平臺固定式水成膜泡沫滅火系統消防安全試驗與評估

曾 勇，楊滿江

中國艦船研究設計中心，湖北武漢430064

0 引 言

隨著我國經濟技術的發展，現在越來越多的海上執法船（如邊防船、海事船、海監船及漁政船等）均可搭載或懸停直升機，以方便其迅速完成執法和救助等任務。此外，海上石油鉆井平臺，以及中、大型艦船也可搭載直升機。對于海上復雜的環境，要想在相對不穩定的平臺上完成直升機的起降和燃油加注等具有一定的安全性風險，其最大的風險來自直升機燃油泄露引發的火災，如果火災不能得到及時、有效的控制，將會對船員的生命安全以及財產構成重大威脅。鑒于此，相關規范均規定要在直升機平臺上配置泡沫滅火系統，例如，《國際海上人命安全公約》［1］就要求在直升機甲板上配置泡沫炮或泡沫槍滅火系統，并根據直升機的長度規定不同的泡沫噴射率。

然而，采用泡沫槍滅火系統存在一定的缺陷：

1）一般情況下，泡沫槍針對的是面積相對較小的油池火或某一局部的火災，對此其往往能取得較好的滅火效果，但對于較大的油池火，其滅火效能則會下降；

2）不能大面積均勻地冷卻直升機甲板平臺；

3）在火勢較大的情況下，由于強烈的熱輻射作用，船員難以在有效的距離內實施滅火；

4）船員的持槍方式、噴灑策略以及熟練程度等的不同也會對滅火時間有較大影響。

根據國外相關資料報道，美國在部分艦船，如CG-47，DD-963，FFG-7 和DDG-51 等的直升機甲板上安裝有固定式甲板泡沫噴灑系統，以應對直升機甲板上發生的因JP-5 航空煤油所引發的油池火［2］。根據文獻［3］中的描述，航母飛行甲板上的水幕系統可噴灑水成膜泡沫混合液，即在甲板上安裝泡沫噴灑噴頭，自下向上噴灑泡沫，以控制、撲滅甲板上發生的火災，它是甲板上的一個主要滅火手段，其形式不同于一般的自上而下的泡沫噴淋形式。為檢驗該系統的滅火能力，美國開展了一系列甲板泡沫噴灑系統滅火試驗，以評估其消防能力［4］。

對于露天部位，我國設置的泡沫滅火系統主要還是泡沫炮或泡沫槍滅火系統，暫時還沒有關于設置自下而上的泡沫噴灑系統的報道。對設置于室內的泡沫滅火系統，在《飛機庫設計防火規范》［5］中有設置翼下泡沫滅火系統的規定，以用來撲滅飛機機翼下的流散火，但由于所處的環境不同，對于船舶直升機起降甲板的固定泡沫滅火系統來說，其只具參考價值。

為研究在船舶直升機甲板設置泡沫噴灑系統的可行性，本文開展了一系列的研究試驗，包括噴頭的研制和試驗，以及泡沫噴灑系統的滅火試驗等，下面將簡要介紹、分析和評估所開展的甲板平臺水成膜泡沫噴灑系統的滅火試驗工作。

1 試驗設計

為開展甲板平臺泡沫滅火系統試驗，設計了3 個基本試驗模型［6］，如圖1～圖3 所示。

考慮到直升機甲板有因燃油泄漏而引發火災的可能，故試驗中采用的是限制型油池火，燃油采用的是航空煤油。

圖1 4 噴頭試驗模型Fig.1 Experiment model of 4 nozzles for deck fire extinguishment test

圖2 2 噴頭試驗模型Fig.2 Experiment model of 2 nozzles for deck fire extinguishment test

圖3 1 噴頭試驗模型Fig.3 Experiment model of single nozzle for deck fire extinguishment test

噴頭的設置主要考慮3 種情況：第1 種是油池火發生在平臺甲板泡沫噴灑系統的中間，由此設置了4 噴頭的試驗模型；第2 種是油池火發生在平臺甲板泡沫噴灑系統的邊緣，由此設置了2 噴頭的試驗模型；第3 種是油池火發生在系統的一角上，由此設置了1 噴頭的試驗模型。

