內(nèi)河汽車滾裝船活動(dòng)滾裝區(qū)域的水噴淋系統(tǒng)研究

龔旭誠(chéng) 楊震峰 俞 赟

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

引 言

商品汽車滾裝船作為一種運(yùn)輸車輛的船舶類型，具有運(yùn)載量大、裝載時(shí)間迅速等特點(diǎn)，多用于將商品汽車自產(chǎn)地運(yùn)輸至各地銷售。［1］目前我國(guó)大部分商品汽車滾裝船在長(zhǎng)江流域營(yíng)運(yùn)，主要碼頭分布在重慶，武漢及上海一帶。2016年長(zhǎng)江三峽新建升船機(jī)的試通航，能夠大量縮短船舶通過三峽的時(shí)間，進(jìn)一步提升運(yùn)輸效率。由于升船機(jī)對(duì)裝載的船舶尺度及重量均有一定限制，加之近年來船舶技術(shù)及環(huán)保意識(shí)的發(fā)展，我國(guó)商品汽車滾裝船面臨著一輪更新?lián)Q代。自2017年起，已有多家船務(wù)公司將升船機(jī)型滾裝船投入運(yùn)營(yíng)，有效解決車輛進(jìn)出川渝的公路運(yùn)輸難題，有力支援長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶建設(shè)及中西部大開發(fā)［2］。

升降式甲板作為一種滾裝船舶專用的特種設(shè)備，適用于需要在裝載小型車與大型車間切換的滾裝船舶。配置了升降式甲板的船舶，可根據(jù)裝載需求，靈活地切換裝車甲板狀態(tài)，提高運(yùn)輸效率。然而，在升降式甲板底部設(shè)置的傳統(tǒng)壓力水霧管路與消防總管的固定連接會(huì)對(duì)甲板升降造成阻礙，需要拆除部分管路并在甲板位置調(diào)整后重新連接。這無論從安全性和便利性來看都極為不利：既無法保證管路每次拆裝后的密性，且每次改變升降式甲板狀態(tài)都需要拆裝大量管路。因此需要一種全新的水霧噴嘴布置方案，使其能滿足所有情況下的滾裝區(qū)域消防要求。

本文將從系統(tǒng)原理、噴嘴安裝形式、管網(wǎng)及噴嘴的布置等，研究并提出活動(dòng)滾裝甲板側(cè)向噴淋的設(shè)計(jì)方案。

1 基本原理

消防用壓力水霧系統(tǒng)根據(jù)其工作壓力，可分為低壓（＜ 1.2 MPa）、中壓（1.2～3.5 MPa）和高壓（＞3.5 MPa）［3］，根據(jù)其工作介質(zhì)又可分為單相（水）及兩相（水，空氣）兩種；其中，兩相水霧的系統(tǒng)較為復(fù)雜，在對(duì)于霧化要求不高的區(qū)域內(nèi)通常使用單相水霧系統(tǒng)。在單相水霧系統(tǒng)［4］中，工作壓力越大，其水霧噴頭產(chǎn)生的霧化顆粒越?。?］，然而其單個(gè)水霧噴頭的流量較小。在滾裝處所的壓力水霧滅火要求中，規(guī)范對(duì)于水霧的顆粒并無強(qiáng)制性要求，但對(duì)于水量有著硬性要求。若采用中高壓水霧系統(tǒng)，勢(shì)必造成噴嘴的數(shù)量及水霧管網(wǎng)的密度增加，以及供水泵功率的增大，造成不必要的浪費(fèi)，因此滾裝處所宜選用低壓水霧系統(tǒng)作為固定式消防滅火系統(tǒng)。

設(shè)計(jì)水霧系統(tǒng)時(shí)，首先是對(duì)水霧噴嘴的特性進(jìn)行選型及設(shè)計(jì)壓力的確定。水霧噴嘴的特性分為霧化角度α及流量系數(shù)k。其中流量系數(shù)k是考核水霧噴頭工作性能和水霧滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，其代表著噴嘴流量與供水壓力平方根的比值為常數(shù)，用于計(jì)算水霧噴嘴在設(shè)計(jì)壓力下的流量。霧化角度則與覆蓋范圍相關(guān)，一般根據(jù)水霧噴嘴的出廠試驗(yàn)確定。對(duì)于同樣型號(hào)的噴嘴，通常其流量系數(shù)恒定，霧化角度隨壓力的增大而增加，但總體變化幅度不大，仍然與噴嘴出口處的設(shè)計(jì)有關(guān)［6］。當(dāng)確定了k及α后，通過調(diào)整外部參數(shù)為供水壓力P及距被保護(hù)區(qū)域的距離h，在流量-壓力特性曲線及高度-覆蓋半徑曲線上選取相應(yīng)的工作點(diǎn)，可以獲得不同的噴嘴流量及覆蓋范圍［7］。

