舰船舱室防火设计研究

赵健（海军驻上海地区舰炮系统军事代表室 上海 200135）

凌纯（海军驻江南造船（集团）有限责任公司代表室 上海 201913）

舰船舱室防火设计研究

赵健（海军驻上海地区舰炮系统军事代表室 上海 200135）

凌纯（海军驻江南造船（集团）有限责任公司代表室 上海 201913）

结构防火;防火分隔;大型舱室

主要研究舰船的防火设计，着重于舰船大型舱室在进行防火设计时所遇到的防火分隔设置这一问题。主要目的是对大型舱室的防火分隔进行设计，通过火灾模拟程序模拟计算，提出最优设计方案，使防火费效比达到最佳。

0 引言

对于舰艇来说，威胁其生命力的一个极重要因素就是舰船火灾。不论在和平时期还是战争时期，火灾都是舰船面临的主要危险之一，它严重危及舰船的安全和舰员的生命。以1982年英阿马岛海战为例，海战中，阿军向英军舰船共发射了五枚导弹，其中有4枚命中，都引起了火灾。按命中导弹数计算，起火概率高达100%。而且英军损失的五艘军舰中有四艘就是由于火灾原因造成的。资料表明，舰船遭破坏的类型已从二次世界大战中的以不沉性的丧失或减少为主转变为以火灾爆炸为主，舰船防火防爆在舰船生命力诸要素中已成为主要矛盾；良好的防火防爆性能已成为舰船安全性能的重要保障。

本文针对舰船防火设计中大型舱室的分隔问题展开研究，简要介绍了舰船防火设计的一般原则和方法，分析了舰船火灾不同于陆地火灾和一般民用船舶火灾的特点，提出了舰船防火设计最基本的原则——结构防火，最后以某型舰船舱室的防火分隔设计为例，介绍了舰船大型舱室进行防火分隔设计的一般方法和步骤。

1 舰船防火设计的一般原则和方法

1.1 舰船防火设计的一般原则

控制舰船火灾的根本方法是加强舰船的消防能力，标准中规定：舰船本身应具有的防止起火、起火后能即时探测报警并扑灭火灾、在火灾中人员能自防自救等能力，即舰船的消防能力。具体的说，舰船消防能力应包括以下六个方面：防火能力；防爆能力；探火报警能力；灭火能力；排烟能力；人员消防防护能力。在这六个方面中，最重要的是舰船的防火能力。

舰船的消防能力主要体现在舰船防火设计，舰船消防工作所应遵循的总原则是“以防为主、消防结合”，这是人们长期以来与火灾作斗争的经验总结。具体到舰船结构设计方面，就主要是舰船防火结构的优化设计。防火结构设计应遵循下列原则：

（1）防火结构布置的合理性；

（2）防火结构防火的有效性；

（3）防火结构要具有良好的可靠性和维修性；

（4）防火结构的设置要有利于各武器系统战斗力的发挥；（5）防火结构的设置要有利于舰船人员的保护；（6）防火结构的设置应对舰船其他性能的影响最小。

1.2 结构防火方法的应用

规范和规则对海上人命安全，或者说对于防止船舶海难，主要是从预防、抑制和逃生三个方面提出要求。当然，这其中最重要的应是防患于未然的预防措施，即指船的总体性能（包括稳性、耐波性及操纵性）、船体强度和机电设备的可靠性能等。在预防火灾的众多措施中，最为有效和广泛应用的就是结构防火方法。国内外关于舰船消防理论的研究和大量舰艇火灾统计资料表明：在舰船上采用结构防火方法是预防和控制船舶火灾行之有效的科学方法。《国际海上人命安全公约》从1914年制定起，历经1948、1960到现行的1974年公约及其1981、1983年修正案，每次都把船舶结构防火列为重要内容。所谓结构防火方法，简单的说，就是在舰船上用防火材料建立起耐火分隔，使火灾无法蔓延进而扑灭的方法，这也是舰船防火设计的最基本原则。

随着市场经济的发展，中国年轻人的思想道德建设也面临着巨大的挑战。青少年在学习传统文化的过程中，可以从古人先进的思想文化中汲取先进的知识完善自己的知识系统。当代社会，青少年的学业压力过大，忽略了对自身思想道德和价值取向的建设。接受传统文化的教育与熏陶，不仅可以开拓视野，增加知识面，在丰富青少年精神内涵的同时也提高了思想境界。

本文研究的是舰船舱室的防火问题，主要集中在结构防火方面。由于现行规定一方面要求不全面，不能很好地支持实际的舰船设计与制造；另一方面其本身指标规定缺乏充分的依据。另外，现行规范对某些新型装备并无明确的规定，或其规定本身是借鉴民用船舶的设计规范，对军用舰船的指导性不强。本文主要针对最后一种情况，就某些新型舰船大型舱室的防火分隔问题展开讨论，以期有助于实际设计中对大型舱室的防火分隔设计。

