船舶結(jié)構(gòu)防火是船舶設(shè)計(jì)中一個(gè)非常重要的組成部分，船舶內(nèi)部需按一定的要求用耐火分隔加以劃分，以便在發(fā)生火情時(shí)有足夠的時(shí)間探清火源，撲滅初始火災(zāi)，至少將其限制在一定空間內(nèi)，使人員能安全撤離到救生艇筏的登乘地點(diǎn)。對(duì)于艙室構(gòu)造復(fù)雜，船上人員較多的船舶，防火分隔設(shè)計(jì)顯得尤為重要。
本文將針對(duì)《國(guó)際海上人命安全公約》（SOLAS）、MIL-STD-3020《水面艦艇的防火》等船舶結(jié)構(gòu)防火等級(jí)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行初步的介紹與分析。
1、國(guó)際海上人命安全公約（SOLAS）
《國(guó)際海上人命安全公約》（SOLAS）是各締約國(guó)政府共同制訂的統(tǒng)一原則和有關(guān)規(guī)則，旨在增進(jìn)海上人命安全。在1974年SOLAS公約的基礎(chǔ)上，一系列SOLAS修正案分別于1988年、1995年、2009年、2015年等生效，國(guó)際海事組織（IMO）相繼出版了SOLAS1986年綜合文本、SOLAS1992年綜合文本、SOLAS1997年綜合文本、SOLAS2001年綜合文本、SOLAS2004年綜合文本、SOLAS2009年綜合文本以及SOLAS2014年綜合文本。
SOLAS第II-2章《構(gòu)造-防火、探火和滅火》C部分“火災(zāi)的抑制”中對(duì)船舶耐熱和結(jié)構(gòu)性分隔、結(jié)構(gòu)完整性做出了規(guī)定。
1.1、耐火分隔等級(jí)
耐火分隔是指由鋼或其他等效材料和/或不燃材料按一定結(jié)構(gòu)形式建立起來(lái)的艙壁或甲板。SOLAS第II-2章[1]明確規(guī)定了船舶應(yīng)通過(guò)建立不同等級(jí)的耐火分隔達(dá)到船舶結(jié)構(gòu)防火的目的。
SOLAS規(guī)定了“A”級(jí)分隔、“B”級(jí)分隔與“C”級(jí)分隔，防火要求依次降低：
- “A”級(jí)分隔系指由符合表1-1中衡準(zhǔn)的艙壁與甲板所組成的分隔；
- “B”級(jí)分隔系指由符合表1中衡準(zhǔn)的艙壁、甲板、天花板或襯板所組成的分隔；
- “C”級(jí)分隔系指用認(rèn)可的不燃材料制成的分隔。
不燃材料系指某種材料加熱至約750℃時(shí)，既不燃燒，也不發(fā)出足以造成自燃的易燃蒸氣，根據(jù)《耐火程序試驗(yàn)規(guī)則》[2]確定。
表1-1 SOLAS耐火分隔等級(jí)衡準(zhǔn)
1.2、標(biāo)準(zhǔn)耐火試驗(yàn)
A級(jí)和B級(jí)分隔的耐火完整性需經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)耐火試驗(yàn)確認(rèn)。標(biāo)準(zhǔn)耐火試驗(yàn)，指將需要試驗(yàn)的艙壁或甲板的試樣置于試驗(yàn)爐內(nèi)，加溫到大致相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間-溫度曲線（圖1-1）的一種試驗(yàn)。試驗(yàn)按照《IMO FTPC Part 3:A、B和F級(jí)分隔的耐火試驗(yàn)》[2]規(guī)定的方法進(jìn)行。該試驗(yàn)方法是基于ISO 834[3]方法建立的，試驗(yàn)爐及試驗(yàn)程序均與ISO 834類似。用于測(cè)量爐溫的熱電偶應(yīng)均勻地分布，以便能可靠地顯示出試樣周圍的平均溫度，試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)測(cè)量接點(diǎn)應(yīng)在距試樣表面100mm處，并在試驗(yàn)中始終與之保持50mm～150mm的距離。
圖1-1：（1）標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間-溫度曲線（2）幾個(gè)典型時(shí)間點(diǎn)的平均溫度
