大尺寸艙室電纜火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的仿真模擬分析

蔣帥，賈佳2,武紅梅

(1.中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064;2.94942部隊(duì)，北京 100000)

某大尺寸艙室位于船舶上，結(jié)構(gòu)復(fù)雜并且火災(zāi)載荷較大，火災(zāi)類型復(fù)雜[1]。考慮船舶的特殊結(jié)構(gòu)以及特殊的大空間環(huán)境特點(diǎn)，利用PyroSim軟件模擬大尺寸艙室火災(zāi)高發(fā)區(qū)域電纜火災(zāi)對(duì)艙室的影響，并分析火源功率、通風(fēng)條件、環(huán)境溫度及濕度對(duì)火災(zāi)后果的影響，提出相應(yīng)的措施。

1 模型建立

大尺度艙室鋼結(jié)構(gòu)外敷設(shè)有特殊材料，軟化點(diǎn)為100 ℃，正常使用溫度為70 ℃以下，艙室內(nèi)正常環(huán)境溫度不超過60 ℃。該艙室中包含重要設(shè)備，也存在著大量的電纜以及一定數(shù)量的可燃滑油。火源位置及大尺度艙室布置示意見圖1，重要設(shè)備部件的選擇以及編號(hào)見圖2。

2 模型關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置

2.1 火源設(shè)定

大尺度艙室內(nèi)部可燃物是主要是阻燃電纜為主，模擬的可燃物材料為交聯(lián)聚烯烴[2]。

圖1 大尺寸艙室電纜火災(zāi)場(chǎng)景示意

圖2 大尺度艙室場(chǎng)景下檢測(cè)的設(shè)備部件及編號(hào)

假設(shè)電纜發(fā)生火災(zāi)時(shí)，只有最頂層電纜燃燒，此時(shí)的熱釋放速率可近似看做正常三層橋架布置的1/3，因此，當(dāng)只有最上層電纜發(fā)生火災(zāi)時(shí)的熱釋放速率可認(rèn)為2 MW。

2.2 模擬工況

同時(shí)考慮到大尺度艙室所在環(huán)境的特殊性，即高溫高濕條件，因此除火源規(guī)模這一變量外，還加入了環(huán)境溫度和環(huán)境濕度以及是否通風(fēng)對(duì)火災(zāi)發(fā)展及其后果的影響。工況設(shè)置見表1。

表1 電纜火災(zāi)工況設(shè)置

2.3 安全目標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)

本項(xiàng)目大尺度艙室內(nèi)火災(zāi)性能化設(shè)計(jì)目標(biāo)是保證關(guān)鍵設(shè)備安全運(yùn)行，因此設(shè)定安全判據(jù)為

1)關(guān)鍵設(shè)備表面溫度不超過120 ℃；

2)關(guān)鍵設(shè)備表面熱通量不超過37.5 kW/m2。

3 FDS模擬結(jié)果分析

3.1 火源功率的影響

1～3這3個(gè)算例為環(huán)境溫度40 ℃，空氣濕度80%且排風(fēng)設(shè)備正常工作下，大尺度艙室內(nèi)發(fā)生不同規(guī)模的電纜火災(zāi)，由2、6和8 MW的火源功率表征。3種工況下的熱釋放速率見圖3，2 MW的火災(zāi)規(guī)模下，熱釋放速率不會(huì)出現(xiàn)衰減階段，這是由于在計(jì)算時(shí)間內(nèi)大尺度艙室內(nèi)內(nèi)的可燃物和氧氣充足，支撐火災(zāi)以設(shè)定的最大熱釋放速率發(fā)展。

