內河汽車滾裝船活動滾裝區域的水噴淋系統研究

龔旭誠 楊震峰 俞 赟

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

引 言

商品汽車滾裝船作為一種運輸車輛的船舶類型，具有運載量大、裝載時間迅速等特點，多用于將商品汽車自產地運輸至各地銷售。［1］目前我國大部分商品汽車滾裝船在長江流域營運，主要碼頭分布在重慶，武漢及上海一帶。2016年長江三峽新建升船機的試通航，能夠大量縮短船舶通過三峽的時間，進一步提升運輸效率。由于升船機對裝載的船舶尺度及重量均有一定限制，加之近年來船舶技術及環保意識的發展，我國商品汽車滾裝船面臨著一輪更新換代。自2017年起，已有多家船務公司將升船機型滾裝船投入運營，有效解決車輛進出川渝的公路運輸難題，有力支援長江經濟帶建設及中西部大開發［2］。

升降式甲板作為一種滾裝船舶專用的特種設備，適用于需要在裝載小型車與大型車間切換的滾裝船舶。配置了升降式甲板的船舶，可根據裝載需求，靈活地切換裝車甲板狀態，提高運輸效率。然而，在升降式甲板底部設置的傳統壓力水霧管路與消防總管的固定連接會對甲板升降造成阻礙，需要拆除部分管路并在甲板位置調整后重新連接。這無論從安全性和便利性來看都極為不利：既無法保證管路每次拆裝后的密性，且每次改變升降式甲板狀態都需要拆裝大量管路。因此需要一種全新的水霧噴嘴布置方案，使其能滿足所有情況下的滾裝區域消防要求。

本文將從系統原理、噴嘴安裝形式、管網及噴嘴的布置等，研究并提出活動滾裝甲板側向噴淋的設計方案。

1 基本原理

消防用壓力水霧系統根據其工作壓力，可分為低壓（＜ 1.2 MPa）、中壓（1.2～3.5 MPa）和高壓（＞3.5 MPa）［3］，根據其工作介質又可分為單相（水）及兩相（水，空氣）兩種；其中，兩相水霧的系統較為復雜，在對于霧化要求不高的區域內通常使用單相水霧系統。在單相水霧系統［4］中，工作壓力越大，其水霧噴頭產生的霧化顆粒越小［5］，然而其單個水霧噴頭的流量較小。在滾裝處所的壓力水霧滅火要求中，規范對于水霧的顆粒并無強制性要求，但對于水量有著硬性要求。若采用中高壓水霧系統，勢必造成噴嘴的數量及水霧管網的密度增加，以及供水泵功率的增大，造成不必要的浪費，因此滾裝處所宜選用低壓水霧系統作為固定式消防滅火系統。

設計水霧系統時，首先是對水霧噴嘴的特性進行選型及設計壓力的確定。水霧噴嘴的特性分為霧化角度α及流量系數k。其中流量系數k是考核水霧噴頭工作性能和水霧滅火系統設計的重要參數，其代表著噴嘴流量與供水壓力平方根的比值為常數，用于計算水霧噴嘴在設計壓力下的流量。霧化角度則與覆蓋范圍相關，一般根據水霧噴嘴的出廠試驗確定。對于同樣型號的噴嘴，通常其流量系數恒定，霧化角度隨壓力的增大而增加，但總體變化幅度不大，仍然與噴嘴出口處的設計有關［6］。當確定了k及α后，通過調整外部參數為供水壓力P及距被保護區域的距離h，在流量-壓力特性曲線及高度-覆蓋半徑曲線上選取相應的工作點，可以獲得不同的噴嘴流量及覆蓋范圍［7］。

2 設計條件

以升降式甲板的某一分區為例，分區的長度為24 m、寬度為16.6 m、面積約為400 m2，其中活動甲板為2甲板。

如下頁圖1所示，該區的升降式甲板分為4部分，分別由獨立的驅動裝置控制升降。裝載小型車輛時，2甲板維持原位置，此時1甲板與2甲板層高為2.3 m；當2甲板通過電機與鋼纜提升至3甲板底部，1甲板的層高增加至4.3 m，滿足大型車輛裝載條件。各升降式甲板模塊可單獨升降，但裝載車輛時必須處于同一高度。

根據CCS內河船舶法定檢驗技術規則，對于滾裝處所的壓力水霧消防系統，需要滿足以下規定：

（1）甲板噴淋水流不小于3.5 L /（min·m2）（對于層高為2.5 m及以下區域），或5 L /（min·m2）（對于層高為2.5 m以上區域）；

（2）噴嘴的布置應能均勻覆蓋整個滾裝區域；

圖1 滾裝甲板示意圖

（3）水泵的容量需滿足最大兩個分區及至上一層的坡道同時工作。

對于升降式甲板而言，任意裝載工況下均應滿足以上條件。

3 設計方案

3.1 系統原理簡介

水霧系統的原理如圖2所示。

圖2 壓力水霧系統流程

當某一區域失火時，打開信號閥并啟動水霧泵，江水自水泵加壓后被輸送至指定的分區進行滅火，同時打開的信號閥傳遞報警信號至該區的火災報警設施及駕駛室。

對于采用側向噴淋的升降式甲板水霧系統，需要設置3組信號閥及水霧管網：

第1組為設置在3甲板底部的垂直安裝型式的常規壓力水霧管網，作用是保護提升前的升降式甲板；

第2組為設置在2甲板高度附近的側向水霧噴淋管網，作用是保護升降式甲板提升前的1甲板；

第3組為設置在3甲板底部的側向水霧噴淋管網，作用是保護升降式甲板提升后的1甲板。

3.2 水霧噴嘴選型及管網布置

對于分區1，水霧噴嘴可直接布置在3甲板底部。選擇流量特性系數為16，霧化角度為120°的水霧噴嘴。根據噴嘴廠商提供的覆蓋范圍曲線，當噴嘴處的水壓為0.35 MPa，噴嘴安裝在距甲板2 m高度時，保護半徑為2 m。管網的布置如圖3所示。

