李明宸,董文洪,趙元立
(海軍航空工程學(xué)院 a.研究生管理大隊(duì);b.指揮系,山東 煙臺(tái) 264001)
火災(zāi)是危害艦艇安全的一項(xiàng)重大隱患,相當(dāng)多的事例已經(jīng)說(shuō)明我們需要對(duì)艦艇火災(zāi)的危險(xiǎn)性有清醒的認(rèn)識(shí),才能在意外發(fā)生后做出及時(shí)正確的處置。國(guó)內(nèi)外就火災(zāi)危險(xiǎn)性的研究已經(jīng)達(dá)到了一定高度,取得了相當(dāng)?shù)某晒?,但研究多集中在?duì)陸地建筑火災(zāi)的評(píng)估上,針對(duì)艦艇火災(zāi)的危險(xiǎn)性評(píng)估由于先前認(rèn)識(shí)不足,加之研究試驗(yàn)成本過(guò)高等原因并沒(méi)有大面積的開(kāi)展,直到上個(gè)世紀(jì)80年代英國(guó)最先進(jìn)的“謝菲爾德”號(hào)驅(qū)逐艦因火勢(shì)蔓延而沉沒(méi),這一事件使得各國(guó)意識(shí)到開(kāi)展對(duì)艦艇火災(zāi)危險(xiǎn)性評(píng)估的重要性。
經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展,國(guó)際上目前已經(jīng)形成了幾類常用的艦艇火災(zāi)危險(xiǎn)性評(píng)估方法:安全表法、火災(zāi)模化法和綜合評(píng)估法等。國(guó)內(nèi)的研究起步較晚還沒(méi)有形成完整的艦艇火災(zāi)危險(xiǎn)性評(píng)估體系,對(duì)艦艇火災(zāi)模型的研究主要是在成熟的建筑物火災(zāi)模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)完善,尚存在許多問(wèn)題有待進(jìn)一步的研究[1]。本文所用到的艦艇火災(zāi)階段危險(xiǎn)性評(píng)估模型就是這樣一種建筑火災(zāi)模型在艦艇環(huán)境下的改良應(yīng)用。會(huì)議室是艦艇生活艙室中布局最典型的一類,所以本文以某型艦艇會(huì)議室火災(zāi)為例,用以說(shuō)明火災(zāi)階段危險(xiǎn)性評(píng)估模型的適用性。
對(duì)火災(zāi)危險(xiǎn)性進(jìn)行階段評(píng)估,可以明確具體艙室在發(fā)生火災(zāi)后不同階段的燃燒和損失情況,同時(shí)也為消防方案預(yù)案的制定提供相應(yīng)的依據(jù),為平時(shí)的消防安全管理工作提供參照。
艦艇火災(zāi)從發(fā)生、發(fā)展、蔓延的角度講可以被劃分為6個(gè)階段:
階段1是指從著火到能夠被艦艇內(nèi)人員使用滅火器撲滅的階段。
階段2是指艦員使用滅火器撲救失敗,導(dǎo)致火勢(shì)繼續(xù)發(fā)展的階段。
階段3是指艦員使用消防栓滅火失敗,火災(zāi)沒(méi)有得到遏制而繼續(xù)發(fā)展到轟燃的階段。
階段4是指轟燃后起火艙室內(nèi)所有可燃物都開(kāi)始燃燒,由于起火艙室分隔墻和防火門的作用使得火被限制在起火艙室內(nèi)的階段。
階段5是指火災(zāi)持續(xù)時(shí)間超過(guò)分隔墻或防火門的耐火時(shí)間,導(dǎo)致火災(zāi)蔓延至相鄰艙室的階段。
階段6是指火勢(shì)已經(jīng)蔓延至起火艙室所在的整個(gè)防火分區(qū)。
1.2.1 階段1的臨界時(shí)間
由于到達(dá)轟燃之前火災(zāi)的熱釋放速率是隨時(shí)間呈指數(shù)型增長(zhǎng)的,即:
根據(jù)有關(guān)研究[2]認(rèn)為,在火源的熱釋放速率沒(méi)有超過(guò)950 kW的時(shí)候,火災(zāi)可以被滅火器撲滅,此時(shí)就是階段1的臨界時(shí)間:
