豪华邮轮IMAX影院火灾联动探测系统性能的试验分析

2021-10-25冯伟何军宋振森

船海工程 2021年5期

冯伟，何军，宋振森

(上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院，上海 200240)

我国首艘豪华邮轮总船价超过50亿元人民币，排水量为13.5万t，一旦发生火灾将会造成极大的财产损失和人员伤亡，因此早期的火灾探测具有重要意义。大型邮轮不同于一般客船，内部含有大量的高大空间，例如：影院、中庭、剧院等。其火灾探测问题相较于陆地建筑要求更高[1]，主要存在以下难点：①探测系统需要满足大量法律与规范，包括国际公约、中英船级社规范、邮轮制造业行规等，由于邮轮建造周期长，还要考虑新规范是否生效等问题；②要求火灾探测预警时间短、误报率低[2]，由于海上救援的特殊性，对火灾预警的要求更高；③探测系统的可靠度要求高，根据SOLAS公约要求，即使发生火灾或者某些探测器失灵，在返港途中要求该系统在其他区域依然可以工作。为使邮轮高大空间的火灾探测工程满足早期探测、准确性高、可靠度高等要求，考虑进行应用多种火灾探测器的联动报警响应试验，根据时间结果给出该空间下多传感器联合探测系统探测器选型的建议。

1 试验概况

本试验依据邮轮设计及建造期间签署的协议要求，在火灾探测器选型及布置位置上满足《International Convention for the Safety of Life at Sea》(SOLAS)公约，《International Code for Fire Safety System》(FSS Code)规范，英国劳氏船级社和中国船级社相关规范。其中，也充分参考并且满足GB 50116—2013《火灾自动报警系统设计规范》和NFPA 72《美国国家火灾报警与信号规范》，NFPA72规范2016版涵盖了一些较先进的火灾探测技术规范与标准，国际上认可度较高。

FSS Code规定了火灾探测器应具有的灵敏度要求和安装位置[3]，例如：感烟探测器在烟雾密度超过12.5%/m 的减光率前应报警，但在超过 2%/m的减光率前不应报警。SOLAS规定了探测试验所处的环境要求和探测器的选型，例如：试验的环境必须在室内通风条件下进行。GB 50116—2013和NFPA72主要规定探测器安装的数量及位置。

试验的环境条件、探测器灵敏度及安装位置均符合以上规范及标准。

2 试验方案

2.1 试验场地

试验对象为IMAX影院，位于邮轮的7、8、9层甲板上，尺寸为18.00 m×17.50 m×8.75 m，试验场地尺寸为11.20 m×12.60 m×5.60 m，因场地限制，试验以2∶3尺寸模拟试验，试验场地为钢结构厂房，原空间对象在邮轮中的位置见图1。缩尺试验的试验场地空间平面面积仍有141 m2，尺寸也完全符合IMAX影院设计规范要求的场地标准。众多试验证明，高大空间的中尺寸火灾试验仍可保持很高的可靠度[4]。

图1 第7层甲板平面中试验对象位置示意

试验场地的内部台阶及尺寸按照JGJ58—2008《电影院建筑设计规范及条文说明》进行设计，台阶高0.24 m，宽1 m。

2.2 火灾探测器选型及布置

试验选取的探测设备型号分别为：JTY-GD-JBF5100点型感烟探测器，JTY-HF-C33红外光束感烟火灾探测器，JTGB-HW-BK51Ex/IR2红外双波段火焰探测器，DT600多光图谱图像型火灾探测器，JB-QB-JBF5012报警主机，传感器的数量、位置、实物见图2、3和表1[5]。

图2 探测器选型及安装位置

图3 探测器实物记录

表1 探测器图例

火灾探测器的选择依据：①选取的探测器类型均为最常见的火灾探测器，在工程应用方面具有经济性高、操作性好、易普及等优点；②探测器型号均满足相关规范规定的灵敏度要求及探测范围要求。

火灾联动报警设计是指应用多种传感探测器探测火灾的可寻址火灾探测系统[6]。试验应用4种探测器的联动预警，在影院的实际工程应用中，探测系统采用至少两种火灾探测器，并且两种探测器基于不同的物理信息报警。报警机制为：当一种探测器报警时，进入火灾预警状态，这时安全工作人员通过摄像头或者到达现场确认火灾是否发生，当两种及以上探测器都报警时则系统认定火灾发生，这时自动启动该区域的消防设施，例如高压细水雾，水炮等[7]。一般情况下，当基于两种以上信号的探测器报警时，误报率极低，基本可以确定火灾的发生。

2.3 试验工况

设计8组工况，每组工况做2次试验，一共进行16次燃烧探测响应试验。试验测试4种燃烧物在2处不同高低位置的探测响应，低位距地面0.48 m，高位位于影院中部距地面1.44 m。

