舰船甲板航空煤油流淌火灭火试验研究

蒲晓亮，钟 涛

(中国船舶及海洋工程研究院，上海 200011)

0 引 言

近年来，我国舰船装备快速发展，带有大型飞行甲板的舰船陆续研发，舰船飞行甲板的安全防护尤为重要，而火灾是舰船飞行甲板面临的主要危险之一，据统计二战后欧美国家航母火灾中飞行甲板火灾占比达到39%[1]。带有飞行甲板的大型军用舰艇，由于舰载机加注的航空煤油量大，一旦发生事故泄漏，起火后快速燃烧，燃烧强度大，并随着舰船的摇摆有较强流淌性。同时在海风的作用下，势必加剧蔓延，形成一边流淌一边燃烧的蔓延性火灾，增加了灭火工作的难度和强度。因此，必须选择有效的灭火剂和灭火方法，确保飞行甲板发生火灾后能够有效灭火，保护装备和人员的安全。

美国在吸取了二战中航母火灾的经验教训后，将飞行甲板和机库甲板消防措施改为泡沫灭火，二战后在经历多次航母火灾后又将泡沫灭火剂换为可喷洒的水成膜泡沫灭火系统，随后又开展了大量的水成膜泡沫灭火试验研究[2]，美国现役航母和两栖攻击舰飞行甲板仍在大量应用水成膜泡沫灭火系统[3]。由于干粉的控火能力强，在扑灭油类火时具有很高的灭火效率，其在舰船甲板灭火中也被广泛应用[4]。总之，水成膜泡沫和干粉是目前飞行甲板最主要的灭火剂。从各类规范的要求也可看出干粉灭火和水成膜泡沫灭火是飞行甲板最重要的灭火措施。如《舰船通用规范》规定直升机起降平台应配置水成膜或甲板泡沫灭火系统（和干粉联用）；《国际海上人命安全公约》要求在靠近直升机甲板处配备至少2 具干粉灭火器，还应配备一个由泡沫炮或泡沫发生支管组成的合适泡沫灭火系统。

但这2 种灭火措施如何配合使用才能达到最佳灭火效果，规范没有明确规定。特别在应对舰船摇摆和甲板风场作用下的甲板流淌火时，如何应用水成膜泡沫灭火系统和干粉灭火实现最佳灭火效果，相关研究较少。国内在流淌火领域已开展了大量研究，但主要集中在流淌火的特性和模型研究[5-9]，对如何有效控制和扑灭流淌火的研究则较少。王馨等[10]以油池火为对象进行试验，对比了融合超细干粉的水成膜泡沫和单独使用水成膜泡沫的灭火效果，但未研究对流淌火的灭火效果。

为验证干粉和泡沫不同联用方式对舰船甲板航空煤油流淌火的灭火效果，本文设计并搭建试验平台，模拟了舰船飞行甲板的流淌火灾，进行了灭火试验验证。试验运用热电偶和红外线技术，监测了试验温度数据，用CCD 摄像机和视屏监控系统拍摄了灭火试验过程。通过在水平流淌模型和倾斜流淌模型上分别进行先干粉后水成膜、干粉与水成膜混合的联用灭火，一方面对甲板航煤流淌火的燃烧特点进行了试验，另一方面验证了不同联用方式应对甲板航煤流淌火的灭火效能，对灭火剂的使用和灭火方式提出了建议。

1 试验设计

1.1 试验场地搭建

试验场地原理图如图1 所示，主要由试验平台、供水系统、水成膜泡沫灭火系统、推车式干粉灭火装置、风机、点火装置、供油系统和数据采集及控制系统等部分组成。为模拟舰船的倾斜摇摆，试验平台分为斜度4.5°的倾斜流淌试验区域和水平流淌试验区域，两处试验区域大小相同，单个试验区域面积约150 m2，尺寸为长17.75 m、宽8.45 m。试验平台的表面依次采用耐火砖、耐火水泥和16 目的金刚砂按比例混合铺设而成。

图1 灭火试验场地原理图Fig. 1 Schematic diagram of the fire extinguishing experiment site

试验燃料为RP-5 航空煤油，供油采用油箱重力供油，油箱和试验平台之间用砖墙隔开，为尽量模拟直升机油箱破损后的燃油泄漏速率，油箱内的航空煤油通过DN65 的管路泄放到试验平台，泄放速率为5 L/s。

