基于CFD的舰船甲板火灾消防安全评估

陈延伟，王雅文，胡洋，熊言义

(中国船舶重工集团有限公司第七一三研究所 郑州市特种场所火灾防护技术重点实验室，郑州 450015)

舰船甲板是停放武器装备的重要场所，装载了大量燃油，在舰船复杂载荷环境下发生火灾概率较大。针对舰船甲板上最可能发生并且发生后火灾危害性较大的油类火，甲板上布置了水成膜泡沫灭火设施。水成膜泡沫由于具有良好的流动及覆盖等特性，可以通过快速降低油面温度同时隔绝空气来达到灭火的效果。了解舰船甲板典型油池火火灾事故下投入水成膜泡沫的消防安全评估研究具有重大意义。舰船消防安全评估涉及舰船火灾理论、消防安全技术和损管作业等方面。而舰船甲板风速较大，火灾蔓延区域广，损管人员在执行消防作业时，灭火效能、消防作业安全范围与设备安全距离是需要考虑的主要问题。为此基于CFD数值模拟技术，针对舰船甲板典型火灾事故下的水成膜泡沫消防灭火场景建立数值模型，对有无环境风两种工况下水成膜泡沫消防灭火效能、损管人员消防作业安全与设备安全三方面进行消防安全评估。

1 典型消防灭火场景数值模型

1.1 灭火模型

热释放速率()，是材料燃烧过程中在单位时间内释放的热量，kW(kJ/s)。

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FDS中引入了熄灭系数一值，它是用于计算喷灭火剂灭火降低的重要参数，首先引入衰减系数，喷灭火剂后的总热释放速率为

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(3)

为了将熄灭系数应用于FDS模拟，Hamins和McGrattan改进为

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(5)

Hamins等的实验中所建议的_系数可以应用于复杂的燃料。

1.2 舰船甲板典型灭火场景建立

可燃物选择航空煤油，火源面积为13 m。火源增长速率取超快速火模型，参考文献[6]对燃油热释放速率的试验数据，结合上述试验舱内真实点火试验数据，仿真过程中航空煤油热释放速率设定如下。=394 s前，火源热释放速率以曲线形式增长，394 s后火源热释放速率稳定在28.99 MW附近，火源热释放速率在394 s达到最大值。在舰船甲板面形成油池火后，投入水成膜泡沫消防灭火手段。灭火工况设置见表1。

表1 灭火工况设置

利用FDS软件建立尺寸为252.3 m×45 m×12.8 m的舰艇甲板，在甲板右舷正方向上87 m和133 m位置处分别布置2个障碍物，油池火火源布置在=82 m、=27.5 m处，火灾发生位置定义在=80 m处，火焰沿着轴正方向蔓延。除了甲板面以外均设置为开放边界，见图1。

图1 舰船甲板火灾三维几何模型

水成膜泡沫灭火设施喷头压力为0.4 MPa，单个喷头流量为10.1 m/h，保护半径为3.5 m，单位面积喷淋强度为3.4 L/(min·m)。考虑最危险情况，火源在达到最大热释放速率后继续燃烧60 s，再启动灭火系统。另外，距离火源较远的喷头对火源燃烧影响较小，因此，为降低计算成本，仅选取靠近火源的9个喷头启动，见图2中方框所示。

图2 舰船甲板水成膜泡沫喷头布置示意

2 水成膜灭火系统灭火效能分析

舰船甲板为开放空间，烟气不会在区域内积聚，烟气高度、能见度危险程度较小，故主要针对投入消防手段后的烟气层温度、灭火时间等特征参数进行灭火效能评估分析。

根据《建设工程性能化消防设计与评估导则》中的相关规定，把烟气层以下空间内温度临界标准判定值设定为60 ℃。人体在60 ℃对流热环境中能够承受一段时间，在这个温度内是疏散的最佳时间段。因此，一般将1.8 m高度的温度达到60 ℃视为危险状态。

2.1 无风条件下灭火效能评估分析

火灾发展过程在经历火灾初期、火灾快速发展阶段后在394 s时热释放速率达到最大，火焰最大温度达到620 ℃，烟气层温度达到260 ℃左右。之后火灾发展处于稳定燃烧阶段，在最大热释放速率处继续燃烧60 s，即火灾发展的454 s时刻，启动水成膜泡沫灭火系统。无风条件下水成膜泡沫灭火场景在=190，394、690、746、和749 s时刻位于=26 m的剖面温度分布见图3。

图3 无风条件下水成膜泡沫灭火不同时刻的温度分布

由图3可见，水成膜泡沫灭火系统启动后，火源热释放速率降低，区域内的温度开始下降，灭火系统启动后236 s(总时刻=690 s)，火源附近温度降至120 ℃左右；在灭火系统启动后292 s时(总时刻=746 s)，火焰被完全扑灭，随后3 s内火焰区温度迅速降至常温。说明水成膜泡沫灭火系统在无风情况下满足舰船甲板上油类火灭火需求。

