另外，對于艦艇上一些特殊的場所，如電池艙和輪機艙，其火災形式表現為瞬間發生的明火或爆炸，普通探測和滅火設備基本沒有反應時間，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，瞬間引發明火，造成了嚴重的后果；1991年，某艇由于輸油總管破裂引起燃氣爆燃，導致了多名在艇人員受傷的嚴重后果。1989年，蘇聯潛艇“共青團員”號由于電線短路瞬間產生明火，在短短9 min的時間里就對潛艇造成了重創，最終導致該艇失事[3]。可見，對于這種艦艇火災類型，如何做到快速準確的滅火聯動控制，也是提高消防安全能力的一個關鍵點。

以上分析可見，為了有效控制艦艇火災，需要重點關注艦艇火災發生的初始階段，并采取有針對性的措施，對艦艇高風險區域采取早期異常預警、報警及快速滅火聯動等防護措施。

2 紅外技術的應用

紅外技術從上世紀中葉發展至今一直是個研究熱點，其中紅外光譜技術和紅外熱檢測技術近年來更是倍受關注，被廣泛應用于化工、醫療、紅外成像及生命科學等領域。在艦艇環境中，合理地應用紅外技術，可以幫助實現艦艇在火災早期預警、報警和快速滅火聯動等方面的需求，大幅度提高艦艇的消防安全能力。

2.1 基于FTIR的早期火災探測

傅立葉變換紅外光譜技術(FTIR)，通過對寬譜紅外干涉光的傅立葉變換，可以快速獲得設定頻譜范圍內的紅外光譜。光譜學研究發現，大多數物質的分子轉動-振動運動的能級都位于中紅外波段，且由物質固有的分子結構所決定，這就使得幾乎所有的物質(除H2、O2等對稱雙原子結構分子物質)都有其特征的紅外光譜。因此，在FTIR技術發展初期一般用于分析物質的分子結構特征[4]。近年來，通過與化學計量學先進成果的結合，FTIR技術逐漸拓展到定量檢測方面的應用，并可以實現氣體物質的多組分在線監測[5]。而任何燃燒過程實際就是可燃氣體的氧化反應過程。根據火災學研究，一般可燃物在發生異常的熱積聚后會進行熱分解并釋放出火災特征氣體，如可燃烷類以及可燃油蒸氣等，而這些氣體產物正是建立燃燒的必要條件。這些火災特征氣體就是火災發生的重要特征，因此對火災熱解氣體的監測就成為實現艦艇火災早期探測的有力判據和有效途徑。

此外，針對艦艇特殊環境要求，對艦艇火災探測技術的設計，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。對于早期探測設備，如果漏報就會導致消防系統錯過最佳的報警時機而增加了控制火災的難度，如果誤報將引發船上不必要的緊急狀態，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，通過增加判據來優化算法降低誤報率，通過防爆設計等措施來提高設備的適用性，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)的吸氣式探測技術為例，該技術雖然在探測靈敏度上遠優于普通電化學探測方式，但很難同時實現多判據探測，導致其誤報率較高，見表1。

表1 探測方式性能比較

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

2.2 基于紅外熱檢測的故障異常預警

通過對大量艦艇火災事故的分析發現，由于機電設備部件老化、連接故障以及運行異常所引發的火災占事故總數中相當大的比重，且往往造成嚴重的后果。為應對機電火災的威脅，目前艦艇上都會對機電設備和電氣連接進行定期的檢修保養，并使用了大量阻燃材料，這些措施雖然在一定程度上發揮了作用，但仍然存在著不足。因為艦艇機電設備的檢修和保養一般都只在靠港或停塢時進行，但在靠港停塢時機電設備大多處于停機狀態，在這種“靜止”狀態下所進行的檢測往往不能充分發現設備的異常狀態，只有在出現非常明顯的問題時才能被發現，如明顯的連接松動、液壓滲漏或管路老化等，而對隱藏的嚴重問題卻無法發覺。事實上，機電設備只有在運行時才能表現出其真實的狀態。因為在設備運行時，大電流、摩擦力、高壓力等物理荷載才會作用于設備，隱藏的設備異常才會顯現。這些異常和故障如果未能及時發現，很可能導致熱量的異常積聚，造成設備失靈甚至引發火災，因此，除了對機電設備定期檢修外，對艦艇重要機電設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。

