NBC 防护区超压控制的研究与运用

施晓波，祁 丽

（沪东中华造船（集团）有限公司，上海 200129）

0 引 言

NBC防护系统（又称“集体防护系统”）是体现水面舰船核生化防护能力的重要衡量指标。当舰船通过受放射性灰尘、生物战剂、毒剂污染的海域时，NBC防护系统能向防护区域内部送入过滤后的洁净空气，并形成一定的舱室正压，避免外界污染空气渗入防护区，确保防护区域内舰员在不穿戴个人防化服的情况下，维持舰船最基本的作战指挥能力以及正常的生活和工作，使舰船能顺利通过污染海域并保障舰员的人身安全。

NBC防护区内必须维持稳定的正压，同时防护区的洗消站、气闸室气流保持一定的压力梯度，保证防护区进、出通道内可以进行连续的空气吹扫和洗消，以便去除气态的沾染物。因此，NBC防护区的超压控制主要是针对洗消站、气闸室的压力梯度及防护区正压的稳定建立。

1 NBC防护等级

舰船 NBC防护系统防护范围一般与舰船的作战任务、作战要求和建造费用等有关。美国海军舰船集体防护系统（CPS）分为3个防护等级，分别为等级Ⅰ、等级Ⅱ、等级Ⅲ[1]。

1）等级Ⅰ-掩蔽区：对40%舰员的住舱、餐厅、厕所和作战防护区的设备提供防护，也称为安全港；

2）等级Ⅱ-小作战区：包括等级Ⅰ的掩蔽区和一些关键的作战功能，可以经济地综合到舰船的设计中，重点是突然袭击下的生存能力；

3）等级Ⅲ-大作战区：除了飞行甲板、凹形甲板作战区、艏部敞开作业区以外，包括等级Ⅰ的掩蔽区、等级Ⅱ的小作战区，有足以满足作战任务要求的全防护区域。

不同作战任务，不同航程的舰船安装不同等级的集体防护系统。图1为防护等级Ⅲ舰船的典型防护范围和分区情况。

图1 Ⅲ级防护的舰船典型防护范围和防护区划分

从图1可知，Ⅲ级防护是全船式集体防护。全船式集体防护是舰船在遭受核生化袭击的情况下仍具备作战能力、机动性、反击力及生存能力的必要手段。

美国海军CPS的防护形式分为两种：

1) 全防护：在全防护区内，高压风机将任何含物理状态的核生化污染物空气分别流经初滤器、HEPA (高效空气粒子过滤器)及活性炭滤器的三级滤器净化，对沾染物颗粒由大到小逐级滤除，以去除气溶胶、烟雾、放射性沾染物、生物战剂及化学毒剂[2]。过滤后的洁净空气进入防护区内，使舱内保持约 2.0±0.5英寸水标（～500Pa）的超压。全防护区内提供了无毒环境，不必穿戴防化服或面具。

2) 有限防护：有限防护区只能提供较低程度的防护安全性[3]，仅通过利用HEPA滤器将进入有限防护区的供气中的放射性、化学和生物气溶胶清除。有限防护区内的进风机并不是高压风机，因此无法建立超压，而且HEPA滤器无法过滤化学战剂蒸汽，所以必须穿戴具有防御化学战剂蒸汽的全套防化服及防护面具。有限防护一般设置在如机舱等具有极高空气流量要求的舱室。

配置全船式 NBC防护系统要综合考虑全船结构、管系、电缆的密性，滤毒装置的过滤能力，相关机电设备配置等因素以及舰船其他装备与集体防护的耦合度。按照目前舰船整体设计能力、建造水平和安装工艺，装载全船式集体防护系统必将花费大量人力、物力，而且很大程度上可能会致使设计和建造的集体防护系统存在某些缺陷。

目前大多数水面舰船 NBC防护系统的防护等级是类似于美国海军等级Ⅱ的全防护形式，即：有限选择某些重要舱室，如作战舱室、机电集控室、部分住舱、餐厅、活动室、厕所等区域作为NBC防护区（小作战区），同时防护区内装备NBC过滤系统[4]，包括高压风机、初滤器、HEPA滤器和NBC滤毒过滤器等，以滤除外界核生化环境中气溶胶、烟雾、放射性沾染物、生物战剂及化学毒剂为舱室提供清洁空气，同时将过滤后的空气加压通入该NBC防护区域并形成约500Pa正压。

2 NBC防护区的进出通道

NBC防护系统对防护区的进出是有严格控制的，一般设置洗消站和气闸室作为防护区的进出口，同时维持正压并防止污染物的进入。

从图2可知，在核生化环境下人员进出集体防护区的要求是：外界人员一般只能通过洗消站进入防护区，而出防护区则只能通过气闸室。对于NBC防护区的进、出应分别设计不同的专用通道。