圖3 1、2、3工況下的熱釋放速率對(duì)比

對(duì)比3個(gè)火災(zāi)規(guī)模下的關(guān)鍵設(shè)備受影響情況見表2。由表2可知，大尺度艙室內(nèi)的設(shè)備安全主要與火源位置有關(guān)，在火源位置固定情況下，離火源直線距離越近的設(shè)備越危險(xiǎn)。此外在計(jì)算時(shí)間720 s內(nèi)，3種工況下的特殊材料處于正常工作，但是一旦發(fā)生更大規(guī)模火災(zāi)或者火災(zāi)時(shí)間延長(zhǎng)，艙壁外敷設(shè)的特殊材料溫度會(huì)超過其正常工作溫度(70 ℃)，影響其功能，進(jìn)而導(dǎo)致特殊材料的失效。因此需要控制火災(zāi)規(guī)模以及火災(zāi)發(fā)展的時(shí)間。

表2 火源功率對(duì)#7設(shè)備失效影響

3種火災(zāi)規(guī)模下，受影響的7號(hào)設(shè)備表面熱流的對(duì)比見圖4。結(jié)合表2可知，隨著火災(zāi)規(guī)模的增大，7號(hào)設(shè)備的表面溫度逐漸增大；但是設(shè)備7的表面熱通量卻是在6 MW的情況下峰值最大，但是總體和8 MW條件下差距不大，2 MW條件下，設(shè)備7不會(huì)達(dá)到臨界狀態(tài)，設(shè)備表面熱通量始終低于臨界值。因此，為了保護(hù)關(guān)鍵設(shè)備的安全，要采取相關(guān)措施控制火災(zāi)規(guī)模。

圖4 設(shè)備7表面熱通量對(duì)比

4～6這3個(gè)算例為環(huán)境溫度40℃，空氣濕度80%且排風(fēng)設(shè)備停止工作的條件下，內(nèi)發(fā)生不同規(guī)模的電纜火災(zāi)，由2、6和8 MW的火源功率表征。3種工況下的熱釋放速率見圖5，2 MW的火災(zāi)規(guī)模下，熱釋放速率不會(huì)出現(xiàn)衰減階段，這是由于在計(jì)算時(shí)間內(nèi)大尺度艙室內(nèi)的可燃物和氧氣充足，支撐火災(zāi)以設(shè)定的最大熱釋放速率發(fā)展。

圖5 工況4、5、6火源功率下的熱釋放速率對(duì)比

對(duì)比3個(gè)火災(zāi)規(guī)模下的關(guān)鍵設(shè)備受影響情況見表3。可知設(shè)備及特殊材料的相關(guān)數(shù)據(jù)差距不大。對(duì)電纜的影響也與正常通風(fēng)下相似，即3種火災(zāi)規(guī)模下，除燃燒電纜外，其他電纜的表面溫度及表面熱流均未達(dá)到其臨界危險(xiǎn)狀態(tài)。

表3 火源功率對(duì)7號(hào)關(guān)鍵設(shè)備的影響(無排風(fēng))

3.2 環(huán)境溫度的影響

一般，環(huán)境溫度會(huì)加速設(shè)備表面涂層防護(hù)材料的腐蝕和涂層劣化[3]。根據(jù)設(shè)備涂層應(yīng)用的環(huán)境溫度不同，將涂層按溫度劃分為3種類型：0～60 ℃，60～120 ℃，≥120 ℃。其中，0～60 ℃屬于常溫條件，涂層對(duì)溫度容忍性較好；60～120 ℃，介質(zhì)對(duì)材料的腐蝕速率增加；≥120 ℃，在這一溫度條件下，環(huán)境中的水已經(jīng)蒸發(fā)，但在溫度升高的過程中，水對(duì)材料有腐蝕作用。如果設(shè)備處于反復(fù)浸濕的條件，則材料表面會(huì)積聚鹽垢，腐蝕速率較大。

算例2、7、8為火源功率6 MW，環(huán)境相對(duì)濕度80%，排風(fēng)設(shè)置正常工作的條件下不同環(huán)境溫度(分別為40 ℃、50 ℃、60 ℃)的對(duì)比算例。工況2、7和8的熱釋放速率對(duì)比見圖6。

