船舶艙室火災一般規律研究

李杰　浦金云　于利峰

摘要：船舶艙室火災一般規律能夠反映不同種類火災特征信息參數變化情況，與“預防為主，消防結合”的防治原則是一致的，并能為火災防治提供指導。在總結分析船舶火災一般規律的基礎上對不同載荷火災的特殊性進行系統分析：立足于可燃載荷物理化學特性，對艙室火災不同階段溫度場和煙氣生成特性進行對比分析，并對其特定火災場景中的典型火行為進行深入探討分析。

關鍵詞：船舶火災；溫度場特性；煙氣生成特性；火災探測

中圖分類號：U674.771文獻標識碼：A

Study on the general rule of fire in a ship cabin

LI Jie PU JinyunYU Lifeng

College of Power EngineeringNaval Univ. of EngineeringHuBeiWuhan430033

Abstract：The general rule of fire in a ship cabin reflects the character variations of different fires，which is consistent with the prevention principle “put prevention first and combine prevention with elimination” and can provide guidance on fire prevention and control. This paper presents a systematic inquiry on the particularity of different fire loads based on the summary of the general rule. And it carries out a comparative analysis on the temperature field and smoke generation characters at different combustion stages of a ship cabin fire as well as further discussion on the classic fire behavior in a specific fire scene on the basis of physical and chemical characters of fire loads.

Key words：ship cabin fire；temperature field characters；smoke generation characters；fire detection

船舶艙室火災是一種典型的受限空間火災，因其獨特的艙室結構而不同于一般建筑火災。一旦發生火災，火場撲救和人員逃生難度大，直接威脅著船員生命財產安全甚至造成船舶生命力損失[1]。因此，船舶火災防治是我國海上經濟發展面臨的一大安全挑戰，是火災安全研究的重要領域之一。區別于傳統建筑火災，船舶艙室火災側重于初火探測，即如何在火災發生初期及時準確地探測火情，進而為火災應急預案制定和實施提供依據[2]。因此，在火災初期特征信息參數研究分析的基礎上，開展火災探測方法和技術研究是船舶火災防治的前提，具有重要的現實意義和理論應用價值。

目前，國內船舶火災研究主要立足于火災撲救和船員逃生，開展火場行為試驗和仿真研究，對船舶受限空間內火災溫度場和煙氣場特性進行機理性研究[36]，鮮有學者開展船舶火災初期過程參數演變行為研究，相關研究成果主要集中于火災初期的探測技術和方法。本文在船舶火災防治的基礎上，對受限空間火災初期參數一般變化規律進行總結和分析；結合先進的信息采集技術，對現有火災報警裝置進行改進，提高船舶火災初期探測的及時性和準確性，為船舶火災防治提供參考性意見。

1 船舶火災總體變化規律

船舶火災載荷及其種類多樣：（1）A類火，主要指木材、棉和紙張等固體著火；（2）B類火，是船舶油火的統稱；（3）E類火，主要指用電設備著火；（4）F類火，主要指烹飪器具內的蔬菜油或動物油火災[2]。不同類型火災一般會經歷吸熱、熱解、發煙、火焰擴散、劇烈燃燒和衰減六個階段[7]，船舶火災過程特征信息參數會呈現明顯的階段性特性：火災初期（初火）火災煙氣逐漸在艙室內積聚，受災艙室溫度和壓力上升；在火焰擴散和劇烈燃燒階段受災艙室產生大量煙氣，艙室內溫度和壓力迅速上升至穩定值；在火災衰減階段火災煙氣在艙室內進一步蔓延，艙室溫度和壓力呈現下降趨勢，如下圖所示。

船舶火災特征參數變化規律圖

本文在船舶火災總體變化規律的基礎上，立足于船舶火災發展過程中特征信息參數演變行為規律對不同種類船舶火災的一般規律進行總結性分析，對其變化機理進行深入探討和分析，為船舶火災探測和火災撲救提供參考。本文主要從四種常見船舶火災發生發展過程中溫度場和煙氣場兩個方面對溫度場、煙氣及其組分濃度和艙室壓力等特征信息參數一般演變規律進行歸納總結，針對性分析不同種類火災變化特殊性，為船舶火災救援提出合理化建議。

