红外技术在舰艇消防安全中的应用

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(中国船舶重工集团公司第七二六研究所，上海 201108)

舰艇消防安全是舰艇损管体系中的主要分支，无论平时还是战时都对舰艇安全具有重要意义，为保障舰艇安全需要系统性地开展舰艇的消防安全研究。舰艇的消防安全能力需要以对舰艇火灾研究为基础，分析舰艇火灾所具有特殊规律，进而进行有针对性的设计开发。同时，还应当注意借鉴实船事故，对事故进行充分分析并研究合适的解决方案。以美国潜艇消防安全能力建设为例，其拥有专业的研究机构(Naval Research Laboratory)进行舰艇火灾动力学和应用技术的研究，同时还定期在内部发行刊物(Factual Lines About Submarine Hazards)，对潜艇日常运行中遇到的事故和风险进行分析和总结，在理论和实践上互为补充，有效地推动了其消防安全能力的提升。

1 舰艇消防安全关键环节分析

对舰艇火灾发生规律的研究，既舰艇火灾动力学研究，是开展舰艇消防安全研究的基础。国内外研究机构在该领域一直进行着广泛的研究并取得了大量成果[1-2]，研究发现舰艇火灾类型复杂，规律特殊，后果也往往比较严重，一般来说，舰艇火灾具有以下两个明显的特点。

1)火灾荷载大，风险高。舰艇内机电设备密集(多为高温、高压、大电流、高转速设备)，运转时间长强度高，且存在多种易燃、易爆物(武器弹药、燃油、液压油、高压空气等)，布线和管路结构复杂，都导致发生火灾的风险变大。

2)火灾发展快，蔓延迅速。由于舰艇舱室相对狭小封闭，着火舱内热量容易聚集，使得舱内火蔓延速度很快，舰艇舱室的刚体结构会导致热能的快速传递，同时，大量的线缆布置也会导致火情的快速蔓延，甚至隔舱蔓延。

同时随着现代舰艇智能化的不断提高，舰艇系统功能结构也日趋复杂，各类设施设备明显增加，在提高了舰艇整体性能的同时，客观上也增加了舰艇上发生机电火灾的风险；又由于舰艇通常载有大量易燃易爆物品，如果在发生火灾时未能及时控制，很容易导致火势的快速蔓延；并且考虑到舰艇上人员密集、穿梭通道相对狭窄，发生火情时，人员很难快速疏散，半封闭的舱室不利于火灾产生的浓烟和毒气的排散，很可能伤害到舰艇人员的身体，甚至威胁他们的生命；加之，舰艇经常远离口岸，一旦发生火灾，很难得到有效的外部支援，如果不能及时有效地发现和控制火情，往往会导致严重的后果，甚至沉没。

对于舰艇上一般的固体和液体可燃物，如舰艇内装饰、机械润滑油等，当发生异常或故障时，会形成热量聚集、进而导致可燃物分解、阴燃，产生明火，甚至到轰燃的过程，见图1。

由图1可见，舰艇火灾在故障异常阶段及热解阶段的发展速度也比较缓慢，而一旦发展到阴燃阶段，舰艇火灾就开始迅速发展，规模与普通建筑火灾相比明显增大，火势更难以控制。因此，为了获得最优的消防安全保障，就需要在火灾发生的初始阶段，既在异常故障或热解阶段就及时进行有效的预警和报警，在发生损失前就消灭火险。可见，早期火灾预警和报警能力是提高舰艇消防安全的一个关键环节。

图1 火灾发展过程比较

另外，对于舰艇上一些特殊的场所，如电池舱和轮机舱，其火灾形式表现为瞬间发生的明火或爆炸，普通探测和灭火设备基本没有反应时间，会对舰艇安全会造成极大的威胁。如2005年，某艇由于电池熔断盘短路，瞬间引发明火，造成了严重的后果；1991年，某艇由于输油总管破裂引起燃气爆燃，导致了多名在艇人员受伤的严重后果。1989年，苏联潜艇“共青团员”号由于电线短路瞬间产生明火，在短短9 min的时间里就对潜艇造成了重创，最终导致该艇失事[3]。可见，对于这种舰艇火灾类型，如何做到快速准确的灭火联动控制，也是提高消防安全能力的一个关键点。

以上分析可见，为了有效控制舰艇火灾，需要重点关注舰艇火灾发生的初始阶段，并采取有针对性的措施，对舰艇高风险区域采取早期异常预警、报警及快速灭火联动等防护措施。

2 红外技术的应用

红外技术从上世纪中叶发展至今一直是个研究热点，其中红外光谱技术和红外热检测技术近年来更是倍受关注，被广泛应用于化工、医疗、红外成像及生命科学等领域。在舰艇环境中，合理地应用红外技术，可以帮助实现舰艇在火灾早期预警、报警和快速灭火联动等方面的需求，大幅度提高舰艇的消防安全能力。

