某艦艇俱樂部火災(zāi)危險性分析及防火設(shè)計方案改進

王 欣，仲晨華，牟金磊，金 鍵

(海軍工程大學(xué)艦船工程系，武漢430033)

某艦艇俱樂部火災(zāi)危險性分析及防火設(shè)計方案改進

王 欣，仲晨華，牟金磊，金 鍵

(海軍工程大學(xué)艦船工程系，武漢430033)

針對某艦艇俱樂部內(nèi)易燃物品相對較多,防火設(shè)計不同于普通艙室的特點,采用FDS軟件,建立艙室火災(zāi)模型,對艙室火災(zāi)進行全尺寸模擬,得出艙室發(fā)生火災(zāi)時的煙氣運動、溫度、能見度和氣體組分體積分數(shù)變化等規(guī)律,分析其火災(zāi)危險性。通過設(shè)定不同的工況條件,對比分析排煙系統(tǒng)和噴淋系統(tǒng)對艦艇俱樂部火災(zāi)的滅火降溫作用,對防火設(shè)計方案提出改進意見。

艦艇俱樂部;火災(zāi);數(shù)值模擬;FDS;防火設(shè)計

艦艇俱樂部是艦艇上一個比較特殊的場所,平時用于船員休閑活動,兼作接待室。因此俱樂部在內(nèi)部設(shè)計上要考慮休閑性和舒適性等因素,設(shè)有皮質(zhì)沙發(fā)、木質(zhì)桌椅、復(fù)合材料的音像設(shè)備等易燃物,特別容易發(fā)生火災(zāi),而且極易蔓延。目前對此類艙室的火災(zāi)研究并不多見,而和艦艇俱樂部有類似內(nèi)部構(gòu)造的處所火災(zāi)研究在陸上較多［1］。和陸上建筑不同,艦上俱樂部用途更多樣,空間更狹小,對艙內(nèi)易燃物品的管理也更嚴格。因此關(guān)于火災(zāi)時艦艇俱樂部內(nèi)部的煙氣運動、溫度、能見度及氣體組分變化等規(guī)律的研究,對艦艇火災(zāi)的控制、撲救及火災(zāi)時避險逃生等都有著重要意義。

1 艦艇俱樂部火災(zāi)的特點

1)人員流動密度大。作為供艦員休閑娛樂的場所,俱樂部內(nèi)人員流動密度比其他艙室要大,因此在發(fā)生火災(zāi)以后,人員傷亡的可能性增加。

2)易發(fā)生火災(zāi)。同普通艙室相比,俱樂部內(nèi)部裝飾較為豪華,可燃物品相對較多,易發(fā)生火災(zāi)。

3)易蔓延。局部發(fā)生火災(zāi)以后,火勢極易順著沙發(fā)、地毯等蔓延到整個艙室,若不采取有效措施,火勢蔓延到艙室以外,會引發(fā)更嚴重的后果。

2 模擬實驗的設(shè)計與分析

2.1 模擬實驗的設(shè)計

1)模型幾何參數(shù)。參照某型艇,建立生活區(qū)全尺寸模型見圖1。整個生活區(qū)的尺寸長×寬×高:17.5 m×9.3 m×2.5 m,28 000個網(wǎng)格。俱樂部艙室尺寸長×寬×高為7.0 m×6.3 m×2.5 m。生活區(qū)兩側(cè)到兩舷之間均為1 m寬的過道。

圖1 生活區(qū)模型

為了更好地研究煙霧對居住艙室的影響,假設(shè)居住艙室的門是打開的。在艙室的適當(dāng)位置設(shè)置各類探測器,監(jiān)測艙室內(nèi)部溫度和煙霧等變化,見表1。

2)火源設(shè)定。假設(shè)火災(zāi)是由電線老化導(dǎo)致外層絕緣皮發(fā)熱造成的,火源面大小為0.2 m× 0.3 m,HRR為1 500 kW/m2。

