舰船小型密闭舱室快速灭火抑爆装置的设计及验证

胡卫国，邓茹凤，薛寒寒，宋武帅

(中国船舶集团有限公司第七一三研究所 郑州市特种场所火灾防护技术重点实验室，郑州 450015)

舰船上存在诸多可能积聚可燃性或爆炸性气体或气体混合物的小型密闭区域，如油漆间、乙炔间、蓄电池室、弹药贮存区域、燃油或易燃气体容器及管路等。一旦出现泄漏等引起可燃气体聚集，极易引起爆燃事故，严重威胁舰船设备及人员安全。针对舰船结构的复杂性及密闭舱室的快速灭火抑爆需求，设计一种快速灭火抑爆装置，装置采用高压气瓶装载药剂，并用电爆管爆炸开启，能在百毫秒量级时间内实现灭火抑爆处置。

1 快速灭火抑爆装置设计

1.1 整体结构

快速灭火抑爆装置主要由钢瓶、瓶头阀、灭火剂、加压气体及安装支架等组成，外形结构见图1。

图1 快速灭火抑爆装置外形结构

瓶头阀螺接在钢瓶上，通过密封圈和密封胶实现接口处的长效密封。充装设定剂量的灭火剂，并通过充装惰性气体进行加压贮存，药剂充装后采用倒置模式贮存来保障灭火剂的可靠密封和快速释放，并通过安装支架固定在被防护区域内壁上。

1.2 工作原理

快速灭火抑爆装置内充装有设定剂量的灭火剂，并用高压惰性气体加压，瓶口朝下倒装在防护区域内。装置上设置有压力开关和点火器，电控系统可实时监测装置内的压力，并及时发出低压报警信号提醒工作人员检修或充装灭火剂；当电控系统监测到防护区域发生可燃气体聚集引起爆燃或爆炸时，会发出启动灭火抑爆装置的指令，点火器通电后引爆产生爆压驱动快速灭火抑爆装置快速开启，瓶内灭火剂在瓶底高压惰性气体作用下立即喷出，并迅速汽化达到设定灭火或抑爆浓度，进而实现抑制火灾或爆炸的功能。

快速灭火抑爆装置的容积大小、灭火剂种类、充装压力可根据被防护区域的结构特点、空间大小及贮存物资特性等进行灵活设计，当设计参数固化后可根据防护区域的结构特点及空间大小等灵活考虑进行单独或多个组合配置。

1.3 瓶头阀结构设计

瓶头阀是快速灭火抑爆装置的关键核心部件，值守状态下要保持装置内贮存灭火剂的压力稳定及密封可靠性，当接收到驱动信号后能快速、可靠开启，并迅速将灭火剂喷出释放及汽化。

瓶头阀主要由阀体、阀芯、密封圈、压紧装置、充压装置、泄压装置、压力开关、限位盖、点火器、活塞等组成。

阀体上开设有充装接口、泄放接口、压力反馈接口，分别用于安装充压装置、泄放装置及压力开关，各接口均采用螺纹配合。充压装置的功能是充装灭火剂及用惰性气体加压，泄放装置的功能是内部压力异常升高超过设定阈值后进行超压泄放保护，压力开关的功能是反馈灭火剂泄放或低压报警信号，泄放装置和压力开关共用压力通道；压紧装置将密封圈压紧固定在阀芯上形成一个整体，通过导向槽放置到位后，旋转一定角度卡在阀体的卡槽内，充装惰性气体后瓶内高压将阀芯压紧在卡槽面上；阀体上开设有电爆腔、活塞腔及排气孔，点火器安装在电爆腔内，缓冲垫、活塞杆、螺塞由内而外分别安装在活塞腔内，点火器收到上级系统发出的启动指令后通电引爆，产生的爆压推动活塞撞击阀芯使其快速转动至导向槽位置，阀芯在瓶内高压作用下沿导向槽快速滑出至限位盖处，瓶内灭火剂在瓶底高压惰性气体作用下快速喷出并汽化；限位盖通过螺纹配合紧固在阀体端部，其主要功能是承受阀芯在瓶内高压作用下的冲击力并阻止阀芯从瓶口飞出。