图2 舰船集体防护系统（CPS）基本原理

2.1 洗消站

为有效防止核生化沾染物在舰船舱室内部传播，NBC防护区必须设置洗消站，从而尽可能减少沾染物污染到内部人员[5]。NBC防护系统洗消站用途单一，它专门用于为已经暴露在化学、生物或辐射战剂的人员洗消。NBC防护系统洗消站一般由3～4个隔间组成，分为脱衣室（脱外衣区和脱内衣区）、淋浴室和气浴室。图3为典型的洗消站布置。

图3 典型的洗消站布置

核生化污染环境中在露天甲板上值勤的人员在可能遭受到液态或固态战剂污染的情况下只有先通过洗消站才能进入 NBC防护系统的防护区。人员进入的路线是从露天通过脱衣室，然后进入淋浴室，再进入气浴室，最后进入防护区。随着人员通过洗消站的过程，先要关闭前一舱室的门，然后才打开下一舱室的门，这可防止防护区中的压力损失。防护区的正压力是在经几个舱室的过程中逐步下降的，吹气从气浴室起，经淋浴室、脱衣室，最后由此排至外界或未加压区。

NBC防护区的洗消站一般是通过在其内部几个舱室壁上设置压力泄放阀（图3中为“气吹器”，其工作原理与压力泄放阀稍有不同但功能一样）来实现防护区内部经洗消站至防护区外部产生一段连续的压力梯度，从而保证洗消站内可以进行连续的空气吹扫和洗消，以便去除气态的沾染物。

2.2 气闸室

NBC防护系统的气闸室是一个较小的双门隔舱。其双门均为外开型，内门开向加压区，外门开向未加压区。图4为典型的气闸室构型。

为保证进出防护区时不损失超压状态，同一时间只允许打开气闸室其中的一扇门。防护区设置气闸室的目的主要是让人员进出防护区而无压力损失并阻止空气中的污染物进入防护区[6]。

气闸室是通过吹气的方式来去除气态污染物的，因此吹除气态污染物的时间主要取决于气闸室的换气次数和吹气的风量。表1列出了空气换气法清除有毒蒸汽的百分数[7]。

图4 典型的气闸室构型

表1 新鲜空气换气法清除气态战剂的百分数的经验估算

由表1可知，在气闸室关闭状态下，需进行6次以上换气才足以使气闸室内的气态污染物浓度降低到很小的危险程度。在吹气风量一定的情况下，净化时间随气闸室的容积大小而变化。气闸室的吹气量和压力梯度同样是通过设置在其舱壁上的压力泄放阀（图 4中为“气吹器”）来实现的，利用防护区的过滤空气吹除核生化环境下开门时可能进入气闸室的沾染物。

2.3 洗消站和气闸室的布置

常规的NBC防护区一般前、后连接的区域分别为露天区和未加压的内部区，故防护区前、后方各应设置洗消站和气闸室（见图5）。

图5 洗消站和气闸室设置

图5中，1号气闸室和1号洗消站连接的是防护区与露天，2号气闸室和2号洗消站连接的是防护区与船上其他未加压区。前、后洗消站功能没有区别。核生化环境下NBC防护区的进口和出口选择见表2。

表2 NBC防护区的进口和出口

3 超压控制

根据能量守恒定理，防护区在达到某个恒定正压值（平衡点）时，其进风量应等于泄放量。所以防护区内若要维持一个相对恒定的超压，除了不断的向内送入一定正压风外，还应设置一个主动泄放口以平衡防护区内的送风量和正压值。而对于压力梯度的形成其原理就相当于类似上述几个连续的小防护区之间设置泄放口，维持这几个泄放口的泄放量一致，并使这几个小防护区内的超压呈一定数值的递减。无论是超压或压力梯度，防护区内的压差均主要是由泄放口来实现的。

图6 185 GI型压力泄放阀结构

3.1 压力泄放阀

185 GI型压力泄放阀是一种通过弹簧压力来维持两个位于超压控制区域的舱室间或防护区内外间恒定压差的装置，该型阀适用于连续舱室间压力梯度的控制。装置主要由一个阀盘、阀轴、橡胶密封垫片、弹簧及压力调节器组成（见图6）。

压力泄放阀的控制特性体现在两个方面：1) 压力泄放阀的开启压力值；2) 在定压差下的风量值。这两点控制特性均取决于弹簧的性能。不同弹簧开启压力范围及工作性能曲线见表3和图7。

表3 185 GI型压力泄放阀各型弹簧参数表

图7 185 GI型压力泄放阀性能曲线

压力泄放阀弹簧的选型是由压力泄放阀的压差值和流量值而确定的。

对于压力泄放阀流量的设定，主要取决于压力泄放阀所在舱室的通风量设计。洗消站、气闸室的通风换气次数应保证在核生化环境下人员进出防护区时，其进出通道具备在外门关闭时排气流量快速增加的功能。为考虑快速建压及人员去污需要，一般设置通风换气次数为30次/h。