圖6 工況2、7和8熱釋放速率對(duì)比

由圖6可知，在相同規(guī)模火災(zāi)下，環(huán)境溫度對(duì)火災(zāi)發(fā)展的影響主要表現(xiàn)在會(huì)提前進(jìn)入穩(wěn)定階段，但時(shí)間差距不大，同時(shí)會(huì)縮短火災(zāi)穩(wěn)定階段的時(shí)間，提前進(jìn)入衰減階段。在這3種工況下，關(guān)鍵設(shè)備只有7號(hào)設(shè)備會(huì)因火災(zāi)而失效，見圖7，隨著環(huán)境溫度升高，設(shè)備7的表面熱流峰值減小。

圖7 工況2、7和8設(shè)備7表面熱流對(duì)比

但是環(huán)境溫度對(duì)于特殊材料的影響較大，見圖8。

圖8 工況2、7和8特殊材料表面溫度對(duì)比

在環(huán)境溫度超過50 ℃后，發(fā)生火災(zāi)會(huì)影響到特殊材料的有效性，使其表面溫度超過其正常工作的極限溫度(70 ℃)。

不同環(huán)境溫度下，受影響設(shè)備的表面溫度、熱流對(duì)比表4。環(huán)境溫度的升高，會(huì)造成特殊材料的失效，需要采取措施控制環(huán)境溫度，避免火災(zāi)導(dǎo)致的安全事故的發(fā)生。

3.3 環(huán)境濕度的影響

算例2、9、10為火源功率6 MW，環(huán)境溫度40 ℃，排風(fēng)設(shè)置正常工作的條件下不同環(huán)境相對(duì)濕度(分別為80%、90%、95%)的對(duì)比算例。工況2、9和10的熱釋放速率對(duì)比見圖9。

表4 環(huán)境溫度對(duì)7號(hào)設(shè)備失效影響分析

圖9 工況2、9和10熱釋放速率對(duì)比

由圖9可知，在相同規(guī)模火災(zāi)下，環(huán)境濕度對(duì)火災(zāi)發(fā)展的影響不大。在這3種工況下，關(guān)鍵設(shè)備只有7號(hào)設(shè)備會(huì)因火災(zāi)而失效，見圖10。由圖10可知，在相同火源功率與火源位置的情況下，環(huán)境濕度對(duì)于所關(guān)注的關(guān)鍵設(shè)備所受火災(zāi)的影響并無太大關(guān)系，同理，特殊材料的表面溫度也受影響不大。

圖10 工況2、9和10設(shè)備7表面熱流對(duì)比

4 結(jié)論

1)當(dāng)火源功率超過6 MW時(shí)，鄰近火源設(shè)備存在失效風(fēng)險(xiǎn)，特殊材料溫度接近失效溫度(70 ℃)，存在材料失效的可能性，建議控制火災(zāi)可燃物的數(shù)量，限制火災(zāi)規(guī)模及燃燒時(shí)間。

2)環(huán)境溫度對(duì)火災(zāi)發(fā)展的影響主要表現(xiàn)在會(huì)使得火災(zāi)提前進(jìn)入穩(wěn)定階段，并會(huì)縮短火災(zāi)穩(wěn)定階段的時(shí)間，提前進(jìn)入衰減階段；當(dāng)環(huán)境初始溫度超過50 ℃，會(huì)影響到特殊材料的有效性，使特殊材料的表面溫度超過其正常工作的極限溫度(70 ℃)。

3)當(dāng)電纜布置在房間兩側(cè)，而不是集中在空間一側(cè)時(shí)，一側(cè)電纜橋架發(fā)生火災(zāi)，并不會(huì)引起另外一側(cè)電纜的失效，更不會(huì)引燃，因此建議電纜分開布置，從而降低火災(zāi)危險(xiǎn)后果。

4)通風(fēng)和環(huán)境濕度對(duì)艙室的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)影響不大。