3)初始條件。艙室初始環(huán)境溫度20℃;為通風(fēng)換氣,艙室的4個窗戶保持開放狀態(tài),并在模型中設(shè)置為風(fēng)速v=1 m/s的通風(fēng)口。

對模型進行600 s的模擬計算。

2.2 模擬實驗結(jié)果與分析

對于模擬實驗的結(jié)果,著重探討在俱樂部發(fā)生火災(zāi)時煙氣層高度、空間溫度、煙氣濃度和能見度變化對相鄰兩個居住艙室的影響以及滅火方式的可能性。

表1 探測器及位置

1)煙氣層高度。煙氣在艙室內(nèi)是受限運動模式［2］,模擬表明,在初始時期,由于煙氣的密度小于冷空氣的密度,煙氣垂直上升。到達頂部后,逐步傳播至整個頂部,由于左右艙壁的限制,煙氣向下填充,在室內(nèi)上空形成熱煙氣層。氣層高度隨時間變化見圖2。

圖2 煙氣層高度變化

由圖2中可見,火災(zāi)發(fā)生后,煙氣增加得很快,高度一直在變化,幅度很大。在通風(fēng)口的作用下,高度維持在1.1 m上下,此過程大概從100 s開始,這為人員及時進入艙室滅火提供了條件。

2)空間溫度。高溫是艦船火災(zāi)對艦員和艦艇造成嚴重危害的一種［3］,溫度變化見圖3。

在火災(zāi)發(fā)生過程中,下層煙氣層的溫度緩慢升高,最終在50℃上下波動,上層煙氣層的溫度在100℃上下波動。目前火災(zāi)危險性評估的推薦數(shù)據(jù)為［4］:短時間臉部暴露的安全溫度極限范圍為65～100℃。因此,50℃是人身體可以忍受的溫度,這為人員進入艙內(nèi)進行滅火提供了條件。但在滅火過程中要注意,上層煙氣的溫度已經(jīng)達到100℃,接近安全溫度極限,長時間暴露在此溫度下的人員是很危險的。

圖3 空間溫度變化

測量點溫度變化曲線見圖4。

圖4 測量點溫度變化

可看出通道內(nèi)的溫度變化趨勢基本相同,燃燒初期,釋放熱量不多,溫度上升緩慢［5］。靠門位置溫度相對較高,上方測量點的溫度明顯大于下方測量點,火災(zāi)發(fā)生220 s時都達到了最高溫度,高度1.5 m為115℃,高度0.8 m為70℃,高度0.3 m為55℃。當(dāng)人體所接受的熱輻射通量達到2.5 kW,將造成嚴重的灼傷［6］。大型建筑的火災(zāi)現(xiàn)場,上部熱煙氣溫度超過180℃時,對人體產(chǎn)生的熱輻射就會超過2.5 kW,而當(dāng)熱煙氣降至與人體接觸的高度時,熱煙氣溫度只需達到120℃就將對人產(chǎn)生直接的燒傷。115℃所對應(yīng)測量點的高度為1.5 m,這個高度處在大部分人的脖子位置,因此人員如果在115℃的溫度下停留太長時間,必然會對身體機能造成傷害,須盡快離開。

火災(zāi)發(fā)生220 s時通道上的溫度分布見圖5。

圖5 火災(zāi)發(fā)生220 s時通道上的溫度分布

可看出,此時通道內(nèi)溫度達到120℃在艙門處的高度值已經(jīng)下降到1.3 m,這對進出艙室的人員來說是很危險的。同時,房間內(nèi)Z=1.25 m的切面上(如圖6)表明,此時大部分區(qū)域的溫度都超過了65℃,有的甚至超過了100℃。因此,當(dāng)火災(zāi)發(fā)生220 s以后,空間內(nèi)的高溫已經(jīng)不允許人員逗留。