2 大型舱室火灾特性分析

大型舱室的防火设计重点和难点在于：一方面，军用舰船本身具有不同于陆地火灾和民用船舶火灾的特殊性；另一方面，大型处所的防火分隔问题一直就是困扰消防设计人员的一个难点问题。两方面的要求结合起来，就要求我们在设计前首先要仔细分析军用舰船使命任务、火源载荷、活动环境、自身结构等特征对防火有何影响；其次要重点分析大型密闭环境下，舱室内温度上升、烟气流动等火灾特性；最后，在设计中还要随时注意借鉴民用消防新技术、新材料、新方法的应用。

舰船火灾的发生、发展是与舰船的活动环境及自身结构特征密不可分的，因此，有必要先对舰船的上述两方面特性有所了解，并考察一下这些结构特征对舰船的防火性能有何影响。

2.1 舰船的活动环境及自身特征

舰船是海军最重要的装备，是航行在茫茫大海上的活动战斗平台，其活动环境不外乎两种状态（见表1）。

表1 船舶的状态

资料显示［1］，舰船从战斗航行一直到进厂大修，都很容易遭受火灾的威胁。尽管航行途中，舰船的物质条件具有最高等级的被动式防火性能，但由于航行时条件恶劣，在风浪及各种因素的联合作用下，发生火灾的可能性还是很大。而在船厂大修时，尽管船厂采取了额外的防火措施，但由于各种人员、环境的意外因素，船舶还是特别容易发生火灾。

舰船作为水上活动平台，为了适应航行的需要，其外形特征有一些不同于一般结构物的显著特点：船体首部尖瘦，线形变化较大，体积、空间狭小；船体中部肥大，一般布置有较高的船楼，因此甲板层数较多；船体尾部趋于平坦，线形变化不大。船体外形的这些特点决定了在防火设计时，就必须考虑各部份的不同特点和防火要求，采用不同的防火分隔方法。

2.2 舰船特征对防火的影响

综合舰船各方面的特征，全面考虑对舰船防火性能的利弊，对一些舰船的特殊结构、特殊舱室有如下分析：

（1）舰船火灾中一个很重要的类型就是密闭舱室的火灾，这是由舰船舱室的水密性能所决定的。因此，对舰船密闭舱室的火灾过程及防治方法的研究就显得极为重要。文献在这一方面给出了详尽的计算模型和结果［2］。目前对于舰船密闭舱室的火灾扑救方法主要就是利用舱室密闭性好的特点，采取相应的措施。具体实施方法是，在火灾发生和发展的一定阶段，关闭全部通风口并施放灭火剂，抑制并最终扑灭火灾；

（2）大型舱室的防火。舰船的机舱部分，在作用上是全舰的动力中心，在结构上则体现典型大型舱室的特征。对某些特殊用途的舰船，也需要在防火主竖区内提供一个较大面积的舱室。大型舱室的防火设计，历来是舰船防火设计的重点和难点。但这方面的内容标准中没有明确的规定，只是概括的说：“不满足防火主竖区划分要求的舱室，应以纵舱壁作为防火区限界面，或采用经海军定货部门同意的能控制和限制火灾的其他等效设施来代替。”这就为执行规定提出了难度。如何设计才能既满足海军订货部门的同意和规范的要求，又能尽可能利用最优化方法来完成设计方案。这方面目前还处于探索阶段，因此，这也是本文着重论述的方面。

3 某型舰船舱室的防火分隔设计

某型舰船共设置有三类大型舱室，其中最大舱室总面积达2 000多平方米。如此巨大的舱室，大大超过了标准关于舰船防火主竖区设置的要求。但是，由于舱室功能的特殊性，我们在进行消防设计时，不可能在舱室内设置防火限界面以满足防火要求，这就要求我们对大型舱室的防火设计提出新的设计方案。具体来说，大型舱室结构防火设计的重点就是：在不破坏舱室整体性的前提下，设计有效、安全、价廉、可行的防火分隔，最大可能地减少火灾引起的危害。

大型舱室因其结构方向的特点，在火灾发生时，往往有着特殊的危险性，会给灭火工作带来极大的困难。如：长度特别长或高度非常高；大空间内空气量多，火灾可能性大；相邻舱室起火时，大空间内气体会与燃烧舱室内烟气发生交换，等等。因此研究大型舱室的防火防烟分隔具有重要的现实意义。

目前，大型处所的防火分隔在民用大型建筑中得到较多的应用，其主要方法有：钢质（复合）防火卷帘分隔、无机布基防火卷帘分隔、水幕分隔、气幕分隔等。本节所要做的工作就是在这些防火分隔方法中，通过计算机模拟计算，找到最适合舰船大型舱室的方法。

