舰艇火灾危险性评估研究

李明宸，董文洪，赵元立

（海军航空工程学院 a.研究生管理大队；b.指挥系，山东 烟台 264001）

火灾是危害舰艇安全的一项重大隐患，相当多的事例已经说明我们需要对舰艇火灾的危险性有清醒的认识，才能在意外发生后做出及时正确的处置。国内外就火灾危险性的研究已经达到了一定高度，取得了相当的成果，但研究多集中在对陆地建筑火灾的评估上，针对舰艇火灾的危险性评估由于先前认识不足，加之研究试验成本过高等原因并没有大面积的开展，直到上个世纪80年代英国最先进的“谢菲尔德”号驱逐舰因火势蔓延而沉没，这一事件使得各国意识到开展对舰艇火灾危险性评估的重要性。

经过多年的发展，国际上目前已经形成了几类常用的舰艇火灾危险性评估方法：安全表法、火灾模化法和综合评估法等。国内的研究起步较晚还没有形成完整的舰艇火灾危险性评估体系，对舰艇火灾模型的研究主要是在成熟的建筑物火灾模型的基础上进行改进完善，尚存在许多问题有待进一步的研究[1]。本文所用到的舰艇火灾阶段危险性评估模型就是这样一种建筑火灾模型在舰艇环境下的改良应用。会议室是舰艇生活舱室中布局最典型的一类，所以本文以某型舰艇会议室火灾为例，用以说明火灾阶段危险性评估模型的适用性。

1 火灾阶段危险性评估模型

对火灾危险性进行阶段评估，可以明确具体舱室在发生火灾后不同阶段的燃烧和损失情况，同时也为消防方案预案的制定提供相应的依据，为平时的消防安全管理工作提供参照。

1.1 火灾发展阶段划分

舰艇火灾从发生、发展、蔓延的角度讲可以被划分为6个阶段：

阶段1是指从着火到能够被舰艇内人员使用灭火器扑灭的阶段。

阶段2是指舰员使用灭火器扑救失败，导致火势继续发展的阶段。

阶段3是指舰员使用消防栓灭火失败，火灾没有得到遏制而继续发展到轰燃的阶段。

阶段4是指轰燃后起火舱室内所有可燃物都开始燃烧，由于起火舱室分隔墙和防火门的作用使得火被限制在起火舱室内的阶段。

阶段5是指火灾持续时间超过分隔墙或防火门的耐火时间，导致火灾蔓延至相邻舱室的阶段。

阶段6是指火势已经蔓延至起火舱室所在的整个防火分区。

1.2 临界时间确定

1.2.1 阶段1的临界时间

由于到达轰燃之前火灾的热释放速率是随时间呈指数型增长的，即：

根据有关研究[2]认为，在火源的热释放速率没有超过950 kW的时候，火灾可以被灭火器扑灭，此时就是阶段1的临界时间：

式中，火灾成长因子：

其中：fα为可燃物载荷密度影响因素；mα为内墙面装修材料可燃等级因素。

如果热释放速率达到950 kW的时间长于烟气层高度下降到对人体构成危险的时间，则临界时间应取小者：

1.2.2 阶段2的临界时间

烟气层温度为：

式中：Z为烟气羽流离地面高度；Z0为火源的高度；Ta为Z 高度处周围空气的绝对温度；ρa为Z 高度处空气密度；Cp为Z 处的空气比热；Qc为火源总热释放速率Q的对流部分，Qc=0.7Q；C5为常数等于9.1。

