平台固定式水成膜泡沫灭火系统消防安全试验与评估

曾 勇，杨满江

中国舰船研究设计中心，湖北武汉430064

0 引 言

随着我国经济技术的发展，现在越来越多的海上执法船（如边防船、海事船、海监船及渔政船等）均可搭载或悬停直升机，以方便其迅速完成执法和救助等任务。此外，海上石油钻井平台，以及中、大型舰船也可搭载直升机。对于海上复杂的环境，要想在相对不稳定的平台上完成直升机的起降和燃油加注等具有一定的安全性风险，其最大的风险来自直升机燃油泄露引发的火灾，如果火灾不能得到及时、有效的控制，将会对船员的生命安全以及财产构成重大威胁。鉴于此，相关规范均规定要在直升机平台上配置泡沫灭火系统，例如，《国际海上人命安全公约》［1］就要求在直升机甲板上配置泡沫炮或泡沫枪灭火系统，并根据直升机的长度规定不同的泡沫喷射率。

然而，采用泡沫枪灭火系统存在一定的缺陷：

1）一般情况下，泡沫枪针对的是面积相对较小的油池火或某一局部的火灾，对此其往往能取得较好的灭火效果，但对于较大的油池火，其灭火效能则会下降；

2）不能大面积均匀地冷却直升机甲板平台；

3）在火势较大的情况下，由于强烈的热辐射作用，船员难以在有效的距离内实施灭火；

4）船员的持枪方式、喷洒策略以及熟练程度等的不同也会对灭火时间有较大影响。

根据国外相关资料报道，美国在部分舰船，如CG-47，DD-963，FFG-7 和DDG-51 等的直升机甲板上安装有固定式甲板泡沫喷洒系统，以应对直升机甲板上发生的因JP-5 航空煤油所引发的油池火［2］。根据文献［3］中的描述，航母飞行甲板上的水幕系统可喷洒水成膜泡沫混合液，即在甲板上安装泡沫喷洒喷头，自下向上喷洒泡沫，以控制、扑灭甲板上发生的火灾，它是甲板上的一个主要灭火手段，其形式不同于一般的自上而下的泡沫喷淋形式。为检验该系统的灭火能力，美国开展了一系列甲板泡沫喷洒系统灭火试验，以评估其消防能力［4］。

对于露天部位，我国设置的泡沫灭火系统主要还是泡沫炮或泡沫枪灭火系统，暂时还没有关于设置自下而上的泡沫喷洒系统的报道。对设置于室内的泡沫灭火系统，在《飞机库设计防火规范》［5］中有设置翼下泡沫灭火系统的规定，以用来扑灭飞机机翼下的流散火，但由于所处的环境不同，对于船舶直升机起降甲板的固定泡沫灭火系统来说，其只具参考价值。

为研究在船舶直升机甲板设置泡沫喷洒系统的可行性，本文开展了一系列的研究试验，包括喷头的研制和试验，以及泡沫喷洒系统的灭火试验等，下面将简要介绍、分析和评估所开展的甲板平台水成膜泡沫喷洒系统的灭火试验工作。

1 试验设计

为开展甲板平台泡沫灭火系统试验，设计了3 个基本试验模型［6］，如图1～图3 所示。

考虑到直升机甲板有因燃油泄漏而引发火灾的可能，故试验中采用的是限制型油池火，燃油采用的是航空煤油。

图1 4 喷头试验模型Fig.1 Experiment model of 4 nozzles for deck fire extinguishment test

图2 2 喷头试验模型Fig.2 Experiment model of 2 nozzles for deck fire extinguishment test

图3 1 喷头试验模型Fig.3 Experiment model of single nozzle for deck fire extinguishment test

喷头的设置主要考虑3 种情况：第1 种是油池火发生在平台甲板泡沫喷洒系统的中间，由此设置了4 喷头的试验模型；第2 种是油池火发生在平台甲板泡沫喷洒系统的边缘，由此设置了2 喷头的试验模型；第3 种是油池火发生在系统的一角上，由此设置了1 喷头的试验模型。

