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(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二六研究所，上海 201108)

艦艇消防安全是艦艇損管體系中的主要分支，無(wú)論平時(shí)還是戰(zhàn)時(shí)都對(duì)艦艇安全具有重要意義，為保障艦艇安全需要系統(tǒng)性地開(kāi)展艦艇的消防安全研究。艦艇的消防安全能力需要以對(duì)艦艇火災(zāi)研究為基礎(chǔ)，分析艦艇火災(zāi)所具有特殊規(guī)律，進(jìn)而進(jìn)行有針對(duì)性的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。同時(shí)，還應(yīng)當(dāng)注意借鑒實(shí)船事故，對(duì)事故進(jìn)行充分分析并研究合適的解決方案。以美國(guó)潛艇消防安全能力建設(shè)為例，其擁有專(zhuān)業(yè)的研究機(jī)構(gòu)(Naval Research Laboratory)進(jìn)行艦艇火災(zāi)動(dòng)力學(xué)和應(yīng)用技術(shù)的研究，同時(shí)還定期在內(nèi)部發(fā)行刊物(Factual Lines About Submarine Hazards)，對(duì)潛艇日常運(yùn)行中遇到的事故和風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析和總結(jié)，在理論和實(shí)踐上互為補(bǔ)充，有效地推動(dòng)了其消防安全能力的提升。

1 艦艇消防安全關(guān)鍵環(huán)節(jié)分析

對(duì)艦艇火災(zāi)發(fā)生規(guī)律的研究，既艦艇火災(zāi)動(dòng)力學(xué)研究，是開(kāi)展艦艇消防安全研究的基礎(chǔ)。國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)在該領(lǐng)域一直進(jìn)行著廣泛的研究并取得了大量成果[1-2]，研究發(fā)現(xiàn)艦艇火災(zāi)類(lèi)型復(fù)雜，規(guī)律特殊，后果也往往比較嚴(yán)重，一般來(lái)說(shuō)，艦艇火災(zāi)具有以下兩個(gè)明顯的特點(diǎn)。

1)火災(zāi)荷載大，風(fēng)險(xiǎn)高。艦艇內(nèi)機(jī)電設(shè)備密集(多為高溫、高壓、大電流、高轉(zhuǎn)速設(shè)備)，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間長(zhǎng)強(qiáng)度高，且存在多種易燃、易爆物(武器彈藥、燃油、液壓油、高壓空氣等)，布線和管路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，都導(dǎo)致發(fā)生火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)變大。

2)火災(zāi)發(fā)展快，蔓延迅速。由于艦艇艙室相對(duì)狹小封閉，著火艙內(nèi)熱量容易聚集，使得艙內(nèi)火蔓延速度很快，艦艇艙室的剛體結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致熱能的快速傳遞，同時(shí)，大量的線纜布置也會(huì)導(dǎo)致火情的快速蔓延，甚至隔艙蔓延。

同時(shí)隨著現(xiàn)代艦艇智能化的不斷提高，艦艇系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)也日趨復(fù)雜，各類(lèi)設(shè)施設(shè)備明顯增加，在提高了艦艇整體性能的同時(shí)，客觀上也增加了艦艇上發(fā)生機(jī)電火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)；又由于艦艇通常載有大量易燃易爆物品，如果在發(fā)生火災(zāi)時(shí)未能及時(shí)控制，很容易導(dǎo)致火勢(shì)的快速蔓延；并且考慮到艦艇上人員密集、穿梭通道相對(duì)狹窄，發(fā)生火情時(shí)，人員很難快速疏散，半封閉的艙室不利于火災(zāi)產(chǎn)生的濃煙和毒氣的排散，很可能傷害到艦艇人員的身體，甚至威脅他們的生命；加之，艦艇經(jīng)常遠(yuǎn)離口岸，一旦發(fā)生火災(zāi)，很難得到有效的外部支援，如果不能及時(shí)有效地發(fā)現(xiàn)和控制火情，往往會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的后果，甚至沉沒(méi)。

對(duì)于艦艇上一般的固體和液體可燃物，如艦艇內(nèi)裝飾、機(jī)械潤(rùn)滑油等，當(dāng)發(fā)生異?；蚬收蠒r(shí)，會(huì)形成熱量聚集、進(jìn)而導(dǎo)致可燃物分解、陰燃，產(chǎn)生明火，甚至到轟燃的過(guò)程，見(jiàn)圖1。

