王要波，白秀琴，郭智威，袁成清

(1. 武漢理工大學(xué) 船舶動力工程技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，湖北 武漢 430063；2. 國家水運安全工程技術(shù)研究中心 可靠性工程研究所，湖北 武漢 430063)

0 引 言

火災(zāi)作為大型豪華郵輪上一種破壞性極大的事故，如果不能得到有效控制，會造成巨大的損失。相比于其他場所，大型豪華郵輪火災(zāi)具有更大的危險性和復(fù)雜性，因此其火災(zāi)的預(yù)防和撲救更加困難。據(jù)統(tǒng)計，在已發(fā)生的郵輪各類事故中，火災(zāi)爆炸事故所占的比重達15%，屬于頻繁發(fā)生事故，風險等級極高，因此郵輪消防設(shè)施的設(shè)計建造極其重要。作為郵輪上的主要消防系統(tǒng)之一，細水霧滅火系統(tǒng)的設(shè)計建造對郵輪安全尤為重要。探索適用于大型豪華郵輪的細水霧滅火系統(tǒng)設(shè)計方案對于我國郵輪產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要的意義。

1 郵輪細水霧滅火系統(tǒng)

細水霧滅火系統(tǒng)最早于20世紀40年代用于船舶滅火，并于1987年《蒙特利爾議定書》簽訂之后在國內(nèi)外得到廣泛的研發(fā)與應(yīng)用。細水霧霧滴直徑較小，滅火機制主要為：吸熱冷卻、稀釋氧氣、隔絕熱輻射、稀釋可燃氣體和霧動力學(xué)效應(yīng)，多種滅火機制共同作用有效撲滅各類火災(zāi)[1]。除此之外，細水霧還可以對不溶于水的液態(tài)可燃物產(chǎn)生乳化作用，有效降低燃燒強度，防止復(fù)燃。在滅火過程中細水霧還能有效吸附火場周圍的固體顆粒，降低現(xiàn)場人員吸入大量粉塵顆粒的可能，因此細水霧滅火系統(tǒng)具有極其廣闊的應(yīng)用前景。

1.1 郵輪細水霧滅火系統(tǒng)關(guān)鍵部件分析

郵輪細水霧滅火系統(tǒng)主要包含以下基本部件：水源、供水裝置、管件、閥件、噴頭、火災(zāi)探測及控制系統(tǒng)等[2-5]。

1）水源

不同于常規(guī)細水霧滅火系統(tǒng)采用水箱等儲水容器作為水源，在郵輪中采用淡水艙中的部分淡水作為水源，并在淡水艙中設(shè)置低位報警裝置，以保證淡水艙中始終儲存有規(guī)范所要求的最小水量。同時在泵組前設(shè)置海水進口作為第二水源。

2）供水裝置

為了滿足安全返港要求，采用2組設(shè)置在不同防護區(qū)且遠離A類機械處所的泵組為細水霧滅火系統(tǒng)供水，同時設(shè)置高壓氮氣瓶作為備用驅(qū)動，防止在全船失電時系統(tǒng)停止工作。供水泵組由可以自動切換的主電源和應(yīng)急電源供電，并設(shè)有手動啟動方式，以備緊急情況下使用。

3）管件

郵輪中采用的管道是由符合DIN標準的不銹鋼AISI316L制成的焊接型管道，管道連接方式主要有專用接頭連接、法蘭連接等。根據(jù)管道鋪設(shè)地點的不同，管道還具有其他附件以保證管道的安全。

4）閥件

郵輪細水霧滅火系統(tǒng)中使用的閥門較多，主要有分區(qū)控制閥、調(diào)壓閥/減壓閥、止回閥等。根據(jù)規(guī)范要求，細水霧滅火系統(tǒng)單個防護區(qū)的面積不應(yīng)超過280 m2，若超過則需要增加分區(qū)控制閥進行分區(qū)保護；在工作壓力可能超過系統(tǒng)、系統(tǒng)部件或兩者系統(tǒng)設(shè)計壓力的部位安裝調(diào)壓閥/減壓閥，防止系統(tǒng)壓力過高對管件及閥件造成損壞；在系統(tǒng)與水源永久性連接點之間設(shè)置止回閥，防止系統(tǒng)中的水倒流到水源中。