圖3 分區1管網布置

每只噴嘴的額定流量為30 L/min，則分區的平均水量約為 3.8 L /（min·m2）。

對于分區2，需要在2甲板高度附近設置側向安裝的水霧噴嘴。安裝水霧噴嘴及水霧管的位置需要避開升降式甲板的移動范圍，且在任何情況下不能影響車輛的停放及裝載路徑。因此噴嘴僅能夠布置在兩舷與升降式甲板的間隙，以及船舯立柱與活動甲板的間隙中。噴嘴的安裝高度需要盡量高但不高于升降式甲板，以保證覆蓋范圍最大化及避免水霧曲線被甲板所阻擋。

舷側選用流量特性系數為16，其額定壓力下的霧化角度為120°水霧噴嘴，并朝向船舯傾斜15°布置；根據廠商提供的120°水霧噴嘴覆蓋范圍，舷側部分留有較大未被覆蓋區域，因此在每2只120°水霧噴嘴增加1只90°噴嘴，并朝向船舯傾斜15°布置，以保證整個滾裝處所能夠被水霧覆蓋。

立柱附近選用流量特性系數為22，霧化角度為90°的水霧噴嘴，朝向四周傾斜15°布置；

根據廠家提供的覆蓋范圍，選用的側向水霧噴嘴及安裝形式可以覆蓋整個區域面積，其覆蓋效果見圖4。

圖4 分區2管網布置

特性系數為16的噴嘴額定流量為30 L /min，共36只；特性系數為22的噴嘴額定流量為41 L /min，共12只，則分區的平均水量約為3.9 L /（min·m2）。

對于分區3，由于此時升降式甲板已處于上升狀態，該處的層高超過了2.5 m，需要選用流量特性較大的水霧噴嘴，以滿足分均流量的要求。根據水霧噴嘴資料及噴嘴覆蓋范圍，選擇流量特性系數為22，霧化角度分別為90°與120°兩種型號的水霧噴嘴。布置形式及傾斜角度與分區2相同。

同理，噴嘴的安裝位置與分區2相似，利用舷側及立柱與升降式甲板之間的間隙布置。值得注意的是，噴嘴的安裝高度需略低于升降式甲板上升后的底部，以保證覆蓋效果。最終布置及覆蓋范圍見圖5。

每只噴嘴的額定流量為41 L /min，則分區的平均水量約為 5.1 L /（min·m2）。

圖5 分區3管網布置

4 操作流程

根據系統的設計，某區域失火情況下的操作流程如圖6所示。

圖6 壓力水霧滅火操作流程

其中升降式甲板狀態機火災發生的位置需要操作人員進行判斷，以免誤操作導致開啟錯誤的分區蝶閥，影響滅火效果。因此手動蝶閥的位置宜靠近活動滾裝區域所在甲板，方便確認火情。此外，在蝶閥操作區域應用醒目的指示牌，指導操作流程。

5 實驗驗證

根據實船現場驗證，該側向水霧噴淋系統的3個分區均能夠達到覆蓋及水量的要求。因選取的水霧泵壓力及流量均留有一定余量，其中壓力是根據到達船舶最高最遠處水霧噴嘴的阻力選取，而升降式甲板分區的水霧噴嘴高度及阻力均遠小于最遠處的噴嘴。因此實際該區的水霧噴嘴工作壓力大于設計壓力，覆蓋范圍及水量較理論值均有所增加，滅火的實際效果優于理論效果。本設計方案已申請相關實用新型專利并獲得授權。［8］

圖7 升降式甲板降下時的下層甲板水霧滅火效果

圖8 升降式甲板升起時的水霧滅火效果

6 結 語

經過理論論證和實船檢驗，對于升降式甲板，側向噴淋的壓力水霧消防是一種有效可行的固定式消防系統。在應用側向噴淋時，需要注意布置側向水霧噴嘴的方向、傾斜角度及間距等因素，保證每個分區均能被水霧均勻覆蓋，連接各噴嘴的水霧管網也需布置在不影響升降式甲板升降及車輛裝載的位置。

在側向水霧噴嘴布置方案確定后，應校核覆蓋區域及平均水量是否達到要求，以保證水霧消防效果達到設計預期。另外，該系統在防止誤操作上仍存在改進空間，如在水霧蝶閥操作位置增加升降式甲板狀態指示器與火災感應探頭，以增加邏輯判斷功能，更加方便地指示人員操作相應的閥，減少人員判斷的時間及誤判的情況，提高系統的可操作性。