燃烧火源工况分别为：木垛火、沙发火、电气火、隐蔽火。木垛火是常规A类火灾试验，按照文献和规范做法采用木垛火进行试验，试验时参照GB 4351.1—2005和GB 17835—2008设置木垛，木材为云杉，含水率：10%左右，尺寸：40 mm×40 mm×735 mm，木条层数：18层，木条摆放：每层12根木条，间距均匀，铁钉固定，金属支架：750 mm×750 mm×400 mm，引燃油池：500 mm×500mm×100 mm。引燃时盘内先倒入50 mm深度清水，然后加入250 mL汽油。

沙发火还原真实影院中沙发起火的情景，采用定制的电影院座椅，座椅尺寸高度980 mm，宽490 mm，中心距5 960 mm，排距1 000 mm。采用阻燃面料，内部为高密度冷热发泡定性海绵，后部为高强度阻燃塑料，下部采用冷轧钢。试验时将蘸有20 mL汽油的棉手套夹于靠背处引燃。

电路火模拟电路因短路原因起火，将2根长60 cm的型号为ZC-YTL电缆抽芯只留外皮管，把2根2 kW/60 cm的电热丝穿入电缆皮管接入到220 V电源上模拟电路短路着火。近年统计数据表明，电气短路起火是导致影院起火的主要原因[8]。

隐蔽火火灾场景设计为垃圾桶内着火，还原桶内干垃圾着火情景，垃圾桶长、宽、高分别为36、28、65 cm，外部为烤漆铁皮，内部为不锈钢铁桶，燃烧物为2 kg的A4纸，引燃方式是向垃圾桶内部丢弃引燃的蘸有10 mL汽油的棉手套。具体工况设置见表2。

表2 工况设置

3 试验结果及分析

3.1 试验结果

木垛火初期发展阶段的发展极为迅速，5 s左右底部中间木垛被引燃，15 s左右随着底部火焰的蔓延引燃整个木垛，火焰高度最高达到2.5 m，整个阶段伴有大量白色烟雾及少量汽油产生的黑色烟雾，呈团状上升扩散。中期阶段，火焰虽然闪烁但高度不变，烟雾浓度反而降低，呈现火焰大而烟雾较少的局面。探测器响应时间：图像型和红外双波段火焰探测器无论高位低位，预警时间较短且预警时间恒定，图像型探测器平均7 s预警，红外双波段平均13 s预警。位置高低的影响对感烟设备影响较大，高位火比低位火点型烟感提前10 s预警，红外光束感烟提前5 s预警。

沙发火的火灾初期阶段火焰由下到上，由中心到四周，由缓到快发展，过程中伴随着逐渐增多的缕状黑色烟雾，中期发展阶段后背的木头合成制品也开始燃烧，火焰高度达到2.2 m左右，呈深红色，伴随着大量的黑色浓烟。探测器响应时间结果：红外双波段及图像型火灾探测器均在20 s以内报警，其中图像型火灾探测器在11 s以内报警。烟雾探测器一般能在1 min以内预警，红外光束比点型烟感晚预警10 s以上，这是因为空间不足够高大的结果，越高大的空间光束型感烟探测器相比于点型感烟探测器越有优势。烟雾信号与火灾图像信息相结合具有良好的报警结果。

电路火的4组试验报警时间相差较大，原因是短路引燃火灾随机性较强，有时伴随明火有时只有烟雾。一致现象如下：电缆的绝缘外皮首先开始融化并产生灰色烟雾，当融化成液体状态后可能产生明火出。因短路现象不稳定，有时无明火出现但是已经在阴燃阶段，具有很大的火灾发生隐患。探测器响应时间结果：工况5第2组试验无明火出现，火焰探测器未报警，其他组试验感烟探测器与火焰探测器报警时间差距不大，鉴于在无明火的情况下烟雾探测器依然能预警的优势，电气火应首先考虑感烟探测器。

隐蔽火在初期发展阶段只产生少量的白色烟雾，进一步发展火焰越来越高，可以冒出垃圾桶上方20 cm，伴随着大量白色烟雾，整个过程只露出半个火焰形状。火灾探测器响应行为：因为只露出部分火焰的情况，红外双波段探测器比图像型探测器更可靠，图像型火灾探测器均未预警。另外，烟雾探测器均在90～120 s左右的时间预警，对探测隐蔽火不可或缺，烟雾探测器在探测阴燃火或者隐蔽火均有独特的优势。

试验的过程图片和各探测器的报警结果见图4、5。

图4 火灾探测试验过程记录

3.2 试验结果分析

当明火出现时，图像型和红外双波段火焰探测器响应很快，无论高位低位，只要在其探测覆盖范围内，预警时间短且恒定。在无明火阶段，例如：电路短路和隐蔽的火灾，前期无明火或火焰形状不完全，火焰型探测器报警时间最晚甚至不报警。邮轮影院空间中宜选用感烟型与图像型火灾探测器联动探测预警。图像型对明火响应时间早，但对电气短路等引燃火、隐蔽火探测能力不足，由感烟设备补充。

联动探测系统采用至少两种火灾探测设备，通过探测不同的物理信息报警，即使某探测器损坏探测系统依然可以正常工作，具有较高的可靠度；报警系统阈值的设置为FSS Code等规范规定的最低阈值，试验中最不利的电路火也在3 min的时间报警，可以实现极早期预警。