艦船小型密閉艙室快速滅火抑爆裝置的設計及驗證

胡衛(wèi)國，鄧茹鳳，薛寒寒，宋武帥

(中國船舶集團有限公司第七一三研究所 鄭州市特種場所火災防護技術重點實驗室，鄭州 450015)

艦船上存在諸多可能積聚可燃性或爆炸性氣體或氣體混合物的小型密閉區(qū)域，如油漆間、乙炔間、蓄電池室、彈藥貯存區(qū)域、燃油或易燃氣體容器及管路等。一旦出現(xiàn)泄漏等引起可燃氣體聚集，極易引起爆燃事故，嚴重威脅艦船設備及人員安全。針對艦船結構的復雜性及密閉艙室的快速滅火抑爆需求，設計一種快速滅火抑爆裝置，裝置采用高壓氣瓶裝載藥劑，并用電爆管爆炸開啟，能在百毫秒量級時間內實現(xiàn)滅火抑爆處置。

1 快速滅火抑爆裝置設計

1.1 整體結構

快速滅火抑爆裝置主要由鋼瓶、瓶頭閥、滅火劑、加壓氣體及安裝支架等組成，外形結構見圖1。

圖1 快速滅火抑爆裝置外形結構

瓶頭閥螺接在鋼瓶上，通過密封圈和密封膠實現(xiàn)接口處的長效密封。充裝設定劑量的滅火劑，并通過充裝惰性氣體進行加壓貯存，藥劑充裝后采用倒置模式貯存來保障滅火劑的可靠密封和快速釋放，并通過安裝支架固定在被防護區(qū)域內壁上。

1.2 工作原理

快速滅火抑爆裝置內充裝有設定劑量的滅火劑，并用高壓惰性氣體加壓，瓶口朝下倒裝在防護區(qū)域內。裝置上設置有壓力開關和點火器，電控系統(tǒng)可實時監(jiān)測裝置內的壓力，并及時發(fā)出低壓報警信號提醒工作人員檢修或充裝滅火劑；當電控系統(tǒng)監(jiān)測到防護區(qū)域發(fā)生可燃氣體聚集引起爆燃或爆炸時，會發(fā)出啟動滅火抑爆裝置的指令，點火器通電后引爆產(chǎn)生爆壓驅動快速滅火抑爆裝置快速開啟，瓶內滅火劑在瓶底高壓惰性氣體作用下立即噴出，并迅速汽化達到設定滅火或抑爆濃度，進而實現(xiàn)抑制火災或爆炸的功能。

快速滅火抑爆裝置的容積大小、滅火劑種類、充裝壓力可根據(jù)被防護區(qū)域的結構特點、空間大小及貯存物資特性等進行靈活設計，當設計參數(shù)固化后可根據(jù)防護區(qū)域的結構特點及空間大小等靈活考慮進行單獨或多個組合配置。

1.3 瓶頭閥結構設計

瓶頭閥是快速滅火抑爆裝置的關鍵核心部件，值守狀態(tài)下要保持裝置內貯存滅火劑的壓力穩(wěn)定及密封可靠性，當接收到驅動信號后能快速、可靠開啟，并迅速將滅火劑噴出釋放及汽化。

瓶頭閥主要由閥體、閥芯、密封圈、壓緊裝置、充壓裝置、泄壓裝置、壓力開關、限位蓋、點火器、活塞等組成。

閥體上開設有充裝接口、泄放接口、壓力反饋接口，分別用于安裝充壓裝置、泄放裝置及壓力開關，各接口均采用螺紋配合。充壓裝置的功能是充裝滅火劑及用惰性氣體加壓，泄放裝置的功能是內部壓力異常升高超過設定閾值后進行超壓泄放保護，壓力開關的功能是反饋滅火劑泄放或低壓報警信號，泄放裝置和壓力開關共用壓力通道；壓緊裝置將密封圈壓緊固定在閥芯上形成一個整體，通過導向槽放置到位后，旋轉一定角度卡在閥體的卡槽內，充裝惰性氣體后瓶內高壓將閥芯壓緊在卡槽面上；閥體上開設有電爆腔、活塞腔及排氣孔，點火器安裝在電爆腔內，緩沖墊、活塞桿、螺塞由內而外分別安裝在活塞腔內，點火器收到上級系統(tǒng)發(fā)出的啟動指令后通電引爆，產(chǎn)生的爆壓推動活塞撞擊閥芯使其快速轉動至導向槽位置，閥芯在瓶內高壓作用下沿導向槽快速滑出至限位蓋處，瓶內滅火劑在瓶底高壓惰性氣體作用下快速噴出并汽化；限位蓋通過螺紋配合緊固在閥體端部，其主要功能是承受閥芯在瓶內高壓作用下的沖擊力并阻止閥芯從瓶口飛出。

