船舶固定式七氟丙烷滅火系統的應用設計及存在的問題

■ 許偉成 程 燕 趙 鑫

一、引言

根據國際海事組織《國際海上人命安全公約》（SOLAS）的要求，船舶在投入運營前，必須配備各種安全設備，并獲得主管機關頒發的有效證書，才能被港口當局認可。船舶固定滅火系統，通常作為船舶的機器處所、燃油設備處所、液貨船的貨油泵艙、通訊設備機房、油漆庫、應急發電機房等保護措施，保證該系統隨時處于良好狀態，對保障人命財產、船舶安全具有十分重要的意義。固定式CO2滅火系統是目前得到廣泛使用的消防系統，但該系統在應用中的安全和環保問題，越來越受到各方的關注。固定式七氟丙烷（C3HF7）滅火系統，作為一種等效的氣體滅火系統，在船舶消防系統的應用中，逐步發揮著重要作用。

MSC／Circ.848《經修正的1974 SOLAS公約所規定適用于機器處所和貨油泵艙的固定式氣體滅火系統的等效系統認可導則》和MSC.1／Circ.1267《經修訂的1974 年SOLAS公約規定的適用于機器處所和貨泵艙的等效固定式氣體滅火系統認可指南》（修正案），是船舶固定式七氟丙烷滅火系統的認可導則。現對固定式七氟丙烷滅火系統在船舶消防中的應用設計及存在的問題，提出一些個人的觀點。

二、船舶固定式七氟丙烷滅火系統的應用設計

（一）七氟丙烷滅火劑的基本性質。

七氟丙烷滅火劑滅火后無固體和液體的殘留物，滅火效能高，設計滅火濃度低，噴射到防護區內能立即閃發成蒸氣態，并在封閉空間內各向分布迅速均勻。作為全淹沒滅火劑，屬于可液化儲存的氣體，不導電、不擊穿電子電器設備，具有無色、無味、熱穩定性和化學性能良好等特性，是一種清潔氣體滅火劑。

七氟丙烷的滅火機理主要為冷卻滅火和化學滅火共同作用。七氟丙烷在氣化過程中要吸收大量的熱量；同時它由大分子組成，在火焰高溫中一些化學鍵斷裂,需要能量，導致冷卻。

（二）七氟丙烷滅火系統設計。

船舶固定式七氟丙烷滅火系統主要由滅火報警聯動控制箱、火災探測器、聲光報警器、手動控制按鈕、滅火劑儲瓶、瓶頭閥、高壓金屬釋放軟管、釋放控制箱、安全閥、選擇閥、單向閥、泄放管背壓閥、吹洗單向閥、壓力開關、框架、噴嘴、管道系統等主要部件組成。根據使用要求，可組成單元獨立系統和組合分配系統兩種形式。噴嘴的布置應經濟合理，能確保滅火劑在盡可能短的時間內噴放到保護區內，并迅速均勻分布，達到滅火濃度，迅速控制火災；保護區應封閉良好，必須確保滅火劑在規定的時間內保持滅火濃度；要有充分的條件，使滅火后盡可能快地通風換氣，以減少設備與滅火劑分解產物的接觸時間。

1．滅火劑的設計濃度

七氟丙烷氣體滅火系統設計時有滅火濃度、設計滅火濃度、實際使用濃度3個指標，具體的定義如下：

（1）滅火濃度：在101 kPa大氣壓和規定的溫度條件下，撲滅某種火災所需CO2在空氣的最小體積百分比，根據MSC／Circ.848規定的標準試驗模型，并按主管機關接受的燃燒杯試驗來確定。此參數通常由七氟丙烷氣體滅火設備制造商提供。

（2）設計滅火濃度：在滅火濃度的基礎上考慮了一定安全系數后確定的設計滅火濃度。根據MSC.1／Circ.1267通函要求，設計滅火濃度為最低滅火濃度的130 %。

