馮偉，何軍，宋振森

(上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240)

我國首艘豪華郵輪總船價超過50億元人民幣，排水量為13.5萬t，一旦發(fā)生火災(zāi)將會造成極大的財產(chǎn)損失和人員傷亡，因此早期的火災(zāi)探測具有重要意義。大型郵輪不同于一般客船，內(nèi)部含有大量的高大空間，例如：影院、中庭、劇院等。其火災(zāi)探測問題相較于陸地建筑要求更高[1]，主要存在以下難點：①探測系統(tǒng)需要滿足大量法律與規(guī)范，包括國際公約、中英船級社規(guī)范、郵輪制造業(yè)行規(guī)等，由于郵輪建造周期長，還要考慮新規(guī)范是否生效等問題；②要求火災(zāi)探測預(yù)警時間短、誤報率低[2]，由于海上救援的特殊性，對火災(zāi)預(yù)警的要求更高；③探測系統(tǒng)的可靠度要求高，根據(jù)SOLAS公約要求，即使發(fā)生火災(zāi)或者某些探測器失靈，在返港途中要求該系統(tǒng)在其他區(qū)域依然可以工作。為使郵輪高大空間的火災(zāi)探測工程滿足早期探測、準確性高、可靠度高等要求，考慮進行應(yīng)用多種火災(zāi)探測器的聯(lián)動報警響應(yīng)試驗，根據(jù)時間結(jié)果給出該空間下多傳感器聯(lián)合探測系統(tǒng)探測器選型的建議。

1 試驗概況

本試驗依據(jù)郵輪設(shè)計及建造期間簽署的協(xié)議要求，在火災(zāi)探測器選型及布置位置上滿足《International Convention for the Safety of Life at Sea》(SOLAS)公約，《International Code for Fire Safety System》(FSS Code)規(guī)范，英國勞氏船級社和中國船級社相關(guān)規(guī)范。其中，也充分參考并且滿足GB 50116—2013《火災(zāi)自動報警系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》和NFPA 72《美國國家火災(zāi)報警與信號規(guī)范》，NFPA72規(guī)范2016版涵蓋了一些較先進的火災(zāi)探測技術(shù)規(guī)范與標準，國際上認可度較高。

FSS Code規(guī)定了火災(zāi)探測器應(yīng)具有的靈敏度要求和安裝位置[3]，例如：感煙探測器在煙霧密度超過12.5%/m 的減光率前應(yīng)報警，但在超過 2%/m的減光率前不應(yīng)報警。SOLAS規(guī)定了探測試驗所處的環(huán)境要求和探測器的選型，例如：試驗的環(huán)境必須在室內(nèi)通風條件下進行。GB 50116—2013和NFPA72主要規(guī)定探測器安裝的數(shù)量及位置。

試驗的環(huán)境條件、探測器靈敏度及安裝位置均符合以上規(guī)范及標準。

2 試驗方案

2.1 試驗場地

試驗對象為IMAX影院，位于郵輪的7、8、9層甲板上，尺寸為18.00 m×17.50 m×8.75 m，試驗場地尺寸為11.20 m×12.60 m×5.60 m，因場地限制，試驗以2∶3尺寸模擬試驗，試驗場地為鋼結(jié)構(gòu)廠房，原空間對象在郵輪中的位置見圖1?？s尺試驗的試驗場地空間平面面積仍有141 m2，尺寸也完全符合IMAX影院設(shè)計規(guī)范要求的場地標準。眾多試驗證明，高大空間的中尺寸火災(zāi)試驗仍可保持很高的可靠度[4]。

圖1 第7層甲板平面中試驗對象位置示意

試驗場地的內(nèi)部臺階及尺寸按照JGJ58—2008《電影院建筑設(shè)計規(guī)范及條文說明》進行設(shè)計，臺階高0.24 m，寬1 m。

2.2 火災(zāi)探測器選型及布置

試驗選取的探測設(shè)備型號分別為：JTY-GD-JBF5100點型感煙探測器，JTY-HF-C33紅外光束感煙火災(zāi)探測器，JTGB-HW-BK51Ex/IR2紅外雙波段火焰探測器，DT600多光圖譜圖像型火災(zāi)探測器，JB-QB-JBF5012報警主機，傳感器的數(shù)量、位置、實物見圖2、3和表1[5]。