1.4 滅火劑選擇

鹵代烷1211、1301滅火劑具有化學性能穩(wěn)定、抑爆效能高、電絕緣性能好、腐蝕性小、用量少等優(yōu)點，曾在艦船消防系統(tǒng)中廣泛使用，但對臭氧層具有破壞作用，國際上已逐步淘汰使用該滅火劑。目前國內外都在開發(fā)新型環(huán)保滅火劑，如細水霧、超細干粉及全氟己酮等，不僅對人體無害，對臭氧成耗減值為零，且在有限密閉空間內滅火效能良好。鹵代烷1301不僅有良好的滅火能力，還具有優(yōu)越的抑爆性能，因此艦船上部分易發(fā)生爆燃、爆炸事故的特殊艙室，仍選用鹵代烷1301作為滅火劑進行滅火抑爆，最大程度保障艙內設備及人員安全。

2 設計參數(shù)計算及分析

2.1 設計參數(shù)分析

可燃氣體發(fā)生爆燃或爆炸可瞬間充滿整個艙室，因此快速滅火抑爆裝置在收到啟動指令后必須在極短時間內完成開啟、釋放、汽化并達到滅火及抑爆濃度，方可有效抑制災害擴展。

開啟時間、鋼瓶直徑、瓶口尺寸，以及充裝壓力等參數(shù)是技術指標的直接影響因素。開啟時間由點火器啟爆時間和瓶頭閥開啟時間兩部分組成；鋼瓶設計參數(shù)中，應首先確定滅火劑充裝量及充裝密度，鋼瓶容積取滅火劑充裝體積的約2.5倍，鋼瓶直徑根據(jù)其容量按常規(guī)鋼瓶尺寸進行選取，鋼瓶材料和厚度可根據(jù)滅火劑種類及材料強度計算得到；充裝壓力按滅火裝置常用壓力較大值進行選取。

2.2 滅火劑用量設計計算

假設某防護區(qū)域艙室容積為60 m，滅火劑選用鹵代烷1301，設計惰化濃度或設計滅火濃度分別選8%和5% ，滅火劑用量下式進行計算。

(1)

式中：為防護區(qū)設計用量，kg；為為滅火劑的質量分數(shù)，%；為防護區(qū)凈容積；為防護區(qū)最低溫度下氣體滅火劑蒸氣比容，m/kg。

由式(1)計算得到防護區(qū)滅火劑滅火或抑爆的設計用量見表1。

表1 滅火抑爆裝置參數(shù)設計

根據(jù)滅火劑設計用量，計算確定鋼瓶的數(shù)量，計算時應充分考慮安全裕量。此外，當被防護區(qū)域的可靠性要求較高時，可按1主1備進行配置，緊急情況下當某一滅火抑爆瓶出現(xiàn)故障時，另一備份瓶作為自動增援使用。

2.3 開啟時間及強度校核

點火器通電啟爆可在電爆腔內瞬間產(chǎn)生10～18 MPa的高壓，根據(jù)瓶頭閥的結構構造及工作機理可知，活塞為爆壓沖擊的直接承壓元件，其強度決定了瓶頭閥能否安全可靠的開啟，因此需通過有限元軟件對其在18 MPa壓力下的強度進行校核。如圖2所示，活塞最大應力約為60 MPa，常用鋼制桿件均能滿足該強度要求，因此材料選用馬氏體不銹鋼并進行調質處理。

圖2 活塞應力云圖

根據(jù)點火器技術說明書，其啟爆時間約為5 ms，活塞有效行程為12 mm，活塞端部直徑取18 mm，根據(jù)計算得知點火器啟爆及瓶頭閥的開啟時間合計約為16 ms。

2.4 鋼瓶設計參數(shù)分析

將快速滅火抑爆裝置的響應時間指標進行初步分解，瓶頭閥開啟后，滅火劑從鋼瓶內全部噴出的時間應<100 ms，裝置釋放口處需滿足下式。

(2)

式中：為滅火劑質量；為滅火劑密度；為釋放口滅火劑釋放速度；為釋放口尺寸；為釋放時間。

釋放過程還滿足質量守恒：

(3)

式中：為劑瓶內滅火劑下降速度；為滅火劑瓶內徑。

忽略重力的影響，由伯努利方程可知

(4)