試驗用噴頭呈360°向四周噴灑滅火劑，覆蓋半徑3～3.5 m，即在該覆蓋面積范圍內可噴灑水成膜泡沫混合液。

油池的面積主要由以下幾個因素考慮確定：

1）該系統針對的主要是面積較大的油池型火災，因此，油池面積不宜太??；

2）噴頭的噴射半徑和流量等性能參數；

3）燃油泄漏量。因燃油泄漏量是一個隨機參數，難以直接確定，因此，在設計試驗模型時做了如下假定：通過試驗和仿真，10 kg 和35 kg 航空煤油在平面內的最大擴散面積約為12 m2和23 m2；此外，結合噴頭的覆蓋情況，確定上述3 個試驗模型中的油池火的面積分別為25，17.5，12.25 m2。

試驗模型還考慮了障礙火和無障礙火2 種情況，即在滅火過程中油池火上方有障礙物（如直升機）或無障礙物。

試驗滅火劑采用海水型3%水成膜泡沫液。為了測試不同系統流量對滅火效果的影響，設置了0.4，0.5，0.6 MPa 這3 種系統試驗壓力。

為便于對整個滅火過程進行分析研究，設置了熱電偶和輻射熱流計，以對火場的溫度和熱輻射進行測試。

表1 所示為甲板平臺滅火試驗的詳細設置。

表1 甲板滅火試驗工況設置Tab.1 Summary of deck fire extinguishing experiments

本文的試驗模型雖然只是平臺泡沫滅火系統的局部，但包含了整個平臺甲板泡沫噴灑滅火系統的3 種典型部位，即中心部位、邊緣部位和角部位。通過局部尺度滅火試驗，對于全尺度滅火效果具有較高的參考價值。

2 結果分析

本文開展了4 組共10 次滅火試驗，其中9 次滅火成功，詳細結果與分析詳見下文。下面將以4 噴頭水成膜泡沫噴灑抑制無障礙25 m2油面火的典型滅火試驗為例，簡要分析泡沫噴灑系統的滅火過程。

圖4 和圖5 所示分別為0.5 MPa 壓力下4 噴頭水成膜泡沫噴灑系統滅火過程的錄像截圖和紅外熱像儀截圖。點火完畢計時為0 s，40 s 時整個油面已全部著火，火焰高度達6 m，60 s 時油面穩定燃燒，火焰高度達8 m，火焰外部被濃煙覆蓋。74 s時啟動水成膜泡沫噴灑系統，泡沫進入時火勢突然增大，火焰和泡沫相互作用，火勢維持一段時間的穩定。泡沫不斷進入火焰區，壓制住了靠近噴頭較近的火焰，90 s 時僅油面中央部分還留有火焰。隨后，泡沫在油面上鋪展，火焰逐漸熄滅，隨著泡沫的流動，火焰也可能會發生移動，120 s 時火焰從油池中央向一側轉移。最后，隨著泡沫完全覆蓋油池，火焰逐漸被撲滅，135 s 時火焰完全熄滅。此工況下的滅火時間為61 s。

圖4 0.5 MPa 壓力下4 噴頭水成膜泡沫噴灑系統滅火過程的錄像截圖Fig.4 Video images of the pool fire extinguishment by 4 nozzles AFFF system at the pressure of 0.5 MPa

圖5 0.5 MPa 壓力下4 噴頭水成膜泡沫噴灑系統滅火過程的紅外熱像截圖Fig.5 Infrared images of the pool fire extinguishment by 4 nozzles AFFF system at the pressure of 0.5 MPa

2.1 滅火效能分析與評估

一般情況下，是采用滅火時間和控火時間來評價系統的滅火效能。其中，滅火時間指滅火劑作用于火焰至火焰完全熄滅的時間；控火時間是指滅火劑與火焰開始作用，至距離油盤中心1.5 倍油盤寬度處，輻射通量降至滅火劑未作用時的10%所需的時間。