一般，气闸室的面积应不小于1m2，通常其容积V1大约为3m3；而洗消站的各分隔间中脱衣室的结构尺寸相对最大，其容积V2大约为6m3。按照最低通风换气次数30次/h要求计算，气闸室的通风量Q1和洗消站的通风量Q2分别大致为90m3/h和180m3/h，取整后将气闸室的通风量定为100m3/h，洗消站的通风量定为200m3/h。即，确定压力泄放阀流量值分别为100m3/h和200m3/h。

根据上述已知的压差值和流量值参照图7即可确定压力泄放阀弹簧型式，详见表4。

表4 压力泄放阀选型表

3.2 超压控制器

超压控制器分为两种功能形式：定压控制器和定流量控制器。

定压控制器（CD型）是一种能保持防护区与外界恒定压差，而且该压差值不受控制阀风量（防护区通过控制阀流向外界的风量）变化影响的装置；

定流量控制器（CV型）是一种能维持控制阀恒定风量，而且该风量值不受防护区与外界间压差变化影响的装置。

NBC防护区要求内部维持500Pa的稳定正压为定压控制，故采用CD型超压控制器。超压控制器（CD型）一般主要包含一个压力电动调节阀和一个电控箱（见图8）。

压力电动调节阀主要由一个促动器机构和一个铝质阀组件通过螺栓连接组成（见图9）。工作原理：一个带有复位弹簧的电动旋转促动器通过曲柄、连杆和阀轴控制一个锥形阀盘。在正常工作情况下，当锥形阀盘前进口空气压力高于锥形阀盘后的出口空气压力时，电动促动器将控制锥形阀盘离开阀轴端部前行至某个固定位置；当锥形阀盘后的空气压力突然上升，电动促动器则会控制锥形阀盘回位至某个位置，以维持阀盘前后的压差（500Pa）；当电动促动器失电时，促动器和阀盘受复位弹簧作用自动关闭。

图8 超压控制器（CD型）

图9 压力电动调节阀结构

超压控制器（CD型）的系统连接图（见图10）。工作原理：电控箱通过超压管路接受到防护区内外压差，并将该压差转化为电信号来控制压力电动调节阀的开度，以到达防护区内相对恒定的超压值（500Pa）并维持，并将超压信号反馈至船舶损管控制中心。

超压控制器（CD型）的可选型号及相对应风量参数见表5。

图10 超压控制器（CD型）系统连接

表5 超压控制器型号参数表

超压控制器的选型取决于 NBC防护区的送风量，压力泄放阀泄放量及防护区的泄漏量。压力泄放阀泄放量是洗消站和气闸室的通风量的合计值，由“3.1”可知共为600m3/h；而防护区泄漏量理论上的最小值为0；所以，若NBC防护区的送风量为1500m3/h，则超压控制器流量的最大值为900m3/h，故按照表5其选型可确定为187.0 CD-1000。

3.3 防护区超压原理

综上“3.1”和“3.2”所述，NBC防护区的正压和压力梯度的控制设计原理见图11。

图11 NBC防护区超压控制原理

从上述超压控制原理图可知，防护区内正压500Pa主要由超压控制器来实现，而洗消站和气闸室组成的防护区进出通道内压力梯度则主要由压力泄放阀来实现。同时，考虑到因超压控制器或压力泄放阀出现故障无法正常排风而造成防护区正压过高的情况，对防护区内设计了安全泄放阀。该安全泄放阀应具备完全关闭后一定的气密性及可快速开启的功能，在防护区正压超过允许的上限值时作为应急泄放口以维持防护区内的正常超压，而在常规状态下是常闭的。

4 结 语

论述了单个NBC防护区的防护等级、防护区进出的控制形式及洗消站和气闸室的设计；同时根据防护区内正压和压力梯度的要求分析了其控制原理并对超压控制器和压力泄放阀的选型和运用进行了研究。

单个 NBC防护区的进出控制和超压设计相对较为简单，而多区或全船式的防护则需要考虑各个防护区之间的连接、进出、正压及压力梯度的协调控制。所以，通过对单个NBC防护区及其超压控制的研究，积累相关设计经验为多区或全船式NBC防护系统的超压控制设计提供一定的借鉴。

[1] 赵宴辉，全晓鹏，聂亚杰，等. 舰船集体防护系统体系及防护等级划分[J]. 船海工程，2013, 42(4): 23-126.

[2] 王海军，王月兴. 集体防护系统研究进展[J]. 海军医学杂志，2007, 28(2): 168-170.

[3] Andrew Weber. 2011_CBDP_ARC_V26_FINAL[R]. U.S: DOD, 2011.

[4] Matthew V.Frank, Dick Helmick.21stCentury HVAC System for Future Naval Surface Combatants[R]. West Bethesda: Naval Surface Warfare Center Carderock Division, 2007.

[5] 王世荣，廉成强，齐岩磊. 核生化战剂侦防消技术发展概况[J]. 船海工程，2013, 42(4): 84-88.

[6] FM 3-4/11-9. NBC Protection[M]. Washington: Headquarters department of the Army US Marine Corps,1992.

[7] 美国海军. 美国海军舰船技术手册[M]. 翟少晓，刘书子，译. 北京：中国船舶信息中心，2004.