式中：抑滅火劑瓶內壓力；滅火劑瓶是釋放口處壓力。

聯(lián)立式(2)(3)(4)，代入相關參數(shù)可得瓶口理論尺寸，安全系數(shù)取1.2，由此計算出釋放口的最終尺寸。

2.5 滅火劑釋放時間計算

依據(jù)前述鋼瓶設計參數(shù)分析，對滅火劑釋放時間進行校核計算，得出在不同鋼瓶內徑及充裝壓力時的釋放時間見表2。

表2 滅火劑理論釋放時間

由表2可以看出，瓶內直徑對釋放時間和釋放速度幾乎沒有影響，綜合考慮滅火劑瓶在艙室中占用空間的，最終選取300 mm內徑的無縫鋼瓶；釋放口直徑為48 mm，釋放口壓力為0.1 MPa，瓶內壓力在2.1～4.2 MPa范圍內時，理論釋放時間在78～110 ms之間。

若滅火劑有效釋放按照瓶內剩余量小于5%來計算，當噴口直徑為48 mm時，有效釋放時間約為78 ms；此外，點火器啟爆及瓶頭閥開啟時間共需要16 ms。因此，研制的快速滅火抑爆裝置的理論動作時間約為94 ms。

3 試驗驗證及結果分析

通過搭建試驗工裝，對研制的快速滅火抑爆裝置的開啟可靠性、響應快速性及計算準確性等進行驗證。

3.1 試驗方案

鑒于點火器、滅火劑成本高昂，且對環(huán)境有破壞作用，綜合考慮經(jīng)濟性及環(huán)境影響，驗證試驗分兩個階段進行：前期可靠性驗證試驗用高壓氣動開啟取代點火器電爆開啟，用自來水取代滅火劑進行充裝，可靠性驗證充分后再真實填充滅火劑并用點火器啟爆進行滅火試驗。

3.2 開啟可靠性試驗驗證

將快速滅火抑爆裝置樣機組裝完畢，按照設定滅火劑劑量同等充裝體積在鋼瓶內充裝自來水，并加壓至4.2 MPa，點火器連接口通過氣動軟管與高壓氣瓶連接，氣瓶壓力取點火器啟爆壓力的下限值12 MPa。試驗50次，觀察每次試驗后快速滅火抑爆裝置的開啟情況，每連續(xù)試驗10次后對活塞、閥芯等零件的尺寸及配合狀態(tài)進行檢查。

3.3 滅火試驗及時間檢測

按照實際艙室搭建一個約60 m的相對封閉空間，并打開一扇門用于換氣、排煙及攝影，在底部中心區(qū)域放置一個火盆，在快速滅火抑爆裝置內充裝設定劑量滅火劑，用氮氣加壓至4.2 MPa，將其倒置固定在側壁上，并用高速攝像機進行全程拍攝。將點火器及壓力開關與模擬電控系統(tǒng)連接，當火盆內正庚烷充分燃燒后，電控系統(tǒng)發(fā)出啟動指令將點火器引爆，用示波器測量啟動指令發(fā)出至壓力開關信號反饋之間的時間間隔。連續(xù)試驗3次，觀察并記錄快速滅火抑爆裝置的動作時間及滅火效果。

3.4 試驗結果

開啟可靠性試驗中，采用自來水代替滅火劑并采用高壓氣動開啟方案，連續(xù)試驗50次，均能成功開啟。每連續(xù)進行10次試驗后，對活塞、閥芯進行尺寸及配合狀態(tài)檢查，試驗場景見圖3，試驗結果見表3。

表3 開啟可靠性試驗結果

圖3 開啟可靠性試驗現(xiàn)場

連續(xù)進行3次滅火試驗，快速滅火抑爆裝置均能可靠開啟，啟動信號發(fā)出50 ms后滅火劑將火盆熄滅且不復燃，從電控系統(tǒng)發(fā)出啟動指令至壓力開關信號反饋之間的最大時間間隔為152 ms。滅火試驗場景及效果見圖4，試驗結果見表4。

表4 滅火試驗及時間記錄

圖4 滅火試驗現(xiàn)場及不同時刻場景

4 結論

1)快速滅火抑爆裝置利用電爆管驅動、高壓氣瓶充裝惰性氣體及氣瓶倒置模式等方法實現(xiàn)該裝置的快速開啟、安全貯存及可靠密封。

2)通過對快速滅火抑爆裝置的開啟時間、鋼瓶直徑、瓶口尺寸及充裝壓力等參數(shù)計算及分析，證明該裝置可以在百毫秒級內實現(xiàn)快速開啟、藥劑釋放、藥劑汽化。

3)經(jīng)過試驗表明，該快速滅火抑爆裝置應用到艦船上，能夠滿足小型密閉艙室內的快速滅火抑爆需求，并能多次循環(huán)使用。

4)其結構設計、參數(shù)分析及計算方法可供類似小型密閉場所內消防處置裝置的設計參考。