船舶结构防火等级技术标准初步分析

2021-8-25 17:37| 查看: 845| 评论: 0

船舶结构防火是船舶设计中一个非常重要的组成部分,船舶内部需按一定的要求用耐火分隔加以划分,以便在发生火情时有足够的时间探清火源,扑灭初始火灾,至少将其限制在一定空间内,使人员能安全撤离到救生艇筏的登乘地点。对于舱室构造复杂,船上人员较多的船舶,防火分隔设计显得尤为重要。

本文将针对《国际海上人命安全公约》(SOLAS)、MIL-STD-3020《水面舰艇的防火》等船舶结构防火等级技术标准进行初步的介绍与分析。

1、国际海上人命安全公约(SOLAS)

《国际海上人命安全公约》(SOLAS)是各缔约国政府共同制订的统一原则和有关规则,旨在增进海上人命安全。在1974年SOLAS公约的基础上,一系列SOLAS修正案分别于1988年、1995年、2009年、2015年等生效,国际海事组织(IMO)相继出版了SOLAS1986年综合文本、SOLAS1992年综合文本、SOLAS1997年综合文本、SOLAS2001年综合文本、SOLAS2004年综合文本、SOLAS2009年综合文本以及SOLAS2014年综合文本。

SOLAS第II-2章《构造-防火、探火和灭火》C部分“火灾的抑制”中对船舶耐热和结构性分隔、结构完整性做出了规定。

 1.1、耐火分隔等级

耐火分隔是指由钢或其他等效材料和/或不燃材料按一定结构形式建立起来的舱壁或甲板。SOLAS第II-2章[1]明确规定了船舶应通过建立不同等级的耐火分隔达到船舶结构防火的目的。

SOLAS规定了“A”级分隔、“B”级分隔与“C”级分隔,防火要求依次降低:
  • “A”级分隔系指由符合表1-1中衡准的舱壁与甲板所组成的分隔;
  •  “B”级分隔系指由符合表1中衡准的舱壁、甲板、天花板或衬板所组成的分隔;
  • “C”级分隔系指用认可的不燃材料制成的分隔。
不燃材料系指某种材料加热至约750℃时,既不燃烧,也不发出足以造成自燃的易燃蒸气,根据《耐火程序试验规则》[2]确定。

表1-1 SOLAS耐火分隔等级衡准

 1.2、标准耐火试验

A级和B级分隔的耐火完整性需经标准耐火试验确认。标准耐火试验,指将需要试验的舱壁或甲板的试样置于试验炉内,加温到大致相当于标准时间-温度曲线(图1-1)的一种试验。试验按照《IMO FTPC Part 3:A、B和F级分隔的耐火试验》[2]规定的方法进行。该试验方法是基于ISO 834[3]方法建立的,试验炉及试验程序均与ISO 834类似。用于测量炉温的热电偶应均匀地分布,以便能可靠地显示出试样周围的平均温度,试验开始时测量接点应在距试样表面100mm处,并在试验中始终与之保持50mm~150mm的距离。
图1-1:(1)标准时间-温度曲线(2)几个典型时间点的平均温度

标准耐火试验的采用的标准时间-温度曲线与ISO 834的升温曲线相同,由下式定义标准时间-温度曲线:
T=345log10(8t+1)+20
式中:T—平均炉温,℃;t—时间,min。
试验开始10min后的任何时间里,由任何一个热电偶测得的炉温与标准时间-温度曲线所对应的标准炉温不能偏差超过±100℃。
 
1.3、处所划分与对应的耐火完整性要求

对于各类船舶,都应在考虑了各处所的失火危险的基础上,通过耐热和结构性分隔划分。通过耐热和结构性限界面将船舶分隔成若干区,限界面的隔热应充分考虑到处所及其相邻处所的火灾危险,并且在开口和贯穿件处应保持分隔的耐火完整性。

