基于CFD的艦船甲板火災消防安全評估

陳延偉，王雅文，胡洋，熊言義

(中國船舶重工集團有限公司第七一三研究所 鄭州市特種場所火災防護技術重點實驗室，鄭州 450015)

艦船甲板是停放武器裝備的重要場所，裝載了大量燃油，在艦船復雜載荷環(huán)境下發(fā)生火災概率較大。針對艦船甲板上最可能發(fā)生并且發(fā)生后火災危害性較大的油類火，甲板上布置了水成膜泡沫滅火設施。水成膜泡沫由于具有良好的流動及覆蓋等特性，可以通過快速降低油面溫度同時隔絕空氣來達到滅火的效果。了解艦船甲板典型油池火火災事故下投入水成膜泡沫的消防安全評估研究具有重大意義。艦船消防安全評估涉及艦船火災理論、消防安全技術和損管作業(yè)等方面。而艦船甲板風速較大，火災蔓延區(qū)域廣，損管人員在執(zhí)行消防作業(yè)時，滅火效能、消防作業(yè)安全范圍與設備安全距離是需要考慮的主要問題。為此基于CFD數(shù)值模擬技術，針對艦船甲板典型火災事故下的水成膜泡沫消防滅火場景建立數(shù)值模型，對有無環(huán)境風兩種工況下水成膜泡沫消防滅火效能、損管人員消防作業(yè)安全與設備安全三方面進行消防安全評估。

1 典型消防滅火場景數(shù)值模型

1.1 滅火模型

熱釋放速率()，是材料燃燒過程中在單位時間內(nèi)釋放的熱量，kW(kJ/s)。

(1)

FDS中引入了熄滅系數(shù)一值，它是用于計算噴滅火劑滅火降低的重要參數(shù)，首先引入衰減系數(shù)，噴滅火劑后的總熱釋放速率為

(2)

(3)

為了將熄滅系數(shù)應用于FDS模擬，Hamins和McGrattan改進為

(4)

(5)

Hamins等的實驗中所建議的_系數(shù)可以應用于復雜的燃料。

1.2 艦船甲板典型滅火場景建立

可燃物選擇航空煤油，火源面積為13 m。火源增長速率取超快速火模型，參考文獻[6]對燃油熱釋放速率的試驗數(shù)據(jù)，結(jié)合上述試驗艙內(nèi)真實點火試驗數(shù)據(jù)，仿真過程中航空煤油熱釋放速率設定如下。=394 s前，火源熱釋放速率以曲線形式增長，394 s后火源熱釋放速率穩(wěn)定在28.99 MW附近，火源熱釋放速率在394 s達到最大值。在艦船甲板面形成油池火后，投入水成膜泡沫消防滅火手段。滅火工況設置見表1。

表1 滅火工況設置

利用FDS軟件建立尺寸為252.3 m×45 m×12.8 m的艦艇甲板，在甲板右舷正方向上87 m和133 m位置處分別布置2個障礙物，油池火火源布置在=82 m、=27.5 m處，火災發(fā)生位置定義在=80 m處，火焰沿著軸正方向蔓延。除了甲板面以外均設置為開放邊界，見圖1。

圖1 艦船甲板火災三維幾何模型

水成膜泡沫滅火設施噴頭壓力為0.4 MPa，單個噴頭流量為10.1 m/h，保護半徑為3.5 m，單位面積噴淋強度為3.4 L/(min·m)。考慮最危險情況，火源在達到最大熱釋放速率后繼續(xù)燃燒60 s，再啟動滅火系統(tǒng)。另外，距離火源較遠的噴頭對火源燃燒影響較小，因此，為降低計算成本，僅選取靠近火源的9個噴頭啟動，見圖2中方框所示。

圖2 艦船甲板水成膜泡沫噴頭布置示意

2 水成膜滅火系統(tǒng)滅火效能分析

艦船甲板為開放空間，煙氣不會在區(qū)域內(nèi)積聚，煙氣高度、能見度危險程度較小，故主要針對投入消防手段后的煙氣層溫度、滅火時間等特征參數(shù)進行滅火效能評估分析。

根據(jù)《建設工程性能化消防設計與評估導則》中的相關規(guī)定，把煙氣層以下空間內(nèi)溫度臨界標準判定值設定為60 ℃。人體在60 ℃對流熱環(huán)境中能夠承受一段時間，在這個溫度內(nèi)是疏散的最佳時間段。因此，一般將1.8 m高度的溫度達到60 ℃視為危險狀態(tài)。