2 不同種類火災變化規律

結合國內外學者船舶火災研究成果，在不同種類火災載荷物理和化學特性分析的基礎上，著眼于船舶火災探測和船舶火災撲救對常見船舶火災發生發展過程中的階段性規律以及特殊行為現象進行探索性分析，進而為船舶火災防治和救援提供指導：船舶火災溫度規律主要從火場溫度極值、火焰溫度突變現象和火場蔓延特性等進行分析；船舶火災煙氣行為規律主要從發煙量、煙氣變化率突變現象、煙氣組分特性和煙氣毒性等進行分析。

2.1 A類火

A類火隸屬于固體火，與工作人員日常生活息息相關。船舶A類火燃燒過程中伴隨著固體的熱解、發煙和燃燒等復雜物理化學反應。由于船舶固體載荷著火點較低，一旦出現火源極易在艙室內蔓延，嚴重威脅工作人員生命財產安全。此外，A類火固體內部溫度較高，燃燒后期與新鮮空氣接觸極易復燃。

2.1.1 溫度場特性

A類火在發生發展過程中經歷吸熱、熱解、發煙、火焰擴散、劇烈燃燒和衰減六個階段。火災初期固體吸熱過程中，固體表面及附近溫度沒有明顯變化，固體內部溫度上升；固體熱解和發煙著火過程中，固體內部溫度持續上升，固體熱解析出揮發性產物和碳，一旦溫度上升至固體燃點艙室火災產生并在短時間內發展和蔓延；在火焰擴散和劇烈燃燒階段，火焰溫度最高可達800℃[89]。

在整個火災發生發展過程中，艙室溫度和壓力變化顯著，尤其是火焰擴散和劇烈燃燒階段。但是在火災初期艙室內部難以由此產生明顯溫升效應，不能在短時間內觸發艙室溫度報警器來達到預警的目的。此外，陰燃現象是該類火災過程中的特有現象，是其火災發生的一大誘因。

2.1.2 煙氣生成特性

船舶固體載荷多由植物纖維、化學纖維等組成，其成分多為碳氫化合物并含有少量的硫、氯等元素。著火前期固體吸熱、熱解階段固體析出揮發性氣體例如水、碳氫化合物、CO、CO2等，這一階段氣體組分與可燃固體溫度有關；火災擴散和燃燒階段可燃氣體達到燃燒濃度，煙氣組分CO和CO2濃度不斷上升。在整個燃燒過程中有淡淡的白煙產生，由于固體可燃材料含碳量高，因此該類產煙量大，整個燃燒過程伴隨著CO和CO2的產生且二者濃度較高，可采用CO探測器進行火災預警。

2.2 B類火

B類火隸屬于液體火，在船舶火災中占主導地位，其液體汽化和預混是燃燒的前提。船舶油料物體閃點高但熱值高，一旦艙室油料泄露著火火勢會迅猛發展和蔓延，嚴重威脅著船舶生命力安全。

2.2.1 溫度場特性

火災在發生發展過程中經歷吸熱、汽化、火焰擴散、劇烈燃燒和衰減五個階段。火災初期持續時間短，沒有明顯的汽化和預混現象，火焰溫度在液體汽化吸熱和氣體燃燒放熱的交互作用下開始迅速上升；火焰擴散階段油火的擴散燃燒占主導地位，火焰溫度顯著升高；劇烈燃燒階段火焰溫度高達1000℃[1011]。

在整個火災發生發展過程中，火焰及艙室溫度和艙室壓力變化顯著：火災初期艙室溫度變化比較明顯，這一特性可作為溫度傳感器火災探測的依據；不同階段溫度變化率差異顯著：

spread>ignite>stable=0>decay。

2.2.2 煙氣生成特性

船舶油料包括滑油、柴油等，其燃燒過程中煙氣生成特性與燃燒狀態密不可分。著火前期油料表面多為汽化燃油，開始有黑煙產生且煙氣組分多為CO2；火焰擴散和劇烈燃燒階段由于油料含碳量高因此CO和CO2濃度明顯上升尤其是CO濃度，在這一階段該類火由富氧燃燒向富燃燃燒。在整個燃燒過程中時刻伴隨著黑煙的產生，可采用煙霧探測器和CO2探測器進行火災探測。