烟气层高度方程为：

式中：wA为舱室开口面积。

阶段2的临界时间指火灾环境达到可对舱室内人员造成严重伤害的临界危险状态时间。

1.2.3 阶段3的临界时间

影响轰燃的因素主要有房间的面积、房间通风等，一般认为烟气层温度达到600℃是发生轰燃的临界温度[3-4]，舱室轰燃的临界热释放速率可表达为：

式中：TA为着火舱室总面积；Hw为开口高度。

将式(1)与式(9)联立就可得出阶段3的临界时间Tph3。

1.2.4 阶段4的临界时间

一般选取隔墙或门的极限耐火时间作为这一阶段的临界时间Tph4。可以通过比较火灾持续时间 tdur与Tph4的大小来确定火灾是否会发展到下一阶段。

当tdur＞Tph4时火势会蔓延到临近的舱室，此时的火灾发展将进入到阶段5。

1.2.5 阶段5、6的临界时间

阶段5的临界时间是指火势已经蔓延出起火舱室并引燃四周相邻舱室所用时，此时可以认为分区内火势已经失控，人员需要撤离出防火分区，并封闭分区施放灭火剂。

阶段6的临界时间是指火灾使整个分区轰燃的时间。

1.3 预计烧毁面积

火灾对舰艇的损害能够直接的通过烧毁面积表示，下式就是火灾发展各个阶段烧毁面积的表达式：

2 模型计算

现以某舰会议室为例进行火灾阶段危险性评估。由于阶段5、6过程相当复杂，这里只就阶段1～4 进行评估计算。

2.1 舱室介绍

会议室长7.0 m，宽4.2 m，高2.8 m，面积29.4 m2，房间内物品数量和单位热值见表1：

表1 会议室物品及其单位热值表

另外舱室有镶嵌玻璃的铝合金对开门（并非防火门），高为1.8 m、宽为1.2 m；3 扇舷窗，每扇面积0.9 m2；且室内没有安装火警报警系统和消防灭火系统。

2.2 火灾阶段危险性评估

由式(6)得火灾载荷密度 q=506.46 MJ/m2，αf=0.083 66 kW/s2，取墙面装修材料等级为A级[2]，则α=0.087 16 kW/s2，属于快速型火灾[5]。将式(1)与式(10)联立，参数取 AT=121.52 m2，Aw=2.43 m2，Hw=1.8 m。得热释放速率随时间变化：

上式中取λ=0.089 58，t降=156 s，热释放速率随时间的变化曲线如图1所示。

图1 会议室火灾热释放速率曲线

阶段1时：t950=104.4 s。

阶段2时：将式(1)和式(7)联立，且取aT=294 K，g=9.8 m/s2，aρ=1.161 4 kg/m3，Cp=1.007 kJ/kgK，Z=2.8 m，Z0=0.5 m，得烟气层温度随时间变化：

烟气层温度随时间变化曲线如图2所示。

图2 会议室火灾烟气温度曲线

由相关规定可知，机械通风在此种舰艇上是被禁止的，所以式(8)中Ve项为0，且可以近似将ρs值取为aρ，得烟气层高度随时间变化：

烟气层高度随时间变化曲线如图3所示。

当烟气层降低到人眼的危险高度Z=1.5 m时，用时 theight=12.33 s。显然，theight＜t950，则Tph1=theight=12.33 s，那么Tph2=t950=104.4 s，且Tph3=158.157 s。

舱室内大部分可燃物为木材、纤维板、胶合板，其单位热值为17～20 MJ/kg，取平均值18.5 MJ/kg可得火灾载荷 qf=27.376 kg/m2，那么 tdur=44.7 min。由于会议室的门是嵌有玻璃的，玻璃在房间发生快速火灾轰燃30～60 s后会破裂[5]，这里，T耐火=60 s。则Tph4=Tph3+T耐火=2 18.157 s＜tdur，阶段4后期高温烟气将会通过破碎的门玻璃使火势蔓延出舱室。

图3 会议室火灾烟气层高度曲线

根据上面计算结果，Tph4时火灾蔓延出舱室，烧毁面积就是舱室面积 29.4 m2，由式(12)得ν=0.014 m/s，从而可得各阶段临界时间和预计烧毁面积的表格和曲线形式如表2、图4所示：

表2 临界时间和烧毁面积

图4 会议室火灾预计烧毁面积曲线

3 评估结果分析

上述计算作为危险性评估的一个部分提供了火灾发展的可能状态，评估工作更为重要的部分则是针对可能出现的状态给出用以降低危险的相应解决办法，从而为以后舰艇的消防安全管理工作提供根据和指导。

式(1)中的t0是指火在有效燃烧之前的时间，也即火警系统的报警时间，经统计认为此时间在60 s左右[2]。然而这一会议室并没有安装火警报警系统，火警警报只能由舰员发出，而舰员发现火情的时间又不定，在对该舰火灾响应时间作规定时应该以有火警系统的响应时间而定，即损管队员应该在响应时间 ta≈t0+t950=164.4 s=2.74 min（这里取整数），也就是ta=2 min 之前携装赶往起火舱室灭火。

