大型集裝箱船消防水炮系統加裝技術研究

路 通 徐恩廣 王家支 白志平 萬東偉

（大連船舶重工集團設計研究院有限公司 大連 116000）

0 引 言

隨著集裝箱船迅猛發展，最大承載量的記錄也被不斷刷新，船舶的營運效益隨之提高，但同時也帶來了更多的安全問題。增加集裝箱船的載重和箱數是提高集裝箱船營運效率的主要途徑，不過也會加大船舶運輸貨物的復雜性及不確定性，由此產生了更多的營運安全隱患。火災、淹沒和碰撞是船舶安全的三大威脅，船舶特殊的功能和結構特征決定了船舶火災具有特殊性。我國每年的海難事故中，約10%因船舶火災所造成[1-2]。近年來，多起集裝箱船火災事故造成了重大財產損失，尤其是發生在主甲板以上區域的火情。由于缺乏有效的滅火措施，火勢往往難以得到快速有效控制，火災的蔓延會進一步導致更大的安全風險。隨著集裝箱船載重和箱數的不斷加大，甲板以上區域的消防問題更是日益凸顯。

本文以1 艘19 000 標準箱集裝箱船為研究對象，針對其原有設計，分析了當前消防能力的缺陷，在確保能夠實現預期功能的前提下，以改動小、成本低為目標，設計了1 種頂部消防加裝方案，并通過三維建模及流體仿真計算，驗證了改裝方案的可行性，為順利開展消防改裝提供了有力保障。

1 消防安全分析

1.1 集裝箱船火災特征

通常情況下，營運過程中的船舶整體可視為1 個相對獨立的流動場所。船體漂浮位置距離海岸和其他船舶較遠，在發生火災的情況下，難以得到快速及時的外界救援。集裝箱船火情的引發及蔓延主要受以下因素影響。

1.1.1 集裝箱的排布設計

為盡可能提高空間的使用效率，在集裝箱的布局設計中，最大限度地壓縮了集裝箱的間距，甲板上的集裝箱基本以層層堆放的形式密集布置，行列之間的間距很小。集裝箱本體為金屬材質，通常沒有特殊的隔熱材料，當箱內發生火情時，熱量很容易傳播到相鄰箱體，進而導致火情蔓延，引發大面積火災。同時，在緊急滅火的情況下，布置密集的集裝箱影響了通行空間，進而對水龍帶的布置或其他便攜滅火設備的搬運造成一定阻礙，延誤了初始火情的最佳滅火時機，進一步加大了火情的控制 難度。[2-3]

1.1.2 集裝箱內的貨物屬性

大型集裝箱船的載重和配備箱數龐大且對應的載貨種類繁多，集裝箱內的貨物屬性復雜，其中不可避免會包括多種危險品貨物。對于易燃、易爆的危險品貨物（如活性炭、人工塑料草皮、化纖類服裝及酒精棉等）。若船舶承運的貨物中出現危險品漏報、誤報或瞞報的情況，會導致不能準確掌握各個集裝箱的貨物屬性。此外，若因貨物屬性未被留意而使對應集裝箱未按照相關安全排布規則布置，甚至被錯誤放置在甲板區域頂部，當船舶航行至赤道航線附近海域時，在強烈光線的持續照射下，集裝箱表面會因不斷吸收熱量而導致箱內溫度升高，進而引發火災的可能性。[3-4]

1.1.3 消防設備及措施短缺

為盡可能提升集裝箱船的運載量，通常會充分利用甲板上的有效空間，由此導致集裝箱船甲板上空間內貨物堆積較高（集裝箱堆碼高度可達10 層左右）、甲板剩余空間較少。船只如果未在艏樓和艉樓頂部設置專用的消防水炮，當上層集裝箱貨物發生火情時，普通的消防水槍難以對貨物頂部的火勢形成有效控制。同時，甲板上狹小的通行空間和闊長的甲板區域也不利于快速送達并布置移動消防水炮或移動水霧槍，進而影響船舶的滅火效率，加大了火勢的蔓延風險和控制難度。[5-6]

1.2 目標船舶消防能力分析

目標船為19 000 標準箱的大型集裝箱船，集裝箱排布設計密集、機艙空間內設備布置緊湊，整體船體空間利用率較高。根據其原有設計圖紙分析，目標船舶當前的消防措施主要包括水霧噴淋滅火、二氧化碳滅火及消防閥。

其中水霧噴淋滅火系統主要針對機艙內的重要燃油設備，通過水霧噴頭的節流作用將水以指定角度噴灑控制火情；二氧化碳滅火系統以二氧化碳作為滅火介質，儲備在瓶組內的氣體在啟動時被迅速釋放，當二氧化碳在空氣中的濃度累積至30% ～ 35%時，即可熄滅絕大多數火情[7]。消防閥通常與附近對應的消防水龍帶搭配使用，可布置在機艙內及甲板上。當發現火情時，船員人工操作將消防水帶連接到消防閥上，拖動水龍帶至火情處并開啟消防閥，以噴射出的水流來控制火勢并降溫等。

