船舶結構防火是船舶設計中一個非常重要的組成部分，船舶內部需按一定的要求用耐火分隔加以劃分，以便在發生火情時有足夠的時間探清火源，撲滅初始火災，至少將其限制在一定空間內，使人員能安全撤離到救生艇筏的登乘地點。對于艙室構造復雜，船上人員較多的船舶，防火分隔設計顯得尤為重要。
本文將針對《國際海上人命安全公約》（SOLAS）、MIL-STD-3020《水面艦艇的防火》等船舶結構防火等級技術標準進行初步的介紹與分析。
1、國際海上人命安全公約（SOLAS）
《國際海上人命安全公約》（SOLAS）是各締約國政府共同制訂的統一原則和有關規則，旨在增進海上人命安全。在1974年SOLAS公約的基礎上，一系列SOLAS修正案分別于1988年、1995年、2009年、2015年等生效，國際海事組織（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《構造-防火、探火和滅火》C部分“火災的抑制”中對船舶耐熱和結構性分隔、結構完整性做出了規定。
1.1、耐火分隔等級
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構形式建立起來的艙壁或甲板。SOLAS第II-2章[1]明確規定了船舶應通過建立不同等級的耐火分隔達到船舶結構防火的目的。
SOLAS規定了“A”級分隔、“B”級分隔與“C”級分隔，防火要求依次降低：
- “A”級分隔系指由符合表1-1中衡準的艙壁與甲板所組成的分隔；
- “B”級分隔系指由符合表1中衡準的艙壁、甲板、天花板或襯板所組成的分隔；
- “C”級分隔系指用認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，既不燃燒，也不發出足以造成自燃的易燃蒸氣，根據《耐火程序試驗規則》[2]確定。
表1-1 SOLAS耐火分隔等級衡準
1.2、標準耐火試驗
A級和B級分隔的耐火完整性需經標準耐火試驗確認。標準耐火試驗，指將需要試驗的艙壁或甲板的試樣置于試驗爐內，加溫到大致相當于標準時間-溫度曲線（圖1-1）的一種試驗。試驗按照《IMO FTPC Part 3:A、B和F級分隔的耐火試驗》[2]規定的方法進行。該試驗方法是基于ISO 834[3]方法建立的，試驗爐及試驗程序均與ISO 834類似。用于測量爐溫的熱電偶應均勻地分布，以便能可靠地顯示出試樣周圍的平均溫度，試驗開始時測量接點應在距試樣表面100mm處，并在試驗中始終與之保持50mm～150mm的距離。
圖1-1：（1）標準時間-溫度曲線（2）幾個典型時間點的平均溫度
標準耐火試驗的采用的標準時間-溫度曲線與ISO 834的升溫曲線相同，由下式定義標準時間-溫度曲線： T=345log10(8t+1)+20 式中：T—平均爐溫，℃；t—時間，min。 試驗開始10min后的任何時間里，由任何一個熱電偶測得的爐溫與標準時間-溫度曲線所對應的標準爐溫不能偏差超過±100℃。
1.3、處所劃分與對應的耐火完整性要求
對于各類船舶，都應在考慮了各處所的失火危險的基礎上，通過耐熱和結構性分隔劃分。通過耐熱和結構性限界面將船舶分隔成若干區，限界面的隔熱應充分考慮到處所及其相鄰處所的火災危險，并且在開口和貫穿件處應保持分隔的耐火完整性。
國內外民用或軍貿船舶根據SOLAS公約和相關船級社規范要求開展船舶的防火設計，耐火分隔的防火等級一般需滿足A級或B級耐火。針對載客超過36人的客船，其船體、上層建筑和甲板室應以“A–60”級分隔分為若干主豎區。針對載客不超過36人的客船，在其起居處所和服務處所的船體、上層建筑及甲板室應以“A”級分隔分為若干主豎區。
對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節中按失火危險程度將載客超過36人的客船劃分出了14類處所（見表1-2），以確定相鄰處所限界面所適用的相應耐火完整性要求，并將要求匯總在SOLAS表9.1、9.2中。針對載客不超過36人的船舶，則劃分出了11類處所（見表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類機器處所之間的艙壁、耐火完整性要求為A-60級耐火，即該類艙壁經過1 h的標準耐火試驗，其背火一面的平均溫度較初始溫度升高不超過140℃，且在包括任何接頭在內的任何一點的溫度較初始溫度升高不超過180℃，從試驗開始至結束時能防止煙及火焰通過。
表1-2 客船處所列表
針對貨船，在起居處所和服務處所內以不燃的“B”級或“C”級分隔作內部分隔艙壁，起居處所內要求為“B”級分隔的艙壁，應由甲板延伸至甲板，并延伸至船殼和其他限界面。
對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耐火完整性標準，這種處所按其失火危險程度分為11類（見表1-3），所有艙壁和甲板的最低耐火完整性還應符合SOLAS表9.5和9.6的規定。對于液貨船，為了確定相鄰處所限界面所適用的相應耐火完整性標準，這種處所按其失火危險程度分為10類（見表1-3），所有艙壁和甲板的最低耐火完整性應符合SOLAS表9.7和9.8的規定。
