胡衛(wèi)國，鄧茹鳳，薛寒寒，宋武帥

(中國船舶集團(tuán)有限公司第七一三研究所 鄭州市特種場(chǎng)所火災(zāi)防護(hù)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鄭州 450015)

艦船上存在諸多可能積聚可燃性或爆炸性氣體或氣體混合物的小型密閉區(qū)域，如油漆間、乙炔間、蓄電池室、彈藥貯存區(qū)域、燃油或易燃?xì)怏w容器及管路等。一旦出現(xiàn)泄漏等引起可燃?xì)怏w聚集，極易引起爆燃事故，嚴(yán)重威脅艦船設(shè)備及人員安全。針對(duì)艦船結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及密閉艙室的快速滅火抑爆需求，設(shè)計(jì)一種快速滅火抑爆裝置，裝置采用高壓氣瓶裝載藥劑，并用電爆管爆炸開啟，能在百毫秒量級(jí)時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)滅火抑爆處置。

1 快速滅火抑爆裝置設(shè)計(jì)

1.1 整體結(jié)構(gòu)

快速滅火抑爆裝置主要由鋼瓶、瓶頭閥、滅火劑、加壓氣體及安裝支架等組成，外形結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 快速滅火抑爆裝置外形結(jié)構(gòu)

瓶頭閥螺接在鋼瓶上，通過密封圈和密封膠實(shí)現(xiàn)接口處的長(zhǎng)效密封。充裝設(shè)定劑量的滅火劑，并通過充裝惰性氣體進(jìn)行加壓貯存，藥劑充裝后采用倒置模式貯存來保障滅火劑的可靠密封和快速釋放，并通過安裝支架固定在被防護(hù)區(qū)域內(nèi)壁上。

1.2 工作原理

快速滅火抑爆裝置內(nèi)充裝有設(shè)定劑量的滅火劑，并用高壓惰性氣體加壓，瓶口朝下倒裝在防護(hù)區(qū)域內(nèi)。裝置上設(shè)置有壓力開關(guān)和點(diǎn)火器，電控系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置內(nèi)的壓力，并及時(shí)發(fā)出低壓報(bào)警信號(hào)提醒工作人員檢修或充裝滅火劑；當(dāng)電控系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到防護(hù)區(qū)域發(fā)生可燃?xì)怏w聚集引起爆燃或爆炸時(shí)，會(huì)發(fā)出啟動(dòng)滅火抑爆裝置的指令，點(diǎn)火器通電后引爆產(chǎn)生爆壓驅(qū)動(dòng)快速滅火抑爆裝置快速開啟，瓶?jī)?nèi)滅火劑在瓶底高壓惰性氣體作用下立即噴出，并迅速汽化達(dá)到設(shè)定滅火或抑爆濃度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)抑制火災(zāi)或爆炸的功能。

快速滅火抑爆裝置的容積大小、滅火劑種類、充裝壓力可根據(jù)被防護(hù)區(qū)域的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、空間大小及貯存物資特性等進(jìn)行靈活設(shè)計(jì)，當(dāng)設(shè)計(jì)參數(shù)固化后可根據(jù)防護(hù)區(qū)域的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及空間大小等靈活考慮進(jìn)行單獨(dú)或多個(gè)組合配置。

1.3 瓶頭閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

瓶頭閥是快速滅火抑爆裝置的關(guān)鍵核心部件，值守狀態(tài)下要保持裝置內(nèi)貯存滅火劑的壓力穩(wěn)定及密封可靠性，當(dāng)接收到驅(qū)動(dòng)信號(hào)后能快速、可靠開啟，并迅速將滅火劑噴出釋放及汽化。