国内外民用或军贸船舶根据SOLAS公约和相关船级社规范要求开展船舶的防火设计,耐火分隔的防火等级一般需满足A级或B级耐火。针对载客超过36人的客船,其船体、上层建筑和甲板室应以“A–60”级分隔分为若干主竖区。针对载客不超过36人的客船,在其起居处所和服务处所的船体、上层建筑及甲板室应以“A”级分隔分为若干主竖区。

对于客船船舶舱壁和甲板的耐火完整性,SOLAS第II-2章9.2.3.3节中按失火危险程度将载客超过36人的客船划分出了14类处所(见表1-2),以确定相邻处所限界面所适用的相应耐火完整性要求,并将要求汇总在SOLAS表9.1、9.2中。针对载客不超过36人的船舶,则划分出了11类处所(见表1-2),SOLAS表9.3、9.4中列出了相邻处所限界面所适用的相应耐火完整性要求。

例如,查阅SOLAS表9.3可知控制站与相邻A类机器处所之间的舱壁、耐火完整性要求为A-60级耐火,即该类舱壁经过1 h的标准耐火试验,其背火一面的平均温度较初始温度升高不超过140℃,且在包括任何接头在内的任何一点的温度较初始温度升高不超过180℃,从试验开始至结束时能防止烟及火焰通过。

表1-2 客船处所列表

针对货船,在起居处所和服务处所内以不燃的“B”级或“C”级分隔作内部分隔舱壁,起居处所内要求为“B”级分隔的舱壁,应由甲板延伸至甲板,并延伸至船壳和其他限界面。

对于除液货船以外的货船,为确定相邻处所之间分隔所适用的相应耐火完整性标准,这种处所按其失火危险程度分为11类(见表1-3),所有舱壁和甲板的最低耐火完整性还应符合SOLAS表9.5和9.6的规定。对于液货船,为了确定相邻处所限界面所适用的相应耐火完整性标准,这种处所按其失火危险程度分为10类(见表1-3),所有舱壁和甲板的最低耐火完整性应符合SOLAS表9.7和9.8的规定。

例如,查阅SOLAS表9.7可知对于甲板下处所为滚装和车辆处所、甲板上处所为走廊的分隔甲板,其耐火完整性要求为A-30级耐火,即该类甲板经过30min的标准耐火试验,其背火一面的平均温度较初始温度升高不超过140℃,且在包括任何接头在内的任何一点的温度较初始温度升高不超过180℃,从试验开始至结束时能防止烟及火焰通过。

表1-3 除液货船以外的货船处所列表

另外,SOLAS对耐火分隔上的贯穿及防止热传递,耐火分隔上开口的保护,机器处所限界面上开口的保护,货物处所限界面的保护,通风系统也做出了详细的规定。


2、MIL-STD-3020水面舰艇的防火

 2.1、N级耐火分隔

美国依据MIL-STD-3020《水面舰艇的防火Fire Resistance of US Naval Surface Ships》[4]的要求开展钢制舰船的防火设计要求。MIL-STD-3020规定了N级耐火分隔,与A级耐火分隔类似,关键区别在于N级耐火分隔试验要求采用快速升温的UL-1709标准[5]作为燃烧试验的升温条件,同时要求在试验前增加冲击试验,以确保耐火分隔结构的防火性能在战斗环境中不会降低。

N级耐火分隔要求由符合下列要求的舱壁和甲板组成:
(1) 应以钢或其它等效的材料制造, 包括应用于上层建筑的复合材料;
(2) 应有适当的防挠加强;
(3) 构造应可在耐火试验时间内防止烟及火焰的通过;
(4) 应是经认可的隔热不燃材料, 使其在规定时间内背火面的平均温度较原始温度升高不超过149℃(250℉), 且包括任何接头在内的任一点温度较原始温度升高不超过181℃(325℉)。

N级耐火分隔具体分为N-60级、N-30级与N-0级,需要分别进行60 min、30 min、30 min的耐火燃烧试验,并分别在试验开始后的60 min、30 min、0 min内满足背面温升要求。其中,N-0级耐火没有背面升温要求,但要求至少在30min的耐火试验条件下, 背面没有火焰窜过。

