钢结构舱室热防护措施有效性大尺寸试验和仿真研究

石邦凯　陈慧玺　姚圣姿　王书恒　吴明晨　周驰

摘要：本研究通过大尺寸试验和FDS数值仿真模拟，探究了在不同火源类型下典型船舶钢结构舱室内温度变化情况，并对钢结构舱室热防护措施有效性进行验证。研究采用喷射火、流淌火两种火源类型，使用8 mm纤维碳酸钙板作为隔热防护材料。结果表明，FDS数值仿真结果与大尺寸试验结果基本吻合，在流淌火条件下纤维硅酸钙板的隔热防护效果表现良好，而在喷射火条件下纤维碳酸钙板的隔热防护效果不佳。同时，钢结构舱室上壁即火焰正上方处温度最高，接近900℃，热危害性更强。因此，在真实场景中，应优先考虑在钢结构舱室上方安装防火板进行隔热处理。

关键词：船舶火灾；典型舱室；纤维硅酸钙板；热防护技术措施；数值模拟

引言

随着我国船舶行业快速发展，船舶舱室结构日益复杂，机械、电子设备种类增加，使船舶火灾隐患也更加复杂。由于具有受限空间特征和更高可燃物密度，船舶火灾发生的可能性很高[1]。同时，在航行时，船舶火灾更多只能依靠自救，难以依靠外部救援[2]。因此，除了提高灭火救援之外，探究有效热防护技术措施对保障船舶安全有重要意义。

张茜[3]构建了多组火灾场景，运用FDS进行仿真，发现GA-SVM方法具有良好的泛化能力和预测效果。袁敏杰[4]以舱室甲板为研究对象进行火灾-热-结构耦合分析，发现在真实火灾作用下，甲板与整个舱室都存在明显温度梯度。郝军凯[5]采用大涡模拟方法，研究了密闭舱室0.64m2流淌火作用下结构热力响应和剩余极限强度。张晨[6]运用FDS软件对船舶舱室火灾烟气流动规律和危险参数的变化情况进行了探究。White等[7]建立了船舶舱室轰燃后向相邻舱室的传热模型。通过试验测量了高温壁面温度，计算得到的冷舱室气温和壁面温度与试验值符合较好。Jansson[8]等人，在边长为6m的立方体，顶部有开口的封闭空间进行了火灾试验，发现封闭空间顶部开口的大小会影响到烟气的温度的变化，开口增大会导致空间内火灾荷载增加，破坏性会更大。张佳庆等[9]对封闭舱室的火灾特性进行了试验研究，但研究的对象是小尺寸舱室模型。

目前，针对船舶火灾研究的大尺寸试验成果较少。本文针对典型船舶钢结构舱室，基于实际燃烧空间尺寸、多种火源及硅酸钙板隔热防护措施，进行了大尺寸船舶钢结构舱室火灾试验和数值模拟研究，并对钢结构舱室的热防护措施有效性进行验证分析。本研究可为船舶安全防护设计提供一些科学指导。

一、试验设计

（一）火灾场景设计

在船舶结构中，舱室内设备较多，对船舶整体功能影响较大。由于人员流动量较大，其发生火灾后产生的后果也更为严重。本次试验火灾场景选择船舶钢结构舱室作为最不利火灾场景，舱室模型长21m，宽13m，高8m。考虑到船舶使用燃油类型及潜在的泄漏方式，试验火源采用流淌柴油火和喷射柴油火。参照《建筑钢结构防火技术规范》要求，试验选用纤维硅酸钙板模拟钢结构舱室的隔热措施（性能参数如表1所示），纤维硅酸钙板做防火板时厚度在5～20mm[10]。考虑到防火板固定搬运等因素，本试验中使用8mm防火板。