式中,火災(zāi)成長(zhǎng)因子:
其中:fα為可燃物載荷密度影響因素;mα為內(nèi)墻面裝修材料可燃等級(jí)因素。
如果熱釋放速率達(dá)到950 kW的時(shí)間長(zhǎng)于煙氣層高度下降到對(duì)人體構(gòu)成危險(xiǎn)的時(shí)間,則臨界時(shí)間應(yīng)取小者:
1.2.2 階段2的臨界時(shí)間
煙氣層溫度為:
式中:Z為煙氣羽流離地面高度;Z0為火源的高度;Ta為Z 高度處周圍空氣的絕對(duì)溫度;ρa(bǔ)為Z 高度處空氣密度;Cp為Z 處的空氣比熱;Qc為火源總熱釋放速率Q的對(duì)流部分,Qc=0.7Q;C5為常數(shù)等于9.1。
煙氣層高度方程為:
式中:wA為艙室開(kāi)口面積。
階段2的臨界時(shí)間指火災(zāi)環(huán)境達(dá)到可對(duì)艙室內(nèi)人員造成嚴(yán)重傷害的臨界危險(xiǎn)狀態(tài)時(shí)間。
1.2.3 階段3的臨界時(shí)間
影響轟燃的因素主要有房間的面積、房間通風(fēng)等,一般認(rèn)為煙氣層溫度達(dá)到600℃是發(fā)生轟燃的臨界溫度[3-4],艙室轟燃的臨界熱釋放速率可表達(dá)為:
式中:TA為著火艙室總面積;Hw為開(kāi)口高度。
將式(1)與式(9)聯(lián)立就可得出階段3的臨界時(shí)間Tph3。
1.2.4 階段4的臨界時(shí)間
一般選取隔墻或門的極限耐火時(shí)間作為這一階段的臨界時(shí)間Tph4。可以通過(guò)比較火災(zāi)持續(xù)時(shí)間 tdur與Tph4的大小來(lái)確定火災(zāi)是否會(huì)發(fā)展到下一階段。
當(dāng)tdur>Tph4時(shí)火勢(shì)會(huì)蔓延到臨近的艙室,此時(shí)的火災(zāi)發(fā)展將進(jìn)入到階段5。
1.2.5 階段5、6的臨界時(shí)間
階段5的臨界時(shí)間是指火勢(shì)已經(jīng)蔓延出起火艙室并引燃四周相鄰艙室所用時(shí),此時(shí)可以認(rèn)為分區(qū)內(nèi)火勢(shì)已經(jīng)失控,人員需要撤離出防火分區(qū),并封閉分區(qū)施放滅火劑。
階段6的臨界時(shí)間是指火災(zāi)使整個(gè)分區(qū)轟燃的時(shí)間。
火災(zāi)對(duì)艦艇的損害能夠直接的通過(guò)燒毀面積表示,下式就是火災(zāi)發(fā)展各個(gè)階段燒毀面積的表達(dá)式:
現(xiàn)以某艦會(huì)議室為例進(jìn)行火災(zāi)階段危險(xiǎn)性評(píng)估。由于階段5、6過(guò)程相當(dāng)復(fù)雜,這里只就階段1~4 進(jìn)行評(píng)估計(jì)算。
會(huì)議室長(zhǎng)7.0 m,寬4.2 m,高2.8 m,面積29.4 m2,房間內(nèi)物品數(shù)量和單位熱值見(jiàn)表1:
表1 會(huì)議室物品及其單位熱值表
另外艙室有鑲嵌玻璃的鋁合金對(duì)開(kāi)門(并非防火門),高為1.8 m、寬為1.2 m;3 扇舷窗,每扇面積0.9 m2;且室內(nèi)沒(méi)有安裝火警報(bào)警系統(tǒng)和消防滅火系統(tǒng)。
由式(6)得火災(zāi)載荷密度 q=506.46 MJ/m2,αf=0.083 66 kW/s2,取墻面裝修材料等級(jí)為A級(jí)[2],則α=0.087 16 kW/s2,屬于快速型火災(zāi)[5]。將式(1)與式(10)聯(lián)立,參數(shù)取 AT=121.52 m2,Aw=2.43 m2,Hw=1.8 m。得熱釋放速率隨時(shí)間變化:
上式中取λ=0.089 58,t降=156 s,熱釋放速率隨時(shí)間的變化曲線如圖1所示。
