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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)

艦船的大空間場(chǎng)所與其它場(chǎng)所相比涉及的系統(tǒng)和設(shè)備更加復(fù)雜，火災(zāi)荷載更多，因而火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)和危害性更大。根據(jù)國(guó)外的事故統(tǒng)計(jì)，船上典型大空間場(chǎng)所——機(jī)庫(kù)的火災(zāi)在大型艦船火災(zāi)中占有一定比例，且均造成了重大經(jīng)濟(jì)和軍事?lián)p失。根據(jù)艦船消防“早期探測(cè) 快速滅火”的要求，火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)對(duì)抑制初期火災(zāi)并控制火災(zāi)的危害程度能起關(guān)鍵作用。本文以機(jī)庫(kù)為例討論艦船上的大空間場(chǎng)所火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，內(nèi)容僅涉及火災(zāi)探測(cè)器的選型、布置和性能試驗(yàn)，不包括火警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1 規(guī)范要求

《GJB 4000—2000 艦船通用規(guī)范》[1](以下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》)和《GJB 868—91 艦船消防要求》[2](以下簡(jiǎn)稱《要求》)是目前艦船火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要依據(jù)?！兑?guī)范》中“528章 火災(zāi)探測(cè)、報(bào)警和滅火控制系統(tǒng)”，《要求》中“8 探火、失火報(bào)警系統(tǒng)及滅火設(shè)施的設(shè)置”和“9 固定式探火和失火報(bào)警系統(tǒng)”規(guī)定了艦船探火、失火報(bào)警設(shè)施的配置及系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般要求。它們對(duì)機(jī)庫(kù)火災(zāi)探測(cè)設(shè)置的要求是一致的，主要可以歸納為：安裝固定式可燃?xì)怏w濃度探測(cè)器。根據(jù)環(huán)境條件、火災(zāi)的危險(xiǎn)程度和火災(zāi)發(fā)生時(shí)的燃燒物，選擇感溫、感煙、感光或組合型等不同型式的防爆型探測(cè)器。探測(cè)器的安裝部位應(yīng)能保證取得最佳的探火效能，并使所有潛在的失火點(diǎn)均能被探測(cè)到，且應(yīng)不致受到灰塵、氣流、油霧和熱氣的影響而產(chǎn)生誤動(dòng)作。此外，民規(guī)《GB 50284—98飛機(jī)庫(kù)設(shè)計(jì)防火規(guī)范》[3]“8.4 火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)”中規(guī)定，飛機(jī)停放和維修區(qū)的屋頂承重構(gòu)件宜選用感溫探測(cè)器；飛機(jī)維修工作區(qū)宜選用火焰探測(cè)器、紅外光束感煙探測(cè)器；在有可燃蒸汽聚集的空間宜選用可燃?xì)怏w探測(cè)器。

根據(jù)規(guī)范要求初步可確定機(jī)庫(kù)中設(shè)置的探測(cè)器種類為可燃?xì)怏w濃度探測(cè)器、感溫探測(cè)器、感煙探測(cè)器和光學(xué)火焰探測(cè)器。雖然點(diǎn)式感溫或感煙探測(cè)器的布置(保護(hù)面積、安裝高度和間距等)在規(guī)范中也有規(guī)定，總體上各類探測(cè)器的布置方案還需聯(lián)系保護(hù)區(qū)內(nèi)的實(shí)際情況后確定。

2 性能設(shè)計(jì)及實(shí)例

探測(cè)器實(shí)際效能易受環(huán)境因素的影響，而國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)點(diǎn)型感溫或感煙火災(zāi)探測(cè)器技術(shù)要求及試驗(yàn)方法，以及點(diǎn)型紅外或紫外火焰探測(cè)器性能要求及試驗(yàn)方法，只能給出指定實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的探測(cè)器性能試驗(yàn)方法及要求。探測(cè)器型式試驗(yàn)結(jié)果并不能完全反映出探測(cè)器在真實(shí)復(fù)雜環(huán)境下的效能。國(guó)外在制訂適用于軍用機(jī)庫(kù)的探測(cè)器性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)方面曾開展過(guò)專門研究。以美國(guó)、加拿大對(duì)光學(xué)火焰探測(cè)器的研究工作為例進(jìn)行說(shuō)明。