由圖1可見(jiàn)，艦艇火災(zāi)在故障異常階段及熱解階段的發(fā)展速度也比較緩慢，而一旦發(fā)展到陰燃階段，艦艇火災(zāi)就開(kāi)始迅速發(fā)展，規(guī)模與普通建筑火災(zāi)相比明顯增大，火勢(shì)更難以控制。因此，為了獲得最優(yōu)的消防安全保障，就需要在火災(zāi)發(fā)生的初始階段，既在異常故障或熱解階段就及時(shí)進(jìn)行有效的預(yù)警和報(bào)警，在發(fā)生損失前就消滅火險(xiǎn)?？梢?jiàn)，早期火災(zāi)預(yù)警和報(bào)警能力是提高艦艇消防安全的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

圖1 火災(zāi)發(fā)展過(guò)程比較

另外，對(duì)于艦艇上一些特殊的場(chǎng)所，如電池艙和輪機(jī)艙，其火災(zāi)形式表現(xiàn)為瞬間發(fā)生的明火或爆炸，普通探測(cè)和滅火設(shè)備基本沒(méi)有反應(yīng)時(shí)間，會(huì)對(duì)艦艇安全會(huì)造成極大的威脅。如2005年，某艇由于電池熔斷盤(pán)短路，瞬間引發(fā)明火，造成了嚴(yán)重的后果；1991年，某艇由于輸油總管破裂引起燃?xì)獗?，?dǎo)致了多名在艇人員受傷的嚴(yán)重后果。1989年，蘇聯(lián)潛艇“共青團(tuán)員”號(hào)由于電線短路瞬間產(chǎn)生明火，在短短9 min的時(shí)間里就對(duì)潛艇造成了重創(chuàng)，最終導(dǎo)致該艇失事[3]?？梢?jiàn)，對(duì)于這種艦艇火災(zāi)類(lèi)型，如何做到快速準(zhǔn)確的滅火聯(lián)動(dòng)控制，也是提高消防安全能力的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。

以上分析可見(jiàn)，為了有效控制艦艇火災(zāi)，需要重點(diǎn)關(guān)注艦艇火災(zāi)發(fā)生的初始階段，并采取有針對(duì)性的措施，對(duì)艦艇高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域采取早期異常預(yù)警、報(bào)警及快速滅火聯(lián)動(dòng)等防護(hù)措施。

2 紅外技術(shù)的應(yīng)用

紅外技術(shù)從上世紀(jì)中葉發(fā)展至今一直是個(gè)研究熱點(diǎn)，其中紅外光譜技術(shù)和紅外熱檢測(cè)技術(shù)近年來(lái)更是倍受關(guān)注，被廣泛應(yīng)用于化工、醫(yī)療、紅外成像及生命科學(xué)等領(lǐng)域。在艦艇環(huán)境中，合理地應(yīng)用紅外技術(shù)，可以幫助實(shí)現(xiàn)艦艇在火災(zāi)早期預(yù)警、報(bào)警和快速滅火聯(lián)動(dòng)等方面的需求，大幅度提高艦艇的消防安全能力。

2.1 基于FTIR的早期火災(zāi)探測(cè)

傅立葉變換紅外光譜技術(shù)(FTIR)，通過(guò)對(duì)寬譜紅外干涉光的傅立葉變換，可以快速獲得設(shè)定頻譜范圍內(nèi)的紅外光譜。光譜學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)物質(zhì)的分子轉(zhuǎn)動(dòng)-振動(dòng)運(yùn)動(dòng)的能級(jí)都位于中紅外波段，且由物質(zhì)固有的分子結(jié)構(gòu)所決定，這就使得幾乎所有的物質(zhì)(除H2、O2等對(duì)稱(chēng)雙原子結(jié)構(gòu)分子物質(zhì))都有其特征的紅外光譜。因此，在FTIR技術(shù)發(fā)展初期一般用于分析物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)特征[4]。近年來(lái)，通過(guò)與化學(xué)計(jì)量學(xué)先進(jìn)成果的結(jié)合，F(xiàn)TIR技術(shù)逐漸拓展到定量檢測(cè)方面的應(yīng)用，并可以實(shí)現(xiàn)氣體物質(zhì)的多組分在線監(jiān)測(cè)[5]。而任何燃燒過(guò)程實(shí)際就是可燃?xì)怏w的氧化反應(yīng)過(guò)程。根據(jù)火災(zāi)學(xué)研究，一般可燃物在發(fā)生異常的熱積聚后會(huì)進(jìn)行熱分解并釋放出火災(zāi)特征氣體，如可燃烷類(lèi)以及可燃油蒸氣等，而這些氣體產(chǎn)物正是建立燃燒的必要條件。這些火災(zāi)特征氣體就是火災(zāi)發(fā)生的重要特征，因此對(duì)火災(zāi)熱解氣體的監(jiān)測(cè)就成為實(shí)現(xiàn)艦艇火災(zāi)早期探測(cè)的有力判據(jù)和有效途徑。

