NBC 防護區超壓控制的研究與運用

施曉波，祁 麗

（滬東中華造船（集團）有限公司，上海 200129）

0 引 言

NBC防護系統（又稱“集體防護系統”）是體現水面艦船核生化防護能力的重要衡量指標。當艦船通過受放射性灰塵、生物戰劑、毒劑污染的海域時，NBC防護系統能向防護區域內部送入過濾后的潔凈空氣，并形成一定的艙室正壓，避免外界污染空氣滲入防護區，確保防護區域內艦員在不穿戴個人防化服的情況下，維持艦船最基本的作戰指揮能力以及正常的生活和工作，使艦船能順利通過污染海域并保障艦員的人身安全。

NBC防護區內必須維持穩定的正壓，同時防護區的洗消站、氣閘室氣流保持一定的壓力梯度，保證防護區進、出通道內可以進行連續的空氣吹掃和洗消，以便去除氣態的沾染物。因此，NBC防護區的超壓控制主要是針對洗消站、氣閘室的壓力梯度及防護區正壓的穩定建立。

1 NBC防護等級

艦船 NBC防護系統防護范圍一般與艦船的作戰任務、作戰要求和建造費用等有關。美國海軍艦船集體防護系統（CPS）分為3個防護等級，分別為等級Ⅰ、等級Ⅱ、等級Ⅲ[1]。

1）等級Ⅰ-掩蔽區：對40%艦員的住艙、餐廳、廁所和作戰防護區的設備提供防護，也稱為安全港；

2）等級Ⅱ-小作戰區：包括等級Ⅰ的掩蔽區和一些關鍵的作戰功能，可以經濟地綜合到艦船的設計中，重點是突然襲擊下的生存能力；

3）等級Ⅲ-大作戰區：除了飛行甲板、凹形甲板作戰區、艏部敞開作業區以外，包括等級Ⅰ的掩蔽區、等級Ⅱ的小作戰區，有足以滿足作戰任務要求的全防護區域。

不同作戰任務，不同航程的艦船安裝不同等級的集體防護系統。圖1為防護等級Ⅲ艦船的典型防護范圍和分區情況。

圖1 Ⅲ級防護的艦船典型防護范圍和防護區劃分

從圖1可知，Ⅲ級防護是全船式集體防護。全船式集體防護是艦船在遭受核生化襲擊的情況下仍具備作戰能力、機動性、反擊力及生存能力的必要手段。

美國海軍CPS的防護形式分為兩種：

1) 全防護：在全防護區內，高壓風機將任何含物理狀態的核生化污染物空氣分別流經初濾器、HEPA (高效空氣粒子過濾器)及活性炭濾器的三級濾器凈化，對沾染物顆粒由大到小逐級濾除，以去除氣溶膠、煙霧、放射性沾染物、生物戰劑及化學毒劑[2]。過濾后的潔凈空氣進入防護區內，使艙內保持約 2.0±0.5英寸水標（～500Pa）的超壓。全防護區內提供了無毒環境，不必穿戴防化服或面具。

2) 有限防護：有限防護區只能提供較低程度的防護安全性[3]，僅通過利用HEPA濾器將進入有限防護區的供氣中的放射性、化學和生物氣溶膠清除。有限防護區內的進風機并不是高壓風機，因此無法建立超壓，而且HEPA濾器無法過濾化學戰劑蒸汽，所以必須穿戴具有防御化學戰劑蒸汽的全套防化服及防護面具。有限防護一般設置在如機艙等具有極高空氣流量要求的艙室。

配置全船式 NBC防護系統要綜合考慮全船結構、管系、電纜的密性，濾毒裝置的過濾能力，相關機電設備配置等因素以及艦船其他裝備與集體防護的耦合度。按照目前艦船整體設計能力、建造水平和安裝工藝，裝載全船式集體防護系統必將花費大量人力、物力，而且很大程度上可能會致使設計和建造的集體防護系統存在某些缺陷。