瓶頭閥主要由閥體、閥芯、密封圈、壓緊裝置、充壓裝置、泄壓裝置、壓力開關(guān)、限位蓋、點(diǎn)火器、活塞等組成。

閥體上開設(shè)有充裝接口、泄放接口、壓力反饋接口，分別用于安裝充壓裝置、泄放裝置及壓力開關(guān)，各接口均采用螺紋配合。充壓裝置的功能是充裝滅火劑及用惰性氣體加壓，泄放裝置的功能是內(nèi)部壓力異常升高超過設(shè)定閾值后進(jìn)行超壓泄放保護(hù)，壓力開關(guān)的功能是反饋滅火劑泄放或低壓報(bào)警信號(hào)，泄放裝置和壓力開關(guān)共用壓力通道；壓緊裝置將密封圈壓緊固定在閥芯上形成一個(gè)整體，通過導(dǎo)向槽放置到位后，旋轉(zhuǎn)一定角度卡在閥體的卡槽內(nèi)，充裝惰性氣體后瓶?jī)?nèi)高壓將閥芯壓緊在卡槽面上；閥體上開設(shè)有電爆腔、活塞腔及排氣孔，點(diǎn)火器安裝在電爆腔內(nèi)，緩沖墊、活塞桿、螺塞由內(nèi)而外分別安裝在活塞腔內(nèi)，點(diǎn)火器收到上級(jí)系統(tǒng)發(fā)出的啟動(dòng)指令后通電引爆，產(chǎn)生的爆壓推動(dòng)活塞撞擊閥芯使其快速轉(zhuǎn)動(dòng)至導(dǎo)向槽位置，閥芯在瓶?jī)?nèi)高壓作用下沿導(dǎo)向槽快速滑出至限位蓋處，瓶?jī)?nèi)滅火劑在瓶底高壓惰性氣體作用下快速噴出并汽化；限位蓋通過螺紋配合緊固在閥體端部，其主要功能是承受閥芯在瓶?jī)?nèi)高壓作用下的沖擊力并阻止閥芯從瓶口飛出。

1.4 滅火劑選擇

鹵代烷1211、1301滅火劑具有化學(xué)性能穩(wěn)定、抑爆效能高、電絕緣性能好、腐蝕性小、用量少等優(yōu)點(diǎn)，曾在艦船消防系統(tǒng)中廣泛使用，但對(duì)臭氧層具有破壞作用，國際上已逐步淘汰使用該滅火劑。目前國內(nèi)外都在開發(fā)新型環(huán)保滅火劑，如細(xì)水霧、超細(xì)干粉及全氟己酮等，不僅對(duì)人體無害，對(duì)臭氧成耗減值為零，且在有限密閉空間內(nèi)滅火效能良好。鹵代烷1301不僅有良好的滅火能力，還具有優(yōu)越的抑爆性能，因此艦船上部分易發(fā)生爆燃、爆炸事故的特殊艙室，仍選用鹵代烷1301作為滅火劑進(jìn)行滅火抑爆，最大程度保障艙內(nèi)設(shè)備及人員安全。

2 設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算及分析

2.1 設(shè)計(jì)參數(shù)分析

可燃?xì)怏w發(fā)生爆燃或爆炸可瞬間充滿整個(gè)艙室，因此快速滅火抑爆裝置在收到啟動(dòng)指令后必須在極短時(shí)間內(nèi)完成開啟、釋放、汽化并達(dá)到滅火及抑爆濃度，方可有效抑制災(zāi)害擴(kuò)展。

開啟時(shí)間、鋼瓶直徑、瓶口尺寸，以及充裝壓力等參數(shù)是技術(shù)指標(biāo)的直接影響因素。開啟時(shí)間由點(diǎn)火器啟爆時(shí)間和瓶頭閥開啟時(shí)間兩部分組成；鋼瓶設(shè)計(jì)參數(shù)中，應(yīng)首先確定滅火劑充裝量及充裝密度，鋼瓶容積取滅火劑充裝體積的約2.5倍，鋼瓶直徑根據(jù)其容量按常規(guī)鋼瓶尺寸進(jìn)行選取，鋼瓶材料和厚度可根據(jù)滅火劑種類及材料強(qiáng)度計(jì)算得到；充裝壓力按滅火裝置常用壓力較大值進(jìn)行選取。

2.2 滅火劑用量設(shè)計(jì)計(jì)算

假設(shè)某防護(hù)區(qū)域艙室容積為60 m，滅火劑選用鹵代烷1301，設(shè)計(jì)惰化濃度或設(shè)計(jì)滅火濃度分別選8%和5% ，滅火劑用量下式進(jìn)行計(jì)算。

(1)

式中：為防護(hù)區(qū)設(shè)計(jì)用量，kg；為為滅火劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；為防護(hù)區(qū)凈容積；為防護(hù)區(qū)最低溫度下氣體滅火劑蒸氣比容，m/kg。