试验用泡沫灭火剂为海水型3% 水成膜泡沫液，水成膜泡沫的末端喷射装置为电动泡沫消防炮。为实现水成膜泡沫与干粉混合喷洒，对电动泡沫消防炮的炮管进行了改进，使得电动消防炮有2 种喷射方式：一种是喷射3%的水成膜泡沫，另一种是在炮管处预留了干粉灭火剂的入口，可在消防炮炮管的末端进行干粉与水成膜的混合，实现干粉和3%水成膜混合灭火。

试验场地设置风机用于模拟海风，考虑直升机可在6 级风下起降，因此选择的风机可使试验场地产生约11 m/s 的风速。

1.2 数据采集设备及其布置

试验场火灾试验测试设备主要包括热电偶、红外热像仪、CCD 摄像机、流量计、辐射热通量计、数据采集仪等。通过这些测试仪器对干粉与水成膜泡沫灭火系统联用灭火试验过程、泡沫喷洒流量、试验环境温度、火焰热辐射等参数进行测量记录。为全方位观测整个试验过程和现象，试验时同时采用4 部CCD 摄像机和红外热像仪对试验模型受火面温度以及火场温度进行监测，判断流淌火燃烧状态，为确认灭火时间提供辅助手段。采用铠装式K 型热电偶进行温度测量，其测温范围是0～1 200℃，采用补偿导线接入数据采集器进行实时数据采集。试验共设置3 组热电偶，均匀布置在3 个热电偶靶上，热电偶靶内，间隔0.5 m布设一个，热电偶靶放置在距离流淌模型侧面1.5 m的位置。热电偶使用补偿导线与数据采集仪插槽线板连接，补偿导线及连接端子用隔热毯或石棉进行包裹。检测设备布置如图2 所示。

图2 检测仪器及其布置示意图Fig. 2 Monitoring devices layout

1.3 试验工况

试验油品选用RP-5 航空煤油，密度为815.9 kg/m³，比热值为43.1 MJ/kg。

直升机平台泡沫混合液供给强度按每平方米被保护面积不小于4.1 L/min，保护面积按最大试验区域面积150 m2计算，因此需泡沫混合液流量10.25 L/s，试验中采用1 台泡沫消防炮喷射，额定流量为16 L/s。干粉灭火装置采用超细干粉灭火剂，容量为30 kg，喷射速率为0.8 kg/s。

试验共设置4 个工况，每个工况进行3 组试验，具体如表1 所示。

表1 试验工况表Tab. 1 Table of test condition

1.3.1 水平流淌模型灭火试验

开启风机，在水平流淌模型上进行6 次超细干粉与水成膜泡沫系统联用的对比灭火试验，前3 次为“先干粉后泡沫”的联用灭火方式，后3 次为“泡沫干粉混合”的联用灭火方式。

1.3.2 倾斜4.5°流淌模型灭火试验

开启风机，在倾斜4.5°流淌模型上进行6 次超细干粉与水成膜泡沫系统联用的对比灭火试验，前3 次为“先干粉后泡沫”的联用灭火方式，后3 次为“泡沫干粉混合”的联用灭火方式。

2 试验结果分析与讨论

2.1 试验结果

共开展了4 组共12 次灭火试验，其中11 次灭火成功，试验中通过摄像、热成像仪及热电偶等方式记录了试验过程，通过综合分析，各灭火试验的控火时间和灭火时间汇总如表2 所示。从结果可看出，在水平流淌模型上，采用“泡沫干粉混合”的灭火方式，控火时间短于“先干粉后泡沫”的联用灭火方式；在倾斜流淌模型上，采用“泡沫干粉混合”的灭火方式，控火时间和灭火时间都明显短于“先干粉后泡沫”的联用灭火方式。

2.2 水平流淌模型灭火试验过程

2.2.1 “先干粉后泡沫”灭火试验

在水平流淌模型上按“先干粉后泡沫”的灭火方式进行了3 次试验，3 次试验均能成功灭火。3 次试验消耗航空煤油均为178 kg，泄放速率均为5 L/s，由于试验在开放环境中进行，受环境影响，3 次试验预燃时间不尽相同。3 次试验控火时间基本接近，灭火时间差异较大，最长灭火时间91 s，最短为39 s，这是因为试验在开放环境中进行，环境风的风向和风速大小差异较大，燃烧蔓延的方向和面积不同，而干粉和泡沫的喷射方向固定，灭火剂喷射与燃烧蔓延相对方向的不同以及人为因素造成灭火操作的差异性，导致某些试验中模型边缘处存在一些零星燃烧，由于距离泡沫炮较远，完全灭火耗时较长。