從美國(guó)NRL《軍用飛機(jī)庫(kù)光學(xué)火焰探測(cè)器：光學(xué)火焰探測(cè)器對(duì)燃料流淌火和光學(xué)干擾的性能最終報(bào)告》(2000年5月)看，之前美國(guó)在軍用機(jī)庫(kù)中采用的主要消防策略是由光學(xué)火焰探測(cè)器發(fā)出報(bào)警信號(hào)后由手動(dòng)啟動(dòng)翼下的AFFF系統(tǒng)，并且要求安裝在低位(low-level)的光學(xué)火焰探測(cè)器采用紫/紅外復(fù)合探測(cè)器。由于更為先進(jìn)的光學(xué)探測(cè)技術(shù)要投入使用以及海軍對(duì)探測(cè)器工作中出現(xiàn)的一些常見(jiàn)誤報(bào)情況的經(jīng)驗(yàn)，美國(guó)海軍設(shè)施工程司令部(NAVFAC)提出了制訂軍用機(jī)庫(kù)光學(xué)火焰探測(cè)器性能標(biāo)準(zhǔn)的需求。該項(xiàng)目由HAI公司選取了多型火焰探測(cè)器(包括紫/紅外，雙波段紅外和波段三紅外)進(jìn)行大量試驗(yàn)，測(cè)試探測(cè)器對(duì)JP-5或JP-8燃料火的探測(cè)能力以及對(duì)特殊光源、焊接等常見(jiàn)干擾的免疫能力，其中關(guān)于抗干擾能力的試驗(yàn)借鑒了加拿大國(guó)家研究委員會(huì)(NRC)在1994～1998年的部分研究成果?；诖罅康脑囼?yàn)結(jié)果，報(bào)告最后對(duì)建立光學(xué)火焰探測(cè)器性能標(biāo)準(zhǔn)提出了多項(xiàng)建議，如關(guān)于試驗(yàn)探測(cè)器的安裝(距離和角度)，探測(cè)器在不同距離至少能探測(cè)到的火源功率，通過(guò)對(duì)飛機(jī)進(jìn)行破壞性試驗(yàn)確定最大火災(zāi)規(guī)模，遮擋物的放置方式，虛假火源模擬裝置以及不必要的試驗(yàn)項(xiàng)目等。由NRC編制的《軍用機(jī)庫(kù)中光學(xué)火焰探測(cè)器性能規(guī)范草案》可以被看作是一部驗(yàn)證機(jī)庫(kù)或飛機(jī)掩體中光學(xué)火焰探測(cè)器探測(cè)火源及抗誤報(bào)能力的試驗(yàn)大綱，主要分為響應(yīng)試驗(yàn)和干擾光源試驗(yàn)兩部分，各部分均包括合格判據(jù)。試驗(yàn)的火源等由NAVFAC指定，較為符合機(jī)庫(kù)的實(shí)情。以上文獻(xiàn)雖距今已有很長(zhǎng)時(shí)間，但這種通過(guò)大量試驗(yàn)研究成果，形成探測(cè)器性能測(cè)試規(guī)范的方法值得借鑒。