研究發現各種類型的機電故障往往伴隨著異常的發熱現象，如果通過恰當的技術途徑對這些熱現象實現有效監測，將會及早發現設備異常，進而在火災的醞釀期就發出預警信息，就可以大幅度地提高預防火災事故的能力。

紅外熱像技術就是一種較好的技術路徑，該技術具有非接觸、二維和實時的特點，最早應用于導彈制導領域，自20世紀初逐漸推廣到其它領域。在工業領域，紅外熱成像檢測應用較早，但都需要專業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備，如柴油機、供電裝置等，在航行中往往運行時間長，負荷大，容易產生設備故障或異常，如果未及時發現和排除，一旦發生設備失靈或引發火災將對艦艇安全造成重大的威脅。所以，對艦艇設備的故障和異常檢測，不能沿用工業領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，實現對機電設備的全程監測，提高可靠性，同時減少人員投入。

因此，需要根據艦艇環境特點，通過火災風險定量或定性分析，獲得整個艦艇火災風險的“概率-影響”分布，以確定需要進行故障異常熱監測的重點保護設施。對確定保護設施根據其結構特征和運行方式，通過FEA(有限元分析)分析其熱傳導和熱分布模式。依據分析結果對紅外熱像監測設備的光譜響應范圍、空間分辨率以及輻射校準方法等參數進行設計和配置，并建立被保護設施正常運行時的熱輻射及分布的基準數據庫和診斷算法，從而實現對艦艇重要設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動

艦艇火災中有一類特殊的火災類型，多發于電池艙、輪機艙等部位。這類火災具有“階躍”式的發展特征，通常不經過熱解和陰燃過程而瞬間引發明火，火勢發展極快，是艦艇安全的重大威脅。對于這類火災，常規的煙、溫探測裝置無法有效響應，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方式的影響，通常要等到火焰規模達到一定程度才能有效報警，導致探測時間較長，火勢快速發展，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，有必要開發一種能夠快速有效地探測“階躍”型火災并高效滅火的聯動技術來提高艦艇的消防安全能力。

基于紅外圖像的快速滅火聯動技術，根據艦艇上“階躍”型火災發生時可能產生的特征現象，如電池短路形成的電弧、脈沖火花，油霧或氣體爆燃產生的火團等，提取其熱輻射模式特征并進行算法設計，實現在可燃物發生閃燃時就探測到火情。同時，由于“階躍”型火災發展速度很快，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。

基于紅外圖像的監測能夠實現對“階躍”型火災的快速發現，不同于基于可見光的監測手段，紅外圖像監測利用閃燃時產生的熱輻射模式特征作為判據，受周圍環境干擾較少，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生的脈沖火花見圖2。

圖2 脈沖火花模擬場景

其中脈沖發生器激發頭的面積約為0.08 cm2，觀測距離為2 m，可以觀察到發生器激發頭產生的脈沖火花形態的細微變化。而與之同時產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”型火災后有效地控制火勢的發展，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的滅火，同時化學結構穩定，保證了對人員身心健康沒有影響，對設備不會有大的損傷。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。測試結果見圖4。

圖4 滅火過程中溫度變化示意

滅火劑釋放后產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動技術，可以有效地發現和控制在艦艇電池艙和輪機艙可能發生的“階躍”型火災，是一種保護艦艇安全的有效手段。

3 結束語

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。為了能對艦艇火災實現有效的控制，需要重點關注艦艇火災發生的初始階段。在艦艇環境下，通過應用紅外技術可以有效地提高消防安全系統的效能，增加艦艇在高風險區域的異常預警、早期報警和快速滅火聯動的能力，對提升艦艇的消防安全能力提供了重要保障。

[1] 管光東.海戰·事故·艦船破損[M].北京:國防工業出版社，1997.

[2] 吳 鵬，沈世黨.潛艇火災分析與對策[J].潛艇學術研究，2006，24(4)：53-55.

[3] 翁詩甫.傅里葉變換紅外光譜儀[M].北京：化學工業出版社，2005.

[4] 趙建華，魏周君.光譜分辨率對氣體定量分析的影響研究[J].光譜學與光譜分析，2010，2(30)：34-36.

[5] VOLLMER，MICHAEL. Infrared thermal imaging：fundamentals，research and applications[M]. Wiley-VCH，2010.