图3 为第1 次试验的灭火过程，图4 为第1 次试验过程热电偶采集到的温度变化情况。以点火成功为t=0 s计时，点火不久即形成较大规模的火焰并释放大量浓烟（t=25 s），到t=43 s时，燃烧基本稳定，形成大规模火焰并持续释放大量浓烟，距离中心点3 m处的热电偶最高温度为536.5℃，火焰中心的温度最高达到了1 510℃。继续稳定燃烧约10 s，t=52 s开始喷射干粉进行灭火，用干粉进行灭火10 s后火势仍然较大（t=62 s），同时可以看到在模拟风场和环境风的作用下，干粉和浓烟一起弥漫。t=85 s时停止干粉喷射，火势得到了一定控制，但火情尚未扑灭。到t=100 s时，火势有所减小，可见仅使用干粉无法扑灭火情。此时开启泡沫消防炮，使用水成膜泡沫进行灭火，火势迅速减小，从图3 可知，到t=117 s时，火势已较微弱，到t=143 s完成灭火，灭火过程耗时91 s。

图3 水平模型“先干粉后泡沫”灭火试验现象Fig. 3 Horizontal platform dry powder before AFFF fire extinguishing test phenomenon

图4 水平模型“先干粉后泡沫”灭火试验温度变化Fig. 4 Horizontal platform ＂dry powder before AFFF＂ fire extinguishing test temperature

2.2.2 泡沫干粉混合灭火试验

在水平流淌模型上按“泡沫干粉混合”的灭火方式进行了3 次试验，2 次试验成功灭火，1 次由于操作问题未能灭火。前2 次试验控火时间约8 s，第3 次控火时间14 s，除未成功灭火的1 次试验外，另2 次试验灭火时间较为接近，第2 次灭火时间66 s，第3 次灭火时间55 s。

图5 为第3 次试验的灭火过程，图6 为第3 次试验过程热电偶采集到的温度变化情况。以点火成功为t=0 s计时，点火不久即形成较大规模的火焰并释放大量的浓烟（t=15 s），到t=35 s时，燃烧基本稳定，形成大规模火焰并持续释放大量浓烟，距离中心点3m 处的热电偶最高温度为480℃，火焰中心的温度最高达到了1 520℃。继续稳定燃烧约10 s，t=45 s开始使用泡沫消防炮喷洒水成膜泡沫与干粉的混合灭火剂进行灭火，开始灭火后火势迅速减小。t=59 s时火势基本得到控制，但火情尚未扑灭。继续喷洒泡沫进行灭火，到t=71 s时，火焰已较小，浓烟基本消失。到t=100 s完成灭火，灭火过程耗时55 s。

图5 水平模型“泡沫干粉混合”灭火试验现象Fig. 5 Horizontal platform dry powder mixed with AFFF fire extinguishing test phenomenon

图6 水平模型“泡沫干粉混合”灭火试验温度变化Fig. 6 Horizontal platform ＂dry powder mixed with AFFF＂ fire extinguishing test temperature

2.3 倾斜流淌模型灭火试验过程

2.3.1 “先干粉后泡沫”灭火试验

在倾斜流淌模型上按“先干粉后泡沫”的灭火方式进行了3 次试验，3 次试验均能成功灭火。以第1 次灭火试验为例简要分析灭火过程，试验过程主要阶段如图7 所示，试验温度变化曲线如图8 所示。与水平模型相比，热电偶采集到的温度较低，最高温度约192℃，主要因为水平模型热电偶位置更靠近火源，而倾斜模型距离较远。从图7 可看出，以点火成功为t=0 s计时，点火后火势发展较慢，温度上升较为缓慢，到t=60 s时，燃烧范围沿模型长度方向仅占模型的3/1，到t=112 s 形成大规模火焰，燃烧沿模型长度方向基本布满，燃烧基本稳定，并持续释放大量浓烟，距离中心点3 m 处的热电偶最高温度为197.3℃，火焰中心的温度最高1 283℃。继续稳定燃烧约8 s，t=120 s开始使用干粉灭火剂进行灭火，t=188 s时火势基本得到控制，但火情尚未扑灭。到t=219 s完成灭火，灭火过程耗时99 s。

图7 倾斜模型“先干粉后泡沫”灭火试验现Fig. 7 Inclined platform dry powder before AFFF fire extinguishing test phenomenon