目前大多數水面艦船 NBC防護系統的防護等級是類似于美國海軍等級Ⅱ的全防護形式，即：有限選擇某些重要艙室，如作戰艙室、機電集控室、部分住艙、餐廳、活動室、廁所等區域作為NBC防護區（小作戰區），同時防護區內裝備NBC過濾系統[4]，包括高壓風機、初濾器、HEPA濾器和NBC濾毒過濾器等，以濾除外界核生化環境中氣溶膠、煙霧、放射性沾染物、生物戰劑及化學毒劑為艙室提供清潔空氣，同時將過濾后的空氣加壓通入該NBC防護區域并形成約500Pa正壓。

2 NBC防護區的進出通道

NBC防護系統對防護區的進出是有嚴格控制的，一般設置洗消站和氣閘室作為防護區的進出口，同時維持正壓并防止污染物的進入。

從圖2可知，在核生化環境下人員進出集體防護區的要求是：外界人員一般只能通過洗消站進入防護區，而出防護區則只能通過氣閘室。對于NBC防護區的進、出應分別設計不同的專用通道。

圖2 艦船集體防護系統（CPS）基本原理

2.1 洗消站

為有效防止核生化沾染物在艦船艙室內部傳播，NBC防護區必須設置洗消站，從而盡可能減少沾染物污染到內部人員[5]。NBC防護系統洗消站用途單一，它專門用于為已經暴露在化學、生物或輻射戰劑的人員洗消。NBC防護系統洗消站一般由3～4個隔間組成，分為脫衣室（脫外衣區和脫內衣區）、淋浴室和氣浴室。圖3為典型的洗消站布置。

圖3 典型的洗消站布置

核生化污染環境中在露天甲板上值勤的人員在可能遭受到液態或固態戰劑污染的情況下只有先通過洗消站才能進入 NBC防護系統的防護區。人員進入的路線是從露天通過脫衣室，然后進入淋浴室，再進入氣浴室，最后進入防護區。隨著人員通過洗消站的過程，先要關閉前一艙室的門，然后才打開下一艙室的門，這可防止防護區中的壓力損失。防護區的正壓力是在經幾個艙室的過程中逐步下降的，吹氣從氣浴室起，經淋浴室、脫衣室，最后由此排至外界或未加壓區。

NBC防護區的洗消站一般是通過在其內部幾個艙室壁上設置壓力泄放閥（圖3中為“氣吹器”，其工作原理與壓力泄放閥稍有不同但功能一樣）來實現防護區內部經洗消站至防護區外部產生一段連續的壓力梯度，從而保證洗消站內可以進行連續的空氣吹掃和洗消，以便去除氣態的沾染物。

2.2 氣閘室

NBC防護系統的氣閘室是一個較小的雙門隔艙。其雙門均為外開型，內門開向加壓區，外門開向未加壓區。圖4為典型的氣閘室構型。

為保證進出防護區時不損失超壓狀態，同一時間只允許打開氣閘室其中的一扇門。防護區設置氣閘室的目的主要是讓人員進出防護區而無壓力損失并阻止空氣中的污染物進入防護區[6]。

氣閘室是通過吹氣的方式來去除氣態污染物的，因此吹除氣態污染物的時間主要取決于氣閘室的換氣次數和吹氣的風量。表1列出了空氣換氣法清除有毒蒸汽的百分數[7]。

圖4 典型的氣閘室構型

表1 新鮮空氣換氣法清除氣態戰劑的百分數的經驗估算

由表1可知，在氣閘室關閉狀態下，需進行6次以上換氣才足以使氣閘室內的氣態污染物濃度降低到很小的危險程度。在吹氣風量一定的情況下，凈化時間隨氣閘室的容積大小而變化。氣閘室的吹氣量和壓力梯度同樣是通過設置在其艙壁上的壓力泄放閥（圖 4中為“氣吹器”）來實現的，利用防護區的過濾空氣吹除核生化環境下開門時可能進入氣閘室的沾染物。

