浅析特种舰船两型气体灭火系统应用

何春平 朱佳伟

摘    要：当前虽然 1301 灭火剂不是环保型，但仍有不少特殊舰船上采用 1301 灭火系统而不用高压CO2 灭火系统。本文从灭火效率、经济性和主要参数、毒性对比两种气体灭火的优缺点，分析以上现象的原因。此外，本文分析 1301 灭火剂适装性及其可替代的新型灭火剂型式，提出后期舰船灭火剂选型建议。

关键词：特种舰船；气体灭火系统；灭火效率；经济性；毒性

中图分类号：U664.88                              文献标识码：A

Brief Analysis on Two Common Gas Fire Extinguishing

Systems for Special Naval Ships

HE Chunping，  ZHU Jiawei

（ Third Military Representative Office of Navy in Guangzhou， Guangzhou 511462 ）

Abstract： Although 1301 fire extinguishing agent is not environmentally friendly at present， the 1301 fire extinguishing system is still used on a lot of special naval ships instead of high pressure CO2 fire extinguishing system. The article compares the advantages and disadvantages of special naval ship 1301 fire extinguishing system and CO2 fire extinguishing system in terms of fire extinguishing efficiency，economy， major parameters and toxicity， for readers to understand the reasons thereof. Furtherfore， this paper analyzes 1301 fire extinguishing system application as well as the alternative new type fie extinguishing agents and proposes the future types of fie extinguishing agents on new naval ships.

Key words： naval ship; gas fire extinguishing systems; fire extinguishing efficiency; economy; toxicity

1     前言

艦船机舱用固定灭火系统一般有泡沫灭火系统、水雾灭火系统和气体灭火系统。相对于泡沫和水雾灭火系统，气体灭火系统灭火剂腐蚀性小，不导电，蒸发后无残留，适用于多种火灾扑救。目前特种舰船的机舱常用气体灭火系统一般有高压CO2和卤代烷1301（CF3 Br）两类。根据《蒙特利尔议定书》的要求，我国于2010由环境保护部、发改委、工信部三部门联合发布《关于发布<中国受控消耗臭氧层物质清单>的公告》，从2010年1月1日起，除特殊用途外（如军事用途），全面禁止三氟一溴甲烷的生产和使用。为此，当前新造民用船舶气体灭火不得使用1301介质，而采用高压CO2灭火系统替代。但纵观各国海军舰船，其使用1301灭火系统居多。为何出现如此现象，本文从灭火效率、经济性、毒性等方面浅析两种灭火系统优缺点，并对新型环保灭火剂进行展望。

2     灭火特性对比

通常，燃烧有四个要素：燃料、氧气、热量、燃烧连锁反应，即通常所说的火灾四要素。如果要扑灭火灾，则需消除这四要素之间的任何一个或多个链接，或改变它们之间的平衡状态：

A.打断燃烧连锁反应；

B.控制或消除燃料来源；

C.切断或稀释氧气来源；

D.从火灾区除去充足的热量。

其中A项为化学作用灭火方法，BCD项为物理作用灭火方法。1301和CO2灭火系统的灭火剂都是液态储存，灭火时经喷射形成气态，吸收大量热量，减少火灾区热量，并稀释火灾区域的含氧量，达到切断或稀释氧气的目的。因此，1301和CO2系统均具有物理作用灭火的特性。

此外，基于1301灭火剂可通过夺去燃烧链式反应中的活泼自由基的能力，其还具有化学作用灭火特性。采用1301灭火，喷放到火场的灭火剂在火焰产生的高温作用下，分解产生大量的F·、Br·等活性游离自由基，捕捉维持火焰燃烧的H·、OH·等活性自由基，并形成稳定化合物，从而消除维持燃烧所必须的自由基，破坏燃烧链式反应，可迅速扑灭火灾。以发生甲烷火灾事故为例，1301灭火剂释放后受热或与火焰接触时会发生分解，其化学反应式如下：

CF3 Br→CF3·+Br·                                              （1）

CF3→F·+其他氟碳化合物                              （2）

甲烷燃烧过程发生如下反应：

O2+2CH4→CO+OH·+4H·+其他碳氢化合物（3）

由式1、2反应产生的F·、Br·可与未分解的甲烷反应：

Br·+CH4→HBr+其他碳氢化合物                    （4）

F·+CH4→HF+其他碳氢化合物                      （5）

甲烷燃烧过程产生的H·也会与Br·反应：

H·+Br·→HBr                                                      （6）

上述反应中产生的HBr和HF与火焰中的羟自由基发生反应如下：

HBr+ OH·→H2 O+Br·                                        （7）

HF+ OH·→H2 O+F·                                          （8）

式7、8的反应使得F·、Br·再生，重复式3-6的反应过程：即卤素捕获氢自由基，可使氢自由基与燃料的进一步降解反应分割开来；由燃料氧化反应产生的羟自由基与卤化氢反应生成惰性的水，在此过程中活性卤原子再生，捕获和消除自由基的反应反复进行，进而破坏燃烧链式反应，达到扑灭火灾的目的。