例如，查閱SOLAS表9.7可知對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級耐火，即該類甲板經過30min的標準耐火試驗，其背火一面的平均溫度較初始溫度升高不超過140℃，且在包括任何接頭在內的任何一點的溫度較初始溫度升高不超過180℃，從試驗開始至結束時能防止煙及火焰通過。
表1-3 除液貨船以外的貨船處所列表
另外，SOLAS對耐火分隔上的貫穿及防止熱傳遞，耐火分隔上開口的保護，機器處所限界面上開口的保護，貨物處所限界面的保護，通風系統也做出了詳細的規定。
2、MIL-STD-3020水面艦艇的防火
2.1、N級耐火分隔
美國依據MIL-STD-3020《水面艦艇的防火Fire Resistance of US Naval Surface Ships》[4]的要求開展鋼制艦船的防火設計要求。MIL-STD-3020規定了N級耐火分隔，與A級耐火分隔類似，關鍵區別在于N級耐火分隔試驗要求采用快速升溫的UL-1709標準[5]作為燃燒試驗的升溫條件，同時要求在試驗前增加沖擊試驗，以確保耐火分隔結構的防火性能在戰斗環境中不會降低。
N級耐火分隔要求由符合下列要求的艙壁和甲板組成： （1) 應以鋼或其它等效的材料制造, 包括應用于上層建筑的復合材料； （2) 應有適當的防撓加強； （3) 構造應可在耐火試驗時間內防止煙及火焰的通過； （4) 應是經認可的隔熱不燃材料, 使其在規定時間內背火面的平均溫度較原始溫度升高不超過149℃（250℉）, 且包括任何接頭在內的任一點溫度較原始溫度升高不超過181℃（325℉）。
N級耐火分隔具體分為N-60級、N-30級與N-0級，需要分別進行60 min、30 min、30 min的耐火燃燒試驗，并分別在試驗開始后的60 min、30 min、0 min內滿足背面溫升要求。其中，N-0級耐火沒有背面升溫要求，但要求至少在30min的耐火試驗條件下, 背面沒有火焰竄過。
針對復合材料結構，除了滿足N級耐火的要求外，復合材料背火側的平均溫度在任何時候都不得超過復合材料的臨界溫度[6]，因為此時結構性能會迅速下降。應在耐火試驗程序中提供撓度計的位置，在測試中，撓度測量值應被記錄并包含在測試報告中。
2.2、采用UL1709升溫曲線的N級耐火試驗
N級耐火試驗前需要根據MIL-S-901[7]標準進行沖擊試驗，在在錘重不低于3357 kg 的沖擊試驗下, 要求絕熱層的結構保持完整并且不影響耐火效果。
N級耐火分隔試驗燃燒試驗采用快速升溫的UL-1709標準作為升溫條件，即采用了碳氫類燃燒升溫曲線（見圖2-1）。
UL1709-2017標準規定：在試驗的頭5分鐘內爐內，最低平均總熱通量為188kW/m2；在測試開始5分鐘后，直到試驗結束，爐內總熱通量為204±16kW/m2，爐內多個熱電偶的平均溫度應控制在2000±100℉(1093±56℃) ，單個溫度控制在2000±200℉(1093±111℃)。試驗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標準時間-溫度曲線相比較，UL1709升溫曲線在試驗開始5分鐘內的升溫速度快一倍、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對構件耐火性能要求更加嚴格。
2.3、AN級耐火分隔
MIL-STD-3020還規定了AN級耐火分隔。AN 級耐火分隔是由艙壁和甲板形成的分隔，其設計要求在按照 MIL-S-901進行沖擊試驗后，在暴露于符合標準時間-溫度曲線的火災條件中時，保持結構完整性并防止火焰或熱氣通過。對于所有AN級分隔，包括具有貫穿件的分隔，耐火試驗持續時間至少為 60分鐘。AN級耐火分隔具體分為AN-60級、AN-30級與AN-0級，需要分別在60min的耐火試驗中防止火焰和熱氣通過，并分別在試驗開始后的60 min、30 min、0 min內滿足背面溫升要求。
AN級耐火分隔類似于國際海事組織 (IMO) SOLAS規定的A級耐火分隔，但結合了海軍沖擊測試的要求。在不存在易燃液體火災危險且未消耗的導彈燃料不被視為威脅的有限情況下，AN級耐火分隔為普通可燃物提供耐火分隔。在這種情況下，結合沖擊測試要求，認為滿足標準時間-溫度曲線的緩慢上升的燃燒試驗條件是足夠的。
3、小結
我國民船結構防火設計以滿足中國船級社所制定的船舶入級規范中相關的防火要求為主，對于軍用艦船的防火設計，則主要依據國軍標體系中的GJB 4000-2000以及GJB 868A-2011等標準規定的A級耐火分隔要求開展設計。所述標準規范均是基于SOLAS、國際耐火試驗程序應用規則制定的，且制定更新的時間較早。
對比分析國內外防火等級技術標準，尤其是軍用艦船的防火等級劃分方面，筆者認為我國需大力推進國內相關標準規范的更新與完善，以便為船舶結構防火設計工作提供更為全面、可靠的指導。
參考文獻： [1] 國際海事組織國際海上人命安全公約International convention for the safety of life at sea綜合文本，[S]，2009 [2] 2010年國際耐火試驗程序應用規則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]