此外，針對(duì)艦艇特殊環(huán)境要求，對(duì)艦艇火災(zāi)探測(cè)技術(shù)的設(shè)計(jì)，不僅要考慮功能的有效性，還要同時(shí)考慮三個(gè)重要的因素，即漏報(bào)率、誤報(bào)率以及適用性。對(duì)于早期探測(cè)設(shè)備，如果漏報(bào)就會(huì)導(dǎo)致消防系統(tǒng)錯(cuò)過(guò)最佳的報(bào)警時(shí)機(jī)而增加了控制火災(zāi)的難度，如果誤報(bào)將引發(fā)船上不必要的緊急狀態(tài)，而適用性決定了是否可以對(duì)艦艇的特殊艙室進(jìn)行有效保護(hù)。為了解決以上問(wèn)題，一般探測(cè)方式是通過(guò)提高靈敏度來(lái)降低漏報(bào)率，通過(guò)增加判據(jù)來(lái)優(yōu)化算法降低誤報(bào)率，通過(guò)防爆設(shè)計(jì)等措施來(lái)提高設(shè)備的適用性，但對(duì)三方面的要求很難得到整體的提高。以目前比較先進(jìn)的基于非色散(或激光)的吸氣式探測(cè)技術(shù)為例，該技術(shù)雖然在探測(cè)靈敏度上遠(yuǎn)優(yōu)于普通電化學(xué)探測(cè)方式，但很難同時(shí)實(shí)現(xiàn)多判據(jù)探測(cè)，導(dǎo)致其誤報(bào)率較高，見(jiàn)表1。

表1 探測(cè)方式性能比較

可見(jiàn)基于FTIR的探測(cè)技術(shù)相對(duì)于其它探測(cè)技術(shù)有著明顯的優(yōu)勢(shì)，不僅可以實(shí)現(xiàn)艦艇火災(zāi)的早期報(bào)警，同時(shí)能較好地滿足艦艇環(huán)境對(duì)探測(cè)設(shè)備在誤報(bào)、漏報(bào)和適用性方面的性能要求，是一種實(shí)現(xiàn)艦艇火災(zāi)早期探測(cè)的有效手段，具有廣泛的應(yīng)用前景。

2.2 基于紅外熱檢測(cè)的故障異常預(yù)警

通過(guò)對(duì)大量艦艇火災(zāi)事故的分析發(fā)現(xiàn)，由于機(jī)電設(shè)備部件老化、連接故障以及運(yùn)行異常所引發(fā)的火災(zāi)占事故總數(shù)中相當(dāng)大的比重，且往往造成嚴(yán)重的后果。為應(yīng)對(duì)機(jī)電火災(zāi)的威脅，目前艦艇上都會(huì)對(duì)機(jī)電設(shè)備和電氣連接進(jìn)行定期的檢修保養(yǎng)，并使用了大量阻燃材料，這些措施雖然在一定程度上發(fā)揮了作用，但仍然存在著不足。因?yàn)榕炌C(jī)電設(shè)備的檢修和保養(yǎng)一般都只在靠港或停塢時(shí)進(jìn)行，但在靠港停塢時(shí)機(jī)電設(shè)備大多處于停機(jī)狀態(tài)，在這種“靜止”狀態(tài)下所進(jìn)行的檢測(cè)往往不能充分發(fā)現(xiàn)設(shè)備的異常狀態(tài)，只有在出現(xiàn)非常明顯的問(wèn)題時(shí)才能被發(fā)現(xiàn)，如明顯的連接松動(dòng)、液壓滲漏或管路老化等，而對(duì)隱藏的嚴(yán)重問(wèn)題卻無(wú)法發(fā)覺(jué)。事實(shí)上，機(jī)電設(shè)備只有在運(yùn)行時(shí)才能表現(xiàn)出其真實(shí)的狀態(tài)。因?yàn)樵谠O(shè)備運(yùn)行時(shí)，大電流、摩擦力、高壓力等物理荷載才會(huì)作用于設(shè)備，隱藏的設(shè)備異常才會(huì)顯現(xiàn)。這些異常和故障如果未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，很可能導(dǎo)致熱量的異常積聚，造成設(shè)備失靈甚至引發(fā)火災(zāi)，因此，除了對(duì)機(jī)電設(shè)備定期檢修外，對(duì)艦艇重要機(jī)電設(shè)備進(jìn)行運(yùn)行中的異常檢測(cè)也是保障艦艇航行安全的必要措施。