2.1 基于FTIR的早期火灾探测

傅立叶变换红外光谱技术(FTIR)，通过对宽谱红外干涉光的傅立叶变换，可以快速获得设定频谱范围内的红外光谱。光谱学研究发现，大多数物质的分子转动-振动运动的能级都位于中红外波段，且由物质固有的分子结构所决定，这就使得几乎所有的物质(除H2、O2等对称双原子结构分子物质)都有其特征的红外光谱。因此，在FTIR技术发展初期一般用于分析物质的分子结构特征[4]。近年来，通过与化学计量学先进成果的结合，FTIR技术逐渐拓展到定量检测方面的应用，并可以实现气体物质的多组分在线监测[5]。而任何燃烧过程实际就是可燃气体的氧化反应过程。根据火灾学研究，一般可燃物在发生异常的热积聚后会进行热分解并释放出火灾特征气体，如可燃烷类以及可燃油蒸气等，而这些气体产物正是建立燃烧的必要条件。这些火灾特征气体就是火灾发生的重要特征，因此对火灾热解气体的监测就成为实现舰艇火灾早期探测的有力判据和有效途径。

此外，针对舰艇特殊环境要求，对舰艇火灾探测技术的设计，不仅要考虑功能的有效性，还要同时考虑三个重要的因素，即漏报率、误报率以及适用性。对于早期探测设备，如果漏报就会导致消防系统错过最佳的报警时机而增加了控制火灾的难度，如果误报将引发船上不必要的紧急状态，而适用性决定了是否可以对舰艇的特殊舱室进行有效保护。为了解决以上问题，一般探测方式是通过提高灵敏度来降低漏报率，通过增加判据来优化算法降低误报率，通过防爆设计等措施来提高设备的适用性，但对三方面的要求很难得到整体的提高。以目前比较先进的基于非色散(或激光)的吸气式探测技术为例，该技术虽然在探测灵敏度上远优于普通电化学探测方式，但很难同时实现多判据探测，导致其误报率较高，见表1。

表1 探测方式性能比较

可见基于FTIR的探测技术相对于其它探测技术有着明显的优势，不仅可以实现舰艇火灾的早期报警，同时能较好地满足舰艇环境对探测设备在误报、漏报和适用性方面的性能要求，是一种实现舰艇火灾早期探测的有效手段，具有广泛的应用前景。

2.2 基于红外热检测的故障异常预警

通过对大量舰艇火灾事故的分析发现，由于机电设备部件老化、连接故障以及运行异常所引发的火灾占事故总数中相当大的比重，且往往造成严重的后果。为应对机电火灾的威胁，目前舰艇上都会对机电设备和电气连接进行定期的检修保养，并使用了大量阻燃材料，这些措施虽然在一定程度上发挥了作用，但仍然存在着不足。因为舰艇机电设备的检修和保养一般都只在靠港或停坞时进行，但在靠港停坞时机电设备大多处于停机状态，在这种“静止”状态下所进行的检测往往不能充分发现设备的异常状态，只有在出现非常明显的问题时才能被发现，如明显的连接松动、液压渗漏或管路老化等，而对隐藏的严重问题却无法发觉。事实上，机电设备只有在运行时才能表现出其真实的状态。因为在设备运行时，大电流、摩擦力、高压力等物理荷载才会作用于设备，隐藏的设备异常才会显现。这些异常和故障如果未能及时发现，很可能导致热量的异常积聚，造成设备失灵甚至引发火灾，因此，除了对机电设备定期检修外，对舰艇重要机电设备进行运行中的异常检测也是保障舰艇航行安全的必要措施。

研究发现各种类型的机电故障往往伴随着异常的发热现象，如果通过恰当的技术途径对这些热现象实现有效监测，将会及早发现设备异常，进而在火灾的酝酿期就发出预警信息，就可以大幅度地提高预防火灾事故的能力。

红外热像技术就是一种较好的技术路径，该技术具有非接触、二维和实时的特点，最早应用于导弹制导领域，自20世纪初逐渐推广到其它领域。在工业领域，红外热成像检测应用较早，但都需要专业热像分析人员对采集到的红外热图像进行分析，需要投入大量的人力和时间。然而，舰艇上的重要机电设备，如柴油机、供电装置等，在航行中往往运行时间长，负荷大，容易产生设备故障或异常，如果未及时发现和排除，一旦发生设备失灵或引发火灾将对舰艇安全造成重大的威胁。所以，对舰艇设备的故障和异常检测，不能沿用工业领域中以高人力投入的检测方法，而需要进行全时段、自动化的快速分析能力，实现对机电设备的全程监测，提高可靠性，同时减少人员投入。