对比CO2和1301的灭火原理可知，CO2只能通过物理方式隔离可燃物、稀释氧气、降低温度，1301兼具物理和化学作用灭火特性。试验数据也表明，CO2和1301两种型式的最低灭火剂浓度分别为34%和5%，因此，采用1301系统所需的灭火剂质量少得多，重量更轻，占比空间小。

3     经济性和主要参数对比

灭火系统的成本主要由控制系统、灭火剂储存输送设施（如气瓶、管路设计）、

灭火剂量等组成。目前，CO2灭火系统通常有高压系统和低压系统。由于低压CO2灭火系统储存温度为-20℃～-18 ℃，通常需要配备两套制冷机组（一用一备），系统建设成本高，应用极少[1]。而高压CO2系统配置简单，体积小，相比低压系统成本较低，为此，当前民用船舶上几乎均采用高压CO2灭火系统型式。

以某船1 500 m3机械处所配备灭火系统为例，使用1301灭火系统控制系统时，按机械处所净容积5%的配备灭火剂[2]。每千克1301能释放出0.16 m3的气体体积，1301钢瓶設计压力2.5 MPa，充填率取1.1 kg/L时，该处所需灭火剂重量为468.8 kg，需要气瓶容积至少426 L，即需配置4只100 L气瓶和1只27升气瓶即可。

如选用高压CO2灭火系统，需按机械处所净容积35%的配备灭火剂。每千克CO2能释放出0.56 m3的气体体积，CO2钢瓶设计压力15 MPa，充填率取0.67 kg/L时，该处所需灭火剂重量为937.5 kg，需要气瓶容积至少为1 400 L，即配置14只100 L气瓶。

根据规范要求，CO2灭火系统应能在2 min中内，将机械处所灭火所需的85%的CO2释放出去。而1301灭火系统灭火剂释放时间是不大于20 s。则二氧化碳灭火系统管路最大内径为流速D1=65 mm，选取DN65，壁厚5.5 mm的管路；1301灭火系统管路最大内径为D2=100 mm，选取DN100，壁厚7 mm的管路。以同样为50 m长度的灭火总管为例，二氧化碳灭火系统管路重量为440 kg，1301灭火系统管路重量约为863 kg。

综合气瓶和管路系统重量可知，高压CO2灭火系统系统总重约为1301灭火系统的3倍。除此之外，CO2前者系统管路试验压力也比后者高，且其往往还需另配氮气瓶用以驱动主阀和分配阀。对于灭火剂价格，由于CO2是工业过程中常产生的气体，或可从大气中获取，制取简易，成本低廉，而1301生产和使用受限，价格相对较高。

4    毒性对比

二氧化碳毒性主要体现在空气中过高的二氧化碳浓度会导致血液中二氧化碳分压大于肺泡中二氧化碳分压，血液中的二氧化碳弥散于肺泡，导致肺泡内碳酸浓度增加，PH值变低，抑制呼吸中枢，使机体发生窒息。空气中二氧化碳体积分数约为1%时，人体可能感到气闷、眩晕、头疼、记忆丧失等，其体积分数超过6%时，人体会神志不清、呼吸逐渐停止。当CO2浓度达到10%时，1分钟内人就会失去意识甚至死亡。

1301灭火剂本身是低毒或无毒的，根据动物实验结果，其设计灭火浓度在不高于7%时，人体允许暴露时间为15分鐘。但考虑到1301在高温时会分解产生HF等次级产物，根据HF中毒危险性负荷值评估，人体在浓度约为350 mg/m3的环境中暴露30 min，人和动物就会中毒，表现为灼伤人体皮肤、组织和眼睛，并通过呼吸道、皮肤等侵入人体，造成表皮、真皮甚至皮下组织坏死。另外，进入人体的氟离子难以排出体外，将导致氟骨病。

相比CO2灭火系统，1301毒性低，如果产生少量泄漏对人体危险较小，灭火后产生的HF气体亦可通过机械通风等措施清除。

CO2是常见的属温室气体。大气中的二氧化碳可吸收地面长波辐射，阻止热量离开地表向外辐射，导致地球表面温度上升。为此，宜对工业生产所产生的CO2进行收集利用（每年产生约370亿吨），不宜采用专门制作的方式产生，以减少其对环境的负面影响。

