内河汽车滚装船活动滚装区域的水喷淋系统研究

龚旭诚 杨震峰 俞 赟

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

引 言

商品汽车滚装船作为一种运输车辆的船舶类型，具有运载量大、装载时间迅速等特点，多用于将商品汽车自产地运输至各地销售。［1］目前我国大部分商品汽车滚装船在长江流域营运，主要码头分布在重庆，武汉及上海一带。2016年长江三峡新建升船机的试通航，能够大量缩短船舶通过三峡的时间，进一步提升运输效率。由于升船机对装载的船舶尺度及重量均有一定限制，加之近年来船舶技术及环保意识的发展，我国商品汽车滚装船面临着一轮更新换代。自2017年起，已有多家船务公司将升船机型滚装船投入运营，有效解决车辆进出川渝的公路运输难题，有力支援长江经济带建设及中西部大开发［2］。

升降式甲板作为一种滚装船舶专用的特种设备，适用于需要在装载小型车与大型车间切换的滚装船舶。配置了升降式甲板的船舶，可根据装载需求，灵活地切换装车甲板状态，提高运输效率。然而，在升降式甲板底部设置的传统压力水雾管路与消防总管的固定连接会对甲板升降造成阻碍，需要拆除部分管路并在甲板位置调整后重新连接。这无论从安全性和便利性来看都极为不利：既无法保证管路每次拆装后的密性，且每次改变升降式甲板状态都需要拆装大量管路。因此需要一种全新的水雾喷嘴布置方案，使其能满足所有情况下的滚装区域消防要求。

本文将从系统原理、喷嘴安装形式、管网及喷嘴的布置等，研究并提出活动滚装甲板侧向喷淋的设计方案。

1 基本原理

消防用压力水雾系统根据其工作压力，可分为低压（＜ 1.2 MPa）、中压（1.2～3.5 MPa）和高压（＞3.5 MPa）［3］，根据其工作介质又可分为单相（水）及两相（水，空气）两种；其中，两相水雾的系统较为复杂，在对于雾化要求不高的区域内通常使用单相水雾系统。在单相水雾系统［4］中，工作压力越大，其水雾喷头产生的雾化颗粒越小［5］，然而其单个水雾喷头的流量较小。在滚装处所的压力水雾灭火要求中，规范对于水雾的颗粒并无强制性要求，但对于水量有着硬性要求。若采用中高压水雾系统，势必造成喷嘴的数量及水雾管网的密度增加，以及供水泵功率的增大，造成不必要的浪费，因此滚装处所宜选用低压水雾系统作为固定式消防灭火系统。

设计水雾系统时，首先是对水雾喷嘴的特性进行选型及设计压力的确定。水雾喷嘴的特性分为雾化角度α及流量系数k。其中流量系数k是考核水雾喷头工作性能和水雾灭火系统设计的重要参数，其代表着喷嘴流量与供水压力平方根的比值为常数，用于计算水雾喷嘴在设计压力下的流量。雾化角度则与覆盖范围相关，一般根据水雾喷嘴的出厂试验确定。对于同样型号的喷嘴，通常其流量系数恒定，雾化角度随压力的增大而增加，但总体变化幅度不大，仍然与喷嘴出口处的设计有关［6］。当确定了k及α后，通过调整外部参数为供水压力P及距被保护区域的距离h，在流量-压力特性曲线及高度-覆盖半径曲线上选取相应的工作点，可以获得不同的喷嘴流量及覆盖范围［7］。

2 设计条件

以升降式甲板的某一分区为例，分区的长度为24 m、宽度为16.6 m、面积约为400 m2，其中活动甲板为2甲板。

如下页图1所示，该区的升降式甲板分为4部分，分别由独立的驱动装置控制升降。装载小型车辆时，2甲板维持原位置，此时1甲板与2甲板层高为2.3 m；当2甲板通过电机与钢缆提升至3甲板底部，1甲板的层高增加至4.3 m，满足大型车辆装载条件。各升降式甲板模块可单独升降，但装载车辆时必须处于同一高度。

根据CCS内河船舶法定检验技术规则，对于滚装处所的压力水雾消防系统，需要满足以下规定：

（1）甲板喷淋水流不小于3.5 L /（min·m2）（对于层高为2.5 m及以下区域），或5 L /（min·m2）（对于层高为2.5 m以上区域）；

（2）喷嘴的布置应能均匀覆盖整个滚装区域；

图1 滚装甲板示意图

（3）水泵的容量需满足最大两个分区及至上一层的坡道同时工作。

对于升降式甲板而言，任意装载工况下均应满足以上条件。

3 设计方案

3.1 系统原理简介

水雾系统的原理如图2所示。

图2 压力水雾系统流程

当某一区域失火时，打开信号阀并启动水雾泵，江水自水泵加压后被输送至指定的分区进行灭火，同时打开的信号阀传递报警信号至该区的火灾报警设施及驾驶室。

对于采用侧向喷淋的升降式甲板水雾系统，需要设置3组信号阀及水雾管网：

第1组为设置在3甲板底部的垂直安装型式的常规压力水雾管网，作用是保护提升前的升降式甲板；

第2组为设置在2甲板高度附近的侧向水雾喷淋管网，作用是保护升降式甲板提升前的1甲板；

第3组为设置在3甲板底部的侧向水雾喷淋管网，作用是保护升降式甲板提升后的1甲板。

3.2 水雾喷嘴选型及管网布置

对于分区1，水雾喷嘴可直接布置在3甲板底部。选择流量特性系数为16，雾化角度为120°的水雾喷嘴。根据喷嘴厂商提供的覆盖范围曲线，当喷嘴处的水压为0.35 MPa，喷嘴安装在距甲板2 m高度时，保护半径为2 m。管网的布置如图3所示。