（二）试验系统与工况

流淌火试验平台如图1所示，有效流淌平面尺寸为5m（长）×0.8m（宽），左右两侧预留供油孔和溢油孔。试验中采用蠕动泵连接供油孔供给燃料，通过改变蠕动泵的转速实现燃料在玻璃平面上均匀流淌蔓延。喷射火试验平台如图2所示，尺寸为3m（长）×0.5m（宽）×0.3m（高）。为了控制整流效果，采用整流过滤网，喷口的压力设定为0.07MPa。试验中主要测量钢结构舱室火灾中防火板隔热性能（用贴片热电偶测量隔热材料两侧温度）、舱室火灾温度场（K型热电偶测量）。

在钢结构舱室内火源上方顶部铺设增强05m×05m的纤维硅酸钙板防火板，如图3所示，用于模拟隔热措施。顶部的防火板表面及背面共各铺设1片贴片热电偶，用于监测隔热材料内外表面的温度，验证防火材料的隔热性能。在火源上方、顶棚短边、顶棚长边、舱室门前侧和舱室离火源最远处角落共布置5串K型热电偶，用于测量舱室内发生火灾后的火焰区、舱室顶棚和舱室不同高度位置的烟气温度，如图4所示。在火源左侧布设相机，用于记录火灾发展过程。

（三）试验工况

在大尺寸试验中，考虑两种类型火源（柴油流淌火和柴油喷射火）、两种防火板设置场景（无防火板和8mm防火板），共设计以下4种典型工况。

二、试验结果与分析

（一）防火板隔热效果分析

通过对比防火板迎火面和背火面贴片热电偶数据，对纤维硅酸钙板防火板的隔热效果进行分析。图5和图6分别给出了柴油流淌火场景和柴油射流火场景下舱室顶部防火板迎火面和背火面温度变化情况。

从图5和图6可以看出，在柴油流淌火场景中（工况2），防火板迎火面最高温度达到75℃，经过8mm厚防火板的阻隔，其背火面最高温度为38℃。而在在柴油喷射火场景中（工况4），防火板迎火面最高温度达到160℃，经过8mm厚防火板的阻隔后，其背火面最高温度仍然可以达到76℃。对比分析可以发现，8mm厚度的纤维硅酸钙板防火板可有效阻隔船舶钢结构舱室内柴油流淌火的热危害，但对于柴油喷射火的热防护效果则相对有限。

（二）舱室内部温度变化特征

图7和图8分别给出了柴油流淌火和射流火场景下船舶钢结构舱室内部典型位置处的温度分布情况。

从图7和图8可以看出，在柴油流淌火和柴油喷射火场景下，舱内温度随火灾持续时间的增加，呈现出先增大后减小的变化趋势。在柴油喷射火场景中，舱室內高温分布范围相对更大，热危害性更为强烈。在舱室发生柴油流淌火场景中，由火源上方R1列温度数据可知，火焰垂直方向最高温度可达130℃。通过顶棚短边R2、顶棚长边R3列温度数据可知，顶棚处烟气温度在80-150℃范围内。舱室门前侧R5列热电偶处最高温度也不超过35℃。而当船舶舱室发生柴油喷射火时，火焰垂直方向最高温度将近900℃，顶棚处烟气温度在200-330℃范围内，舱室门前侧R5串热电偶处最高温度不超过60℃。整体而言，喷射火场景的火灾危险性大于流淌火场景。

三、仿真验算

为了能够与大尺寸试验结果进行对比，采用FDS软件对船舶钢结构舱室火灾场景进行仿真。舱室尺寸设置为21m×13m×8m。火源选择8m×0.25m油池，燃料为柴油。参考前人研究[11]，3.84m2的柴油油池火热释放速率为7500kW，本次仿真设置油池面积为4m2，初步设定热释放速率为8000kW，油池单位面积热释放率2000kW。

通过FDS用户手册推荐的方法进行网格独立性检验，网格尺寸d取在1/16D*和1/4D*之间的仿真结果更加准确[19]，D*表达式为：

（1）

式中：D*——火源特征直径（m）；Q——热释放速率（kW）；T∞——环境温度（K），此处取T∞

=293K；ρ∞——环境温度（K），此处取ρ∞=1.2kg/m3；cp——空气的定压热容（K），此处取G=1.02kJ/（kg·K）；g——重力加速度（m/s2），此处取g=9.81m/s2。