2.3 洗消站和氣閘室的布置

常規的NBC防護區一般前、后連接的區域分別為露天區和未加壓的內部區，故防護區前、后方各應設置洗消站和氣閘室（見圖5）。

圖5 洗消站和氣閘室設置

圖5中，1號氣閘室和1號洗消站連接的是防護區與露天，2號氣閘室和2號洗消站連接的是防護區與船上其他未加壓區。前、后洗消站功能沒有區別。核生化環境下NBC防護區的進口和出口選擇見表2。

表2 NBC防護區的進口和出口

3 超壓控制

根據能量守恒定理，防護區在達到某個恒定正壓值（平衡點）時，其進風量應等于泄放量。所以防護區內若要維持一個相對恒定的超壓，除了不斷的向內送入一定正壓風外，還應設置一個主動泄放口以平衡防護區內的送風量和正壓值。而對于壓力梯度的形成其原理就相當于類似上述幾個連續的小防護區之間設置泄放口，維持這幾個泄放口的泄放量一致，并使這幾個小防護區內的超壓呈一定數值的遞減。無論是超壓或壓力梯度，防護區內的壓差均主要是由泄放口來實現的。

圖6 185 GI型壓力泄放閥結構

3.1 壓力泄放閥

185 GI型壓力泄放閥是一種通過彈簧壓力來維持兩個位于超壓控制區域的艙室間或防護區內外間恒定壓差的裝置，該型閥適用于連續艙室間壓力梯度的控制。裝置主要由一個閥盤、閥軸、橡膠密封墊片、彈簧及壓力調節器組成（見圖6）。

壓力泄放閥的控制特性體現在兩個方面：1) 壓力泄放閥的開啟壓力值；2) 在定壓差下的風量值。這兩點控制特性均取決于彈簧的性能。不同彈簧開啟壓力范圍及工作性能曲線見表3和圖7。

表3 185 GI型壓力泄放閥各型彈簧參數表

圖7 185 GI型壓力泄放閥性能曲線

壓力泄放閥彈簧的選型是由壓力泄放閥的壓差值和流量值而確定的。

對于壓力泄放閥流量的設定，主要取決于壓力泄放閥所在艙室的通風量設計。洗消站、氣閘室的通風換氣次數應保證在核生化環境下人員進出防護區時，其進出通道具備在外門關閉時排氣流量快速增加的功能。為考慮快速建壓及人員去污需要，一般設置通風換氣次數為30次/h。

一般，氣閘室的面積應不小于1m2，通常其容積V1大約為3m3；而洗消站的各分隔間中脫衣室的結構尺寸相對最大，其容積V2大約為6m3。按照最低通風換氣次數30次/h要求計算，氣閘室的通風量Q1和洗消站的通風量Q2分別大致為90m3/h和180m3/h，取整后將氣閘室的通風量定為100m3/h，洗消站的通風量定為200m3/h。即，確定壓力泄放閥流量值分別為100m3/h和200m3/h。

根據上述已知的壓差值和流量值參照圖7即可確定壓力泄放閥彈簧型式，詳見表4。

表4 壓力泄放閥選型表

3.2 超壓控制器

超壓控制器分為兩種功能形式：定壓控制器和定流量控制器。

定壓控制器（CD型）是一種能保持防護區與外界恒定壓差，而且該壓差值不受控制閥風量（防護區通過控制閥流向外界的風量）變化影響的裝置；

定流量控制器（CV型）是一種能維持控制閥恒定風量，而且該風量值不受防護區與外界間壓差變化影響的裝置。

NBC防護區要求內部維持500Pa的穩定正壓為定壓控制，故采用CD型超壓控制器。超壓控制器（CD型）一般主要包含一個壓力電動調節閥和一個電控箱（見圖8）。

壓力電動調節閥主要由一個促動器機構和一個鋁質閥組件通過螺栓連接組成（見圖9）。工作原理：一個帶有復位彈簧的電動旋轉促動器通過曲柄、連桿和閥軸控制一個錐形閥盤。在正常工作情況下，當錐形閥盤前進口空氣壓力高于錐形閥盤后的出口空氣壓力時，電動促動器將控制錐形閥盤離開閥軸端部前行至某個固定位置；當錐形閥盤后的空氣壓力突然上升，電動促動器則會控制錐形閥盤回位至某個位置，以維持閥盤前后的壓差（500Pa）；當電動促動器失電時，促動器和閥盤受復位彈簧作用自動關閉。