標(biāo)準(zhǔn)耐火試驗(yàn)的采用的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間-溫度曲線與ISO 834的升溫曲線相同，由下式定義標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間-溫度曲線： T=345log10(8t+1)+20 式中：T—平均爐溫，℃；t—時(shí)間，min。 試驗(yàn)開(kāi)始10min后的任何時(shí)間里，由任何一個(gè)熱電偶測(cè)得的爐溫與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間-溫度曲線所對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)爐溫不能偏差超過(guò)±100℃。
1.3、處所劃分與對(duì)應(yīng)的耐火完整性要求
對(duì)于各類船舶，都應(yīng)在考慮了各處所的失火危險(xiǎn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)耐熱和結(jié)構(gòu)性分隔劃分。通過(guò)耐熱和結(jié)構(gòu)性限界面將船舶分隔成若干區(qū)，限界面的隔熱應(yīng)充分考慮到處所及其相鄰處所的火災(zāi)危險(xiǎn)，并且在開(kāi)口和貫穿件處應(yīng)保持分隔的耐火完整性。
國(guó)內(nèi)外民用或軍貿(mào)船舶根據(jù)SOLAS公約和相關(guān)船級(jí)社規(guī)范要求開(kāi)展船舶的防火設(shè)計(jì)，耐火分隔的防火等級(jí)一般需滿足A級(jí)或B級(jí)耐火。針對(duì)載客超過(guò)36人的客船，其船體、上層建筑和甲板室應(yīng)以“A–60”級(jí)分隔分為若干主豎區(qū)。針對(duì)載客不超過(guò)36人的客船，在其起居處所和服務(wù)處所的船體、上層建筑及甲板室應(yīng)以“A”級(jí)分隔分為若干主豎區(qū)。
對(duì)于客船船舶艙壁和甲板的耐火完整性，SOLAS第II-2章9.2.3.3節(jié)中按失火危險(xiǎn)程度將載客超過(guò)36人的客船劃分出了14類處所（見(jiàn)表1-2），以確定相鄰處所限界面所適用的相應(yīng)耐火完整性要求，并將要求匯總在SOLAS表9.1、9.2中。針對(duì)載客不超過(guò)36人的船舶，則劃分出了11類處所（見(jiàn)表1-2），SOLAS表9.3、9.4中列出了相鄰處所限界面所適用的相應(yīng)耐火完整性要求。
例如，查閱SOLAS表9.3可知控制站與相鄰A類機(jī)器處所之間的艙壁、耐火完整性要求為A-60級(jí)耐火，即該類艙壁經(jīng)過(guò)1 h的標(biāo)準(zhǔn)耐火試驗(yàn)，其背火一面的平均溫度較初始溫度升高不超過(guò)140℃，且在包括任何接頭在內(nèi)的任何一點(diǎn)的溫度較初始溫度升高不超過(guò)180℃，從試驗(yàn)開(kāi)始至結(jié)束時(shí)能防止煙及火焰通過(guò)。
表1-2 客船處所列表
針對(duì)貨船，在起居處所和服務(wù)處所內(nèi)以不燃的“B”級(jí)或“C”級(jí)分隔作內(nèi)部分隔艙壁，起居處所內(nèi)要求為“B”級(jí)分隔的艙壁，應(yīng)由甲板延伸至甲板，并延伸至船殼和其他限界面。
對(duì)于除液貨船以外的貨船，為確定相鄰處所之間分隔所適用的相應(yīng)耐火完整性標(biāo)準(zhǔn)，這種處所按其失火危險(xiǎn)程度分為11類（見(jiàn)表1-3），所有艙壁和甲板的最低耐火完整性還應(yīng)符合SOLAS表9.5和9.6的規(guī)定。對(duì)于液貨船，為了確定相鄰處所限界面所適用的相應(yīng)耐火完整性標(biāo)準(zhǔn)，這種處所按其失火危險(xiǎn)程度分為10類（見(jiàn)表1-3），所有艙壁和甲板的最低耐火完整性應(yīng)符合SOLAS表9.7和9.8的規(guī)定。