2.1 無風條件下滅火效能評估分析

火災發(fā)展過程在經(jīng)歷火災初期、火災快速發(fā)展階段后在394 s時熱釋放速率達到最大，火焰最大溫度達到620 ℃，煙氣層溫度達到260 ℃左右。之后火災發(fā)展處于穩(wěn)定燃燒階段，在最大熱釋放速率處繼續(xù)燃燒60 s，即火災發(fā)展的454 s時刻，啟動水成膜泡沫滅火系統(tǒng)。無風條件下水成膜泡沫滅火場景在=190，394、690、746、和749 s時刻位于=26 m的剖面溫度分布見圖3。

圖3 無風條件下水成膜泡沫滅火不同時刻的溫度分布

由圖3可見，水成膜泡沫滅火系統(tǒng)啟動后，火源熱釋放速率降低，區(qū)域內(nèi)的溫度開始下降，滅火系統(tǒng)啟動后236 s(總時刻=690 s)，火源附近溫度降至120 ℃左右；在滅火系統(tǒng)啟動后292 s時(總時刻=746 s)，火焰被完全撲滅，隨后3 s內(nèi)火焰區(qū)溫度迅速降至常溫。說明水成膜泡沫滅火系統(tǒng)在無風情況下滿足艦船甲板上油類火滅火需求。

2.2 有風條件下滅火效能評估分析

發(fā)生火災后，火源附近溫度開始上升，190 s時煙氣層溫度約為170 ℃。經(jīng)歷火災初期階段、火災快速發(fā)展階段后，394 s時刻熱釋放速率達到最大，煙氣層溫度為250 ℃左右，火焰最大溫度達到620 ℃。隨后在最大熱釋放速率處穩(wěn)定燃燒60 s，454 s時刻水成膜滅火系統(tǒng)啟動。有風條件下水成膜滅火場景在=190、394、690、746及749 s時=26 m的溫度分布見圖4。

圖4 有風條件下水成膜泡沫滅火不同時刻的溫度分布

由圖4可以看出，甲板有環(huán)境風時，火焰向下風向被拉長，并且前半截貼近地面，隨后火焰按一定角度斜向右上方蔓延，抬離地面。相比于無風狀態(tài)，火災形成的高溫區(qū)域在下風向有較大范圍的蔓延，環(huán)境風將極大增加油池火火災危險性，下風向高溫危險區(qū)域范圍大幅度增加。水成膜泡沫滅火系統(tǒng)啟動后，火源熱釋放速率降低，區(qū)域內(nèi)的溫度開始降低，滅火系統(tǒng)啟動后的236 s時刻(總時刻=690 s)，火源附近溫度降至120 ℃左右，在滅火系統(tǒng)啟動后326 s時(總時刻=780 s)，明火被撲滅，區(qū)域內(nèi)的溫度迅速降至常溫。說明水成膜滅火系統(tǒng)在有風情況下滿足艦船甲板上油類火災的滅火要求。

2.3 無風與有風情況下滅火效能對比

對于艦船甲板內(nèi)發(fā)生可能性較大的油類火，通過數(shù)值仿真對水成膜泡沫滅火系統(tǒng)開展消防評估分析。分析結(jié)果表明，對于大尺寸的油池火，使用水成膜泡沫滅火系統(tǒng)需要大約5 min左右撲滅。相較于無風情況，環(huán)境風條件下高溫危險區(qū)域下風向范圍大幅度增加，滅火時間也有所延長，艦船甲板各工況下的滅火時間見表2。

表2 艦船甲板火災場景滅火時間

3 損管人員消防作業(yè)安全評估

3.1 損管人員消防作業(yè)安全指標與判據(jù)

1)接觸指標——煙氣溫度。根據(jù)澳大利亞《生命安全標準》規(guī)定，穿防護服的損管人員一般可忍耐的煙氣溫度為：煙氣層高度距地面1.5 m以上空間的平均煙氣溫度不應超過150 ℃，因此選取煙氣溫度150 ℃作為安全判據(jù)。