對于滅火/控火時間，可以通過下式進行計算［7］：

T臨界一般根據火災對人員或直升機等設備造成不可接受毀傷的時間來確定，一種更合理的設定標準是將臨界時間設為1～2 min。甲板上火災的探測與響應時間幾乎是瞬時的，因此，T探測可以設定為0。直升機甲板平臺固定泡沫噴灑系統比較小，系統完全投入工作的時間大約為10～15 s。因此，可計算得出T滅火/控火＜45～105 s。表2 和表3所示分別為試驗的滅火時間和控火時間。

表2 滅火時間Tab.2 Fire extinguishment time

表3 控火時間Tab.3 Fire control time

2.1.1 噴頭數量對滅火/控火時間的影響

根據表2 和表3 可見，在無遮擋的情況下，當火災發生在平臺的靠中間位置時（4 噴頭情況），泡沫噴灑系統取得了較好的滅火效果，在邊緣位置（2 噴頭情況）的效果次之，其控火、滅火時間基本小于所要求的45～105 s 范圍。而當火災發生在平臺邊角位置時（1 噴頭情況），泡沫噴灑系統的滅火、控火情況則較差。這是由于噴頭噴出的滅火介質能否有效覆蓋油池火表面對滅火、控火時間有較大影響，單噴頭的有效覆蓋范圍相對較小，因而滅火效果也相對較差。

但對于一個實際的直升機甲板平臺而言，其噴頭布置數量遠大于4 個，因此，在平臺的任何部位，在多噴頭的共同作用效應下，其滅火效能應不低于單噴頭的滅火效果。

2.1.2 火場有無遮擋對滅火/控火時間的影響

通過表2 和表3 可以看出，在無遮擋的情況下，滅火、控火效果較好，而當有遮擋物時，雖然可以滅火，但滅火時間較長，不能滿足滅火/控火的時間要求。這是由于遮擋物阻隔了滅火劑的噴灑線路，使其不能有效進入遮擋區域，從而使得滅火效果較差。在這種情況下，需借助泡沫槍等滅火手段，有針對性地對遮擋區域進行滅火。

2.1.3 噴頭的流量和壓力對滅火效能的影響

表4 所示為試驗噴頭的性能參數。由表4 可見，隨著壓力的升高，噴頭流量增大，一般情況下，流量越大其滅火效果越好，但試驗結果顯示的卻剛好相反，在最高壓力（0.6 MPa）時滅火效果最差，對此，將予以初步分析。

表4 噴頭性能參數Tab.4 The nozzle parameters

如圖6 所示，在噴頭距離油池一定距離處，在較低的壓力條件下，噴頭的泡沫進入火焰區時的軌跡較低，從火焰的底部進入后，可以快速在油面上鋪展并覆蓋住油面，限制燃料的蒸發，從而使火焰熄滅；而在壓力較高時，泡沫進入火焰區的角度較大，距離油面較高，在火場溫度較高的情況下易蒸發并被吹散，難以降落在油面上，因而導致滅火效果較差。

圖6 不同壓力情況下噴頭噴灑軌跡示意圖Fig.6 The trajectory of AFFF spray under different working pressures

通過以上討論，可初步得出以下2 點結論：

1）無論噴頭壓力如何，只要噴頭噴灑的滅火介質以較低的入射角度進入火場，就可以取得較好的滅火效果。

2）當系統流量大到一定程度時，增加滅火劑量對滅火/控火時間的影響并不明顯。

2.1.4 滅火時間與控火時間的關系

由表2、表3 列出的滅火、控火時間可以看出，控火時間雖與滅火時間具有一定的關系，但并非嚴格的關系，一般而言，滅火時間長，控火時間相對也會較長。但如果火焰處于滅火劑噴放的“死角”，雖然火焰沒有完全熄滅，但火焰主體已經被撲滅，因而滅火時間要大大延長，而控火時間卻較短，例如，第6 組試驗就屬于這種情況。通過采用泡沫槍對“死角”處的火進行及時撲滅，滅火時間可大大縮短。

