艦船大空間場所火災探測系統設計研究

, ,雪峰

(中國船舶重工集團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和設備更加復雜，火災荷載更多，因而火災風險和危害性更大。根據國外的事故統計，船上典型大空間場所——機庫的火災在大型艦船火災中占有一定比例，且均造成了重大經濟和軍事損失。根據艦船消防“早期探測 快速滅火”的要求，火災探測系統對抑制初期火災并控制火災的危害程度能起關鍵作用。本文以機庫為例討論艦船上的大空間場所火災探測系統的設計，內容僅涉及火災探測器的選型、布置和性能試驗，不包括火警系統的設計。

1 規范要求

《GJB 4000—2000 艦船通用規范》[1](以下簡稱《規范》)和《GJB 868—91 艦船消防要求》[2](以下簡稱《要求》)是目前艦船火災探測系統設計的主要依據。《規范》中“528章 火災探測、報警和滅火控制系統”，《要求》中“8 探火、失火報警系統及滅火設施的設置”和“9 固定式探火和失火報警系統”規定了艦船探火、失火報警設施的配置及系統設計的一般要求。它們對機庫火災探測設置的要求是一致的，主要可以歸納為：安裝固定式可燃氣體濃度探測器。根據環境條件、火災的危險程度和火災發生時的燃燒物，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能保證取得最佳的探火效能，并使所有潛在的失火點均能被探測到，且應不致受到灰塵、氣流、油霧和熱氣的影響而產生誤動作。此外，民規《GB 50284—98飛機庫設計防火規范》[3]“8.4 火災自動報警系統”中規定，飛機停放和維修區的屋頂承重構件宜選用感溫探測器；飛機維修工作區宜選用火焰探測器、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氣體探測器。

根據規范要求初步可確定機庫中設置的探測器種類為可燃氣體濃度探測器、感溫探測器、感煙探測器和光學火焰探測器。雖然點式感溫或感煙探測器的布置(保護面積、安裝高度和間距等)在規范中也有規定，總體上各類探測器的布置方案還需聯系保護區內的實際情況后確定。

2 性能設計及實例

探測器實際效能易受環境因素的影響，而國家標準對點型感溫或感煙火災探測器技術要求及試驗方法，以及點型紅外或紫外火焰探測器性能要求及試驗方法，只能給出指定實驗室環境下的探測器性能試驗方法及要求。探測器型式試驗結果并不能完全反映出探測器在真實復雜環境下的效能。國外在制訂適用于軍用機庫的探測器性能評價標準方面曾開展過專門研究。以美國、加拿大對光學火焰探測器的研究工作為例進行說明。

從美國NRL《軍用飛機庫光學火焰探測器：光學火焰探測器對燃料流淌火和光學干擾的性能最終報告》(2000年5月)看，之前美國在軍用機庫中采用的主要消防策略是由光學火焰探測器發出報警信號后由手動啟動翼下的AFFF系統，并且要求安裝在低位(low-level)的光學火焰探測器采用紫/紅外復合探測器。由于更為先進的光學探測技術要投入使用以及海軍對探測器工作中出現的一些常見誤報情況的經驗，美國海軍設施工程司令部(NAVFAC)提出了制訂軍用機庫光學火焰探測器性能標準的需求。該項目由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)進行大量試驗，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，其中關于抗干擾能力的試驗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。基于大量的試驗結果，報告最后對建立光學火焰探測器性能標準提出了多項建議，如關于試驗探測器的安裝(距離和角度)，探測器在不同距離至少能探測到的火源功率，通過對飛機進行破壞性試驗確定最大火災規模，遮擋物的放置方式，虛假火源模擬裝置以及不必要的試驗項目等。由NRC編制的《軍用機庫中光學火焰探測器性能規范草案》可以被看作是一部驗證機庫或飛機掩體中光學火焰探測器探測火源及抗誤報能力的試驗大綱，主要分為響應試驗和干擾光源試驗兩部分，各部分均包括合格判據。試驗的火源等由NAVFAC指定，較為符合機庫的實情。以上文獻雖距今已有很長時間，但這種通過大量試驗研究成果，形成探測器性能測試規范的方法值得借鑒。