例如，查閱SOLAS表9.7可知對(duì)于甲板下處所為滾裝和車輛處所、甲板上處所為走廊的分隔甲板，其耐火完整性要求為A-30級(jí)耐火，即該類甲板經(jīng)過(guò)30min的標(biāo)準(zhǔn)耐火試驗(yàn)，其背火一面的平均溫度較初始溫度升高不超過(guò)140℃，且在包括任何接頭在內(nèi)的任何一點(diǎn)的溫度較初始溫度升高不超過(guò)180℃，從試驗(yàn)開(kāi)始至結(jié)束時(shí)能防止煙及火焰通過(guò)。
表1-3 除液貨船以外的貨船處所列表
另外，SOLAS對(duì)耐火分隔上的貫穿及防止熱傳遞，耐火分隔上開(kāi)口的保護(hù)，機(jī)器處所限界面上開(kāi)口的保護(hù)，貨物處所限界面的保護(hù)，通風(fēng)系統(tǒng)也做出了詳細(xì)的規(guī)定。
2、MIL-STD-3020水面艦艇的防火
2.1、N級(jí)耐火分隔
美國(guó)依據(jù)MIL-STD-3020《水面艦艇的防火Fire Resistance of US Naval Surface Ships》[4]的要求開(kāi)展鋼制艦船的防火設(shè)計(jì)要求。MIL-STD-3020規(guī)定了N級(jí)耐火分隔，與A級(jí)耐火分隔類似，關(guān)鍵區(qū)別在于N級(jí)耐火分隔試驗(yàn)要求采用快速升溫的UL-1709標(biāo)準(zhǔn)[5]作為燃燒試驗(yàn)的升溫條件，同時(shí)要求在試驗(yàn)前增加沖擊試驗(yàn)，以確保耐火分隔結(jié)構(gòu)的防火性能在戰(zhàn)斗環(huán)境中不會(huì)降低。
N級(jí)耐火分隔要求由符合下列要求的艙壁和甲板組成： （1) 應(yīng)以鋼或其它等效的材料制造, 包括應(yīng)用于上層建筑的復(fù)合材料； （2) 應(yīng)有適當(dāng)?shù)姆罁霞訌?qiáng)； （3) 構(gòu)造應(yīng)可在耐火試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)防止煙及火焰的通過(guò)； （4) 應(yīng)是經(jīng)認(rèn)可的隔熱不燃材料, 使其在規(guī)定時(shí)間內(nèi)背火面的平均溫度較原始溫度升高不超過(guò)149℃（250℉）, 且包括任何接頭在內(nèi)的任一點(diǎn)溫度較原始溫度升高不超過(guò)181℃（325℉）。
N級(jí)耐火分隔具體分為N-60級(jí)、N-30級(jí)與N-0級(jí)，需要分別進(jìn)行60 min、30 min、30 min的耐火燃燒試驗(yàn)，并分別在試驗(yàn)開(kāi)始后的60 min、30 min、0 min內(nèi)滿足背面溫升要求。其中，N-0級(jí)耐火沒(méi)有背面升溫要求，但要求至少在30min的耐火試驗(yàn)條件下, 背面沒(méi)有火焰竄過(guò)。
針對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，除了滿足N級(jí)耐火的要求外，復(fù)合材料背火側(cè)的平均溫度在任何時(shí)候都不得超過(guò)復(fù)合材料的臨界溫度[6]，因?yàn)榇藭r(shí)結(jié)構(gòu)性能會(huì)迅速下降。應(yīng)在耐火試驗(yàn)程序中提供撓度計(jì)的位置，在測(cè)試中，撓度測(cè)量值應(yīng)被記錄并包含在測(cè)試報(bào)告中。
2.2、采用UL1709升溫曲線的N級(jí)耐火試驗(yàn)
N級(jí)耐火試驗(yàn)前需要根據(jù)MIL-S-901[7]標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，在在錘重不低于3357 kg 的沖擊試驗(yàn)下, 要求絕熱層的結(jié)構(gòu)保持完整并且不影響耐火效果。
N級(jí)耐火分隔試驗(yàn)燃燒試驗(yàn)采用快速升溫的UL-1709標(biāo)準(zhǔn)作為升溫條件，即采用了碳?xì)漕惾紵郎厍€（見(jiàn)圖2-1）。