2.2 熱輻射測試結果分析

為考察火焰及煙氣對周圍空間的熱輻射強度，評價消防員滅火的安全距離，并確定滅火系統的控火時間，在試驗中使用了輻射熱流計來對熱輻射強度進行測量，熱流計放置在距油盤邊沿1.5倍油盤寬度處。

圖7 所示為在4 噴頭無遮擋滅火試驗中熱流計測得的3 次試驗的熱輻射熱流值的變化情況。由圖7 可以看出，在7.5 m 處，在火災生成后，在大部分的滅火階段，其熱流密度值都大于10 kW/m2，最大熱流分別為15.8，16.2，16.9 kW/m2。而人體接受的熱輻射通量超過2.5 kW/m2時就會造成嚴重的灼傷。顯然，在消防員沒有防護的情況下，在距火場邊緣7.5 m 處是無法進行消防作業的。

圖7 距油盤邊緣7.5 m 處的輻射熱流值Fig.7 Thermal radiation flux at a distance of 7.5 m from the pool edge

基于理論推導和試驗驗證，美國火災消防工程協會估算了油火的熱輻射強度［8］：

式中，q’為至目標物體的熱流密度，kW/m2；D 為油罐直徑，m；L 為池式火災中心至目標物體邊緣的距離，m。

由公式（2）可見，在火災直徑或尺度一定的情況下，熱流密度與L-1.54成正比。根據圖7 的測量結果可知，距火場邊緣7.5 m 處的熱流密度為16.2 kW/m2，可以推算出，要將熱流密度降至人員的安全強度2.5 kW/m2以下，至火場邊緣的距離應為25.2 m。換言之，在消防員來不及穿上消防服的情況下，其安全作業距離約為25 m，這個距離對于泡沫槍來說顯然太遠。而對于具有泡沫噴灑滅火系統的直升機平臺來說，在系統工作數十秒后，熱輻射值會迅速下降，這時較有利于消防人員應對甲板上的局部殘留火災。

3 結 論

通過以上滅火試驗和分析評估，可以得出以下結論：

1）對于發生在直升機甲板平臺的無遮擋大型池式火災，甲板平臺水成膜泡沫噴灑滅火系統具有較好的滅火效能，并且能較為迅速地大面積降低火場及周邊的溫度和熱輻射，這對于保護船體結構及其它設施，使消防人員迅速接近火場起著較關鍵的作用。該研究成果可為大型艦船直升機起降平臺、海上石油鉆井平臺上的直升機起降平臺的火災防治系統設計提供參考。

2）對于有遮擋的池式火災以及發生于系統邊緣的火災，鑒于該系統的滅火時間較長，建議在設計中仍考慮設置泡沫槍滅火系統，以在滅火過程中點面結合，縮短滅火時間。

［1］中國海事局. SOLAS 74/88 國際海上人命安全公約（綜合文本）［M］.大連：大連海事大學出版社，2004.

［2］DARWIN R L，WILLIAMS F W. A review of the per?formance of AFFF systems serving helicopter decks on U.S.navy surface combatants［R］.Naval Research Lab?oratory，2001.

［3］DARWIN R L，BOWMAN H L，HUNSTAD M，et al.Aircraft carrier flight and hangar deck fire protection：history and current status［R］. Naval Air Warfare Cen?ter Weapons Division，2005.

［4］CARHART H W，LEONARD J T，DARWIN R L，et al. Aircraft carrier flight deck fire fighting tactics and equipment evaluation tests［R］. Naval Research Labo?ratory，2009.

［5］中國航空工業規劃設計研究院. GB 50284-98 飛機庫設計防火規范［S］.北京：中國計劃出版社，2009.

［6］BACK G G，PARKER A J，SCHEFFEY J L，et al. Ef?fects of water sprinklers on the performance of low lev?el AFFF aircraft hangar fire suppression systems［R］.Naval Research Laboratory，2000.

［7］SCHEFFEY J L，DARWIN R L，LEACH W，et al.Performace analysis of foam agents required to combat liquid fuel hazards［R］. Naval Research Laboratory，2002.

［8］Beyler.SFPE engineering guide，assessing flame radia?tion to external targets from pool fires［S］. Society of Fire Protection Engineers，Washington DC，1999.