大型艦船的飛機庫是艦載機停放、維修和加油的場所，具有非常高的火災風險。機庫空間大、遮擋嚴重和風速高等特點對探測器的探測距離和靈敏度提出了更高的要求。機庫中最嚴重的火災場景是飛機燃料箱或油管受到外部因素碰撞而破裂，燃油蒸發形成的可燃氣體受點火能的意外激發導致火災。庫內其它火災場景還包括電氣設備線路老化、短路形成的陰燃，機庫的通風系統會將煙霧很快稀釋，這類潛在火源較難被發現。機庫內對探測器報警的干擾主要源于機翼或機身的遮擋、強日光、水霧等靜態因素和機械通風及戰時信號燈快速變換等動態因素。由于機庫內火源類型較多，而不同工作原理的探測器對各類火源的探測能力以及環境適應性差異很大，在機庫中必須結合多種判據(光學、煙霧、溫度)進行火災探測，這也符合國內規范對機庫中火災探測器設置的要求。以下說明各類探測器系統的選型設計過程，總體上最終確定的探測器型號是相同試驗場景中響應最快，抗干擾能力最強的。

1)光學火焰探測器。紫外火焰探測器易受雷電、電焊等常見強紫外光源的干擾，紫外輻射波長較短，易被煙塵、煙霧粒子和蒸汽等吸收，雖然響應快，但探測距離較短。紅外火焰探測器特別適用于碳氫化合物的火焰探測，由于紅外線穿透能力強，紅外探測器的探測距離較長，增加了輔助監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，響應時間更短。結合光電技術和圖像處理的圖像感焰探測器與傳統的火焰探測器相比，擴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。選型試驗包括對探測器響應能力和抗干擾能力的測試，響應能力試驗的變量為火源尺寸、探測角度和探測距離，抗干擾能力試驗的變量為光線和障礙物，試驗參數的設計都源于真實工況。對光學探測器布置也進行了專門試驗，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生的大粒徑顆粒。在機庫大空間上送風下回風的氣流環境中，燃燒產生的煙霧達到探測器分析腔的時間較長，除非是較大規模的油池火。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式感煙探測器。選型試驗包括對探測器響應能力和抗干擾能力的測試，響應能力試驗針對電纜和油火兩種型式，干擾因素為環境氣流，試驗參數的設計都源于真實工況。感煙探測器的布局遵循現有煙霧探測火災報警系統設計、施工及驗收規范。

3)感溫探測器。相關規范都提到要在機庫中安裝感溫探測器。但煙氣運動規律和計算結果表明，機庫大空間機械通風(8～12 m/s)條件下，火災早期煙氣溫度上升緩慢，達到感溫探測器報警閾值點(68 ℃)的時間很長，場景模擬計算結果見圖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 計算實例

表1 計算結果(120 s時) ℃

4)可燃氣體探測器。航空燃油在貯存容器中處于靜止狀態時，會通過容器閥門或細小空隙不斷向外擴散，環境的晝夜溫差還會引起小呼吸現象。如遇管道或油箱破損，燃油會被噴散為霧狀蒸發。航空燃油的靜蒸發和動蒸發狀態使得機庫中不可避免會存在一定量的易燃易爆混合油氣，當混合氣體中可燃氣體的濃度處于爆炸極限(燃油：0.6%～4.6%)時，只要具備足夠的點燃能量，就會發生爆炸。可燃氣體探測器掛接在數據采集箱上，通過分析監測數據，決定通風、油路等外設的工作狀態，其性能的優劣直接影響機庫大空間安全防護的效果。機庫的可燃氣體探測器除了要考慮靈敏度、響應時間、氣體選擇性和穩定性等基本特性參數，還必須滿足可靠性、維修性、防爆和船用環境適應性的要求，參與選型的包括擴散式和吸入式的催化型探測器，點式紅外探測器。對于此類多評價準則的系統分析，可借助層次分析法[4]等優選方法進行決策。

3 結論

在火災探測系統設計過程中，先依據規范設置必要的探測器類型，要達到規范對探測系統效能的要求，必然還要進行深入的依據探測器性能的設計分析。制訂探測器性能試驗方案需花費較多的時間和精力，建立針對特殊場所的火災探測器性能要求及測試方法，有益于推廣新的探測技術和提高火災防護能力。對大量試驗結果進行分析是形成探測器性能要求及測試方法的基礎，要形成規范的測試方法還需進一步深化研究科學、通用的測試裝置。

[1] 國防科學技術工業委員會.GJB4000—2000艦船通用規范[S].北京：國防科工委軍標出版發行部，2000.

[2] 國防科學技術工業委員會.GJB868—91艦船消防要求[S].北京：國防科工委軍標出版發行部，1991.

[3] 中華人民共和國建設部.GB50284—98飛機庫設計防火規范[S].北京：中國標準出版社，1998.

[4] 胡運權，郭耀煌.運籌學教程[M].北京：清華大學出版社，1998.