试验用喷头呈360°向四周喷洒灭火剂，覆盖半径3～3.5 m，即在该覆盖面积范围内可喷洒水成膜泡沫混合液。

油池的面积主要由以下几个因素考虑确定：

1）该系统针对的主要是面积较大的油池型火灾，因此，油池面积不宜太小；

2）喷头的喷射半径和流量等性能参数；

3）燃油泄漏量。因燃油泄漏量是一个随机参数，难以直接确定，因此，在设计试验模型时做了如下假定：通过试验和仿真，10 kg 和35 kg 航空煤油在平面内的最大扩散面积约为12 m2和23 m2；此外，结合喷头的覆盖情况，确定上述3 个试验模型中的油池火的面积分别为25，17.5，12.25 m2。

试验模型还考虑了障碍火和无障碍火2 种情况，即在灭火过程中油池火上方有障碍物（如直升机）或无障碍物。

试验灭火剂采用海水型3%水成膜泡沫液。为了测试不同系统流量对灭火效果的影响，设置了0.4，0.5，0.6 MPa 这3 种系统试验压力。

为便于对整个灭火过程进行分析研究，设置了热电偶和辐射热流计，以对火场的温度和热辐射进行测试。

表1 所示为甲板平台灭火试验的详细设置。

表1 甲板灭火试验工况设置Tab.1 Summary of deck fire extinguishing experiments

本文的试验模型虽然只是平台泡沫灭火系统的局部，但包含了整个平台甲板泡沫喷洒灭火系统的3 种典型部位，即中心部位、边缘部位和角部位。通过局部尺度灭火试验，对于全尺度灭火效果具有较高的参考价值。

2 结果分析

本文开展了4 组共10 次灭火试验，其中9 次灭火成功，详细结果与分析详见下文。下面将以4 喷头水成膜泡沫喷洒抑制无障碍25 m2油面火的典型灭火试验为例，简要分析泡沫喷洒系统的灭火过程。

图4 和图5 所示分别为0.5 MPa 压力下4 喷头水成膜泡沫喷洒系统灭火过程的录像截图和红外热像仪截图。点火完毕计时为0 s，40 s 时整个油面已全部着火，火焰高度达6 m，60 s 时油面稳定燃烧，火焰高度达8 m，火焰外部被浓烟覆盖。74 s时启动水成膜泡沫喷洒系统，泡沫进入时火势突然增大，火焰和泡沫相互作用，火势维持一段时间的稳定。泡沫不断进入火焰区，压制住了靠近喷头较近的火焰，90 s 时仅油面中央部分还留有火焰。随后，泡沫在油面上铺展，火焰逐渐熄灭，随着泡沫的流动，火焰也可能会发生移动，120 s 时火焰从油池中央向一侧转移。最后，随着泡沫完全覆盖油池，火焰逐渐被扑灭，135 s 时火焰完全熄灭。此工况下的灭火时间为61 s。

图4 0.5 MPa 压力下4 喷头水成膜泡沫喷洒系统灭火过程的录像截图Fig.4 Video images of the pool fire extinguishment by 4 nozzles AFFF system at the pressure of 0.5 MPa

图5 0.5 MPa 压力下4 喷头水成膜泡沫喷洒系统灭火过程的红外热像截图Fig.5 Infrared images of the pool fire extinguishment by 4 nozzles AFFF system at the pressure of 0.5 MPa

2.1 灭火效能分析与评估

一般情况下，是采用灭火时间和控火时间来评价系统的灭火效能。其中，灭火时间指灭火剂作用于火焰至火焰完全熄灭的时间；控火时间是指灭火剂与火焰开始作用，至距离油盘中心1.5 倍油盘宽度处，辐射通量降至灭火剂未作用时的10%所需的时间。