由式(1)計(jì)算得到防護(hù)區(qū)滅火劑滅火或抑爆的設(shè)計(jì)用量見表1。

表1 滅火抑爆裝置參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)滅火劑設(shè)計(jì)用量，計(jì)算確定鋼瓶的數(shù)量，計(jì)算時(shí)應(yīng)充分考慮安全裕量。此外，當(dāng)被防護(hù)區(qū)域的可靠性要求較高時(shí)，可按1主1備進(jìn)行配置，緊急情況下當(dāng)某一滅火抑爆瓶出現(xiàn)故障時(shí)，另一備份瓶作為自動(dòng)增援使用。

2.3 開啟時(shí)間及強(qiáng)度校核

點(diǎn)火器通電啟爆可在電爆腔內(nèi)瞬間產(chǎn)生10～18 MPa的高壓，根據(jù)瓶頭閥的結(jié)構(gòu)構(gòu)造及工作機(jī)理可知，活塞為爆壓沖擊的直接承壓元件，其強(qiáng)度決定了瓶頭閥能否安全可靠的開啟，因此需通過有限元軟件對(duì)其在18 MPa壓力下的強(qiáng)度進(jìn)行校核。如圖2所示，活塞最大應(yīng)力約為60 MPa，常用鋼制桿件均能滿足該強(qiáng)度要求，因此材料選用馬氏體不銹鋼并進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理。

圖2 活塞應(yīng)力云圖

根據(jù)點(diǎn)火器技術(shù)說明書，其啟爆時(shí)間約為5 ms，活塞有效行程為12 mm，活塞端部直徑取18 mm，根據(jù)計(jì)算得知點(diǎn)火器啟爆及瓶頭閥的開啟時(shí)間合計(jì)約為16 ms。

2.4 鋼瓶設(shè)計(jì)參數(shù)分析

將快速滅火抑爆裝置的響應(yīng)時(shí)間指標(biāo)進(jìn)行初步分解，瓶頭閥開啟后，滅火劑從鋼瓶?jī)?nèi)全部噴出的時(shí)間應(yīng)<100 ms，裝置釋放口處需滿足下式。

(2)

式中：為滅火劑質(zhì)量；為滅火劑密度；為釋放口滅火劑釋放速度；為釋放口尺寸；為釋放時(shí)間。

釋放過程還滿足質(zhì)量守恒：

(3)

式中：為劑瓶?jī)?nèi)滅火劑下降速度；為滅火劑瓶?jī)?nèi)徑。

忽略重力的影響，由伯努利方程可知

(4)

式中：抑滅火劑瓶?jī)?nèi)壓力；滅火劑瓶是釋放口處壓力。

聯(lián)立式(2)(3)(4)，代入相關(guān)參數(shù)可得瓶口理論尺寸，安全系數(shù)取1.2，由此計(jì)算出釋放口的最終尺寸。

2.5 滅火劑釋放時(shí)間計(jì)算

依據(jù)前述鋼瓶設(shè)計(jì)參數(shù)分析，對(duì)滅火劑釋放時(shí)間進(jìn)行校核計(jì)算，得出在不同鋼瓶?jī)?nèi)徑及充裝壓力時(shí)的釋放時(shí)間見表2。

表2 滅火劑理論釋放時(shí)間

由表2可以看出，瓶?jī)?nèi)直徑對(duì)釋放時(shí)間和釋放速度幾乎沒有影響，綜合考慮滅火劑瓶在艙室中占用空間的，最終選取300 mm內(nèi)徑的無縫鋼瓶；釋放口直徑為48 mm，釋放口壓力為0.1 MPa，瓶?jī)?nèi)壓力在2.1～4.2 MPa范圍內(nèi)時(shí)，理論釋放時(shí)間在78～110 ms之間。

若滅火劑有效釋放按照瓶?jī)?nèi)剩余量小于5%來計(jì)算，當(dāng)噴口直徑為48 mm時(shí)，有效釋放時(shí)間約為78 ms；此外，點(diǎn)火器啟爆及瓶頭閥開啟時(shí)間共需要16 ms。因此，研制的快速滅火抑爆裝置的理論動(dòng)作時(shí)間約為94 ms。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)果分析

通過搭建試驗(yàn)工裝，對(duì)研制的快速滅火抑爆裝置的開啟可靠性、響應(yīng)快速性及計(jì)算準(zhǔn)確性等進(jìn)行驗(yàn)證。