因此，需要根据舰艇环境特点，通过火灾风险定量或定性分析，获得整个舰艇火灾风险的“概率-影响”分布，以确定需要进行故障异常热监测的重点保护设施。对确定保护设施根据其结构特征和运行方式，通过FEA(有限元分析)分析其热传导和热分布模式。依据分析结果对红外热像监测设备的光谱响应范围、空间分辨率以及辐射校准方法等参数进行设计和配置，并建立被保护设施正常运行时的热辐射及分布的基准数据库和诊断算法，从而实现对舰艇重要设备的智能化全程实时故障异常检测。真正作到防患于未燃，提高舰艇的消防安全能力。

2.3 基于红外图像的快速灭火联动

舰艇火灾中有一类特殊的火灾类型，多发于电池舱、轮机舱等部位。这类火灾具有“阶跃”式的发展特征，通常不经过热解和阴燃过程而瞬间引发明火，火势发展极快，是舰艇安全的重大威胁。对于这类火灾，常规的烟、温探测装置无法有效响应，而对于一些基于光谱检测的火焰探测装置(如三波段红外探测器、紫红外探测器等)由于其观察视角和响应方式的影响，通常要等到火焰规模达到一定程度才能有效报警，导致探测时间较长，火势快速发展，很可能影响整个灭火行动的效果，甚至造成火情的失控。因此，有必要开发一种能够快速有效地探测“阶跃”型火灾并高效灭火的联动技术来提高舰艇的消防安全能力。

基于红外图像的快速灭火联动技术，根据舰艇上“阶跃”型火灾发生时可能产生的特征现象，如电池短路形成的电弧、脉冲火花，油雾或气体爆燃产生的火团等，提取其热辐射模式特征并进行算法设计，实现在可燃物发生闪燃时就探测到火情。同时，由于“阶跃”型火灾发展速度很快，为有效扑灭火焰必须采用高效的灭火措施，考虑到对人员的保护和对设备损害的减少及空间弥散性的要求，采用高效清洁气体灭火剂可以很好地满足要求。

基于红外图像的监测能够实现对“阶跃”型火灾的快速发现，不同于基于可见光的监测手段，红外图像监测利用闪燃时产生的热辐射模式特征作为判据，受周围环境干扰较少，具有较高的可靠性。通过场景测试，模拟了电池接触不良而产生的脉冲火花见图2。

图2 脉冲火花模拟场景

其中脉冲发生器激发头的面积约为0.08 cm2，观测距离为2 m，可以观察到发生器激发头产生的脉冲火花形态的细微变化。而与之同时产生的脉冲火花的热辐射模式变化，见图3，与干扰源的热辐射模式相比具有明显的变化和特征。

图3 脉冲与干扰辐射模式的对比

另外在探测到“阶跃”型火灾后有效地控制火势的发展，需要采用高效的灭火方式，清洁气体灭火剂是一种比较好的选择，该类灭火剂可以适用于所有类型的常见火灾的灭火，同时化学结构稳定，保证了对人员身心健康没有影响，对设备不会有大的损伤。为了验证灭火剂的效能进行了测试试验，测试使用正庚烷喷雾模拟机舱油雾或电池舱氢气的爆燃，燃烧15 s后启动清洁气体灭火系统。测试结果见图4。

图4 灭火过程中温度变化示意

灭火剂释放后产生了明显的降温作用，充分表明清洁气体灭火剂具有很好的灭火效果。

可见，通过采用基于红外图像的快速灭火联动技术，可以有效地发现和控制在舰艇电池舱和轮机舱可能发生的“阶跃”型火灾，是一种保护舰艇安全的有效手段。

3 结束语

舰艇消防安全是舰艇损管体系中的重要组成部分，随着现代舰艇智能化程度的日益提高，对于舰艇的消防安全也提出了许多新的要求和挑战。为了能对舰艇火灾实现有效的控制，需要重点关注舰艇火灾发生的初始阶段。在舰艇环境下，通过应用红外技术可以有效地提高消防安全系统的效能，增加舰艇在高风险区域的异常预警、早期报警和快速灭火联动的能力，对提升舰艇的消防安全能力提供了重要保障。

[1] 管光东.海战·事故·舰船破损[M].北京:国防工业出版社，1997.

[2] 吴 鹏，沈世党.潜艇火灾分析与对策[J].潜艇学术研究，2006，24(4)：53-55.

[3] 翁诗甫.傅里叶变换红外光谱仪[M].北京：化学工业出版社，2005.

[4] 赵建华，魏周君.光谱分辨率对气体定量分析的影响研究[J].光谱学与光谱分析，2010，2(30)：34-36.

[5] VOLLMER，MICHAEL. Infrared thermal imaging：fundamentals，research and applications[M]. Wiley-VCH，2010.