1.4 灭火剂选择

卤代烷1211、1301灭火剂具有化学性能稳定、抑爆效能高、电绝缘性能好、腐蚀性小、用量少等优点，曾在舰船消防系统中广泛使用，但对臭氧层具有破坏作用，国际上已逐步淘汰使用该灭火剂。目前国内外都在开发新型环保灭火剂，如细水雾、超细干粉及全氟己酮等，不仅对人体无害，对臭氧成耗减值为零，且在有限密闭空间内灭火效能良好。卤代烷1301不仅有良好的灭火能力，还具有优越的抑爆性能，因此舰船上部分易发生爆燃、爆炸事故的特殊舱室，仍选用卤代烷1301作为灭火剂进行灭火抑爆，最大程度保障舱内设备及人员安全。

2 设计参数计算及分析

2.1 设计参数分析

可燃气体发生爆燃或爆炸可瞬间充满整个舱室，因此快速灭火抑爆装置在收到启动指令后必须在极短时间内完成开启、释放、汽化并达到灭火及抑爆浓度，方可有效抑制灾害扩展。

开启时间、钢瓶直径、瓶口尺寸，以及充装压力等参数是技术指标的直接影响因素。开启时间由点火器启爆时间和瓶头阀开启时间两部分组成；钢瓶设计参数中，应首先确定灭火剂充装量及充装密度，钢瓶容积取灭火剂充装体积的约2.5倍，钢瓶直径根据其容量按常规钢瓶尺寸进行选取，钢瓶材料和厚度可根据灭火剂种类及材料强度计算得到；充装压力按灭火装置常用压力较大值进行选取。

2.2 灭火剂用量设计计算

假设某防护区域舱室容积为60 m，灭火剂选用卤代烷1301，设计惰化浓度或设计灭火浓度分别选8%和5% ，灭火剂用量下式进行计算。

(1)

式中：为防护区设计用量，kg；为为灭火剂的质量分数，%；为防护区净容积；为防护区最低温度下气体灭火剂蒸气比容，m/kg。

由式(1)计算得到防护区灭火剂灭火或抑爆的设计用量见表1。

表1 灭火抑爆装置参数设计

根据灭火剂设计用量，计算确定钢瓶的数量，计算时应充分考虑安全裕量。此外，当被防护区域的可靠性要求较高时，可按1主1备进行配置，紧急情况下当某一灭火抑爆瓶出现故障时，另一备份瓶作为自动增援使用。

2.3 开启时间及强度校核

点火器通电启爆可在电爆腔内瞬间产生10～18 MPa的高压，根据瓶头阀的结构构造及工作机理可知，活塞为爆压冲击的直接承压元件，其强度决定了瓶头阀能否安全可靠的开启，因此需通过有限元软件对其在18 MPa压力下的强度进行校核。如图2所示，活塞最大应力约为60 MPa，常用钢制杆件均能满足该强度要求，因此材料选用马氏体不锈钢并进行调质处理。

图2 活塞应力云图

根据点火器技术说明书，其启爆时间约为5 ms，活塞有效行程为12 mm，活塞端部直径取18 mm，根据计算得知点火器启爆及瓶头阀的开启时间合计约为16 ms。

2.4 钢瓶设计参数分析

将快速灭火抑爆装置的响应时间指标进行初步分解，瓶头阀开启后，灭火剂从钢瓶内全部喷出的时间应<100 ms，装置释放口处需满足下式。

(2)

式中：为灭火剂质量；为灭火剂密度；为释放口灭火剂释放速度；为释放口尺寸；为释放时间。

释放过程还满足质量守恒：

(3)

式中：为剂瓶内灭火剂下降速度；为灭火剂瓶内径。

忽略重力的影响，由伯努利方程可知

(4)

