鋼結構艙室熱防護措施有效性大尺寸試驗和仿真研究

石邦凱　陳慧璽　姚圣姿　王書恒　吳明晨　周馳

摘要：本研究通過大尺寸試驗和FDS數值仿真模擬，探究了在不同火源類型下典型船舶鋼結構艙室內溫度變化情況，并對鋼結構艙室熱防護措施有效性進行驗證。研究采用噴射火、流淌火兩種火源類型，使用8 mm纖維碳酸鈣板作為隔熱防護材料。結果表明，FDS數值仿真結果與大尺寸試驗結果基本吻合，在流淌火條件下纖維硅酸鈣板的隔熱防護效果表現良好，而在噴射火條件下纖維碳酸鈣板的隔熱防護效果不佳。同時，鋼結構艙室上壁即火焰正上方處溫度最高，接近900℃，熱危害性更強。因此，在真實場景中，應優先考慮在鋼結構艙室上方安裝防火板進行隔熱處理。

關鍵詞：船舶火災；典型艙室；纖維硅酸鈣板；熱防護技術措施；數值模擬

引言

隨著我國船舶行業快速發展，船舶艙室結構日益復雜，機械、電子設備種類增加，使船舶火災隱患也更加復雜。由于具有受限空間特征和更高可燃物密度，船舶火災發生的可能性很高[1]。同時，在航行時，船舶火災更多只能依靠自救，難以依靠外部救援[2]。因此，除了提高滅火救援之外，探究有效熱防護技術措施對保障船舶安全有重要意義。

張茜[3]構建了多組火災場景，運用FDS進行仿真，發現GA-SVM方法具有良好的泛化能力和預測效果。袁敏杰[4]以艙室甲板為研究對象進行火災-熱-結構耦合分析，發現在真實火災作用下，甲板與整個艙室都存在明顯溫度梯度。郝軍凱[5]采用大渦模擬方法，研究了密閉艙室0.64m2流淌火作用下結構熱力響應和剩余極限強度。張晨[6]運用FDS軟件對船舶艙室火災煙氣流動規律和危險參數的變化情況進行了探究。White等[7]建立了船舶艙室轟燃后向相鄰艙室的傳熱模型。通過試驗測量了高溫壁面溫度，計算得到的冷艙室氣溫和壁面溫度與試驗值符合較好。Jansson[8]等人，在邊長為6m的立方體，頂部有開口的封閉空間進行了火災試驗，發現封閉空間頂部開口的大小會影響到煙氣的溫度的變化，開口增大會導致空間內火災荷載增加，破壞性會更大。張佳慶等[9]對封閉艙室的火災特性進行了試驗研究，但研究的對象是小尺寸艙室模型。

目前，針對船舶火災研究的大尺寸試驗成果較少。本文針對典型船舶鋼結構艙室，基于實際燃燒空間尺寸、多種火源及硅酸鈣板隔熱防護措施，進行了大尺寸船舶鋼結構艙室火災試驗和數值模擬研究，并對鋼結構艙室的熱防護措施有效性進行驗證分析。本研究可為船舶安全防護設計提供一些科學指導。

一、試驗設計

（一）火災場景設計

在船舶結構中，艙室內設備較多，對船舶整體功能影響較大。由于人員流動量較大，其發生火災后產生的后果也更為嚴重。本次試驗火災場景選擇船舶鋼結構艙室作為最不利火災場景，艙室模型長21m，寬13m，高8m?？紤]到船舶使用燃油類型及潛在的泄漏方式，試驗火源采用流淌柴油火和噴射柴油火。參照《建筑鋼結構防火技術規范》要求，試驗選用纖維硅酸鈣板模擬鋼結構艙室的隔熱措施（性能參數如表1所示），纖維硅酸鈣板做防火板時厚度在5～20mm[10]。考慮到防火板固定搬運等因素，本試驗中使用8mm防火板。

（二）試驗系統與工況

流淌火試驗平臺如圖1所示，有效流淌平面尺寸為5m（長）×0.8m（寬），左右兩側預留供油孔和溢油孔。試驗中采用蠕動泵連接供油孔供給燃料，通過改變蠕動泵的轉速實現燃料在玻璃平面上均勻流淌蔓延。噴射火試驗平臺如圖2所示，尺寸為3m（長）×0.5m（寬）×0.3m（高）。為了控制整流效果，采用整流過濾網，噴口的壓力設定為0.07MPa。試驗中主要測量鋼結構艙室火災中防火板隔熱性能（用貼片熱電偶測量隔熱材料兩側溫度）、艙室火災溫度場（K型熱電偶測量）。

在鋼結構艙室內火源上方頂部鋪設增強05m×05m的纖維硅酸鈣板防火板，如圖3所示，用于模擬隔熱措施。頂部的防火板表面及背面共各鋪設1片貼片熱電偶，用于監測隔熱材料內外表面的溫度，驗證防火材料的隔熱性能。在火源上方、頂棚短邊、頂棚長邊、艙室門前側和艙室離火源最遠處角落共布置5串K型熱電偶，用于測量艙室內發生火災后的火焰區、艙室頂棚和艙室不同高度位置的煙氣溫度，如圖4所示。在火源左側布設相機，用于記錄火災發展過程。

（三）試驗工況

在大尺寸試驗中，考慮兩種類型火源（柴油流淌火和柴油噴射火）、兩種防火板設置場景（無防火板和8mm防火板），共設計以下4種典型工況。

二、試驗結果與分析

（一）防火板隔熱效果分析

通過對比防火板迎火面和背火面貼片熱電偶數據，對纖維硅酸鈣板防火板的隔熱效果進行分析。圖5和圖6分別給出了柴油流淌火場景和柴油射流火場景下艙室頂部防火板迎火面和背火面溫度變化情況。