3.1 試驗(yàn)方案

鑒于點(diǎn)火器、滅火劑成本高昂，且對(duì)環(huán)境有破壞作用，綜合考慮經(jīng)濟(jì)性及環(huán)境影響，驗(yàn)證試驗(yàn)分兩個(gè)階段進(jìn)行：前期可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)用高壓氣動(dòng)開啟取代點(diǎn)火器電爆開啟，用自來水取代滅火劑進(jìn)行充裝，可靠性驗(yàn)證充分后再真實(shí)填充滅火劑并用點(diǎn)火器啟爆進(jìn)行滅火試驗(yàn)。

3.2 開啟可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證

將快速滅火抑爆裝置樣機(jī)組裝完畢，按照設(shè)定滅火劑劑量同等充裝體積在鋼瓶?jī)?nèi)充裝自來水，并加壓至4.2 MPa，點(diǎn)火器連接口通過氣動(dòng)軟管與高壓氣瓶連接，氣瓶壓力取點(diǎn)火器啟爆壓力的下限值12 MPa。試驗(yàn)50次，觀察每次試驗(yàn)后快速滅火抑爆裝置的開啟情況，每連續(xù)試驗(yàn)10次后對(duì)活塞、閥芯等零件的尺寸及配合狀態(tài)進(jìn)行檢查。

3.3 滅火試驗(yàn)及時(shí)間檢測(cè)

按照實(shí)際艙室搭建一個(gè)約60 m的相對(duì)封閉空間，并打開一扇門用于換氣、排煙及攝影，在底部中心區(qū)域放置一個(gè)火盆，在快速滅火抑爆裝置內(nèi)充裝設(shè)定劑量滅火劑，用氮?dú)饧訅褐?.2 MPa，將其倒置固定在側(cè)壁上，并用高速攝像機(jī)進(jìn)行全程拍攝。將點(diǎn)火器及壓力開關(guān)與模擬電控系統(tǒng)連接，當(dāng)火盆內(nèi)正庚烷充分燃燒后，電控系統(tǒng)發(fā)出啟動(dòng)指令將點(diǎn)火器引爆，用示波器測(cè)量啟動(dòng)指令發(fā)出至壓力開關(guān)信號(hào)反饋之間的時(shí)間間隔。連續(xù)試驗(yàn)3次，觀察并記錄快速滅火抑爆裝置的動(dòng)作時(shí)間及滅火效果。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果

開啟可靠性試驗(yàn)中，采用自來水代替滅火劑并采用高壓氣動(dòng)開啟方案，連續(xù)試驗(yàn)50次，均能成功開啟。每連續(xù)進(jìn)行10次試驗(yàn)后，對(duì)活塞、閥芯進(jìn)行尺寸及配合狀態(tài)檢查，試驗(yàn)場(chǎng)景見圖3，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 開啟可靠性試驗(yàn)結(jié)果

圖3 開啟可靠性試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

連續(xù)進(jìn)行3次滅火試驗(yàn)，快速滅火抑爆裝置均能可靠開啟，啟動(dòng)信號(hào)發(fā)出50 ms后滅火劑將火盆熄滅且不復(fù)燃，從電控系統(tǒng)發(fā)出啟動(dòng)指令至壓力開關(guān)信號(hào)反饋之間的最大時(shí)間間隔為152 ms。滅火試驗(yàn)場(chǎng)景及效果見圖4，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 滅火試驗(yàn)及時(shí)間記錄

圖4 滅火試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)及不同時(shí)刻場(chǎng)景

4 結(jié)論

1)快速滅火抑爆裝置利用電爆管驅(qū)動(dòng)、高壓氣瓶充裝惰性氣體及氣瓶倒置模式等方法實(shí)現(xiàn)該裝置的快速開啟、安全貯存及可靠密封。

2)通過對(duì)快速滅火抑爆裝置的開啟時(shí)間、鋼瓶直徑、瓶口尺寸及充裝壓力等參數(shù)計(jì)算及分析，證明該裝置可以在百毫秒級(jí)內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速開啟、藥劑釋放、藥劑汽化。

3)經(jīng)過試驗(yàn)表明，該快速滅火抑爆裝置應(yīng)用到艦船上，能夠滿足小型密閉艙室內(nèi)的快速滅火抑爆需求，并能多次循環(huán)使用。

4)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、參數(shù)分析及計(jì)算方法可供類似小型密閉場(chǎng)所內(nèi)消防處置裝置的設(shè)計(jì)參考。