大型艦船的飛機(jī)庫(kù)是艦載機(jī)停放、維修和加油的場(chǎng)所，具有非常高的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。機(jī)庫(kù)空間大、遮擋嚴(yán)重和風(fēng)速高等特點(diǎn)對(duì)探測(cè)器的探測(cè)距離和靈敏度提出了更高的要求。機(jī)庫(kù)中最嚴(yán)重的火災(zāi)場(chǎng)景是飛機(jī)燃料箱或油管受到外部因素碰撞而破裂，燃油蒸發(fā)形成的可燃?xì)怏w受點(diǎn)火能的意外激發(fā)導(dǎo)致火災(zāi)。庫(kù)內(nèi)其它火災(zāi)場(chǎng)景還包括電氣設(shè)備線路老化、短路形成的陰燃，機(jī)庫(kù)的通風(fēng)系統(tǒng)會(huì)將煙霧很快稀釋，這類潛在火源較難被發(fā)現(xiàn)。機(jī)庫(kù)內(nèi)對(duì)探測(cè)器報(bào)警的干擾主要源于機(jī)翼或機(jī)身的遮擋、強(qiáng)日光、水霧等靜態(tài)因素和機(jī)械通風(fēng)及戰(zhàn)時(shí)信號(hào)燈快速變換等動(dòng)態(tài)因素。由于機(jī)庫(kù)內(nèi)火源類型較多，而不同工作原理的探測(cè)器對(duì)各類火源的探測(cè)能力以及環(huán)境適應(yīng)性差異很大，在機(jī)庫(kù)中必須結(jié)合多種判據(jù)(光學(xué)、煙霧、溫度)進(jìn)行火災(zāi)探測(cè)，這也符合國(guó)內(nèi)規(guī)范對(duì)機(jī)庫(kù)中火災(zāi)探測(cè)器設(shè)置的要求。以下說(shuō)明各類探測(cè)器系統(tǒng)的選型設(shè)計(jì)過(guò)程，總體上最終確定的探測(cè)器型號(hào)是相同試驗(yàn)場(chǎng)景中響應(yīng)最快，抗干擾能力最強(qiáng)的。

1)光學(xué)火焰探測(cè)器。紫外火焰探測(cè)器易受雷電、電焊等常見(jiàn)強(qiáng)紫外光源的干擾，紫外輻射波長(zhǎng)較短，易被煙塵、煙霧粒子和蒸汽等吸收，雖然響應(yīng)快，但探測(cè)距離較短。紅外火焰探測(cè)器特別適用于碳?xì)浠衔锏幕鹧嫣綔y(cè)，由于紅外線穿透能力強(qiáng)，紅外探測(cè)器的探測(cè)距離較長(zhǎng)，增加了輔助監(jiān)視通道的雙波段紅外或三波段紅外探測(cè)器誤報(bào)率和漏報(bào)率較低，響應(yīng)時(shí)間更短。結(jié)合光電技術(shù)和圖像處理的圖像感焰探測(cè)器與傳統(tǒng)的火焰探測(cè)器相比，擴(kuò)大了探測(cè)器的感焰面積，能給用戶提供更多的火場(chǎng)信息。參與選型的探測(cè)器包括三波段紅外探測(cè)器(2型)，圖像型感焰探測(cè)器。選型試驗(yàn)包括對(duì)探測(cè)器響應(yīng)能力和抗干擾能力的測(cè)試，響應(yīng)能力試驗(yàn)的變量為火源尺寸、探測(cè)角度和探測(cè)距離，抗干擾能力試驗(yàn)的變量為光線和障礙物，試驗(yàn)參數(shù)的設(shè)計(jì)都源于真實(shí)工況。對(duì)光學(xué)探測(cè)器布置也進(jìn)行了專門試驗(yàn)，目的是確定安裝高度。

2)感煙探測(cè)器。從煙霧的采樣方式不同可以分為被動(dòng)式感煙探測(cè)器和主動(dòng)吸氣式感煙探測(cè)器。通常離子感煙探測(cè)器不適用潮濕環(huán)境，適合探測(cè)小粒徑的顆粒，而光電感煙探測(cè)器適合探測(cè)油火產(chǎn)生的大粒徑顆粒。在機(jī)庫(kù)大空間上送風(fēng)下回風(fēng)的氣流環(huán)境中，燃燒產(chǎn)生的煙霧達(dá)到探測(cè)器分析腔的時(shí)間較長(zhǎng)，除非是較大規(guī)模的油池火。參與選型的探測(cè)器包括空氣采樣感煙探測(cè)器(3型)，光截面感煙探測(cè)器和點(diǎn)式感煙探測(cè)器。選型試驗(yàn)包括對(duì)探測(cè)器響應(yīng)能力和抗干擾能力的測(cè)試，響應(yīng)能力試驗(yàn)針對(duì)電纜和油火兩種型式，干擾因素為環(huán)境氣流，試驗(yàn)參數(shù)的設(shè)計(jì)都源于真實(shí)工況。感煙探測(cè)器的布局遵循現(xiàn)有煙霧探測(cè)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)、施工及驗(yàn)收規(guī)范。