对于灭火/控火时间，可以通过下式进行计算［7］：

T临界一般根据火灾对人员或直升机等设备造成不可接受毁伤的时间来确定，一种更合理的设定标准是将临界时间设为1～2 min。甲板上火灾的探测与响应时间几乎是瞬时的，因此，T探测可以设定为0。直升机甲板平台固定泡沫喷洒系统比较小，系统完全投入工作的时间大约为10～15 s。因此，可计算得出T灭火/控火＜45～105 s。表2 和表3所示分别为试验的灭火时间和控火时间。

表2 灭火时间Tab.2 Fire extinguishment time

表3 控火时间Tab.3 Fire control time

2.1.1 喷头数量对灭火/控火时间的影响

根据表2 和表3 可见，在无遮挡的情况下，当火灾发生在平台的靠中间位置时（4 喷头情况），泡沫喷洒系统取得了较好的灭火效果，在边缘位置（2 喷头情况）的效果次之，其控火、灭火时间基本小于所要求的45～105 s 范围。而当火灾发生在平台边角位置时（1 喷头情况），泡沫喷洒系统的灭火、控火情况则较差。这是由于喷头喷出的灭火介质能否有效覆盖油池火表面对灭火、控火时间有较大影响，单喷头的有效覆盖范围相对较小，因而灭火效果也相对较差。

但对于一个实际的直升机甲板平台而言，其喷头布置数量远大于4 个，因此，在平台的任何部位，在多喷头的共同作用效应下，其灭火效能应不低于单喷头的灭火效果。

2.1.2 火场有无遮挡对灭火/控火时间的影响

通过表2 和表3 可以看出，在无遮挡的情况下，灭火、控火效果较好，而当有遮挡物时，虽然可以灭火，但灭火时间较长，不能满足灭火/控火的时间要求。这是由于遮挡物阻隔了灭火剂的喷洒线路，使其不能有效进入遮挡区域，从而使得灭火效果较差。在这种情况下，需借助泡沫枪等灭火手段，有针对性地对遮挡区域进行灭火。

2.1.3 喷头的流量和压力对灭火效能的影响

表4 所示为试验喷头的性能参数。由表4 可见，随着压力的升高，喷头流量增大，一般情况下，流量越大其灭火效果越好，但试验结果显示的却刚好相反，在最高压力（0.6 MPa）时灭火效果最差，对此，将予以初步分析。

表4 喷头性能参数Tab.4 The nozzle parameters

如图6 所示，在喷头距离油池一定距离处，在较低的压力条件下，喷头的泡沫进入火焰区时的轨迹较低，从火焰的底部进入后，可以快速在油面上铺展并覆盖住油面，限制燃料的蒸发，从而使火焰熄灭；而在压力较高时，泡沫进入火焰区的角度较大，距离油面较高，在火场温度较高的情况下易蒸发并被吹散，难以降落在油面上，因而导致灭火效果较差。

图6 不同压力情况下喷头喷洒轨迹示意图Fig.6 The trajectory of AFFF spray under different working pressures

通过以上讨论，可初步得出以下2 点结论：

1）无论喷头压力如何，只要喷头喷洒的灭火介质以较低的入射角度进入火场，就可以取得较好的灭火效果。

2）当系统流量大到一定程度时，增加灭火剂量对灭火/控火时间的影响并不明显。

2.1.4 灭火时间与控火时间的关系

由表2、表3 列出的灭火、控火时间可以看出，控火时间虽与灭火时间具有一定的关系，但并非严格的关系，一般而言，灭火时间长，控火时间相对也会较长。但如果火焰处于灭火剂喷放的“死角”，虽然火焰没有完全熄灭，但火焰主体已经被扑灭，因而灭火时间要大大延长，而控火时间却较短，例如，第6 组试验就属于这种情况。通过采用泡沫枪对“死角”处的火进行及时扑灭，灭火时间可大大缩短。

2.2 热辐射测试结果分析

为考察火焰及烟气对周围空间的热辐射强度，评价消防员灭火的安全距离，并确定灭火系统的控火时间，在试验中使用了辐射热流计来对热辐射强度进行测量，热流计放置在距油盘边沿1.5倍油盘宽度处。