5）噴頭

噴頭通過一定的方式將壓力水霧化成細小的水霧顆粒。根據(jù)工作場合的不同，郵輪中采用開式和閉式2種噴頭。細水霧噴頭在安裝過程中需要考慮諸如火災(zāi)類型、噴頭最大和最小距離、噴頭最大安裝高度以及安裝角度等因素，并且對可能會對噴頭造成機械損傷的場所如主要的工作通道、倉庫區(qū)、行李存放區(qū)等設(shè)置噴頭保護裝置。

6）探測及控制系統(tǒng)

細水霧滅火系統(tǒng)屬于自動消防系統(tǒng)，火災(zāi)探測系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是實現(xiàn)自動滅火的關(guān)鍵部件。目前郵輪探測系統(tǒng)中常用的探頭主要有感煙探頭、感溫探頭以及火焰探頭等，通常采用其中的2種或3種進行組合使用，防止產(chǎn)生誤報警信號。自動控制系統(tǒng)是一套遙控或自動邏輯控制模塊，當火災(zāi)探測系統(tǒng)探測到火災(zāi)信號后將火警信號傳輸?shù)阶詣涌刂葡到y(tǒng)，通過自動控制系統(tǒng)控制消防泵以及分區(qū)控制閥等其他現(xiàn)場設(shè)備的開啟，實現(xiàn)自動滅火。

1.2 細水霧滅火系統(tǒng)在大型豪華郵輪上的適用性分析

大型豪華郵輪結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可燃物種類多，火災(zāi)發(fā)生的可能性大。大型豪華郵輪上主要存在以下火災(zāi)類型：

1）固體火災(zāi)

郵輪上存在較多的易燃裝飾物，極易發(fā)生固體火災(zāi)；

2）可燃液體火災(zāi)

在郵輪的機艙空間存放著大量油類，同時機艙空間溫度較高，極易發(fā)生火災(zāi)；

3）電氣火災(zāi)

郵輪上存在著排布密集的電纜以及配電室、控制室等各類電氣場所，電氣火災(zāi)也是郵輪上發(fā)生概率較大的一種火災(zāi)類型；

4）廚房油脂火災(zāi)

郵輪廚房以及儲物間存在大量易燃油脂，同時廚房空間在工作時間溫度較高又有大量高溫氣體排放，極易造成火災(zāi)發(fā)生[6]。大型豪華郵輪中的裝飾材料大都價格不菲，在進行郵輪的滅火過程中，消防系統(tǒng)不僅要實現(xiàn)滅火功能，還要注意避免二次破壞，降低火災(zāi)損失。因此，大型豪華郵輪消防系統(tǒng)的選擇極其重要，在以上各類場所中，選用細水霧滅火系統(tǒng)的主要原因包括以下2個方面：

1）適用范圍廣

細水霧滅火系統(tǒng)適用于固體火災(zāi)、可燃液體火災(zāi)、氣體火災(zāi)、電氣火災(zāi)以及廚房油脂火災(zāi)等，相比于其他滅火系統(tǒng)具有更加廣泛的應(yīng)用范圍，極其適合大型豪華郵輪復(fù)雜的消防環(huán)境。

2）具有其他消防系統(tǒng)所不具備的優(yōu)勢

在船舶消防系統(tǒng)中應(yīng)用較多的有自動噴水滅火系統(tǒng)和氣體滅火系統(tǒng)等消防系統(tǒng)。自動噴水滅火系統(tǒng)耗水量大，大量的水流會對郵輪消防空間的裝飾物或設(shè)備造成極大的損耗，增加后期修繕費用。另外，郵輪在海上航行時的淡水儲備也是有限的，因此與細水霧滅火系統(tǒng)相比耗水量較大的自動噴水滅火系統(tǒng)并不適合用于郵輪大多數(shù)消防場所；氣體滅火系統(tǒng)需要使用較多的瓶組及管道存儲和輸送滅火介質(zhì)，正常情況下系統(tǒng)處于高壓狀態(tài)，對系統(tǒng)部件要求較高，因而氣體滅火系統(tǒng)的使用成本較高。同時氣體滅火系統(tǒng)在運行時還會危害人體健康，如果出現(xiàn)泄漏或誤噴，更會引起重大安全事故，在大型豪華郵輪中人員密集的消防場所并不適用。

圖1 某大型豪華郵輪總體設(shè)計原理圖Fig. 1 General design diagram of a large luxury cruise ship