圖2 探測器選型及安裝位置

圖3 探測器實物記錄

表1 探測器圖例

火災(zāi)探測器的選擇依據(jù)：①選取的探測器類型均為最常見的火災(zāi)探測器，在工程應(yīng)用方面具有經(jīng)濟性高、操作性好、易普及等優(yōu)點；②探測器型號均滿足相關(guān)規(guī)范規(guī)定的靈敏度要求及探測范圍要求。

火災(zāi)聯(lián)動報警設(shè)計是指應(yīng)用多種傳感探測器探測火災(zāi)的可尋址火災(zāi)探測系統(tǒng)[6]。試驗應(yīng)用4種探測器的聯(lián)動預(yù)警，在影院的實際工程應(yīng)用中，探測系統(tǒng)采用至少兩種火災(zāi)探測器，并且兩種探測器基于不同的物理信息報警。報警機制為：當一種探測器報警時，進入火災(zāi)預(yù)警狀態(tài)，這時安全工作人員通過攝像頭或者到達現(xiàn)場確認火災(zāi)是否發(fā)生，當兩種及以上探測器都報警時則系統(tǒng)認定火災(zāi)發(fā)生，這時自動啟動該區(qū)域的消防設(shè)施，例如高壓細水霧，水炮等[7]。一般情況下，當基于兩種以上信號的探測器報警時，誤報率極低，基本可以確定火災(zāi)的發(fā)生。

2.3 試驗工況

設(shè)計8組工況，每組工況做2次試驗，一共進行16次燃燒探測響應(yīng)試驗。試驗測試4種燃燒物在2處不同高低位置的探測響應(yīng)，低位距地面0.48 m，高位位于影院中部距地面1.44 m。

燃燒火源工況分別為：木垛火、沙發(fā)火、電氣火、隱蔽火。木垛火是常規(guī)A類火災(zāi)試驗，按照文獻和規(guī)范做法采用木垛火進行試驗，試驗時參照GB 4351.1—2005和GB 17835—2008設(shè)置木垛，木材為云杉，含水率：10%左右，尺寸：40 mm×40 mm×735 mm，木條層數(shù)：18層，木條擺放：每層12根木條，間距均勻，鐵釘固定，金屬支架：750 mm×750 mm×400 mm，引燃油池：500 mm×500mm×100 mm。引燃時盤內(nèi)先倒入50 mm深度清水，然后加入250 mL汽油。

沙發(fā)火還原真實影院中沙發(fā)起火的情景，采用定制的電影院座椅，座椅尺寸高度980 mm，寬490 mm，中心距5 960 mm，排距1 000 mm。采用阻燃面料，內(nèi)部為高密度冷熱發(fā)泡定性海綿，后部為高強度阻燃塑料，下部采用冷軋鋼。試驗時將蘸有20 mL汽油的棉手套夾于靠背處引燃。

電路火模擬電路因短路原因起火，將2根長60 cm的型號為ZC-YTL電纜抽芯只留外皮管，把2根2 kW/60 cm的電熱絲穿入電纜皮管接入到220 V電源上模擬電路短路著火。近年統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，電氣短路起火是導(dǎo)致影院起火的主要原因[8]。

隱蔽火火災(zāi)場景設(shè)計為垃圾桶內(nèi)著火，還原桶內(nèi)干垃圾著火情景， 垃圾桶長、寬、高分別為36、28、65 cm，外部為烤漆鐵皮，內(nèi)部為不銹鋼鐵桶，燃燒物為2 kg的A4紙，引燃方式是向垃圾桶內(nèi)部丟棄引燃的蘸有10 mL汽油的棉手套。具體工況設(shè)置見表2。

表2 工況設(shè)置

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 試驗結(jié)果

木垛火初期發(fā)展階段的發(fā)展極為迅速，5 s左右底部中間木垛被引燃，15 s左右隨著底部火焰的蔓延引燃整個木垛，火焰高度最高達到2.5 m，整個階段伴有大量白色煙霧及少量汽油產(chǎn)生的黑色煙霧，呈團狀上升擴散。中期階段，火焰雖然閃爍但高度不變，煙霧濃度反而降低，呈現(xiàn)火焰大而煙霧較少的局面。探測器響應(yīng)時間：圖像型和紅外雙波段火焰探測器無論高位低位，預(yù)警時間較短且預(yù)警時間恒定，圖像型探測器平均7 s預(yù)警，紅外雙波段平均13 s預(yù)警。位置高低的影響對感煙設(shè)備影響較大，高位火比低位火點型煙感提前10 s預(yù)警，紅外光束感煙提前5 s預(yù)警。