针对复合材料结构,除了满足N级耐火的要求外,复合材料背火侧的平均温度在任何时候都不得超过复合材料的临界温度[6],因为此时结构性能会迅速下降。应在耐火试验程序中提供挠度计的位置,在测试中,挠度测量值应被记录并包含在测试报告中。

 2.2、采用UL1709升温曲线的N级耐火试验

N级耐火试验前需要根据MIL-S-901[7]标准进行冲击试验,在在锤重不低于3357 kg 的冲击试验下, 要求绝热层的结构保持完整并且不影响耐火效果。

N级耐火分隔试验燃烧试验采用快速升温的UL-1709标准作为升温条件,即采用了碳氢类燃烧升温曲线(见图2-1)。

UL1709-2017标准规定:在试验的头5分钟内炉内,最低平均总热通量为188kW/m2;在测试开始5分钟后,直到试验结束,炉内总热通量为204±16kW/m2,炉内多个热电偶的平均温度应控制在2000±100℉(1093±56℃) ,单个温度控制在2000±200℉(1093±111℃)。试验0至60分钟的升温情况如图2-1中曲线所示。

图2-1:UL1709升温曲线

与ISO 834标准时间-温度曲线相比较,UL1709升温曲线在试验开始5分钟内的升温速度快一倍、第30分钟高出252℃、第60分钟温度高出148℃。采用UL1709升温曲线的耐火分隔试验对构件耐火性能要求更加严格。

 2.3、AN级耐火分隔

MIL-STD-3020还规定了AN级耐火分隔。AN 级耐火分隔是由舱壁和甲板形成的分隔,其设计要求在按照 MIL-S-901进行冲击试验后,在暴露于符合标准时间-温度曲线的火灾条件中时,保持结构完整性并防止火焰或热气通过。对于所有AN级分隔,包括具有贯穿件的分隔,耐火试验持续时间至少为 60分钟。AN级耐火分隔具体分为AN-60级、AN-30级与AN-0级,需要分别在60min的耐火试验中防止火焰和热气通过,并分别在试验开始后的60 min、30 min、0 min内满足背面温升要求。

AN级耐火分隔类似于国际海事组织 (IMO) SOLAS规定的A级耐火分隔,但结合了海军冲击测试的要求。在不存在易燃液体火灾危险且未消耗的导弹燃料不被视为威胁的有限情况下,AN级耐火分隔为普通可燃物提供耐火分隔。在这种情况下,结合冲击测试要求,认为满足标准时间-温度曲线的缓慢上升的燃烧试验条件是足够的。


3、小结

我国民船结构防火设计以满足中国船级社所制定的船舶入级规范中相关的防火要求为主,对于军用舰船的防火设计,则主要依据国军标体系中的GJB 4000-2000以及GJB 868A-2011等标准规定的A级耐火分隔要求开展设计。所述标准规范均是基于SOLAS、国际耐火试验程序应用规则制定的,且制定更新的时间较早。

对比分析国内外防火等级技术标准,尤其是军用舰船的防火等级划分方面,笔者认为我国需大力推进国内相关标准规范的更新与完善,以便为船舶结构防火设计工作提供更为全面、可靠的指导。



参考文献:
[1] 国际海事组织国际海上人命安全公约International convention for the safety of life at sea综合文本,[S],2009
[2] 2010年国际耐火试验程序应用规则IMO MSC.307(88),[S],2010
[3] ISO 834 Fire-resistance tests — Elements of building construction,[S]
[4] MIL-STD-3020,Fire Resistance of US Naval Surface Ships,[S],2007
[5] UL1709 – 2017, Rapid Rise Fire Tests of Protection Materials for Structural Steel,[S],2017
[6] NAVSEA DESIGN DATA SHEETS, DDS-078-1, Composite materials, surface ships, topside structural and other topside applications - fire performance requirements,[S],2004
[7] MIL-S-901, Shock tests, H.I. (High-impact) Shipboard machinery, equipment, and systems, requirements for,[S]



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