水噴淋滅火和二氧化碳滅火受其布置的環境需求，大部分只適用于機艙和貨艙區域內，對于甲板上的開放空間，由于二氧化碳濃度無法有效累積，難以發揮有效作用。目標船主甲板以上區域以水消防為主，消防水通過消防泵及管路泵送至消防栓。受垂直高度差及沿程損失的影響，閥門出口的流體壓力低、流量小，而甲板上集裝箱的堆積高度可達20 ～ 30 m，由水龍帶噴射自下而上的水流滅火效果較差，難以覆蓋集裝箱的最頂層。頂端集裝箱火勢一旦引發，將很難得到有效控制，因此甲板以上區域是目標船舶的重大消防缺陷。

近年來，大型集裝箱船甲板上集裝箱發生火災的情況較多，在航運界引起了廣泛關注。為確保船只安全運行、控制船舶營運風險，目標船的船東希望在原有基礎上增加新的消防系統，進一步完善和提升船只的消防能力，增強船舶整體可靠性。基于當前目標船的消防能力分析結果，在船體高處增加消防水炮是有效的改裝方案之一。對于改裝船只，新增消防水炮的改裝成本可控，對原有消防系統管系的連通及控制的改造體量相對較小，且可避免對主船體大量改動，是提高船舶消防能力的優先方案[8]。

2 加裝消防方案設計

2.1 設計目標

加裝消防方案需確保船舶現有營運效益不受影響，保持原有集裝箱的密集排列布局，盡可能減少對原有管路系統和船體結構的修改與調整，在確保能夠實現預期消防功能的基礎上，最大限度地控制改裝成本。

對于甲板以上區域的消防缺陷，可通過在船體高點加裝提供高壓滅火介質的消防水炮，以形成自上而下的有效滅火途徑。根據目標船的船體結構特點，可在煙囪區域（艉樓）和生活區域（艏樓）頂端分別加裝面向艏艉2 個方向的消防水炮，利用水炮高壓、大流量、長射程的屬性和高度優勢，中段區域前后水炮交叉配合，便可達到甲板上集裝箱區域消防全面覆蓋的效果。

根據原有設計圖紙分析，艉樓后方集裝箱區域縱向長度A約為71 m，由艉樓頂端面向艉部的消防水炮覆蓋；艏樓和艉樓之間縱向間距B約為157 m，由艉樓頂端面向艏部、艏樓頂端面向艉部的消防水炮交叉覆蓋；艏樓前方集裝箱區域縱向長度C約為114 m，由艏樓頂端面向艏部的消防水炮覆蓋。消防覆蓋方案如圖1 所示。

圖1 消防覆蓋方案

為加強滅火效果和增加設計冗余，每個方向上在左、右舷各設置1 個消防水炮（共4 個方向、8個消防水炮）。根據射程覆蓋需求初步選用消防水炮，其參數如圖2 所示。根據水炮特征曲線顯示，送至艏樓和艉樓頂端消防水炮處的流體狀態需滿足壓力不低于1.5 MPa 且流量不低于250 m3/h。

圖2 水炮性能參數

2.2 消防方案

為滿足加裝消防系統中管路流量需求，滅火介質選用海水，利用壓載泵從海水總管抽水，泵送至通道甲板高度附近；同時，根據消防水炮的壓力需求，在通道甲板高度附近增設增壓泵，增壓泵吸口接壓載泵排出支管末端，海水經過2 次增壓供水至艏樓和艉樓頂端的消防水炮，通過消防水炮的噴射，實現甲板上集裝箱區域消防的全面覆蓋。

新增消防系統主要由4 臺增壓泵、8 臺消防水炮、遙控蝶閥及系統管路等組成，其中增壓泵、消防水炮及遙控蝶閥的啟停和開閉可在駕駛室遙控，新增消防系統原理圖見圖3。

消防設備分為2 組，每組包括2 臺增壓泵（1 用1 備）、4 臺消防水炮、對應蝶閥及管系，分別布置在艏樓和艉樓區域。艏樓和艉樓頂部均布置4 臺消防水炮（頂部前后方各2 個，分別布置在左右兩側），水炮可360°旋轉，2 組增壓泵和消防水炮不同時工作。

結合目標船舶的原有設計，完成加裝消防系統管路模型的三維建模布置，在原有消防管路系統的基礎上，于機艙內底部區域壓載泵排出管新增支管用于艉樓1 組消防設備供水。供水管路上設置閥件并送至二甲板上的增壓泵組，2 臺增壓泵1 用1 備并聯布置。增壓后的管路沿艉樓內壁船體結構直至艉樓煙囪頂端的4 臺消防水炮；艏樓1 組消防設備自管隧內原有消防管路（肋位FR322 附近）取水，并在艏樓二甲板上附近設置增壓泵組。受限于艏樓管路布置的局限性，增壓泵組后的供水管路在穿出主甲板后，貼沿艏樓外壁蜿蜒向上，送至艏樓頂部的消防水炮。加裝消防系統管路的三維模型走向及艏樓和艉樓頂端的4 臺消防水炮布置如下頁 圖4 和圖5 所示。