2 設(shè)計(jì)條件

以升降式甲板的某一分區(qū)為例，分區(qū)的長(zhǎng)度為24 m、寬度為16.6 m、面積約為400 m2，其中活動(dòng)甲板為2甲板。

如下頁圖1所示，該區(qū)的升降式甲板分為4部分，分別由獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)裝置控制升降。裝載小型車輛時(shí)，2甲板維持原位置，此時(shí)1甲板與2甲板層高為2.3 m；當(dāng)2甲板通過電機(jī)與鋼纜提升至3甲板底部，1甲板的層高增加至4.3 m，滿足大型車輛裝載條件。各升降式甲板模塊可單獨(dú)升降，但裝載車輛時(shí)必須處于同一高度。

根據(jù)CCS內(nèi)河船舶法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則，對(duì)于滾裝處所的壓力水霧消防系統(tǒng)，需要滿足以下規(guī)定：

（1）甲板噴淋水流不小于3.5 L /（min·m2）（對(duì)于層高為2.5 m及以下區(qū)域），或5 L /（min·m2）（對(duì)于層高為2.5 m以上區(qū)域）；

（2）噴嘴的布置應(yīng)能均勻覆蓋整個(gè)滾裝區(qū)域；

圖1 滾裝甲板示意圖

（3）水泵的容量需滿足最大兩個(gè)分區(qū)及至上一層的坡道同時(shí)工作。

對(duì)于升降式甲板而言，任意裝載工況下均應(yīng)滿足以上條件。

3 設(shè)計(jì)方案

3.1 系統(tǒng)原理簡(jiǎn)介

水霧系統(tǒng)的原理如圖2所示。

圖2 壓力水霧系統(tǒng)流程

當(dāng)某一區(qū)域失火時(shí)，打開信號(hào)閥并啟動(dòng)水霧泵，江水自水泵加壓后被輸送至指定的分區(qū)進(jìn)行滅火，同時(shí)打開的信號(hào)閥傳遞報(bào)警信號(hào)至該區(qū)的火災(zāi)報(bào)警設(shè)施及駕駛室。

對(duì)于采用側(cè)向噴淋的升降式甲板水霧系統(tǒng)，需要設(shè)置3組信號(hào)閥及水霧管網(wǎng)：

第1組為設(shè)置在3甲板底部的垂直安裝型式的常規(guī)壓力水霧管網(wǎng)，作用是保護(hù)提升前的升降式甲板；

第2組為設(shè)置在2甲板高度附近的側(cè)向水霧噴淋管網(wǎng)，作用是保護(hù)升降式甲板提升前的1甲板；

第3組為設(shè)置在3甲板底部的側(cè)向水霧噴淋管網(wǎng)，作用是保護(hù)升降式甲板提升后的1甲板。

3.2 水霧噴嘴選型及管網(wǎng)布置

對(duì)于分區(qū)1，水霧噴嘴可直接布置在3甲板底部。選擇流量特性系數(shù)為16，霧化角度為120°的水霧噴嘴。根據(jù)噴嘴廠商提供的覆蓋范圍曲線，當(dāng)噴嘴處的水壓為0.35 MPa，噴嘴安裝在距甲板2 m高度時(shí)，保護(hù)半徑為2 m。管網(wǎng)的布置如圖3所示。

圖3 分區(qū)1管網(wǎng)布置

每只噴嘴的額定流量為30 L/min，則分區(qū)的平均水量約為 3.8 L /（min·m2）。

對(duì)于分區(qū)2，需要在2甲板高度附近設(shè)置側(cè)向安裝的水霧噴嘴。安裝水霧噴嘴及水霧管的位置需要避開升降式甲板的移動(dòng)范圍，且在任何情況下不能影響車輛的停放及裝載路徑。因此噴嘴僅能夠布置在兩舷與升降式甲板的間隙，以及船舯立柱與活動(dòng)甲板的間隙中。噴嘴的安裝高度需要盡量高但不高于升降式甲板，以保證覆蓋范圍最大化及避免水霧曲線被甲板所阻擋。

舷側(cè)選用流量特性系數(shù)為16，其額定壓力下的霧化角度為120°水霧噴嘴，并朝向船舯傾斜15°布置；根據(jù)廠商提供的120°水霧噴嘴覆蓋范圍，舷側(cè)部分留有較大未被覆蓋區(qū)域，因此在每2只120°水霧噴嘴增加1只90°噴嘴，并朝向船舯傾斜15°布置，以保證整個(gè)滾裝處所能夠被水霧覆蓋。