圖6 火災(zāi)發(fā)生220 s時切面Z=1.25 m處的溫度分布

3)煙氣體積分數(shù)和能見度。艙門的煙氣體積分數(shù)變化見圖7。

圖7 煙氣體積分數(shù)

可以看出,煙氣產(chǎn)生非常迅速,在火災(zāi)發(fā)生100 s時,艙門Z=1.0 m處已經(jīng)充滿煙霧。

艙門處探測器探測的能見度見圖8。

圖8 能見度

這時能見度只有1m左右,而影響火場人員生命安全的能見度極限值為:處于不熟悉環(huán)境中為30 m;處于熟悉環(huán)境中為5 m［7-8］。可見,此時的能見度已經(jīng)低于安全極限。在大概200 s的時候,過道底部已經(jīng)充滿煙霧,而且能見度只有不到1m,艙內(nèi)人員只能彎腰甚至匍匐逃出艙室或進入艙室內(nèi)滅火。

伴隨燃燒的發(fā)生,空間內(nèi)O2、CO2和CO含量不斷改變,而CO是威脅人員生命的主要有毒氣體。當(dāng)CO的體積分數(shù)在0.04%～0.05%時,人體接觸1 h,會出現(xiàn)頭痛惡心等癥狀;當(dāng)體積分數(shù)達到0.2%時,人體接觸0.5～1 h,即有危險;當(dāng)體積分數(shù)達到0.5%時,20～30 min內(nèi),人員會中毒死亡;當(dāng)體積分數(shù)達到1%時,1 min即可致人死亡［9］。同時,CO2也會對人體造成嚴重威脅。火災(zāi)旺盛時CO2的體積分數(shù)可達到15%～23%。一般人體接觸體積分數(shù)10%的CO2時會頭暈,甚至昏迷,呼吸困難,失去知覺;接觸20%的CO2會導(dǎo)致死亡。

由圖9可以看出,燃燒發(fā)生后,CO2的體積分數(shù)從零上升到2%以后,一直在4%以下變化,這對于人員危害并不大。但是O2的體積分數(shù)始終大于10%～15%,大于燃燒持續(xù)的O2最低極限,如果不采取滅火措施燃燒一直會持續(xù)發(fā)生。

圖9 煙氣層組分體積分數(shù)

圖10為CO體積分數(shù)變化,CO體積分數(shù)最高可達0.65%,并且在將近5 min的時間里都會保持在0.6%左右,長時間吸入此濃度的CO,人員會有危險。

圖10 CO體積分數(shù)

4)對相鄰艙室的影響。由于起火艙室和兩個居住艙室距離非常近,產(chǎn)生的煙氣和高溫等肯定會對其產(chǎn)生影響。設(shè)置在兩個居住艙室門口和房間內(nèi)部的煙霧探測器所探測的煙氣濃度變化曲線見圖11。

圖11 居住艙室煙氣體積分數(shù)

火災(zāi)發(fā)生40 s時在艙門處開始探測到有煙氣,即煙氣已經(jīng)開始進入兩個房間,火災(zāi)發(fā)生90 s時處在房間內(nèi)部也開始探測到有煙氣,火災(zāi)發(fā)生400 s時煙氣會充滿整個房間,不利于人員逃生。

兩艙門之間切面的溫度分布見圖12。可以看出,起火艙室產(chǎn)生的高溫對于兩個居住艙室產(chǎn)生的影響并不是很大。艙室之間區(qū)域產(chǎn)生的最高溫度為50℃,對艙室內(nèi)部影響更小,溫度更低。

圖12 居住艙室溫度分布

5)滅火方式可能性。火災(zāi)發(fā)生后,發(fā)現(xiàn)火災(zāi)的時間不同,所使用的滅火方式也不同。

(1)火災(zāi)發(fā)生后立刻被發(fā)現(xiàn)。若發(fā)生火災(zāi)時俱樂部內(nèi)剛好有人,發(fā)現(xiàn)火災(zāi)立刻進行滅火,考慮到人員的反應(yīng)等因素,這種情況可以視為火災(zāi)發(fā)生以后5～20 s。綜合以上分析可知,此時俱樂部內(nèi)煙氣層高度、空間溫度、能見度、O2和CO濃度等對人員無太大影響,可以用手提式滅火器直接滅火。