2 細水霧滅火系統(tǒng)在大型豪華郵輪上的應(yīng)用

2.1 郵輪細水霧滅火系統(tǒng)整體設(shè)計原理

圖1為某大型豪華郵輪細水霧滅火系統(tǒng)整體設(shè)計原理圖。根據(jù)規(guī)范要求，將整個郵輪劃分為多個主豎區(qū)，以確保在郵輪失去一個主豎區(qū)的情況下，其他主豎區(qū)的系統(tǒng)依舊處于正常狀態(tài)。為了保證細水霧滅火系統(tǒng)的管路中始終存有足夠壓力和流量的壓力水，在整艘郵輪中共設(shè)置2套一樣的細水霧滅火系統(tǒng)裝置，每套裝置均由2組泵組進行供水并配有備用氣瓶，2套裝置設(shè)在2個不同的防護區(qū)內(nèi)，分別通過單獨的立管連接到管網(wǎng)。系統(tǒng)主管路管網(wǎng)采用環(huán)狀結(jié)構(gòu)以確保系統(tǒng)壓力穩(wěn)定，減小壓力波動。

2.2 細水霧滅火系統(tǒng)在郵輪上的應(yīng)用特點

大型豪華郵輪由于其功能特性的需求，在郵輪冷庫、電氣設(shè)備間、商用廚房、文檔儲存及精密設(shè)備間、電纜處以及A類機械空間中的應(yīng)用與常規(guī)的消防系統(tǒng)相比存在很大的差異。由于大型豪華郵輪上食品儲量及儲藏時間、環(huán)境的需求高，設(shè)置郵輪冷庫的閉式細水霧滅火系統(tǒng)需要考慮管路中壓力水凍結(jié)的問題，郵輪上可采用預(yù)填充乙二醇防凍液的方式解決。配電室、控制室等電氣設(shè)備間存在設(shè)備短路或系統(tǒng)超負荷工作等原因造成的火災(zāi)隱患，采用閉式細水霧滅火系統(tǒng)進行防護，細水霧不會對設(shè)備和人員造成損傷并且采用局部應(yīng)用系統(tǒng)時，工作人員不必完全撤離，其他設(shè)備也可以正常運行。廚房中以油類火災(zāi)為主的烹飪火災(zāi)也是郵輪上極易發(fā)生的火災(zāi)類型，采用開式細水霧滅火系統(tǒng)可以在有效撲滅這類火災(zāi)的同時降低周圍空間的溫度，防止發(fā)生復(fù)燃，同時在滅火過程中控制系統(tǒng)自動切斷廚房設(shè)備的供給電源，進一步降低復(fù)燃的可能性。對于存有大量紙質(zhì)文檔的檔案館以及安全中心、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備間等對滅火系統(tǒng)的快速響應(yīng)和自動釋放能力有較高要求的場所，采用預(yù)作用式細水霧滅火系統(tǒng)可以避免因誤操作、管路泄漏等原因造成的文檔和設(shè)備損壞，并且在滅火結(jié)束后只需打開排水閥將支管中的水排出，系統(tǒng)即可重新使用[7]。電纜夾層是郵輪上極其重要的電力部位，由于電纜夾層內(nèi)部空間狹小，電纜排布緊密，通風散熱條件差，存在很大的火災(zāi)隱患，特別是位于柴油機等失火危險較高的設(shè)備上方的電纜，采用細水霧滅火系統(tǒng)對電纜夾層進行防護，利用水霧的擴散性和強效冷卻性能夠?qū)崿F(xiàn)快速滅火，同時又不會對電纜造成二次損傷，將火災(zāi)損失降到最低[8]。以郵輪A類機械空間的細水霧消防系統(tǒng)為例進行重點說明。