2.3.2 “泡沫干粉混合”灭火试验

在倾斜流淌模型上按“泡沫干粉混合”的灭火方式进行了3 次试验，3 次试验均能成功灭火。以第2 次灭火试验为例简要分析灭火过程，该试验温度变化曲线如图9 所示。可以看出，以点火成功为t=0 s计时，点火后火势发展较慢，温度上升较为缓慢，到t=130 s形成大规模火焰，燃烧基本稳定，在距离中心点3 m 处的热电偶最高温度为112℃，火焰中心的温度最高963℃。继续稳定燃烧约10 s，t=140 s开始使用水成膜泡沫与干粉的混合灭火剂进行灭火，t=168 s时火势基本得到控制，但火情尚未扑灭。到t=201 s完成灭火，灭火过程耗时61 s。

图9 倾斜模型“干粉泡沫混合”灭火试验温度变化Fig. 9 Inclined platform dry powder mixed with AFFF fire extinguishing test temperature

3 结果分析

3.1 风对甲板航煤火燃烧的影响

从试验现象可看出，在模拟风场和自然风的共同作用下，泄漏的RP-5 航空煤油在燃烧过程中，火焰容易受到风向的干扰，在风向的作用下，顺着风向燃烧，火焰向下风区快速延伸，易发生爆燃（见图3（b）），上风区的温度也随之降低。

3.2 摇摆对甲板航煤火燃烧及灭火的影响分析

试验采用倾斜流淌模型模拟舰船甲板的摇摆情况，对比水平和倾斜2 种模型灭火试验结果可知，倾斜对流淌火的燃烧过程和灭火均有较大影响。从表2可看出，与水平流淌火相比，倾斜流淌火达到稳定燃烧所需的预燃时间更长，6 次水平流淌火平均预燃时间为5 6.3 s，而6 次倾斜流淌火平均预燃时间为120.2 s；与水平流淌火相比，倾斜流淌火焰中心温度较低，6 次水平流淌火平均火焰中心温度为1 445.8℃，而6 次倾斜流淌火平均火焰中心温度为1 195.7℃。对比图3 和图7 还可发现，倾斜流淌火的火焰高度比水平流淌火低，而燃烧范围比水平流淌火大。这与吕鹏[11]、蔡宾斌[9]等研究结果基本一致。

在采用相同的灭火方式下，倾斜流淌火的控火时间和灭火时间均比水平流淌火更长。采用“先干粉后泡沫”方式灭火时，水平流淌火的平均控火和平均灭火时间分别为29.3 s 和50.5 s，倾斜流淌火的平均控火和平均灭火时间分别为74 s 和101.7 s；采用“干粉泡沫混合”方式灭火时，水平流淌火的平均控火和平均灭火时间分别为10 s 和60.5 s，倾斜流淌火的平均控火时间和平均灭火时间分别为29.3 s 和68.7 s。

3.3 两种灭火剂不同联用方式灭火效果分析

从表2 可看出，无论对水平流淌火还是倾斜流淌火，“干粉与泡沫混合”的联用灭火效果均优于采用“先干粉后泡沫”的方式。采用“先干粉后泡沫”方式进行灭火时，干粉灭火剂有抑制火焰的作用，从热电偶的温度数据看，喷放干粉灭火剂时，火场温度有所下降，但不能快速控制火势，后喷洒水成膜泡沫灭火剂时能够快速控制火势，直至灭火。采用“干粉与泡沫混合”的联用灭火方式时，当泡沫干粉混合液开始作用后，火场温度下降更快速，能够更快速地控制火势，灭火时间也较短。

从灭火现象可看出，在风场作用下，干粉灭火剂喷放时随着风向产生漂移，也随着火焰和烟雾向上漂移，漂移、扩散速度较快，对比图3 和图5 可看出，干粉灭火剂对火源有一定阻挡作用，能够阻挡火势的蔓延。

4 结 语

1）航空煤油流淌火在风力作用下，火焰向下风区快速延伸，易发生爆燃。与水平流淌火相比，斜面航空煤油流淌火火焰高度更低、火焰中心温度更低、蔓延范围更大。

2）在采用相同的灭火方式下，扑灭倾斜流淌火所需控火时间和灭火时间均比水平流淌火长，说明舰船甲板流淌火灾摇摆情况下更难以控制和扑灭。

3）对于水成膜泡沫和干粉联用灭火方式，“先干粉后泡沫”和“干粉与泡沫混合”2 种联用方式均能灭火，但无论对水平流淌火还是倾斜流淌火，采用“干粉与泡沫混合”的方式控火时间和灭火时间都更短，因此对海风作用下的甲板航煤流淌火，更适合采用“干粉与泡沫混合”的联用方式。

4）对于甲板流淌火，为达到更好的灭火效果，应使喷洒的灭火剂喷射在火焰中心的上部，均匀落洒在火焰中心并沿火焰中心向外辐射。