如前所述，该型舰船内共设置有三类大型舱室。下面就以其中一类舱室为例，简要介绍一下大型舱室防火分隔设计的主要方法和步骤。

在进行防火设计之前，首先要考虑设计的可行性。舱室的防火设计难点在于可供选择的分隔方案受到舱室结构的很大限制。根据相关数据可知，某型装备的顶端距舱室顶部的余量仅有20 cm。在这20 cm的空间内，布置钢质、无机布基防火卷帘都是不可能的了，因此，最可行的分隔方案就是设置水幕分隔。这里主要比较的是舱室不加水幕分隔和加水幕后两种方案的优劣。

3.1 舱室分隔方案

舱室的防火分隔设计，考虑到结构可行性，只有设置水幕分隔。为了保证某型装备完全处于独立的防火区内，所以拟沿舱室的长度方向设置三道水幕，把舱室均分为四部分。（布置图见图1）

图1 ××舱室分隔示意图

图1中水幕的具体位置为：第一道，99＃肋位前200 mm处；第二道，131＃肋位处；第三道，163＃肋位后200mm处。

在开始模拟计算前应先设置模拟方案，为了增加比较的普遍性，我们准备设置三种起火方案（包括单舱起火和两舱起火）。方案1，假设Ⅰ舱为起火源；方案2，假设Ⅱ舱起火；方案3，Ⅰ、Ⅱ同时起火。通过比较3项方案对起火舱、相邻舱的上层气体、下层气体、烟气流动的影响的效果不同，说明水幕分隔对热量、烟气阻隔的优点。

3.2 数学模拟模型

大型舱室的模型比较简单，即一个方腔，周围舱壁上有门窗或其他开口与外界相通，其中设置可燃物、起火源，采用区域模拟的方法计算方腔内火灾发展蔓延情况。大空间舱室火灾过程是一个三维非定常问题，可抽象为矩形空间内的燃烧所引起的自然对流问题。其空间结构可简化如图2。

图2 大空间舱室起火模型示意图

针对舱室的特点，选取的计算条件如下：

舱壁的导热系数：λ＝48W/(m℃)

火源最大释热速率：Q＝2.21×107kW

可燃物（油料）燃烧热：q＝4.42×107J/kg

钢材密度：ρ＝7 854 kg/m3

3.3 计算结果分析

本文所用的火灾模拟计算程序是由美国国家标准和技术研究所（National Institute of Standards and Technology）下属的建筑和火灾研究实验室（Building and Fire Research Laboratory）研制的FAST程序。该程序是研究火灾发生和烟气流动的各种模拟工具（包括较早期的C-FAST程序和新添加的FIREFORM程序）的综合，主要用于对建筑物火灾的工程计算和火灾现象研究。这里将舰船舱室假设为一个四面钢质的空腔，是为了简化边界条件和计算步骤，由此必然会引起计算结果与实际情况的偏差。由于本文只是对各种防火分隔方式进行比较，由此提出定性的最佳方案，并不涉及防火效能的具体数值，因此可以认为这样的简化假设是可以成立并且是有效的。

运用FAST程序进行模拟计算，我们选择三个重要参数作为比较对象：起火舱气体温度；相邻舱气体温度；起火舱和相邻舱的烟气流动情况。通过比较不加水幕和增加水幕分隔两种情况下以上三个变量的变化曲线，我们可以得出以下结论：在××舱室内宽度方向上设置水幕分隔后，可以有效地阻隔热量和烟气的传递。在舱室结构限制的条件下，采用水幕分隔实现防火目的是目前唯一可行且有效的方法。

4 结语

舰船火灾现已日益得到舰艇设计、使用部门的重视。作为和平时期军舰面临的重大灾害之一，舰船火灾带来的损失巨大，后果极为严重。进行舰船火灾研究，提高舰船防火能力，以增强舰船生命力，是舰船设计研究工作的重要组成部分，也是提高舰船战斗力的重要保证。

［1］何崇德译.船舶防火安全性的评价方法论［J］.国外舰船工程.1998（3）.

［2］董华，范维澄.船舶密闭舱室火灾过程及其模拟计算［J］.计算力学学报.Vol.15 No.1.

［3］中华人民共和国国家军用标准［J］.GJB868-91《舰船消防要求》.

［4］中华人民共和国国家军用标准［J］.GJB4000-2000《舰船通用规范》.

Fireproofing design for warships

Zhao Jian Ling Chun

structure fireproofing；fireproofing compartmentation；large cabin room

This paper examines the fireproofing design for warships，and focuses on the setting of the fire compartmentation for large cabin rooms.The optimum design scheme is put forward through the simulation by using the fire simulation program in order to achieve the best cost-effectiveness ratio.

U664.88

A

1001-9855（2011）01-0057-04

2010-12-31

赵健（1980.05-）男，汉族，工程师，主要从事船舶监造工作。

凌纯（1980.07-）男，汉族，工程师，主要从事船舶监造工作。