2.2 有风条件下灭火效能评估分析

发生火灾后，火源附近温度开始上升，190 s时烟气层温度约为170 ℃。经历火灾初期阶段、火灾快速发展阶段后，394 s时刻热释放速率达到最大，烟气层温度为250 ℃左右，火焰最大温度达到620 ℃。随后在最大热释放速率处稳定燃烧60 s，454 s时刻水成膜灭火系统启动。有风条件下水成膜灭火场景在=190、394、690、746及749 s时=26 m的温度分布见图4。

图4 有风条件下水成膜泡沫灭火不同时刻的温度分布

由图4可以看出，甲板有环境风时，火焰向下风向被拉长，并且前半截贴近地面，随后火焰按一定角度斜向右上方蔓延，抬离地面。相比于无风状态，火灾形成的高温区域在下风向有较大范围的蔓延，环境风将极大增加油池火火灾危险性，下风向高温危险区域范围大幅度增加。水成膜泡沫灭火系统启动后，火源热释放速率降低，区域内的温度开始降低，灭火系统启动后的236 s时刻(总时刻=690 s)，火源附近温度降至120 ℃左右，在灭火系统启动后326 s时(总时刻=780 s)，明火被扑灭，区域内的温度迅速降至常温。说明水成膜灭火系统在有风情况下满足舰船甲板上油类火灾的灭火要求。

2.3 无风与有风情况下灭火效能对比

对于舰船甲板内发生可能性较大的油类火，通过数值仿真对水成膜泡沫灭火系统开展消防评估分析。分析结果表明，对于大尺寸的油池火，使用水成膜泡沫灭火系统需要大约5 min左右扑灭。相较于无风情况，环境风条件下高温危险区域下风向范围大幅度增加，灭火时间也有所延长，舰船甲板各工况下的灭火时间见表2。

表2 舰船甲板火灾场景灭火时间

3 损管人员消防作业安全评估

3.1 损管人员消防作业安全指标与判据

1)接触指标——烟气温度。根据澳大利亚《生命安全标准》规定，穿防护服的损管人员一般可忍耐的烟气温度为：烟气层高度距地面1.5 m以上空间的平均烟气温度不应超过150 ℃，因此选取烟气温度150 ℃作为安全判据。

2)非接触指标——辐射热通量。当损管人员处于烟气之外时，如露天甲板火灾、舱室火灾的冷空气区，对损管人员造成伤害的主要是热辐射，强烈的热辐射会造成一定程度上的人员伤亡及财产损失等，人员和设备遭受的损害程度取决于其所接受的热辐射和暴露时间。当以辐射热通量为指标时，人体接受的热通量超过4 kW/m时开始受到损伤，因此选取辐射热通量4 kW/m作为损管人员消防作业安全判据。

综上所述，当损管人员进入热烟气区之中时采用接触指标，即烟气温度作为安全指标；当损管人员进入热烟气区以外时采用非接触指标，即辐射热通量作为安全指标。相关指标及判据见表3。

表3 损管人员作业安全指标及判据

根据辐射热损失公式，可计算得到人员损伤的危险区域半径。

(6)

3.2 无风条件下损管人员消防作业安全评估

无风条件下烟气温度与辐射热通量危害区域呈圆形，见图5。

图5 无风条件下烟气温度与辐射热通量危害区域

1)接触指标。火灾发生过程中，当1.5 m以上空间的区域平均温度达到150 ℃时，开始对损管人员造成伤害，当热释放速率达到最大时(总时刻=394 s)，烟气温度危险区域面积最大，此时危险区域最大直径约为4 m。

2)非接触指标。根据火焰点源辐射模型，可根据最大辐射热损失计算辐射危险区域半径。该火源的辐射热损失随时间的变化见图6，最大辐射热损失为4 129 kW，根据式(6)，计算得到危险区域半径应为=9.1 m。

图6 舰船甲板水成膜泡沫灭火场景辐射总热损时间分布

综上所述，损管人员在距离火源中心9.1 m外可以开展损管作业。

3.3 有风条件下损管人员消防作业安全评估

有风条件下烟气温度与辐射热通量危害区域约呈长条形，见图7。

图7 有风条件下烟气温度与辐射热通量危害区域

1)接触指标。火灾发生过程中，当1.5 m以上空间的区域平均温度达到150 ℃时，开始对损管人员造成伤害，当热释放速率达到最大时(总时刻=394 s)，烟气温度危险区域面积最大，此时危险区域主要位于火源下风向，危险区域最长约为15 m，宽约为4.7 m。

2)非接触指标。在454 s时刻，火源以最大热释放速率稳定燃烧了60 s，此时辐射热危险区域最大，超过4 kW/m临界值的危险区域达到最大，危险区域最长约为20 m，宽约为7 m。