UL1709-2017標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：在試驗(yàn)的頭5分鐘內(nèi)爐內(nèi)，最低平均總熱通量為188kW/m2；在測(cè)試開(kāi)始5分鐘后，直到試驗(yàn)結(jié)束，爐內(nèi)總熱通量為204±16kW/m2，爐內(nèi)多個(gè)熱電偶的平均溫度應(yīng)控制在2000±100℉(1093±56℃) ，單個(gè)溫度控制在2000±200℉(1093±111℃)。試驗(yàn)0至60分鐘的升溫情況如圖2-1中曲線所示。
圖2-1：UL1709升溫曲線
與ISO 834標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間-溫度曲線相比較，UL1709升溫曲線在試驗(yàn)開(kāi)始5分鐘內(nèi)的升溫速度快一倍、第30分鐘高出252℃、第60分鐘溫度高出148℃。采用UL1709升溫曲線的耐火分隔試驗(yàn)對(duì)構(gòu)件耐火性能要求更加嚴(yán)格。
2.3、AN級(jí)耐火分隔
MIL-STD-3020還規(guī)定了AN級(jí)耐火分隔。AN 級(jí)耐火分隔是由艙壁和甲板形成的分隔，其設(shè)計(jì)要求在按照 MIL-S-901進(jìn)行沖擊試驗(yàn)后，在暴露于符合標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間-溫度曲線的火災(zāi)條件中時(shí)，保持結(jié)構(gòu)完整性并防止火焰或熱氣通過(guò)。對(duì)于所有AN級(jí)分隔，包括具有貫穿件的分隔，耐火試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間至少為 60分鐘。AN級(jí)耐火分隔具體分為AN-60級(jí)、AN-30級(jí)與AN-0級(jí)，需要分別在60min的耐火試驗(yàn)中防止火焰和熱氣通過(guò)，并分別在試驗(yàn)開(kāi)始后的60 min、30 min、0 min內(nèi)滿足背面溫升要求。
AN級(jí)耐火分隔類似于國(guó)際海事組織 (IMO) SOLAS規(guī)定的A級(jí)耐火分隔，但結(jié)合了海軍沖擊測(cè)試的要求。在不存在易燃液體火災(zāi)危險(xiǎn)且未消耗的導(dǎo)彈燃料不被視為威脅的有限情況下，AN級(jí)耐火分隔為普通可燃物提供耐火分隔。在這種情況下，結(jié)合沖擊測(cè)試要求，認(rèn)為滿足標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間-溫度曲線的緩慢上升的燃燒試驗(yàn)條件是足夠的。
3、小結(jié)
我國(guó)民船結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)以滿足中國(guó)船級(jí)社所制定的船舶入級(jí)規(guī)范中相關(guān)的防火要求為主，對(duì)于軍用艦船的防火設(shè)計(jì)，則主要依據(jù)國(guó)軍標(biāo)體系中的GJB 4000-2000以及GJB 868A-2011等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的A級(jí)耐火分隔要求開(kāi)展設(shè)計(jì)。所述標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范均是基于SOLAS、國(guó)際耐火試驗(yàn)程序應(yīng)用規(guī)則制定的，且制定更新的時(shí)間較早。
對(duì)比分析國(guó)內(nèi)外防火等級(jí)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，尤其是軍用艦船的防火等級(jí)劃分方面，筆者認(rèn)為我國(guó)需大力推進(jìn)國(guó)內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的更新與完善，以便為船舶結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)工作提供更為全面、可靠的指導(dǎo)。
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