2.3 E類火

E類火特指電氣設備著火，是船舶電力系統正常運行的重大安全隱患。其中用電設備過載、短路、局部過熱和外熱作用等都是造成電火的主要因素，但歸根結底短路是引發電火的直接原因。

2.3.1 溫度場特性

該類火以電纜著火為代表，其發生發展過程中經歷裂解、炭化、燃燒、火焰擴散和衰減5個階段，船舶電火可在艙室間蔓延。電火火災初期裂解和炭化過程中，故障電路短時間產生局部高溫，引燃電纜外部絕緣材料；電火擴散階段火焰局部溫度可達800℃～1000℃。此外由于電纜燃燒過程中伴隨著高溫熔滴的產生，艙室底部會出現高溫熱源，極易引發艙室次生災害[12]。

在整個火災發生發展過程中著火部位和艙室底部溫度上升顯著：火災初期由于線路故障產生局部高溫，難以觸發艙室溫度報警器對火災進行預警；火災擴散階段艙室底部因高溫熔滴溫度驟變，極易引發艙室易燃載荷。

2.3.2 煙氣生成特性

電纜絕緣材料一般為可燃的聚氯乙烯、聚烯烴和橡膠等。著火前期裂解和炭化階段電纜絕緣材料受熱析出烷烴類可燃氣體并伴隨煙氣產生，但是產煙量較小[13]。火災燃燒和擴散階段CO和CO2濃度上升，其中CO濃度變化顯著。此外，在整個燃燒過程中伴隨著NOx和SO2的產生。綜合該類火煙氣組分變化特性，可采用CO傳感器進行船舶電火火災預警。

2.4 F類火

F類火通常指廚余火，因其特定火災場景而具有特殊性。船舶廚余火火勢迅猛，短時間內會產生高溫火柱，極易造成人員傷亡。此外，船舶F類火在滅火后因高溫燃油的存在極易復燃。

2.4.1 溫度場特性

船舶F類火發生發展過程經歷吸熱、發煙、燃燒和熄滅4個階段，整個燃燒過程是外熱和可燃油燃燒相互作用的結果。火災初期可燃油在外熱作用下因可燃油發煙和汽化現象產生高溫可燃油和可燃氣體，隨著可燃油溫度由常溫經煙點至燃點可燃油自燃；火災燃燒階段可燃氣體溫度在外熱和燃燒作用下迅速上升至著火點，火勢迅猛發展并觸發艙室溫度傳感器。此外，船舶廚房可燃載荷復雜多樣，極易因廚余火引發次生火災災害。

2.4.2 煙氣生成特性

廚房烹飪油為油脂肪酸的甘油三酯混合物，極易被高溫或者明火引燃。著火初期吸熱和發煙階段CO濃度上升并伴隨著煙氣產生，沒有明顯的CO2產生。火災燃燒階段CO和CO2濃度上升并伴隨著黑煙產生。此外，烹飪油被加熱到180℃（油煎溫度）時并沒有煙氣和有毒氣體產生[1415]。鑒于烹飪油這一燃燒特性，可采用煙霧和CO探測器進行廚余火火災預警。

3 結論

船舶火災作為船舶損害管制的重要組成部分，具有重要的理論研究價值。對比不同種類火災發生發展規律可得：

（1）整個火災燃燒過程中受災艙室存在局部部溫升現象，火焰溫度高達幾百攝氏度。不同火災載荷因其物性差異而表現出不同的燃燒特性：溫升變化率B≥F≥A≥E；火焰溫度TB>TF≥TA>TE。

（2）船舶火災燃燒過程中載荷生煙效果顯著，不同種類火燃燒初期均存在發煙現象，在火災蔓延和發展過程中煙氣組分CO和CO2濃度顯著上升。

（3）船舶火災發生發展過程中存在陰燃和復燃現象尤其是船舶A類火。此外，部分船舶火災容易引發二次火災，尤其是E類和F類火。

（4）火災初期采用多傳感器信息融合技術進行火災預警，火災防治應杜絕特殊火行為造成的二次火災。

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作者簡介：李杰（1988），男，河南濟源人，海軍工程大學博士生，研究方向：受限空間火災煙氣流動與控制。