图3 分区1管网布置

每只喷嘴的额定流量为30 L/min，则分区的平均水量约为 3.8 L /（min·m2）。

对于分区2，需要在2甲板高度附近设置侧向安装的水雾喷嘴。安装水雾喷嘴及水雾管的位置需要避开升降式甲板的移动范围，且在任何情况下不能影响车辆的停放及装载路径。因此喷嘴仅能够布置在两舷与升降式甲板的间隙，以及船舯立柱与活动甲板的间隙中。喷嘴的安装高度需要尽量高但不高于升降式甲板，以保证覆盖范围最大化及避免水雾曲线被甲板所阻挡。

舷侧选用流量特性系数为16，其额定压力下的雾化角度为120°水雾喷嘴，并朝向船舯倾斜15°布置；根据厂商提供的120°水雾喷嘴覆盖范围，舷侧部分留有较大未被覆盖区域，因此在每2只120°水雾喷嘴增加1只90°喷嘴，并朝向船舯倾斜15°布置，以保证整个滚装处所能够被水雾覆盖。

立柱附近选用流量特性系数为22，雾化角度为90°的水雾喷嘴，朝向四周倾斜15°布置；

根据厂家提供的覆盖范围，选用的侧向水雾喷嘴及安装形式可以覆盖整个区域面积，其覆盖效果见图4。

图4 分区2管网布置

特性系数为16的喷嘴额定流量为30 L /min，共36只；特性系数为22的喷嘴额定流量为41 L /min，共12只，则分区的平均水量约为3.9 L /（min·m2）。

对于分区3，由于此时升降式甲板已处于上升状态，该处的层高超过了2.5 m，需要选用流量特性较大的水雾喷嘴，以满足分均流量的要求。根据水雾喷嘴资料及喷嘴覆盖范围，选择流量特性系数为22，雾化角度分别为90°与120°两种型号的水雾喷嘴。布置形式及倾斜角度与分区2相同。

同理，喷嘴的安装位置与分区2相似，利用舷侧及立柱与升降式甲板之间的间隙布置。值得注意的是，喷嘴的安装高度需略低于升降式甲板上升后的底部，以保证覆盖效果。最终布置及覆盖范围见图5。

每只喷嘴的额定流量为41 L /min，则分区的平均水量约为 5.1 L /（min·m2）。

图5 分区3管网布置

4 操作流程

根据系统的设计，某区域失火情况下的操作流程如图6所示。

图6 压力水雾灭火操作流程

其中升降式甲板状态机火灾发生的位置需要操作人员进行判断，以免误操作导致开启错误的分区蝶阀，影响灭火效果。因此手动蝶阀的位置宜靠近活动滚装区域所在甲板，方便确认火情。此外，在蝶阀操作区域应用醒目的指示牌，指导操作流程。

5 实验验证

根据实船现场验证，该侧向水雾喷淋系统的3个分区均能够达到覆盖及水量的要求。因选取的水雾泵压力及流量均留有一定余量，其中压力是根据到达船舶最高最远处水雾喷嘴的阻力选取，而升降式甲板分区的水雾喷嘴高度及阻力均远小于最远处的喷嘴。因此实际该区的水雾喷嘴工作压力大于设计压力，覆盖范围及水量较理论值均有所增加，灭火的实际效果优于理论效果。本设计方案已申请相关实用新型专利并获得授权。［8］

图7 升降式甲板降下时的下层甲板水雾灭火效果

图8 升降式甲板升起时的水雾灭火效果

6 结 语

经过理论论证和实船检验，对于升降式甲板，侧向喷淋的压力水雾消防是一种有效可行的固定式消防系统。在应用侧向喷淋时，需要注意布置侧向水雾喷嘴的方向、倾斜角度及间距等因素，保证每个分区均能被水雾均匀覆盖，连接各喷嘴的水雾管网也需布置在不影响升降式甲板升降及车辆装载的位置。

在侧向水雾喷嘴布置方案确定后，应校核覆盖区域及平均水量是否达到要求，以保证水雾消防效果达到设计预期。另外，该系统在防止误操作上仍存在改进空间，如在水雾蝶阀操作位置增加升降式甲板状态指示器与火灾感应探头，以增加逻辑判断功能，更加方便地指示人员操作相应的阀，减少人员判断的时间及误判的情况，提高系统的可操作性。