圖4 艏樓區域管路及水炮布置

圖5 艉樓區域管路及水炮布置

3 方案驗證

為確保改裝方案能夠達成預期效果且實現甲板上集裝箱區域消防全面覆蓋的功能，在正式下發制作與安裝等圖紙前，需事先完成加裝系統的可行性分析，為改裝項目的順利交付提供有力保障。

壓載泵位于機艙內底部區域，自機艙至艏樓縱向水平距離約160 m，且消防水炮位置較高，距離艙底壓載泵高差約60 m，管路走向布置復雜。整個泵送過程中，管路內流體的能量損失很難準確預估，常規設計經驗難以斷定其可行性。為確保加裝的消防水炮能夠實現預期設計目標，結合加裝修改后的消防系統原理和三維模型建立AFT Fathom 消防系統仿真模型（如下頁圖6 所示），利用AFT Fathom 軟件流體仿真計算進行方案驗證。

圖6 AFT Fathom 仿真模型

AFT Fathom 流體計算軟件采用修正后的牛頓-拉夫森矩陣迭代方法，可模擬仿真多種工況下的管道流體狀態，對于穩態分析，其沿程阻力和節點間的壓力變化可通過以下方程描述[9-10]：

式中：λ為沿程阻力系數；l為管路長度，m；d為管路直徑，m；v為流速，m/s；g為重力加速度, m/s2；P1、P2為前后2 點壓強，Pa；ρ為流體密度，kg/m3；v1、v2為 對 應 流速，m/s；h1、h2為2 點所處的高度，m。

流體仿真計算中，對于泵的工作特性曲線可通過非線性擬合和取樣插值進行表達，但計算結果顯示，模型中壓載泵特性曲線的擬合效果較差，平均誤差較大。為確保仿真計算的準確性，對于壓載泵和增壓泵的工作特性選用密集取樣插值的形式描述，其中壓載泵取樣數據66 組，增壓泵取樣數據92 組，如下頁圖7 所示。

圖7 壓載泵、增泵插值取樣點

吸口（海水總管）壓力、三通、異徑、彎頭及部分閥件等部件的參數根據實際布置確定，其他特殊部件則借鑒輪機設計手冊的經驗值，利用模型中的通用構建來表達對系統管路特性的影響。流體介質選用17.40 ℃的海水參數，密度為1.05×103kg/m3，運動黏度為1.12×10-6m2/s。

根據消防方案，2 組消防設備分別布置在艏樓和艉樓區域，2 組不同時工作，每組2臺增壓泵并聯且1 用1 備。按照火情發生區域，將仿真計算分為2 種極限工況，分別為艉樓頂端4臺消防水炮同時工作和艏樓頂端4臺消防水炮同時工作，如下頁 表1 所示。

表1 仿真計算工況

仿真計算中，可通過設定4 個消防水炮的進口流量，計算得出指定流量情況下整個系統管路的工作特性，獲取消防水炮在該狀態下的進口壓力，將計算結果同消防水炮的最低壓力需求對比，進而判斷消防系統的可行性。

根據消防水炮性能參數，在預定設計目標下，消防水炮的流量需不低于250 m3/h。在2 種工況下的穩態分析中，將設定流量空間添加在消防水炮的進口處，計算得出該設定流量下4 臺消防水炮的進口壓力P1～P4，仿真計算結果如表2 所示。

表2 仿真計算結果

根據計算結果可知：艉樓4臺消防水炮工作時，水炮進口壓力不低于1.73 MPa；艏樓4臺消防水炮工作時，由于艏艉管路布置較長，沿程損失占比增大，水炮進口壓力為1.68 MPa。對于當前消防改裝布置方案，2種工況下的消防系統為各水炮所提供的消防介質足夠滿足其工作需求，能夠實現甲板上全面覆蓋的消防目的（如圖8所示）。

圖8 消防覆蓋效果

在管路實船安裝后，可以通過添加節流孔板等方式進行調節，盡可能使消防水炮在最佳工作點運行。

4 結 語

集裝箱船甲板上箱體堆積高度高、布置密集,常規消防栓的流量和壓力難以滿足實際需求。當前集裝箱船箱數龐大，甲板上區域消防問題亟待解決。通過在煙囪和生活區域頂部加裝消防水炮,進而對甲板上貨物形成全面覆蓋的設計方案是解決消防問題的有效途徑之一。頂部消防系統管路長度及高差較大、布置復雜，預先采用流體仿真計算進行可行性分析是方案實施的必要前提。此外，集裝箱船也需嚴格把控貨物類型的申報管理工作，杜絕危險貨物瞞報，合理布置危險品集裝箱船的放置位置，盡可能降低火災風險及火情蔓延速度。