圖8 超壓控制器（CD型）

圖9 壓力電動調節閥結構

超壓控制器（CD型）的系統連接圖（見圖10）。工作原理：電控箱通過超壓管路接受到防護區內外壓差，并將該壓差轉化為電信號來控制壓力電動調節閥的開度，以到達防護區內相對恒定的超壓值（500Pa）并維持，并將超壓信號反饋至船舶損管控制中心。

超壓控制器（CD型）的可選型號及相對應風量參數見表5。

圖10 超壓控制器（CD型）系統連接

表5 超壓控制器型號參數表

超壓控制器的選型取決于 NBC防護區的送風量，壓力泄放閥泄放量及防護區的泄漏量。壓力泄放閥泄放量是洗消站和氣閘室的通風量的合計值，由“3.1”可知共為600m3/h；而防護區泄漏量理論上的最小值為0；所以，若NBC防護區的送風量為1500m3/h，則超壓控制器流量的最大值為900m3/h，故按照表5其選型可確定為187.0 CD-1000。

3.3 防護區超壓原理

綜上“3.1”和“3.2”所述，NBC防護區的正壓和壓力梯度的控制設計原理見圖11。

圖11 NBC防護區超壓控制原理

從上述超壓控制原理圖可知，防護區內正壓500Pa主要由超壓控制器來實現，而洗消站和氣閘室組成的防護區進出通道內壓力梯度則主要由壓力泄放閥來實現。同時，考慮到因超壓控制器或壓力泄放閥出現故障無法正常排風而造成防護區正壓過高的情況，對防護區內設計了安全泄放閥。該安全泄放閥應具備完全關閉后一定的氣密性及可快速開啟的功能，在防護區正壓超過允許的上限值時作為應急泄放口以維持防護區內的正常超壓，而在常規狀態下是常閉的。

4 結 語

論述了單個NBC防護區的防護等級、防護區進出的控制形式及洗消站和氣閘室的設計；同時根據防護區內正壓和壓力梯度的要求分析了其控制原理并對超壓控制器和壓力泄放閥的選型和運用進行了研究。

單個 NBC防護區的進出控制和超壓設計相對較為簡單，而多區或全船式的防護則需要考慮各個防護區之間的連接、進出、正壓及壓力梯度的協調控制。所以，通過對單個NBC防護區及其超壓控制的研究，積累相關設計經驗為多區或全船式NBC防護系統的超壓控制設計提供一定的借鑒。

[1] 趙宴輝，全曉鵬，聶亞杰，等. 艦船集體防護系統體系及防護等級劃分[J]. 船海工程，2013, 42(4): 23-126.

[2] 王海軍，王月興. 集體防護系統研究進展[J]. 海軍醫學雜志，2007, 28(2): 168-170.

[3] Andrew Weber. 2011_CBDP_ARC_V26_FINAL[R]. U.S: DOD, 2011.

[4] Matthew V.Frank, Dick Helmick.21stCentury HVAC System for Future Naval Surface Combatants[R]. West Bethesda: Naval Surface Warfare Center Carderock Division, 2007.

[5] 王世榮，廉成強，齊巖磊. 核生化戰劑偵防消技術發展概況[J]. 船海工程，2013, 42(4): 84-88.

[6] FM 3-4/11-9. NBC Protection[M]. Washington: Headquarters department of the Army US Marine Corps,1992.

[7] 美國海軍. 美國海軍艦船技術手冊[M]. 翟少曉，劉書子，譯. 北京：中國船舶信息中心，2004.