圖2 A類機械空間應(yīng)用簡圖Fig. 2 The application diagram of class A mechanical space

船舶A類機械空間存在著大量油類物質(zhì)，并排布有密集的電纜，機器運轉(zhuǎn)過程中還會產(chǎn)生較多的熱量，所以機械空間是油、電、溫三者同時存在的火災(zāi)高危地點。根據(jù)SOLAS公約規(guī)定，此類場所必須設(shè)置固定式氣體滅火系統(tǒng)、固定式高倍泡沫滅火系統(tǒng)或固定式壓力水霧滅火系統(tǒng)中的任意一種[9-10]。在郵輪中采用的是開式細水霧滅火系統(tǒng)，不僅能夠有效撲滅此類火災(zāi)，且不會對機械設(shè)備的使用壽命產(chǎn)生影響。如圖2所示，在郵輪A類機械空間采用開式細水霧滅火系統(tǒng)中的全淹沒系統(tǒng)，為了滿足安全返港的要求，系統(tǒng)設(shè)置帶有流量指示器和手動釋放能力的電磁閥作為分區(qū)控制閥與其他系統(tǒng)隔離，在機械空間中設(shè)置2個火災(zāi)探測器，火災(zāi)探測器一般設(shè)置為2個感煙探測器或2個感溫探測器，也可以是1個感煙探測器或感溫探測器與火焰探測器的組合。當?shù)?個探測器探測到火災(zāi)信號時，聲光報警器啟動，發(fā)出火災(zāi)警報，當2個探測器都激活時，防護區(qū)的分區(qū)控制閥打開，高壓泵組啟動，系統(tǒng)釋放水霧進行滅火。

3 大型豪華郵輪細水霧滅火系統(tǒng)設(shè)計計算方法

在進行郵輪細水霧滅火系統(tǒng)的設(shè)計過程中，系統(tǒng)設(shè)計計算是進行系統(tǒng)關(guān)鍵部件選型的依據(jù)[11-12]。

1）確定保護對象的性質(zhì)及系統(tǒng)設(shè)計基本參數(shù)

細水霧滅火系統(tǒng)的噴霧強度、持續(xù)噴霧時間等設(shè)計基本參數(shù)應(yīng)根據(jù)具體保護對象參照制造商技術(shù)資料或國家權(quán)威機構(gòu)的型式檢驗報告確定，也可以按照規(guī)范的試驗要求通過實體火災(zāi)模擬試驗確定。根據(jù)某大型豪華郵輪上的應(yīng)用場所，結(jié)合國家標準，部分對象的設(shè)計基本參數(shù)如表1所示。

表1 部分對象設(shè)計基本參數(shù)Tab. 1 Basic design parameters of some objects

2）計算噴頭設(shè)計流量

式中：q為單個噴頭的設(shè)計流量，L/min；p為噴頭的壓力，MPa；K為噴頭流量特性系數(shù)，L/min·MPa0.5，一般由噴頭生產(chǎn)廠家提供。

3）計算噴頭數(shù)量

式中：N為噴頭的計算數(shù)量；S為系統(tǒng)保護面積，m2；W為系統(tǒng)設(shè)計噴霧強度，L/min·m2。

4）計算系統(tǒng)設(shè)計流量

系統(tǒng)的計算流量及設(shè)計流量分別計算如下式：

式中：Qj為系統(tǒng)計算流量，L/min；n為噴頭數(shù)量；qi為單個噴頭的設(shè)計流量，L/min。

式中：Qs為系統(tǒng)設(shè)計流量，L/min；k為安全系數(shù)，不小于1.05，一般取1.05～1.10之間。

5）確定系統(tǒng)儲水量

式中：Wc為儲水量，L；t為持續(xù)噴霧時間，min。

郵輪設(shè)計中摒棄了壓力水柜的設(shè)計方案，通過式（5）可以確定淡水艙中設(shè)置低位報警裝置的最低水位。

6）計算管徑

式中：di為管子內(nèi)徑，m；qv為管內(nèi)流量，m3/h；v為管內(nèi)流體流速，m/s，消防總管管內(nèi)推薦流速為2～3 m/s，其他各支管的管內(nèi)流速可以參照此要求進行推算。

7）計算系統(tǒng)壓力

細水霧滅火系統(tǒng)針對不同壓力的系統(tǒng)采用不同的方法進行壓力損失的計算。

低壓系統(tǒng)管道壓力損失為：

式中：pm為管道總水頭壓力損失，MPa；L為管道長度，m；C為管道摩阻系數(shù)；di為管道內(nèi)徑，mm。

中高壓系統(tǒng)管道壓力損失為：式中：pm為管道總水頭壓力損失，MPa；f為管道摩擦系數(shù)，根據(jù)Re值和 Δ 值利用Moody確定；Li為管道長度，m；ρ為流體密度即水的密度，kg/m3；di為管道內(nèi)徑，mm；Re為雷諾數(shù)；μ為動力黏度，cp（厘泊）；Δ為管道相對粗糙度；ε為管壁粗糙度，mm，不銹鋼管一般取0.045 mm。