圖1 會(huì)議室火災(zāi)熱釋放速率曲線
階段1時(shí):t950=104.4 s。
階段2時(shí):將式(1)和式(7)聯(lián)立,且取aT=294 K,g=9.8 m/s2,aρ=1.161 4 kg/m3,Cp=1.007 kJ/kgK,Z=2.8 m,Z0=0.5 m,得煙氣層溫度隨時(shí)間變化:
煙氣層溫度隨時(shí)間變化曲線如圖2所示。
圖2 會(huì)議室火災(zāi)煙氣溫度曲線
由相關(guān)規(guī)定可知,機(jī)械通風(fēng)在此種艦艇上是被禁止的,所以式(8)中Ve項(xiàng)為0,且可以近似將ρs值取為aρ,得煙氣層高度隨時(shí)間變化:
煙氣層高度隨時(shí)間變化曲線如圖3所示。
當(dāng)煙氣層降低到人眼的危險(xiǎn)高度Z=1.5 m時(shí),用時(shí) theight=12.33 s。顯然,theight<t950,則Tph1=theight=12.33 s,那么Tph2=t950=104.4 s,且Tph3=158.157 s。
艙室內(nèi)大部分可燃物為木材、纖維板、膠合板,其單位熱值為17~20 MJ/kg,取平均值18.5 MJ/kg可得火災(zāi)載荷 qf=27.376 kg/m2,那么 tdur=44.7 min。由于會(huì)議室的門是嵌有玻璃的,玻璃在房間發(fā)生快速火災(zāi)轟燃30~60 s后會(huì)破裂[5],這里,T耐火=60 s。則Tph4=Tph3+T耐火=2 18.157 s<tdur,階段4后期高溫?zé)煔鈱?huì)通過(guò)破碎的門玻璃使火勢(shì)蔓延出艙室。
圖3 會(huì)議室火災(zāi)煙氣層高度曲線
根據(jù)上面計(jì)算結(jié)果,Tph4時(shí)火災(zāi)蔓延出艙室,燒毀面積就是艙室面積 29.4 m2,由式(12)得ν=0.014 m/s,從而可得各階段臨界時(shí)間和預(yù)計(jì)燒毀面積的表格和曲線形式如表2、圖4所示:
表2 臨界時(shí)間和燒毀面積
圖4 會(huì)議室火災(zāi)預(yù)計(jì)燒毀面積曲線
上述計(jì)算作為危險(xiǎn)性評(píng)估的一個(gè)部分提供了火災(zāi)發(fā)展的可能狀態(tài),評(píng)估工作更為重要的部分則是針對(duì)可能出現(xiàn)的狀態(tài)給出用以降低危險(xiǎn)的相應(yīng)解決辦法,從而為以后艦艇的消防安全管理工作提供根據(jù)和指導(dǎo)。
式(1)中的t0是指火在有效燃燒之前的時(shí)間,也即火警系統(tǒng)的報(bào)警時(shí)間,經(jīng)統(tǒng)計(jì)認(rèn)為此時(shí)間在60 s左右[2]。然而這一會(huì)議室并沒(méi)有安裝火警報(bào)警系統(tǒng),火警警報(bào)只能由艦員發(fā)出,而艦員發(fā)現(xiàn)火情的時(shí)間又不定,在對(duì)該艦火災(zāi)響應(yīng)時(shí)間作規(guī)定時(shí)應(yīng)該以有火警系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間而定,即損管隊(duì)員應(yīng)該在響應(yīng)時(shí)間 ta≈t0+t950=164.4 s=2.74 min(這里取整數(shù)),也就是ta=2 min 之前攜裝趕往起火艙室滅火。
本案中會(huì)議室沒(méi)有消防滅火系統(tǒng),導(dǎo)致在火災(zāi)階段3中不能夠通過(guò)滅火系統(tǒng)將火勢(shì)控制住甚至熄滅。因此早在聽(tīng)到火警報(bào)警之初,就應(yīng)該有艦員分別備便消防泵和水龍帶,在火災(zāi)階段1 用滅火器救火不奏效后馬上換用水龍帶滅火,而不應(yīng)該再死板地照搬程序步驟,以爭(zhēng)取在火災(zāi)發(fā)展到階段2的臨界時(shí)間 t950之前控制住火勢(shì)。