2)非接觸指標——輻射熱通量。當損管人員處于煙氣之外時，如露天甲板火災、艙室火災的冷空氣區(qū)，對損管人員造成傷害的主要是熱輻射，強烈的熱輻射會造成一定程度上的人員傷亡及財產(chǎn)損失等，人員和設備遭受的損害程度取決于其所接受的熱輻射和暴露時間。當以輻射熱通量為指標時，人體接受的熱通量超過4 kW/m時開始受到損傷，因此選取輻射熱通量4 kW/m作為損管人員消防作業(yè)安全判據(jù)。

綜上所述，當損管人員進入熱煙氣區(qū)之中時采用接觸指標，即煙氣溫度作為安全指標；當損管人員進入熱煙氣區(qū)以外時采用非接觸指標，即輻射熱通量作為安全指標。相關指標及判據(jù)見表3。

表3 損管人員作業(yè)安全指標及判據(jù)

根據(jù)輻射熱損失公式，可計算得到人員損傷的危險區(qū)域半徑。

(6)

3.2 無風條件下?lián)p管人員消防作業(yè)安全評估

無風條件下煙氣溫度與輻射熱通量危害區(qū)域呈圓形，見圖5。

圖5 無風條件下煙氣溫度與輻射熱通量危害區(qū)域

1)接觸指標。火災發(fā)生過程中，當1.5 m以上空間的區(qū)域平均溫度達到150 ℃時，開始對損管人員造成傷害，當熱釋放速率達到最大時(總時刻=394 s)，煙氣溫度危險區(qū)域面積最大，此時危險區(qū)域最大直徑約為4 m。

2)非接觸指標。根據(jù)火焰點源輻射模型，可根據(jù)最大輻射熱損失計算輻射危險區(qū)域半徑。該火源的輻射熱損失隨時間的變化見圖6，最大輻射熱損失為4 129 kW，根據(jù)式(6)，計算得到危險區(qū)域半徑應為=9.1 m。

圖6 艦船甲板水成膜泡沫滅火場景輻射總熱損時間分布

綜上所述，損管人員在距離火源中心9.1 m外可以開展損管作業(yè)。

3.3 有風條件下?lián)p管人員消防作業(yè)安全評估

有風條件下煙氣溫度與輻射熱通量危害區(qū)域約呈長條形，見圖7。

圖7 有風條件下煙氣溫度與輻射熱通量危害區(qū)域

1)接觸指標。火災發(fā)生過程中，當1.5 m以上空間的區(qū)域平均溫度達到150 ℃時，開始對損管人員造成傷害，當熱釋放速率達到最大時(總時刻=394 s)，煙氣溫度危險區(qū)域面積最大，此時危險區(qū)域主要位于火源下風向，危險區(qū)域最長約為15 m，寬約為4.7 m。

2)非接觸指標。在454 s時刻，火源以最大熱釋放速率穩(wěn)定燃燒了60 s，此時輻射熱危險區(qū)域最大，超過4 kW/m臨界值的危險區(qū)域達到最大，危險區(qū)域最長約為20 m，寬約為7 m。

綜上所述，損管人員應在火源上風向開展安全損管工作，若處于火源下風向，則與火源中心的距離應保持在20 m以上。

3.4 兩種方式下消防作業(yè)安全半徑對比

通過對艦船甲板各火災工況下1.8 m高處的溫度以及表面輻射熱通量的分析，對損管人員危害較大的因素為火焰熱輻射，對于火源熱釋放速率較大的油池火，在無風條件下?lián)p管人員作業(yè)熱輻射危險半徑大于9 m；在有風條件下，損管人員作業(yè)危險區(qū)域主要集中在火源下風向，危險區(qū)域最大長度達到20 m。艦船甲板各工況下?lián)p管人員危險區(qū)域半徑見表4。

表4 艦船甲板損管人員作業(yè)危險區(qū)域半徑

4 艦船甲板設備消防安全評估

4.1 艦船設備安全指標與判據(jù)

火災中電子設備相對其他設備來說更容易損壞，因此選用電子設備的安全指標作為設備的安全指標。根據(jù)《美國能源部消防手冊》，火災對電子設備影響最大的是熱損傷，也是設備安全考慮的主要因素。當設備處于熱煙氣中，采用接觸指標，即煙氣溫度作為安全指標；當設備處于熱煙氣區(qū)以外時采用非接觸指標，即輻射熱通量作為安全指標。