综上所述，损管人员应在火源上风向开展安全损管工作，若处于火源下风向，则与火源中心的距离应保持在20 m以上。

3.4 两种方式下消防作业安全半径对比

通过对舰船甲板各火灾工况下1.8 m高处的温度以及表面辐射热通量的分析，对损管人员危害较大的因素为火焰热辐射，对于火源热释放速率较大的油池火，在无风条件下损管人员作业热辐射危险半径大于9 m；在有风条件下，损管人员作业危险区域主要集中在火源下风向，危险区域最大长度达到20 m。舰船甲板各工况下损管人员危险区域半径见表4。

表4 舰船甲板损管人员作业危险区域半径

4 舰船甲板设备消防安全评估

4.1 舰船设备安全指标与判据

火灾中电子设备相对其他设备来说更容易损坏，因此选用电子设备的安全指标作为设备的安全指标。根据《美国能源部消防手册》，火灾对电子设备影响最大的是热损伤，也是设备安全考虑的主要因素。当设备处于热烟气中，采用接触指标，即烟气温度作为安全指标；当设备处于热烟气区以外时采用非接触指标，即辐射热通量作为安全指标。

1)接触指标——烟气温度。当电子设备处于热烟气中时，烟气的高温会对设备造成热损伤，电子设备热损伤判据见表5。电子设备永久损伤将对舰船任务能力造成严重影响，因此选用150 ℃作为电子设备的安全判据。这一判据已在美军舰艇消防安全评估得到了应用。

表5 电子设备热损伤判据

2)非接触指标——辐射热通量。设备处于烟气之外时，如露天甲板、舱室的冷空气区，对设备造成损害的主要是辐射热。以辐射热通量为指标，设备接受的热通量超过10 kW/m时开始受到损伤，因此选取辐射热通量10 kW/m作为舰船设备安全判据。

综上所述，当设备处于热烟气区之中时采用接触指标，即烟气温度作为安全指标；当设备处于热烟气区以外时采用非接触指标，即辐射热通量作为安全指标。相关指标及判据见表6。

表6 设备安全指标及判据

根据辐射热损失公式，可计算得到火灾中设备损伤的危险区域半径：

(7)

4.2 无风条件下舰船甲板设备安全评估

1)接触指标。火灾发生过程中，当物体温度达到150 ℃时，开始损伤设备，当热释放速率达到最大时(总时刻=394 s)，烟气温度危险区域面积最大，此时危险区域最大直径约为4.9 m。

2)非接触指标。根据火焰点源辐射模型，可根据最大辐射热损失计算辐射危险区域半径。根据图6，由该火源的辐射热损失随时间的变化得到最大辐射热损失为4 129 kW，根据式(7)计算得到危险区域半径应为=5.7 m。

综上所述，该区域内的设备应放置在危险区域半径5.7 m以外的位置较为安全。

4.3 有风条件下舰船甲板设备安全评估

1)接触指标。火灾发生过程中，当物体温度达到150 ℃时，开始对设备造成损伤，当热释放速率达到最大时(=394 s)，烟气温度危险区域面积最大，此时危险区域主要为火源下风向，长约为14.8 m，宽约为4.9 m。

2)非接触指标。在454 s时，火源以最大热释放速率稳定燃烧了60 s，此时热辐射危险区域最大，超过10 kW/m临界值的危险区域面积达到最大，长约为17 m，宽约为5.6 m。因此该区域内的设备应放置在危险区域17 m以外的位置较为安全。

4.4 无风条件与有风条件下设备安全评估对比

分析舰船甲板各火灾工况下固体表面温度以及辐射热通量，对设备危害较大的因素同样为火焰热辐射。对于火源热释放速率较大的油池火，设备热辐射危险半径约为6 m；在有风条件下，设备危险区域主要集中在火源下风向，危险区域最大长度达到17 m。舰船甲板各工况下设备危险区域半径见表7。

表7 舰船甲板设备危险区域半径

5 结论

1)对于舰船甲板上最可能发生并且发生后危害性较大的油类火灾，水成膜泡沫灭火设施可以有效的将火灾扑灭，分析发现环境风会一定程度上增加水成膜泡沫的灭火时间。

2)舰船甲板上火灾向四周的热辐射对损管人员和设备的危害较大，无风条件下烟气温度与辐射热通量的危害区域呈圆形，当存在环境风时，危害区域主要出现在火源下风向约呈长条形。

3)相较于无风情况，环境风条件下火源下风向的危险范围大大增加，正常海况下甲板风速较大，建议损管人员选择上风向的灭火位置。同时考虑到甲板油类火灾的流淌性给灭火带来不利影响，建议增设移动式的挡油设施或器材，限制油料的蔓延。

4)舰船甲板上火灾对损管人员及设备的伤害主要通过热辐射，建议损管人员做好热辐射防护，对火源周围设备进行降温防护，或配备移动式的隔热器材对关键设备进行隔热防护，避免火灾对设备造成永久性的损伤。