而如果會(huì)議室預(yù)裝有滅火系統(tǒng),比如裝有噴淋系統(tǒng)時(shí)火災(zāi)的熱釋放速率將會(huì)以另外一種形式呈現(xiàn)。根據(jù)NIST給出的一個(gè)計(jì)算具有自動(dòng)水噴淋系統(tǒng)的單室內(nèi)火災(zāi)熱釋放速率的方法:
在水噴淋強(qiáng)度w′=8 L/min?m2=0.133 mm/s,系統(tǒng)動(dòng)作時(shí)間為tact=120 s的熱釋放速率曲線如下圖粗虛線部分,可見(jiàn)滅火系統(tǒng)對(duì)發(fā)展到轟燃之前的火災(zāi)有顯著的抑制作用,如圖5粗虛線部分所示。
圖5 噴淋作用下的火災(zāi)熱釋放速率曲線
火災(zāi)發(fā)展到轟燃之后由于Tph4<tdur火災(zāi)會(huì)在燒毀室門后蔓延到通道。根據(jù)文獻(xiàn)[6]火災(zāi)已蔓延至臨艙的判據(jù)為:
1)起火艙室煙氣層的最高溫度 θmax≥480℃;
2)鄰艙煙氣層的最高溫度tθ ≥220℃。
可以認(rèn)為如果不采取措施,在艙室火災(zāi)達(dá)到轟燃之前,火勢(shì)就已經(jīng)通過(guò)高溫隔墻的輻射作用蔓延至臨艙了。所以在滅火過(guò)程中要及時(shí)對(duì)相鄰艙室的墻壁進(jìn)行冷卻以減少火災(zāi)蔓延的可能。
情況1:在其他艙室門都關(guān)閉的情況下,也就是無(wú)人冷卻臨艙,高溫會(huì)通過(guò)艙壁在Tph4之前就將臨艙引燃。
情況2:在有人冷卻臨艙的情況下,臨艙防火門將打開(kāi),高溫?zé)煔鈺?huì)通過(guò)通道進(jìn)入臨艙,由火災(zāi)蔓延的判據(jù)此時(shí)的Tcp=862.614℃將使tθ ≥220℃,也會(huì)使臨艙著火。
情況3:在人員努力地為臨近艙室甲板降溫后,起火室通道對(duì)面的艙室由于通道頂棚的燃燒即便有防火門的情況下仍然會(huì)通過(guò)鋼制隔墻導(dǎo)入大量的熱,使其室內(nèi)溫度逐漸大于著火的臨界條件,最終室內(nèi)可燃物也將被引燃。
通過(guò)以上情況的分析,我們了解到,一旦會(huì)議室著火如果火勢(shì)不能夠在Tph2=t950=104.4 s 之前得到有效控制,那么火災(zāi)一定會(huì)通過(guò)轟燃過(guò)程得以蔓延,并進(jìn)而發(fā)展成為能夠燒毀整個(gè)防火分區(qū)危害全艦安全的大火[7]。
1)要求會(huì)議室火警響應(yīng)時(shí)間短。要求艦艇的火警響應(yīng)時(shí)間 ta足夠短,經(jīng)上述分析要求 ta≤2 min。
2)會(huì)議室也應(yīng)該裝有火警監(jiān)控系統(tǒng)。建議安裝紅外成像報(bào)警器或其他非煙感報(bào)警器以提高火災(zāi)撲救的成功率。
3)會(huì)議室應(yīng)該裝有滅火系統(tǒng)。若能及時(shí)封艙并啟動(dòng)滅火系統(tǒng),火勢(shì)將會(huì)得以控制甚至是能夠熄滅。
4)艦艇的艙室門都應(yīng)該使用防火門。在冷卻工作做得足夠好的情況下,墻壁和門的耐火性就決定了火災(zāi)是否會(huì)發(fā)展蔓延到其他艙室,0.9 h的耐火時(shí)間也能夠使火災(zāi)限制在本艙室而不向外蔓延。[8]
5)人員應(yīng)該加強(qiáng)針對(duì)性的消防演練訓(xùn)練。演練要有針對(duì)性,對(duì)于會(huì)議室的快速型火災(zāi)要注重滅火效果。
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