本案中会议室没有消防灭火系统，导致在火灾阶段3中不能够通过灭火系统将火势控制住甚至熄灭。因此早在听到火警报警之初，就应该有舰员分别备便消防泵和水龙带，在火灾阶段1 用灭火器救火不奏效后马上换用水龙带灭火，而不应该再死板地照搬程序步骤，以争取在火灾发展到阶段2的临界时间 t950之前控制住火势。

而如果会议室预装有灭火系统，比如装有喷淋系统时火灾的热释放速率将会以另外一种形式呈现。根据NIST给出的一个计算具有自动水喷淋系统的单室内火灾热释放速率的方法：

在水喷淋强度w′=8 L/min⋅m2=0.133 mm/s，系统动作时间为tact=120 s的热释放速率曲线如下图粗虚线部分，可见灭火系统对发展到轰燃之前的火灾有显著的抑制作用，如图5粗虚线部分所示。

图5 喷淋作用下的火灾热释放速率曲线

火灾发展到轰燃之后由于Tph4＜tdur火灾会在烧毁室门后蔓延到通道。根据文献[6]火灾已蔓延至临舱的判据为：

1）起火舱室烟气层的最高温度 θmax≥480℃；

2）邻舱烟气层的最高温度tθ ≥220℃。

可以认为如果不采取措施，在舱室火灾达到轰燃之前，火势就已经通过高温隔墙的辐射作用蔓延至临舱了。所以在灭火过程中要及时对相邻舱室的墙壁进行冷却以减少火灾蔓延的可能。

情况1：在其他舱室门都关闭的情况下，也就是无人冷却临舱，高温会通过舱壁在Tph4之前就将临舱引燃。

情况2：在有人冷却临舱的情况下，临舱防火门将打开，高温烟气会通过通道进入临舱，由火灾蔓延的判据此时的Tcp=862.614℃将使tθ ≥220℃，也会使临舱着火。

情况3：在人员努力地为临近舱室甲板降温后，起火室通道对面的舱室由于通道顶棚的燃烧即便有防火门的情况下仍然会通过钢制隔墙导入大量的热，使其室内温度逐渐大于着火的临界条件，最终室内可燃物也将被引燃。

通过以上情况的分析，我们了解到，一旦会议室着火如果火势不能够在Tph2=t950=104.4 s 之前得到有效控制，那么火灾一定会通过轰燃过程得以蔓延，并进而发展成为能够烧毁整个防火分区危害全舰安全的大火[7]。

4 结论

1）要求会议室火警响应时间短。要求舰艇的火警响应时间 ta足够短，经上述分析要求 ta≤2 min。

2）会议室也应该装有火警监控系统。建议安装红外成像报警器或其他非烟感报警器以提高火灾扑救的成功率。

3）会议室应该装有灭火系统。若能及时封舱并启动灭火系统，火势将会得以控制甚至是能够熄灭。

4）舰艇的舱室门都应该使用防火门。在冷却工作做得足够好的情况下，墙壁和门的耐火性就决定了火灾是否会发展蔓延到其他舱室，0.9 h的耐火时间也能够使火灾限制在本舱室而不向外蔓延。[8]

5）人员应该加强针对性的消防演练训练。演练要有针对性，对于会议室的快速型火灾要注重灭火效果。

[1]卢悦,迟卫,石侃.船舶火灾危险性评估技术现状与研究展望[J].中国航海,2008,9(3)∶272-275.

[2]范维澄,孙金华,陆守香.火灾风险评估方法学[M].北京∶科学出版社,2004.

[3]PEACOCK RD,RENEKE RA,BUKOWSKI.Definding flash over for fire hazard calculations[J].Fire Safety Journal,1999,32∶331-345.

[4]BABRAUSKAS V,PEAEOCK RD,RENEKE PA.Defining flash over for fire hazard calculations∶part[J].Fire Safety Journal,2003,38∶613-622.

[5]BSI DD240.Fire Safety Engineering in Buildongs[S].London British Standards Institution,1997.

[6]蔡一轮,浦金云.多种武器攻击下舰艇火灾危险性评估模型[J].海军工程大学学报,2004,16(1)∶99-102.

[7]马明初,杨志青,仲晨华.用区域模拟方法评估舰艇火灾危险性[J].武汉理工大学学报,2006,30(3)∶512-515.

[8]刘合发,刘坤,李云霞,等.消防安全基础读本[M].北京∶中国石化出版社,2009.