從圖5和圖6可以看出，在柴油流淌火場景中（工況2），防火板迎火面最高溫度達到75℃，經過8mm厚防火板的阻隔，其背火面最高溫度為38℃。而在在柴油噴射火場景中（工況4），防火板迎火面最高溫度達到160℃，經過8mm厚防火板的阻隔后，其背火面最高溫度仍然可以達到76℃。對比分析可以發現，8mm厚度的纖維硅酸鈣板防火板可有效阻隔船舶鋼結構艙室內柴油流淌火的熱危害，但對于柴油噴射火的熱防護效果則相對有限。

（二）艙室內部溫度變化特征

圖7和圖8分別給出了柴油流淌火和射流火場景下船舶鋼結構艙室內部典型位置處的溫度分布情況。

從圖7和圖8可以看出，在柴油流淌火和柴油噴射火場景下，艙內溫度隨火災持續時間的增加，呈現出先增大后減小的變化趨勢。在柴油噴射火場景中，艙室內高溫分布范圍相對更大，熱危害性更為強烈。在艙室發生柴油流淌火場景中，由火源上方R1列溫度數據可知，火焰垂直方向最高溫度可達130℃。通過頂棚短邊R2、頂棚長邊R3列溫度數據可知，頂棚處煙氣溫度在80-150℃范圍內。艙室門前側R5列熱電偶處最高溫度也不超過35℃。而當船舶艙室發生柴油噴射火時，火焰垂直方向最高溫度將近900℃，頂棚處煙氣溫度在200-330℃范圍內，艙室門前側R5串熱電偶處最高溫度不超過60℃。整體而言，噴射火場景的火災危險性大于流淌火場景。

三、仿真驗算

為了能夠與大尺寸試驗結果進行對比，采用FDS軟件對船舶鋼結構艙室火災場景進行仿真。艙室尺寸設置為21m×13m×8m。火源選擇8m×0.25m油池，燃料為柴油。參考前人研究[11]，3.84m2的柴油油池火熱釋放速率為7500kW，本次仿真設置油池面積為4m2，初步設定熱釋放速率為8000kW，油池單位面積熱釋放率2000kW。

通過FDS用戶手冊推薦的方法進行網格獨立性檢驗，網格尺寸d取在1/16D*和1/4D*之間的仿真結果更加準確[19]，D*表達式為：

（1）

式中：D*——火源特征直徑（m）；Q——熱釋放速率（kW）；T∞——環境溫度（K），此處取T∞

=293K；ρ∞——環境溫度（K），此處取ρ∞=1.2kg/m3；cp——空氣的定壓熱容（K），此處取G=1.02kJ/（kg·K）；g——重力加速度（m/s2），此處取g=9.81m/s2。

根據網格獨立性測試結果，確定當前仿真過程使用的網格尺寸為0.25m。艙室模型如圖9所示。

四、仿真結果與分析

考慮到大尺寸試驗結果，艙室柴油流淌火場景中的火源燃燒效率更高，潛在的火災蔓延和放熱影響范圍更大，故采用流淌火試驗結果與仿真結果進行對比。圖10和圖11分別給出了仿真與大尺寸試驗柴油流淌火場景中典型位置（艙內中心豎直高度7.5m和6.0m處）的溫度數據。

根據圖10和圖11，分別對比艙內中心位置豎直高度7.5m、6.0m處，仿真與大尺寸試驗柴油流淌火工況溫度數據變化?？梢园l現，在艙內中心位置豎直高度7.5m處，仿真與大尺寸試驗結果的最高溫度比較接近，均達到320℃左右，而在艙內中心位置豎直高度6.0m位置處，火災溫度大約為300℃左右。因此，根據當前FDS仿真結果，可以在一定程度上驗證大尺寸試驗結果，仿真結果和試驗測量結果較為吻合。

結語

本研究通過現場大尺寸試驗和FDS數值模擬，探究了在不同火源類型下典型鋼結構艙室溫度變化情況，并對鋼結構艙室熱防護措施（8mm纖維硅酸鈣板）有效性進行驗證，主要結論如下：

采用8mm纖維硅酸鈣板可明顯降低流淌火和噴射火對鋼結構艙室的熱危害作用，并且對柴油流淌火的熱防護效果更佳（使艙室頂部鋼結構溫度不大于60℃），可有效避免艙室鋼壁受熱失效。在柴油噴射火和柴油流淌火條件下，艙室上壁即火焰正上方溫度最高，接近900℃。因此，在船舶鋼結構艙室熱防護設計中，應優先考慮在鋼結構艙室上方安裝防火板進行隔熱處理。通過與大尺寸試驗結果對比，當前針對船舶鋼結構艙室火災的FDS數值仿真具有較好預測精度。同時，也在一定程度上驗證了采用8mm纖維硅酸鈣板防火板熱防護措施的有效性。

參考文獻

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作者簡介：石邦凱（1988- ），男，漢族，河南固始人，碩士研究生，工程師，研究方向：特種防火防爆安全技術。

*通信作者：陳慧璽（1998- ），女，漢族，浙江寧波人，碩士研究生，研究方向：艙室熱防護；姚圣姿（1999- ），女，漢族，河南新鄉人，碩士研究生，研究方向：鋰電池熱失控。