(2)居住艙室內(nèi)的人發(fā)現(xiàn)煙霧。當(dāng)俱樂部內(nèi)沒有人員,居住艙室有人員活動時,火災(zāi)發(fā)生后,由以上分析可知,處在居住艙室里的人員發(fā)現(xiàn)火災(zāi)的煙霧時,時間是火災(zāi)發(fā)生以后90 s。此時煙氣層高度約為1.1 m;上層煙氣層溫度為70℃,下層為20℃;通道內(nèi)O2體積分數(shù)為19%左右,CO體積分數(shù)為0.08%～0.28%;艙門處的能見度為1 m左右,低于安全極限的5 m。通道內(nèi)的溫度分布見圖13,通道溫度為65℃的高度值已經(jīng)下降到最低1.3 m(艙門處)。

此時的煙氣層高度沒有發(fā)生太大變化,但是房間內(nèi)能見度太低,非常不利于尋找火源,通道溫度為65℃的高度值已經(jīng)下降到最低1.3 m,靠近通風(fēng)口高度值最大也僅1.8 m。而65℃只是人臉部可以短時間暴露的安全溫度,隨著燃燒的繼續(xù),溫度仍會進一步升高。因此,此時人員已經(jīng)不能進入艙內(nèi),只能往艙內(nèi)注水,待艙內(nèi)能見度升高,溫度降低,人員方可再次進入。

圖13 90 s時通道溫度分布

(3)生活區(qū)以外的人發(fā)現(xiàn)煙霧。當(dāng)人員都在艇上其他部位工作或離艇,如果發(fā)生火災(zāi),只有值班人員通過1號或2號門傳出來的煙霧才可發(fā)現(xiàn)火災(zāi)是否發(fā)生。兩門處的煙霧探測器探測到的煙氣濃度變化見圖14。

圖14 煙氣體積分數(shù)

可以看出,當(dāng)探測器探測到有煙霧時,燃燒已經(jīng)發(fā)生了接近50 s,而此時只有很少的煙霧,肉眼無法觀察到。假設(shè)再過10 s,即火災(zāi)發(fā)生60 s以后,1號門處的煙氣濃度為40%(SD6設(shè)置在1號門處),可以肉眼觀測到煙霧。此時,煙氣層高度大概為1.0 m,并且持續(xù)將近20 s的時間;上層煙氣溫度60℃,下層煙氣溫度20℃;通道內(nèi)O2體積分數(shù)約20%,CO濃度為0.05%～0.15%;艙門處的能見度為2 m左右,低于安全極限的5 m。通道內(nèi)的溫度分布見圖15,通道溫度為65℃的高度值已經(jīng)下降到最低1.5 m(艙門處)。

圖15 60 s時通道溫度分布云圖

此時煙氣層高度、艙室溫度、CO體積分數(shù)、O2體積分數(shù)均允許人員進入,但由于能見度只有不到2 m,會限制人員在艙內(nèi)的活動,影響滅火效率。此時火勢不大,可用手提式滅火器滅火或使用水泵抽取海水往艙內(nèi)注水,之后人員再進艙滅火。

3 防火設(shè)計的方案改進

目前,此艦艇俱樂部的防火設(shè)計比較薄弱,對防火滅火措施考慮不全面,具體表現(xiàn)在有較多易燃物品,沒有安裝煙霧報警器或者自動噴淋設(shè)備,只有手提式滅火器。機械排煙系統(tǒng)和自動噴淋系統(tǒng)能很好的抑制火情的發(fā)展［10-11］。根據(jù)現(xiàn)狀設(shè)置了3種工況,通過比較火災(zāi)發(fā)生時不同位置的溫度,對本艇防火設(shè)計方案提出改進意見。