3)感溫探測(cè)器。相關(guān)規(guī)范都提到要在機(jī)庫(kù)中安裝感溫探測(cè)器。但煙氣運(yùn)動(dòng)規(guī)律和計(jì)算結(jié)果表明，機(jī)庫(kù)大空間機(jī)械通風(fēng)(8～12 m/s)條件下，火災(zāi)早期煙氣溫度上升緩慢，達(dá)到感溫探測(cè)器報(bào)警閾值點(diǎn)(68 ℃)的時(shí)間很長(zhǎng)，場(chǎng)景模擬計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖1、表1。

場(chǎng)景說(shuō)明如下。

計(jì)算空間：48.5 m×26.0 m×7.5 m;

計(jì)算時(shí)間：120 s;

火源：0.6 m×0.6 m,煤油。

圖1 計(jì)算實(shí)例

表1 計(jì)算結(jié)果(120 s時(shí)) ℃

4)可燃?xì)怏w探測(cè)器。航空燃油在貯存容器中處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，會(huì)通過(guò)容器閥門或細(xì)小空隙不斷向外擴(kuò)散，環(huán)境的晝夜溫差還會(huì)引起小呼吸現(xiàn)象。如遇管道或油箱破損，燃油會(huì)被噴散為霧狀蒸發(fā)。航空燃油的靜蒸發(fā)和動(dòng)蒸發(fā)狀態(tài)使得機(jī)庫(kù)中不可避免會(huì)存在一定量的易燃易爆混合油氣，當(dāng)混合氣體中可燃?xì)怏w的濃度處于爆炸極限(燃油：0.6%～4.6%)時(shí)，只要具備足夠的點(diǎn)燃能量，就會(huì)發(fā)生爆炸?？扇?xì)怏w探測(cè)器掛接在數(shù)據(jù)采集箱上，通過(guò)分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，決定通風(fēng)、油路等外設(shè)的工作狀態(tài)，其性能的優(yōu)劣直接影響機(jī)庫(kù)大空間安全防護(hù)的效果。機(jī)庫(kù)的可燃?xì)怏w探測(cè)器除了要考慮靈敏度、響應(yīng)時(shí)間、氣體選擇性和穩(wěn)定性等基本特性參數(shù)，還必須滿足可靠性、維修性、防爆和船用環(huán)境適應(yīng)性的要求，參與選型的包括擴(kuò)散式和吸入式的催化型探測(cè)器，點(diǎn)式紅外探測(cè)器。對(duì)于此類多評(píng)價(jià)準(zhǔn)則的系統(tǒng)分析，可借助層次分析法[4]等優(yōu)選方法進(jìn)行決策。

3 結(jié)論

在火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，先依據(jù)規(guī)范設(shè)置必要的探測(cè)器類型，要達(dá)到規(guī)范對(duì)探測(cè)系統(tǒng)效能的要求，必然還要進(jìn)行深入的依據(jù)探測(cè)器性能的設(shè)計(jì)分析。制訂探測(cè)器性能試驗(yàn)方案需花費(fèi)較多的時(shí)間和精力，建立針對(duì)特殊場(chǎng)所的火災(zāi)探測(cè)器性能要求及測(cè)試方法，有益于推廣新的探測(cè)技術(shù)和提高火災(zāi)防護(hù)能力。對(duì)大量試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析是形成探測(cè)器性能要求及測(cè)試方法的基礎(chǔ)，要形成規(guī)范的測(cè)試方法還需進(jìn)一步深化研究科學(xué)、通用的測(cè)試裝置。

[1] 國(guó)防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì).GJB4000—2000艦船通用規(guī)范[S].北京：國(guó)防科工委軍標(biāo)出版發(fā)行部，2000.

[2] 國(guó)防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì).GJB868—91艦船消防要求[S].北京：國(guó)防科工委軍標(biāo)出版發(fā)行部，1991.

[3] 中華人民共和國(guó)建設(shè)部.GB50284—98飛機(jī)庫(kù)設(shè)計(jì)防火規(guī)范[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1998.

[4] 胡運(yùn)權(quán)，郭耀煌.運(yùn)籌學(xué)教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，1998.