（3）實際使用濃度：在保護區最高環境溫度下，扣除被保護區內的設備體積后,實際可能形成的最大濃度。

2．影響保護區內滅火劑濃度的因素

滅火劑實際噴放到保護區內所形成的濃度,可能會出現比實際設計滅火濃度高或低的情況。這一濃度的變化對人員的安全、設備的影響及滅火效果的成敗關系極大，應引起足夠重視。

導致保護區內實際使用濃度比設計滅火濃度高的主要因素有：滅火劑用量計算時保守,沒有考慮到封閉空間內非固定材料（或物體）的存在及對氣體泄漏量估計過高。另外，如果計算環境溫度低,而實際噴放時環境溫度高,實際使用濃度也將升高。

導致保護區內實際滅火劑濃度比設計滅火濃度低的因素主要有：滅火劑噴放后在容器和管網內殘留有部分滅火劑蒸氣；實際噴放時有溶解氮氣噴出；封閉空間內的障礙物影響氣體混合；封閉空間的幾何形狀導致滅火劑分布不均勻等。這些都有可能使火源周圍滅火劑的濃度低于實際滅火濃度,而影響滅火效果。因此在噴嘴的設計和施工安裝時，一定要按規范避開影響滅火劑噴射的設備、構件，同時按所選噴嘴的特性,結合封閉空間的幾何形狀合理布置，使影響滅火劑濃度降低的因素減少到最小。

3．滅火劑用量計算

被保護處所的滅火劑用量應按預期的最低環境溫度條件下，以包括天窗容積在內的保護處所的凈容積為依據，通過設計濃度計算確定。

被保護處所的凈容積系指保護處所總容積中自由狀滅火劑介質氣體能到達的那部分容積。計算被保護處所的凈容積時，它應包括機艙艙底部分容積、天窗容積以及在火災事故中能夠釋放到保護處所的空氣瓶中自由空氣的容積。被保護處所中物體所占容積應從總容積中扣除，這些物體包括（但不局限于）：輔機、鍋爐、冷凝器、蒸發器、主機、減速齒輪箱、油柜和軸隧。

（1）被保護處所滅火設計用量應按公式1計算：

式中：W——設計滅火用量 （kg）；

C1——設計滅火濃度 （%）；

S——滅火劑過熱蒸汽在101 KPa大氣壓和防護區最低環境溫度下的比容（m3／kg）；

V——防護區的凈容積（m3）；

（2）滅火劑過熱蒸汽在101KPa大氣壓和防護區最低環境溫度下的比容，應按公式2計算：

式中：T——防護區最低環境溫度（℃）。

4．系統的管網設計

七氟丙烷噴放過程中，其壓力迅速降低,在前面的流體呈現瞬時狀態的二相流區，隨后為液相流區（含密集小氣泡）和二相流區（密度變化無規律），最后是尾氣（氮氣和七氟丙烷的蒸汽）。目前主要按液相流的計算方法，計算簡便，能滿足工程應用的需求，但應注意相關條件的控制，如噴嘴之前的壓力等。

根據MSC／Circ.848規定，滅火系統應在10 s或更少時間內將95 %的設計濃度氣體排放至起火處所。為了滿足噴放時間和滅火濃度的要求，需對系統管網進行設計計算。可通過專業設計計算軟件，計算確定滅火劑鋼瓶的充裝率、實際滅火濃度、噴放管路管徑和噴嘴型號等。