表2 工況設(shè)置

3.1 機械排煙系統(tǒng)對火災(zāi)的作用

對比圖16、17可以看出,在初始200 s內(nèi),機械排煙系統(tǒng)可以明顯降低艙門處的煙氣濃度,后期由于煙氣量不斷增大,煙氣濃度持續(xù)增大。同時,機械排煙系統(tǒng)可以明顯降低過道處的溫度,使過道溫度始終保持在40℃左右,比工況一時的平均溫度100℃降低了60℃,為人員離開艙室和進艙滅火創(chuàng)造了有利條件。

圖16 艙門煙氣濃度對比

圖17 過道溫度對比

3.2 自動噴淋系統(tǒng)對火災(zāi)的作用

從圖18可以看出,由于室內(nèi)還未達到使噴淋系統(tǒng)工作的溫度,剛開始直至100 s左右,噴淋系統(tǒng)都未發(fā)揮作用;當(dāng)溫度達到70℃左右時,噴淋系統(tǒng)開始發(fā)揮作用,使溫度保持在40℃左右,比工況一時的平均溫度100℃降低了60℃,為人員離艙和進艙滅火創(chuàng)造了有利條件。

圖18 過道溫度對比曲線

3.3 防火方案改進措施

1)鑒于此類艙室的特殊用途,艙室內(nèi)有較多易燃物,而且火災(zāi)發(fā)生時蔓延迅速,不易控制。因此布置此類艙室時,在滿足其使用功能的前提下應(yīng)盡量減少使用易燃材料。

2)機械排煙系統(tǒng)不僅可以在火災(zāi)發(fā)生時大幅降低艙室溫度,減小煙氣濃度,也可在平時對艙室進行換氣,提高舒適性,因此建議在此艙室中安裝機械排煙系統(tǒng)。

3)自動噴淋系統(tǒng)可以在火災(zāi)發(fā)生時大幅降低艙室溫度,甚至直接撲滅火災(zāi),因此建議在此艙室中設(shè)置自動噴淋系統(tǒng)。

4)由于內(nèi)部易燃品較多,建議安裝煙霧報警器和溫度探測器,及早發(fā)現(xiàn)險情,增加可救援時間。同時,探測到險情后,最好在確認火情后再實施自動滅火或手動滅火,防止誤報。

5)艦艇俱樂部內(nèi)一般會要求通風(fēng)系統(tǒng)良好,但流動的空氣是燃燒氧化劑的主要補充源,會促進火災(zāi)的進一步惡化。而此俱樂部的相鄰艙室為人員居住艙,應(yīng)特別注意相互之間的密閉性分隔。此俱樂部處在整個休息區(qū)的兩道艙壁,一處隔開居住艙室,一處隔開餐廳,要特別注意密閉性,保證艙壁的防火隔煙功能。

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Fire Risk Analysis and Fireproofing Design Amelioration ofWarship Club

WANG Xin,ZHONG Chen-hua,MU Jin-lei,JIN Jian
(School of Naval Architecture and Ocean Engineering,Naval University of Engineering,Wuhan 430033,China)

There aremany combustibles in thewarship club,so that its fireproofing design is different from the common cabins.The FDS software is used to build amodel cabin to simulate the fire in full-size.The law of smokemovement,the changes of temperature,visibility and gas concentration in the course of fire are obtained.Then different conditions are setand a comparative analysis ismade of the results ofworking conditions so as to check up the effect of auto watermist sprinkle system and smoke evacuation system for preventing the fire spreading and the fireproofing design is ameliorated.

warship club;fire;numerical simulation;FDS;fireproofing design

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.03.036

U698

A

1671-7953(2015)03-0150-06

2015-03-16

修回日期:2015-03-24

國家自然科學(xué)基金青年項目(51309231)

王 欣(1991-),男,碩士生

研究方向:艦船火災(zāi)

E-mail:644329647@qq.com