大尺寸舱室电缆火灾风险的仿真模拟分析

2020-01-03蒋帅贾佳2武红梅

船海工程 2020年6期

蒋帅，贾佳2,武红梅

(1.中国舰船研究设计中心，武汉 430064;2.94942部队，北京 100000)

某大尺寸舱室位于船舶上，结构复杂并且火灾载荷较大，火灾类型复杂[1]。考虑船舶的特殊结构以及特殊的大空间环境特点，利用PyroSim软件模拟大尺寸舱室火灾高发区域电缆火灾对舱室的影响，并分析火源功率、通风条件、环境温度及湿度对火灾后果的影响，提出相应的措施。

1 模型建立

大尺度舱室钢结构外敷设有特殊材料，软化点为100 ℃，正常使用温度为70 ℃以下，舱室内正常环境温度不超过60 ℃。该舱室中包含重要设备，也存在着大量的电缆以及一定数量的可燃滑油。火源位置及大尺度舱室布置示意见图1，重要设备部件的选择以及编号见图2。

2 模型关键参数设置

2.1 火源设定

大尺度舱室内部可燃物是主要是阻燃电缆为主，模拟的可燃物材料为交联聚烯烃[2]。

图1 大尺寸舱室电缆火灾场景示意

图2 大尺度舱室场景下检测的设备部件及编号

假设电缆发生火灾时，只有最顶层电缆燃烧，此时的热释放速率可近似看做正常三层桥架布置的1/3，因此，当只有最上层电缆发生火灾时的热释放速率可认为2 MW。

2.2 模拟工况

同时考虑到大尺度舱室所在环境的特殊性，即高温高湿条件，因此除火源规模这一变量外，还加入了环境温度和环境湿度以及是否通风对火灾发展及其后果的影响。工况设置见表1。

表1 电缆火灾工况设置

2.3 安全目标与标准

本项目大尺度舱室内火灾性能化设计目标是保证关键设备安全运行，因此设定安全判据为

1)关键设备表面温度不超过120 ℃；

2)关键设备表面热通量不超过37.5 kW/m2。

3 FDS模拟结果分析

3.1 火源功率的影响

1～3这3个算例为环境温度40 ℃，空气湿度80%且排风设备正常工作下，大尺度舱室内发生不同规模的电缆火灾，由2、6和8 MW的火源功率表征。3种工况下的热释放速率见图3，2 MW的火灾规模下，热释放速率不会出现衰减阶段，这是由于在计算时间内大尺度舱室内内的可燃物和氧气充足，支撑火灾以设定的最大热释放速率发展。

图3 1、2、3工况下的热释放速率对比

对比3个火灾规模下的关键设备受影响情况见表2。由表2可知，大尺度舱室内的设备安全主要与火源位置有关，在火源位置固定情况下，离火源直线距离越近的设备越危险。此外在计算时间720 s内，3种工况下的特殊材料处于正常工作，但是一旦发生更大规模火灾或者火灾时间延长，舱壁外敷设的特殊材料温度会超过其正常工作温度(70 ℃)，影响其功能，进而导致特殊材料的失效。因此需要控制火灾规模以及火灾发展的时间。

表2 火源功率对#7设备失效影响

3种火灾规模下，受影响的7号设备表面热流的对比见图4。结合表2可知，随着火灾规模的增大，7号设备的表面温度逐渐增大；但是设备7的表面热通量却是在6 MW的情况下峰值最大，但是总体和8 MW条件下差距不大，2 MW条件下，设备7不会达到临界状态，设备表面热通量始终低于临界值。因此，为了保护关键设备的安全，要采取相关措施控制火灾规模。

图4 设备7表面热通量对比

4～6这3个算例为环境温度40℃，空气湿度80%且排风设备停止工作的条件下，内发生不同规模的电缆火灾，由2、6和8 MW的火源功率表征。3种工况下的热释放速率见图5，2 MW的火灾规模下，热释放速率不会出现衰减阶段，这是由于在计算时间内大尺度舱室内的可燃物和氧气充足，支撑火灾以设定的最大热释放速率发展。

图5 工况4、5、6火源功率下的热释放速率对比

对比3个火灾规模下的关键设备受影响情况见表3。可知设备及特殊材料的相关数据差距不大。对电缆的影响也与正常通风下相似，即3种火灾规模下，除燃烧电缆外，其他电缆的表面温度及表面热流均未达到其临界危险状态。

表3 火源功率对7号关键设备的影响(无排风)

3.2 环境温度的影响

一般，环境温度会加速设备表面涂层防护材料的腐蚀和涂层劣化[3]。根据设备涂层应用的环境温度不同，将涂层按温度划分为3种类型：0～60 ℃，60～120 ℃，≥120 ℃。其中，0～60 ℃属于常温条件，涂层对温度容忍性较好；60～120 ℃，介质对材料的腐蚀速率增加；≥120 ℃，在这一温度条件下，环境中的水已经蒸发，但在温度升高的过程中，水对材料有腐蚀作用。如果设备处于反复浸湿的条件，则材料表面会积聚盐垢，腐蚀速率较大。

算例2、7、8为火源功率6 MW，环境相对湿度80%，排风设置正常工作的条件下不同环境温度(分别为40 ℃、50 ℃、60 ℃)的对比算例。工况2、7和8的热释放速率对比见图6。