1)接觸指標——煙氣溫度。當電子設備處于熱煙氣中時，煙氣的高溫會對設備造成熱損傷，電子設備熱損傷判據(jù)見表5。電子設備永久損傷將對艦船任務能力造成嚴重影響，因此選用150 ℃作為電子設備的安全判據(jù)。這一判據(jù)已在美軍艦艇消防安全評估得到了應用。

表5 電子設備熱損傷判據(jù)

2)非接觸指標——輻射熱通量。設備處于煙氣之外時，如露天甲板、艙室的冷空氣區(qū)，對設備造成損害的主要是輻射熱。以輻射熱通量為指標，設備接受的熱通量超過10 kW/m時開始受到損傷，因此選取輻射熱通量10 kW/m作為艦船設備安全判據(jù)。

綜上所述，當設備處于熱煙氣區(qū)之中時采用接觸指標，即煙氣溫度作為安全指標；當設備處于熱煙氣區(qū)以外時采用非接觸指標，即輻射熱通量作為安全指標。相關指標及判據(jù)見表6。

表6 設備安全指標及判據(jù)

根據(jù)輻射熱損失公式，可計算得到火災中設備損傷的危險區(qū)域半徑：

(7)

4.2 無風條件下艦船甲板設備安全評估

1)接觸指標。火災發(fā)生過程中，當物體溫度達到150 ℃時，開始損傷設備，當熱釋放速率達到最大時(總時刻=394 s)，煙氣溫度危險區(qū)域面積最大，此時危險區(qū)域最大直徑約為4.9 m。

2)非接觸指標。根據(jù)火焰點源輻射模型，可根據(jù)最大輻射熱損失計算輻射危險區(qū)域半徑。根據(jù)圖6，由該火源的輻射熱損失隨時間的變化得到最大輻射熱損失為4 129 kW，根據(jù)式(7)計算得到危險區(qū)域半徑應為=5.7 m。

綜上所述，該區(qū)域內(nèi)的設備應放置在危險區(qū)域半徑5.7 m以外的位置較為安全。

4.3 有風條件下艦船甲板設備安全評估

1)接觸指標。火災發(fā)生過程中，當物體溫度達到150 ℃時，開始對設備造成損傷，當熱釋放速率達到最大時(=394 s)，煙氣溫度危險區(qū)域面積最大，此時危險區(qū)域主要為火源下風向，長約為14.8 m，寬約為4.9 m。

2)非接觸指標。在454 s時，火源以最大熱釋放速率穩(wěn)定燃燒了60 s，此時熱輻射危險區(qū)域最大，超過10 kW/m臨界值的危險區(qū)域面積達到最大，長約為17 m，寬約為5.6 m。因此該區(qū)域內(nèi)的設備應放置在危險區(qū)域17 m以外的位置較為安全。

4.4 無風條件與有風條件下設備安全評估對比

分析艦船甲板各火災工況下固體表面溫度以及輻射熱通量，對設備危害較大的因素同樣為火焰熱輻射。對于火源熱釋放速率較大的油池火，設備熱輻射危險半徑約為6 m；在有風條件下，設備危險區(qū)域主要集中在火源下風向，危險區(qū)域最大長度達到17 m。艦船甲板各工況下設備危險區(qū)域半徑見表7。

表7 艦船甲板設備危險區(qū)域半徑

5 結(jié)論

1)對于艦船甲板上最可能發(fā)生并且發(fā)生后危害性較大的油類火災，水成膜泡沫滅火設施可以有效的將火災撲滅，分析發(fā)現(xiàn)環(huán)境風會一定程度上增加水成膜泡沫的滅火時間。

2)艦船甲板上火災向四周的熱輻射對損管人員和設備的危害較大，無風條件下煙氣溫度與輻射熱通量的危害區(qū)域呈圓形，當存在環(huán)境風時，危害區(qū)域主要出現(xiàn)在火源下風向約呈長條形。

3)相較于無風情況，環(huán)境風條件下火源下風向的危險范圍大大增加，正常海況下甲板風速較大，建議損管人員選擇上風向的滅火位置。同時考慮到甲板油類火災的流淌性給滅火帶來不利影響，建議增設移動式的擋油設施或器材，限制油料的蔓延。

4)艦船甲板上火災對損管人員及設備的傷害主要通過熱輻射，建議損管人員做好熱輻射防護，對火源周圍設備進行降溫防護，或配備移動式的隔熱器材對關鍵設備進行隔熱防護，避免火災對設備造成永久性的損傷。