图7 所示为在4 喷头无遮挡灭火试验中热流计测得的3 次试验的热辐射热流值的变化情况。由图7 可以看出，在7.5 m 处，在火灾生成后，在大部分的灭火阶段，其热流密度值都大于10 kW/m2，最大热流分别为15.8，16.2，16.9 kW/m2。而人体接受的热辐射通量超过2.5 kW/m2时就会造成严重的灼伤。显然，在消防员没有防护的情况下，在距火场边缘7.5 m 处是无法进行消防作业的。

图7 距油盘边缘7.5 m 处的辐射热流值Fig.7 Thermal radiation flux at a distance of 7.5 m from the pool edge

基于理论推导和试验验证，美国火灾消防工程协会估算了油火的热辐射强度［8］：

式中，q’为至目标物体的热流密度，kW/m2；D 为油罐直径，m；L 为池式火灾中心至目标物体边缘的距离，m。

由公式（2）可见，在火灾直径或尺度一定的情况下，热流密度与L-1.54成正比。根据图7 的测量结果可知，距火场边缘7.5 m 处的热流密度为16.2 kW/m2，可以推算出，要将热流密度降至人员的安全强度2.5 kW/m2以下，至火场边缘的距离应为25.2 m。换言之，在消防员来不及穿上消防服的情况下，其安全作业距离约为25 m，这个距离对于泡沫枪来说显然太远。而对于具有泡沫喷洒灭火系统的直升机平台来说，在系统工作数十秒后，热辐射值会迅速下降，这时较有利于消防人员应对甲板上的局部残留火灾。

3 结 论

通过以上灭火试验和分析评估，可以得出以下结论：

1）对于发生在直升机甲板平台的无遮挡大型池式火灾，甲板平台水成膜泡沫喷洒灭火系统具有较好的灭火效能，并且能较为迅速地大面积降低火场及周边的温度和热辐射，这对于保护船体结构及其它设施，使消防人员迅速接近火场起着较关键的作用。该研究成果可为大型舰船直升机起降平台、海上石油钻井平台上的直升机起降平台的火灾防治系统设计提供参考。

2）对于有遮挡的池式火灾以及发生于系统边缘的火灾，鉴于该系统的灭火时间较长，建议在设计中仍考虑设置泡沫枪灭火系统，以在灭火过程中点面结合，缩短灭火时间。

［1］中国海事局. SOLAS 74/88 国际海上人命安全公约（综合文本）［M］.大连：大连海事大学出版社，2004.

［2］DARWIN R L，WILLIAMS F W. A review of the per⁃formance of AFFF systems serving helicopter decks on U.S.navy surface combatants［R］.Naval Research Lab⁃oratory，2001.

［3］DARWIN R L，BOWMAN H L，HUNSTAD M，et al.Aircraft carrier flight and hangar deck fire protection：history and current status［R］. Naval Air Warfare Cen⁃ter Weapons Division，2005.

［4］CARHART H W，LEONARD J T，DARWIN R L，et al. Aircraft carrier flight deck fire fighting tactics and equipment evaluation tests［R］. Naval Research Labo⁃ratory，2009.

［5］中国航空工业规划设计研究院. GB 50284-98 飞机库设计防火规范［S］.北京：中国计划出版社，2009.

［6］BACK G G，PARKER A J，SCHEFFEY J L，et al. Ef⁃fects of water sprinklers on the performance of low lev⁃el AFFF aircraft hangar fire suppression systems［R］.Naval Research Laboratory，2000.

［7］SCHEFFEY J L，DARWIN R L，LEACH W，et al.Performace analysis of foam agents required to combat liquid fuel hazards［R］. Naval Research Laboratory，2002.

［8］Beyler.SFPE engineering guide，assessing flame radia⁃tion to external targets from pool fires［S］. Society of Fire Protection Engineers，Washington DC，1999.