研究發(fā)現(xiàn)各種類(lèi)型的機(jī)電故障往往伴隨著異常的發(fā)熱現(xiàn)象，如果通過(guò)恰當(dāng)?shù)募夹g(shù)途徑對(duì)這些熱現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)有效監(jiān)測(cè)，將會(huì)及早發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常，進(jìn)而在火災(zāi)的醞釀期就發(fā)出預(yù)警信息，就可以大幅度地提高預(yù)防火災(zāi)事故的能力。

紅外熱像技術(shù)就是一種較好的技術(shù)路徑，該技術(shù)具有非接觸、二維和實(shí)時(shí)的特點(diǎn)，最早應(yīng)用于導(dǎo)彈制導(dǎo)領(lǐng)域，自20世紀(jì)初逐漸推廣到其它領(lǐng)域。在工業(yè)領(lǐng)域，紅外熱成像檢測(cè)應(yīng)用較早，但都需要專(zhuān)業(yè)熱像分析人員對(duì)采集到的紅外熱圖像進(jìn)行分析，需要投入大量的人力和時(shí)間。然而，艦艇上的重要機(jī)電設(shè)備，如柴油機(jī)、供電裝置等，在航行中往往運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，負(fù)荷大，容易產(chǎn)生設(shè)備故障或異常，如果未及時(shí)發(fā)現(xiàn)和排除，一旦發(fā)生設(shè)備失靈或引發(fā)火災(zāi)將對(duì)艦艇安全造成重大的威脅。所以，對(duì)艦艇設(shè)備的故障和異常檢測(cè)，不能沿用工業(yè)領(lǐng)域中以高人力投入的檢測(cè)方法，而需要進(jìn)行全時(shí)段、自動(dòng)化的快速分析能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)電設(shè)備的全程監(jiān)測(cè)，提高可靠性，同時(shí)減少人員投入。

因此，需要根據(jù)艦艇環(huán)境特點(diǎn)，通過(guò)火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)定量或定性分析，獲得整個(gè)艦艇火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的“概率-影響”分布，以確定需要進(jìn)行故障異常熱監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)保護(hù)設(shè)施。對(duì)確定保護(hù)設(shè)施根據(jù)其結(jié)構(gòu)特征和運(yùn)行方式，通過(guò)FEA(有限元分析)分析其熱傳導(dǎo)和熱分布模式。依據(jù)分析結(jié)果對(duì)紅外熱像監(jiān)測(cè)設(shè)備的光譜響應(yīng)范圍、空間分辨率以及輻射校準(zhǔn)方法等參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)和配置，并建立被保護(hù)設(shè)施正常運(yùn)行時(shí)的熱輻射及分布的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)和診斷算法，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)艦艇重要設(shè)備的智能化全程實(shí)時(shí)故障異常檢測(cè)。真正作到防患于未燃，提高艦艇的消防安全能力。

2.3 基于紅外圖像的快速滅火聯(lián)動(dòng)

艦艇火災(zāi)中有一類(lèi)特殊的火災(zāi)類(lèi)型，多發(fā)于電池艙、輪機(jī)艙等部位。這類(lèi)火災(zāi)具有“階躍”式的發(fā)展特征，通常不經(jīng)過(guò)熱解和陰燃過(guò)程而瞬間引發(fā)明火，火勢(shì)發(fā)展極快，是艦艇安全的重大威脅。對(duì)于這類(lèi)火災(zāi)，常規(guī)的煙、溫探測(cè)裝置無(wú)法有效響應(yīng)，而對(duì)于一些基于光譜檢測(cè)的火焰探測(cè)裝置(如三波段紅外探測(cè)器、紫紅外探測(cè)器等)由于其觀察視角和響應(yīng)方式的影響，通常要等到火焰規(guī)模達(dá)到一定程度才能有效報(bào)警，導(dǎo)致探測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)，火勢(shì)快速發(fā)展，很可能影響整個(gè)滅火行動(dòng)的效果，甚至造成火情的失控。因此，有必要開(kāi)發(fā)一種能夠快速有效地探測(cè)“階躍”型火災(zāi)并高效滅火的聯(lián)動(dòng)技術(shù)來(lái)提高艦艇的消防安全能力。