1301大气臭氧层具有较严重的破坏作用。1301含有卤素氯和溴元素，属于卤素源气体，也被称作臭氧消耗物质。大气科学中使用ODP（臭氧消耗潜势）描述某种气体对臭氧层的破坏性，ODP是单位质量的某种气体在大气中引起的臭氧总量的变化相对于单位质量三氯氟甲烷在大气中引起的臭氧总量变化量的比值。该比值测量的是某种气体对大气的长期效应，且该比值不随时间变化。ODP值越高，表明该气体对臭氧层的破坏性越大。1301在对流层中是稳定的，但到大气平流层后，会在紫外线的照射下分解出氯原子或溴原子，它们充当催化剂加快臭氧分子转化为氧分子的进程，从而破坏臭氧层。据估计，一个氯原子可破坏10万个臭氧分子，溴原子破坏臭氧层的能力比氯原子更强。为此，IMO环保组织出台规定，制止有新造民船上使用。

5     替代灭火剂分析

1301灭火系统灭火效率高、对人低毒且系统质量轻、占用空间小，因此，其虽在民用领域已被完全禁止，但各国军用舰船依然沿用为主要灭火剂型。但随着世界军用舰船的剧增，其对臭氧层的破坏不容忽视。

由于CO2灭火剂易制取，价格低廉，灭火清洁无残留，系统成熟度高，CO2灭火系统应用非常广泛。但其灭火所需剂量大，重量重，占用空间多，对高速舰船的总体性能影响大，其使用范围受限。

目前，新型气体灭火系统主要有三个发展方向[3]：

一是惰性气体灭火剂。以烟铬尽为代表，由约50%氩气、42%氮气、8%二氧化碳气体混合而成，其混合气体比例近似为5：4：1， 代号是IG541，其灭火浓度为5%，灭火效率高，且灭火后无残留，安全环保。但由于使用高压系统储存，且氩气价格高，导致系统体积大、造价高；

二是气溶胶灭火剂。使用悬浮状的钾盐、锶盐等金属盐灭火，灭火效率高，环境友好，建造成本低。但是灭火后有残留物，容易造成贵重设备光路堵塞，鼓面、盘面划伤或接插件磨损。其次，其灭火剂碳酸钾、氯化钾等容易吸潮生成强碱氢氧化钾，对铝、锌、硅等有强烈腐蚀作用，灭火剂受潮后容易结块，严重影响气化效率。另外，其灭火剂的金属盐离子有一定导电性，容易引起电路短路不适用于电气系统灭火；

三是不含溴、氯元素的卤代烷烃灭火剂。由于卤素元素中溴、氯元素对臭氧破坏作用强，副作用时间久，为此，新型灭火剂的重要研究方向就是去除卤代烷烃灭火剂中的溴、氯元素，既能继承卤代烷烃灭火剂低毒高效的优点，还不会破坏臭氧层。以七氟丙烷（C3 HF7）为例，其灭火浓度为9%左右，与1301相似，远远低于CO2灭火浓度。且对臭氧层无破坏作用，其ODP（臭氧消耗潜势）为0。但与1301一样，其灭火后生成的HF对人体呼吸道有刺激作用，对设备也有一定程度腐蚀。

对比以上三种新型灭火剂发展方向，卤代烷烃灭火剂灭火效率高、无残留、且成本较低，在去除溴、氯元素的前提下，尽量降低灭火剂副产物HF浓度[4]，将是今后灭火剂研究的重要方向。

6   结束语

两型灭火系统相比，CO2灭火系统成本更高，重量重，占用的舱室空间更多。而1301灭火系统对臭氧层破坏性大，但体积小，占用空间少，该特性恰好与舰船的设备布置空间少、需严格控制重量的要求相吻合，如采用1301灭火系统对提高舰船特别是高速舰船的总体性能优势明显。但考虑到1301对臭氧层破坏性，宜尽量减少使用范围，在技术可行的条件下，新型舰船应尽可能考虑采用CO2或七氟丙烷或其它新型的灭火剂替代。

参考文献

[1] 段玉龙，任飞华.船用高低压二氧化碳灭火系统应用比较[J].船舶，2017 （01）.

[2] 刘凤生.船用1301灭火系统的设计与计算[J].船舶工程，1992  （04）.

[3] 孟祥海.舰用高效环保气体灭火系统的研究[J].舰船科学技术，2018 （01）.

[4] 吴海涛，柳华等.哈龙替代灭火剂环保及毒性研究进展[J].航空维修与工程，2020  （03）.

作者简介：何春平（1988- ），男，助理工程师。主要从事舰船修造监理工作。

朱佳伟（1992- ），男，助理工程师。主要从事舰船修造监理工作。

收稿日期：2023-11-21