根據(jù)NFPA750推薦的水力計算方式，管件以及閥件的局部水頭損失可以采用當量長度法進行計算。

系統(tǒng)的供水壓力按下式進行計算：

式中：P為系統(tǒng)總供水壓力，MPa；pm為管道沿程阻力損失和局部水頭損失的累計值，MPa；p為系統(tǒng)最不利點處噴頭的工作壓力，MPa；hz為系統(tǒng)最不利點與水艙最低水位或系統(tǒng)水平供水管中心線之間的靜壓差，MPa，由式（12）計算得到；Δh為高度差，m；ρ為介質(zhì)密度，kg/m3；g為重力加速度；

以計算所得系統(tǒng)總供水壓力為依據(jù)，結(jié)合系統(tǒng)設(shè)計流量確定泵的揚程及流量。

4 細水霧滅火系統(tǒng)在郵輪應(yīng)用中存在的問題

1）我國針對細水霧滅火系統(tǒng)的規(guī)范還不夠完善，特別是我國郵輪建設(shè)處于基礎(chǔ)階段，對于細水霧滅火系統(tǒng)在郵輪上的應(yīng)用更是缺少有效的指導(dǎo)規(guī)范。例如我國相關(guān)規(guī)范中沒有明確規(guī)定系統(tǒng)管網(wǎng)的布置問題和開式細水霧滅火系統(tǒng)是否應(yīng)當設(shè)置穩(wěn)壓裝置以及穩(wěn)壓裝置如穩(wěn)壓泵的揚程、流量等選型參數(shù)如何確定。這些問題對于細水霧滅火系統(tǒng)在郵輪上的應(yīng)用存在一定的制約作用。

2）在細水霧中應(yīng)用添加劑的問題。大量研究表明在水中添加適當?shù)奶砑觿┠軌驑O大增強水基消防系統(tǒng)的滅火效果。然而，目前應(yīng)用的細水霧滅火系統(tǒng)大多采用純水滅火，郵輪上亦是如此，這主要是因為細水霧噴頭的噴孔極小，細微的雜質(zhì)都可能堵塞噴頭，影響系統(tǒng)的正常使用。目前研究較多的細水霧滅火系統(tǒng)添加劑主要有NaCl等鹽類以及堿金屬化合物等，這些添加劑直接添加到水中會對泵組、閥件等設(shè)備造成腐蝕、結(jié)垢等不良影響，嚴重時甚至?xí)绊懻麄€系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定。

3）近年來，大量的實踐證明細水霧滅火系統(tǒng)可以用于撲滅電氣火災(zāi)，但是作為水基消防系統(tǒng)，它仍舊存在造成電氣設(shè)備短路的隱患。例如計算機房等弱電防護空間的設(shè)計噴霧強度為1.5 L/min·m-2，最小持續(xù)噴霧時間為12 min，所以在滅火過程中，計算機房等電氣設(shè)備間每平方米的耗水量為18 L，除去因高溫蒸發(fā)的部分，仍舊會有大量的積水積存在設(shè)備表面甚至有可能滴落到電子線路板上，造成電氣設(shè)備短路。因此在郵輪上使用細水霧滅火系統(tǒng)撲滅電氣火災(zāi)時，還需要考慮到電氣設(shè)備的防水、積水和排水問題。

此外，還有閉式細水霧滅火系統(tǒng)的開啟依賴于閉式噴頭感溫玻璃的破裂，而一般情況下造成感溫玻璃破裂的溫度高于燃料低溫陰燃的溫度，因此并不能完全有效的預(yù)防火災(zāi)的發(fā)生。這些問題的存在制約著細水霧滅火系統(tǒng)的進一步應(yīng)用和推廣，也是今后需要進一步研究的方向。

5 結(jié) 語

作為一種綠色高效的新型水基消防技術(shù)，細水霧滅火系統(tǒng)具有廣闊的應(yīng)用空間和應(yīng)用前景，特別是針對大型豪華郵輪等具有復(fù)雜消防需求的場所，更是具有極大的適用性。相比于其他發(fā)達國家，我國初步進入郵輪市場，郵輪的設(shè)計建造處于基礎(chǔ)階段，對于細水霧滅火系統(tǒng)在郵輪上的應(yīng)用更是毫無經(jīng)驗，針對大型豪華郵輪復(fù)雜的消防需求，探索出適合于大型豪華郵輪的細水霧滅火系統(tǒng)設(shè)計方案對促進我國細水霧滅火技術(shù)以及郵輪產(chǎn)業(yè)的發(fā)展都具有十分重要的意義。