5．安全要求

（1）人員應在系統施放前撤離；向有人工作或進入的任何處所施放時應能自動向這些處所發出聽覺和視覺報警，報警時間應為撤離所必需時間，但不少于施放滅火介質前20 s。

（2）有人工作防護區的實際使用濃度，不應大于有毒性反應濃度（LOAEL 濃度），即不大于10.5 %。

（3）噴放七氟丙烷前，必須切斷可燃、助燃氣體的氣源和供油設施，并關閉通風系統等一切影響滅火效果的設備。

（4）滅火劑釋放后，抑制時間至少應保持15 min，以便使火完全撲滅。

（5）人員進入已釋放的處所之前，應進行充分的通風，換氣次數至少5次之后方可進入。

（三）操作與控制系統

1．系統應具備自動控制、手動遙控和手動應急操作3種啟動方式。

2．自動控制應在接到兩個獨立火災信號后才能啟動，在有人工作或進入的保護區應設有不小于20 s的可控延時噴射，對于無人工作的保護區應設置為無延時噴射。

3．手動遙控應能在集中控制室和每一保護區逃生的門外進行遙控啟動。

4．當自動和遙控操作失效時，應采用手動應急操作方式，手動打開分配閥和手動開啟啟動瓶以及可以直接手動開啟滅火劑儲存瓶。自動和遙控的失效不能影響手動應急操作。

5．無論何種控制，分配閥的開啟不應遲于滅火劑儲瓶的開啟。

6．對實際的滅火濃度大于無毒性反應濃度9 %的保護區，應設有手動與自動控制的轉換裝置。當人員進入保護區時，將自動轉換為手動，當人員離開時，將手動轉換為自動。保護區內外應設有手動、自動控制狀態顯示器。

7．滅火系統的手動操作按鈕應有防止誤操作的措施。

三、存在問題的探討

（一）目前七氟丙烷滅火系統的滅火濃度，是由各家設備制造商按主管機關接受的燃燒杯試驗來確定的，最低滅火濃度值不盡相同。從MSC／Circ.848標準的角度去理解，這種確定滅火濃度的方式沒有問題。但是，鑒于燃燒杯試驗的條件和七氟丙烷滅火劑本身的一致性，最低滅火濃度值應該是明確的，且數據是可以由主管機關公布，并寫入標準。這對于廣大設計人員、船舶安全檢驗、審查人員和設備制造商來說，可操作性更強。

（二）MSC／Circ.848規定的燃燒杯試驗，僅適用于機器處所和貨油泵艙，針對船舶上需要采用七氟丙烷滅火系統保護的通訊設備機房、油漆庫、應急發電機房等處所，采用機器處所和貨油泵艙的最低滅火濃度值是不合理的。我國《海上移動平臺入級規范》2012版第7篇《防火與防暴》第6章“控火與滅火”中提到，保護處所單位容積滅火劑用量應不小于0.633?8 kg／m3。這個滅火劑用量系數與我國《氣體滅火系統設計規范》GB 50370—2005中規定的通訊機房滅火用量系數是一致的，相應的條件是：設計濃度8 %，設計環境溫度20 ℃。因此，船舶上通訊設備機房類保護處所，選擇8 %的設計濃度，是安全可靠的。對于油漆庫、應急發電機房等B類火災處所，個人認為可以參考我國《氣體滅火系統設計規范》GB 50370—2005中的規定，選擇9 %的設計濃度。

（三）七氟丙烷保護處所的凈容積，應該扣除輔機、鍋爐、冷凝器、蒸發器、主機、減速齒輪箱、油柜和軸隧等不燃、難燃物體的體積，在設計階段，這些數據往往被忽視，而這對于校核實際噴放濃度和控制安全濃度，卻是至關重要的。因此在七氟丙烷滅火系統設計前，應由船舶設計單位出具詳細的不燃、難燃物體的體積計算結果，供七氟丙烷滅火系統設計人員和主管機關審批人員計算、校核用。

（四）目前現有的船舶規范，對七氟丙烷滅火系統安裝后的管系試驗要求是不明確的。通常的做法是套用二氧化碳系統的管路試驗要求，即管道系統應在船上以壓縮空氣進行壓力不小于0.69 MPa的氣密性試驗。個人認為，這樣做是不科學的。根據我國《氣體滅火系統施工及驗收規范》GB 50263—2007附錄E的要求，七氟丙烷滅火系統管系水壓強度試驗壓力應取 1.5 倍系統最大工作壓力。當水壓強度試驗條件不具備時，可采用氣壓強度試驗代替，氣壓強度試驗壓力取1.15 倍最大工作壓力。管系的氣密性試驗壓力，應取水壓強度試驗壓力的2／3。

總之，固定式七氟丙烷滅火系統是等效于傳統固定式CO2滅火系統的船用滅火設備，正越來越多地應用于船舶的消防保護，實際應用過程中的問題也不斷被提出。而對于廣大設計、施工和檢驗人員來說，現行的《公約》和《規范》，其條文內容的可操作性還不強，需要主管機關對條文內容作進一步的修訂和完善。這樣，船舶固定式七氟丙烷滅火系統的工程應用技術，才能不斷走向成熟。