立柱附近選用流量特性系數(shù)為22，霧化角度為90°的水霧噴嘴，朝向四周傾斜15°布置；

根據(jù)廠家提供的覆蓋范圍，選用的側(cè)向水霧噴嘴及安裝形式可以覆蓋整個(gè)區(qū)域面積，其覆蓋效果見圖4。

圖4 分區(qū)2管網(wǎng)布置

特性系數(shù)為16的噴嘴額定流量為30 L /min，共36只；特性系數(shù)為22的噴嘴額定流量為41 L /min，共12只，則分區(qū)的平均水量約為3.9 L /（min·m2）。

對(duì)于分區(qū)3，由于此時(shí)升降式甲板已處于上升狀態(tài)，該處的層高超過了2.5 m，需要選用流量特性較大的水霧噴嘴，以滿足分均流量的要求。根據(jù)水霧噴嘴資料及噴嘴覆蓋范圍，選擇流量特性系數(shù)為22，霧化角度分別為90°與120°兩種型號(hào)的水霧噴嘴。布置形式及傾斜角度與分區(qū)2相同。

同理，噴嘴的安裝位置與分區(qū)2相似，利用舷側(cè)及立柱與升降式甲板之間的間隙布置。值得注意的是，噴嘴的安裝高度需略低于升降式甲板上升后的底部，以保證覆蓋效果。最終布置及覆蓋范圍見圖5。

每只噴嘴的額定流量為41 L /min，則分區(qū)的平均水量約為 5.1 L /（min·m2）。

圖5 分區(qū)3管網(wǎng)布置

4 操作流程

根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，某區(qū)域失火情況下的操作流程如圖6所示。

圖6 壓力水霧滅火操作流程

其中升降式甲板狀態(tài)機(jī)火災(zāi)發(fā)生的位置需要操作人員進(jìn)行判斷，以免誤操作導(dǎo)致開啟錯(cuò)誤的分區(qū)蝶閥，影響滅火效果。因此手動(dòng)蝶閥的位置宜靠近活動(dòng)滾裝區(qū)域所在甲板，方便確認(rèn)火情。此外，在蝶閥操作區(qū)域應(yīng)用醒目的指示牌，指導(dǎo)操作流程。

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)實(shí)船現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，該側(cè)向水霧噴淋系統(tǒng)的3個(gè)分區(qū)均能夠達(dá)到覆蓋及水量的要求。因選取的水霧泵壓力及流量均留有一定余量，其中壓力是根據(jù)到達(dá)船舶最高最遠(yuǎn)處水霧噴嘴的阻力選取，而升降式甲板分區(qū)的水霧噴嘴高度及阻力均遠(yuǎn)小于最遠(yuǎn)處的噴嘴。因此實(shí)際該區(qū)的水霧噴嘴工作壓力大于設(shè)計(jì)壓力，覆蓋范圍及水量較理論值均有所增加，滅火的實(shí)際效果優(yōu)于理論效果。本設(shè)計(jì)方案已申請(qǐng)相關(guān)實(shí)用新型專利并獲得授權(quán)。［8］

圖7 升降式甲板降下時(shí)的下層甲板水霧滅火效果

圖8 升降式甲板升起時(shí)的水霧滅火效果

6 結(jié) 語

經(jīng)過理論論證和實(shí)船檢驗(yàn)，對(duì)于升降式甲板，側(cè)向噴淋的壓力水霧消防是一種有效可行的固定式消防系統(tǒng)。在應(yīng)用側(cè)向噴淋時(shí)，需要注意布置側(cè)向水霧噴嘴的方向、傾斜角度及間距等因素，保證每個(gè)分區(qū)均能被水霧均勻覆蓋，連接各噴嘴的水霧管網(wǎng)也需布置在不影響升降式甲板升降及車輛裝載的位置。

在側(cè)向水霧噴嘴布置方案確定后，應(yīng)校核覆蓋區(qū)域及平均水量是否達(dá)到要求，以保證水霧消防效果達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期。另外，該系統(tǒng)在防止誤操作上仍存在改進(jìn)空間，如在水霧蝶閥操作位置增加升降式甲板狀態(tài)指示器與火災(zāi)感應(yīng)探頭，以增加邏輯判斷功能，更加方便地指示人員操作相應(yīng)的閥，減少人員判斷的時(shí)間及誤判的情況，提高系統(tǒng)的可操作性。