沙發(fā)火的火災(zāi)初期階段火焰由下到上，由中心到四周，由緩到快發(fā)展，過程中伴隨著逐漸增多的縷狀黑色煙霧，中期發(fā)展階段后背的木頭合成制品也開始燃燒，火焰高度達到2.2 m左右，呈深紅色，伴隨著大量的黑色濃煙。探測器響應(yīng)時間結(jié)果：紅外雙波段及圖像型火災(zāi)探測器均在20 s以內(nèi)報警，其中圖像型火災(zāi)探測器在11 s以內(nèi)報警。煙霧探測器一般能在1 min以內(nèi)預(yù)警，紅外光束比點型煙感晚預(yù)警10 s以上，這是因為空間不足夠高大的結(jié)果，越高大的空間光束型感煙探測器相比于點型感煙探測器越有優(yōu)勢。煙霧信號與火災(zāi)圖像信息相結(jié)合具有良好的報警結(jié)果。

電路火的4組試驗報警時間相差較大，原因是短路引燃火災(zāi)隨機性較強，有時伴隨明火有時只有煙霧。一致現(xiàn)象如下：電纜的絕緣外皮首先開始融化并產(chǎn)生灰色煙霧，當融化成液體狀態(tài)后可能產(chǎn)生明火出。因短路現(xiàn)象不穩(wěn)定，有時無明火出現(xiàn)但是已經(jīng)在陰燃階段，具有很大的火災(zāi)發(fā)生隱患。探測器響應(yīng)時間結(jié)果：工況5第2組試驗無明火出現(xiàn)，火焰探測器未報警，其他組試驗感煙探測器與火焰探測器報警時間差距不大，鑒于在無明火的情況下煙霧探測器依然能預(yù)警的優(yōu)勢，電氣火應(yīng)首先考慮感煙探測器。

隱蔽火在初期發(fā)展階段只產(chǎn)生少量的白色煙霧，進一步發(fā)展火焰越來越高，可以冒出垃圾桶上方20 cm，伴隨著大量白色煙霧，整個過程只露出半個火焰形狀?；馂?zāi)探測器響應(yīng)行為：因為只露出部分火焰的情況，紅外雙波段探測器比圖像型探測器更可靠，圖像型火災(zāi)探測器均未預(yù)警。另外，煙霧探測器均在90～120 s左右的時間預(yù)警，對探測隱蔽火不可或缺，煙霧探測器在探測陰燃火或者隱蔽火均有獨特的優(yōu)勢。

試驗的過程圖片和各探測器的報警結(jié)果見圖4、5。

圖4 火災(zāi)探測試驗過程記錄

3.2 試驗結(jié)果分析

當明火出現(xiàn)時，圖像型和紅外雙波段火焰探測器響應(yīng)很快，無論高位低位，只要在其探測覆蓋范圍內(nèi)，預(yù)警時間短且恒定。在無明火階段，例如：電路短路和隱蔽的火災(zāi)，前期無明火或火焰形狀不完全，火焰型探測器報警時間最晚甚至不報警。郵輪影院空間中宜選用感煙型與圖像型火災(zāi)探測器聯(lián)動探測預(yù)警。圖像型對明火響應(yīng)時間早，但對電氣短路等引燃火、隱蔽火探測能力不足，由感煙設(shè)備補充。

聯(lián)動探測系統(tǒng)采用至少兩種火災(zāi)探測設(shè)備，通過探測不同的物理信息報警，即使某探測器損壞探測系統(tǒng)依然可以正常工作，具有較高的可靠度；報警系統(tǒng)閾值的設(shè)置為FSS Code等規(guī)范規(guī)定的最低閾值，試驗中最不利的電路火也在3 min的時間報警，可以實現(xiàn)極早期預(yù)警。

圖5 火災(zāi)聯(lián)動系統(tǒng)報警時間試驗結(jié)果

4 結(jié)論

1)4種工況下聯(lián)動探測系統(tǒng)具有較高的有效性，避免了單一探測器系統(tǒng)誤報率高、閾值較高預(yù)警時間長的缺點。

2)8種工況下聯(lián)動探測系統(tǒng)中的圖像探測器為主導(dǎo)探測器，在實際工程中需保證該探測器的可靠性。

3)郵輪高大空間的探測器選型建議為火焰探測器和煙感探測器，火焰探測器建議使用圖像型探測器，煙感建議選用吸氣式和紅外光束感煙探測器。