基于紅外圖像的快速滅火聯(lián)動(dòng)技術(shù)，根據(jù)艦艇上“階躍”型火災(zāi)發(fā)生時(shí)可能產(chǎn)生的特征現(xiàn)象，如電池短路形成的電弧、脈沖火花，油霧或氣體爆燃產(chǎn)生的火團(tuán)等，提取其熱輻射模式特征并進(jìn)行算法設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)在可燃物發(fā)生閃燃時(shí)就探測(cè)到火情。同時(shí)，由于“階躍”型火災(zāi)發(fā)展速度很快，為有效撲滅火焰必須采用高效的滅火措施，考慮到對(duì)人員的保護(hù)和對(duì)設(shè)備損害的減少及空間彌散性的要求，采用高效清潔氣體滅火劑可以很好地滿足要求。

基于紅外圖像的監(jiān)測(cè)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)“階躍”型火災(zāi)的快速發(fā)現(xiàn)，不同于基于可見(jiàn)光的監(jiān)測(cè)手段，紅外圖像監(jiān)測(cè)利用閃燃時(shí)產(chǎn)生的熱輻射模式特征作為判據(jù)，受周?chē)h(huán)境干擾較少，具有較高的可靠性。通過(guò)場(chǎng)景測(cè)試，模擬了電池接觸不良而產(chǎn)生的脈沖火花見(jiàn)圖2。

圖2 脈沖火花模擬場(chǎng)景

其中脈沖發(fā)生器激發(fā)頭的面積約為0.08 cm2，觀測(cè)距離為2 m，可以觀察到發(fā)生器激發(fā)頭產(chǎn)生的脈沖火花形態(tài)的細(xì)微變化。而與之同時(shí)產(chǎn)生的脈沖火花的熱輻射模式變化，見(jiàn)圖3，與干擾源的熱輻射模式相比具有明顯的變化和特征。

圖3 脈沖與干擾輻射模式的對(duì)比

另外在探測(cè)到“階躍”型火災(zāi)后有效地控制火勢(shì)的發(fā)展，需要采用高效的滅火方式，清潔氣體滅火劑是一種比較好的選擇，該類(lèi)滅火劑可以適用于所有類(lèi)型的常見(jiàn)火災(zāi)的滅火，同時(shí)化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，保證了對(duì)人員身心健康沒(méi)有影響，對(duì)設(shè)備不會(huì)有大的損傷。為了驗(yàn)證滅火劑的效能進(jìn)行了測(cè)試試驗(yàn)，測(cè)試使用正庚烷噴霧模擬機(jī)艙油霧或電池艙氫氣的爆燃，燃燒15 s后啟動(dòng)清潔氣體滅火系統(tǒng)。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 滅火過(guò)程中溫度變化示意

滅火劑釋放后產(chǎn)生了明顯的降溫作用，充分表明清潔氣體滅火劑具有很好的滅火效果。

可見(jiàn)，通過(guò)采用基于紅外圖像的快速滅火聯(lián)動(dòng)技術(shù)，可以有效地發(fā)現(xiàn)和控制在艦艇電池艙和輪機(jī)艙可能發(fā)生的“階躍”型火災(zāi)，是一種保護(hù)艦艇安全的有效手段。

3 結(jié)束語(yǔ)

艦艇消防安全是艦艇損管體系中的重要組成部分，隨著現(xiàn)代艦艇智能化程度的日益提高，對(duì)于艦艇的消防安全也提出了許多新的要求和挑戰(zhàn)。為了能對(duì)艦艇火災(zāi)實(shí)現(xiàn)有效的控制，需要重點(diǎn)關(guān)注艦艇火災(zāi)發(fā)生的初始階段。在艦艇環(huán)境下，通過(guò)應(yīng)用紅外技術(shù)可以有效地提高消防安全系統(tǒng)的效能，增加艦艇在高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域的異常預(yù)警、早期報(bào)警和快速滅火聯(lián)動(dòng)的能力，對(duì)提升艦艇的消防安全能力提供了重要保障。

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