式中：抑灭火剂瓶内压力；灭火剂瓶是释放口处压力。

联立式(2)(3)(4)，代入相关参数可得瓶口理论尺寸，安全系数取1.2，由此计算出释放口的最终尺寸。

2.5 灭火剂释放时间计算

依据前述钢瓶设计参数分析，对灭火剂释放时间进行校核计算，得出在不同钢瓶内径及充装压力时的释放时间见表2。

表2 灭火剂理论释放时间

由表2可以看出，瓶内直径对释放时间和释放速度几乎没有影响，综合考虑灭火剂瓶在舱室中占用空间的，最终选取300 mm内径的无缝钢瓶；释放口直径为48 mm，释放口压力为0.1 MPa，瓶内压力在2.1～4.2 MPa范围内时，理论释放时间在78～110 ms之间。

若灭火剂有效释放按照瓶内剩余量小于5%来计算，当喷口直径为48 mm时，有效释放时间约为78 ms；此外，点火器启爆及瓶头阀开启时间共需要16 ms。因此，研制的快速灭火抑爆装置的理论动作时间约为94 ms。

3 试验验证及结果分析

通过搭建试验工装，对研制的快速灭火抑爆装置的开启可靠性、响应快速性及计算准确性等进行验证。

3.1 试验方案

鉴于点火器、灭火剂成本高昂，且对环境有破坏作用，综合考虑经济性及环境影响，验证试验分两个阶段进行：前期可靠性验证试验用高压气动开启取代点火器电爆开启，用自来水取代灭火剂进行充装，可靠性验证充分后再真实填充灭火剂并用点火器启爆进行灭火试验。

3.2 开启可靠性试验验证

将快速灭火抑爆装置样机组装完毕，按照设定灭火剂剂量同等充装体积在钢瓶内充装自来水，并加压至4.2 MPa，点火器连接口通过气动软管与高压气瓶连接，气瓶压力取点火器启爆压力的下限值12 MPa。试验50次，观察每次试验后快速灭火抑爆装置的开启情况，每连续试验10次后对活塞、阀芯等零件的尺寸及配合状态进行检查。

3.3 灭火试验及时间检测

按照实际舱室搭建一个约60 m的相对封闭空间，并打开一扇门用于换气、排烟及摄影，在底部中心区域放置一个火盆，在快速灭火抑爆装置内充装设定剂量灭火剂，用氮气加压至4.2 MPa，将其倒置固定在侧壁上，并用高速摄像机进行全程拍摄。将点火器及压力开关与模拟电控系统连接，当火盆内正庚烷充分燃烧后，电控系统发出启动指令将点火器引爆，用示波器测量启动指令发出至压力开关信号反馈之间的时间间隔。连续试验3次，观察并记录快速灭火抑爆装置的动作时间及灭火效果。

3.4 试验结果

开启可靠性试验中，采用自来水代替灭火剂并采用高压气动开启方案，连续试验50次，均能成功开启。每连续进行10次试验后，对活塞、阀芯进行尺寸及配合状态检查，试验场景见图3，试验结果见表3。

表3 开启可靠性试验结果

图3 开启可靠性试验现场

连续进行3次灭火试验，快速灭火抑爆装置均能可靠开启，启动信号发出50 ms后灭火剂将火盆熄灭且不复燃，从电控系统发出启动指令至压力开关信号反馈之间的最大时间间隔为152 ms。灭火试验场景及效果见图4，试验结果见表4。

表4 灭火试验及时间记录

图4 灭火试验现场及不同时刻场景

4 结论

1)快速灭火抑爆装置利用电爆管驱动、高压气瓶充装惰性气体及气瓶倒置模式等方法实现该装置的快速开启、安全贮存及可靠密封。

2)通过对快速灭火抑爆装置的开启时间、钢瓶直径、瓶口尺寸及充装压力等参数计算及分析，证明该装置可以在百毫秒级内实现快速开启、药剂释放、药剂汽化。

3)经过试验表明，该快速灭火抑爆装置应用到舰船上，能够满足小型密闭舱室内的快速灭火抑爆需求，并能多次循环使用。

4)其结构设计、参数分析及计算方法可供类似小型密闭场所内消防处置装置的设计参考。