根据网格独立性测试结果，确定当前仿真过程使用的网格尺寸为0.25m。舱室模型如图9所示。

四、仿真结果与分析

考虑到大尺寸试验结果，舱室柴油流淌火场景中的火源燃烧效率更高，潜在的火灾蔓延和放热影响范围更大，故采用流淌火试验结果与仿真结果进行对比。图10和图11分别给出了仿真与大尺寸试验柴油流淌火场景中典型位置（舱内中心竖直高度7.5m和6.0m处）的温度数据。

根据图10和图11，分别对比舱内中心位置竖直高度7.5m、6.0m处，仿真与大尺寸试验柴油流淌火工况温度数据变化。可以发现，在舱内中心位置竖直高度7.5m处，仿真与大尺寸试验结果的最高温度比较接近，均达到320℃左右，而在舱内中心位置竖直高度6.0m位置处，火灾温度大约为300℃左右。因此，根据当前FDS仿真结果，可以在一定程度上验证大尺寸试验结果，仿真结果和试验测量结果较为吻合。

结语

本研究通过现场大尺寸试验和FDS数值模拟，探究了在不同火源类型下典型钢结构舱室温度变化情况，并对钢结构舱室热防护措施（8mm纤维硅酸钙板）有效性进行验证，主要结论如下：

采用8mm纤维硅酸钙板可明显降低流淌火和喷射火对钢结构舱室的热危害作用，并且对柴油流淌火的热防护效果更佳（使舱室顶部钢结构温度不大于60℃），可有效避免舱室钢壁受热失效。在柴油喷射火和柴油流淌火条件下，舱室上壁即火焰正上方温度最高，接近900℃。因此，在船舶钢结构舱室热防护设计中，应优先考虑在钢结构舱室上方安装防火板进行隔热处理。通过与大尺寸试验结果对比，当前针对船舶钢结构舱室火灾的FDS数值仿真具有较好预测精度。同时，也在一定程度上验证了采用8mm纤维硅酸钙板防火板热防护措施的有效性。

参考文献

[1]Kang H J，Choi J，Lee D， et al.A framework for using computational fire simulations in the early phases of ship design[J].Ocean Engineering， 2017，129：335-342.

[2]方鸿强，贾佳，陆守香.船舶火灾风险评估研究现状及发展趋势[J].船海工程，2018，47（06）：72-76.

[3]张茜.船舶真火模拟训练控制系统的研究[D].江苏科技大学，2017.

[4]袁敏杰.船舶舱室火灾载荷特性及结构响应分析[D].哈尔滨工程大学，2018.

[5]郝军凯.船舶甲板板架结构在火灾高温环境下的热力响应与极限强度研究[D].上海交通大学，2020.

[6]张晨.船舶火灾烟气蔓延与人员疏散模拟研究[D].大连海事大学，2020.

[7]White D A，Beyler C L，Scheffey J L，et al.Modeling the impact of post-flashover shipboard fires on adjacent spaces[J].Journal of Fire Protection Engineering，1999，10（04）：2-18.

[8]Pretrel H，Saux W L，Audouin L.Experimental determination of fire heat release rate with OC and CDG calorimetry for ventilated compartments fire scenario[J].Fire &Materials， 2013，38（04）：474-506.

[9]張佳庆.考虑开口与火源位置影响的船舶封闭空间火灾动力学特性模拟研究[D].中国科学技术大学，2014.

[10]CECS 200-2006，建筑钢结构防火技术规范[S].

[11]李琦，朱乔，杨畅，等.基于不同燃料下隧道火灾模型试验火源热释放速率研究[J].隧道建设（中英文），2022，42（04）：640-649.

作者简介：石邦凯（1988- ），男，汉族，河南固始人，硕士研究生，工程师，研究方向：特种防火防爆安全技术。

*通信作者：陈慧玺（1998- ），女，汉族，浙江宁波人，硕士研究生，研究方向：舱室热防护；姚圣姿（1999- ），女，汉族，河南新乡人，硕士研究生，研究方向：锂电池热失控。