2022, Vol. 44
2. 上海中远海运重工有限公司, 上海 201913
2. COSCO Shipping Heavy Industry (Shanghai), Shanghai 201913, China
随着客船尺度的不断扩大和乘客人数不断增加，大型客船的安全问题日益突出。在远离陆地的海洋上，船舶一旦出现事故，其应急撤离和救援工作都将面临重大挑战。
国际海事组织（IMO）尝试通过新技术的应用和法规的完善来提高船舶设计建造标准，提升客船应对紧急情况的能力。国内对于大型邮轮的设计建造经验，停留在起步阶段，过往大型船舶的设计研究集中在大型货船或工程船舶上，对于“以人为本”的大型客船的设计研究，基本处于空白状态。
本文以安全返港中重点提及的火灾消防为主，探讨水消防系统在大型邮轮上的应用方式。
1 相关公约规范解读 1.1 安全返港SRtP为提高客船本身的生存能力，基于 “船舶自身是其最好的救生艇” 这一原则 [1] ，IMO在SOLAS中对客船明确提出了安全返港规范要求。根据规定，自2010年7月1日起，以及之后建造的，且船长大于120 m或者具有3个以上主竖区（main vertical fire zone, MVZ）的客船船舶[2]，均需符合安全返港的规范要求。
安全返港规范包含以下3层涵义：
安全返港指当客船发生事故界限（casualty threshold）范围内的火灾或进水事故时，船舶自身具备足够的能力到达最近的港口，以及具有保障船上人员的基本生活安全区域；
有序撤离指当客船因火灾事故超过事故界限，需要弃船时，相关系统应能保持运行至少3 h时间，以保证人员的安全撤离；
安全中心是指在客船上设置一个专门协调处理紧急情况的处所，且该处所可以与相关安全系统保持通信。
安全返港的规范内容，以目标性为导向的要求方式，造成可视显的途径方式繁多，细节方案的可选范围非常巨大。据不完全统计，一艘客船如果要满足安全返港的规范要求，其花费的成本可以占到总船价的10%以上。由此可以看出，安全返港在客船设计中的难度。
安全返港一般参见MSC.1/Circ.1369/Add.1通函-《客船发生火灾或者进水事故后系统能力评估的暂行解释性说明》进行设计指导。
1.1.1 安全返港公约关键定义1）主竖区（MVZ）
规范定义的主竖区，是为将火灾遏制在火源处所内而设置的A60级别的防火舱壁，通常是横贯船宽方向，与水密舱壁位置一致，将船体划分为长度和宽度都不大于48 m，且主竖区在任一层甲板的面积不超过1 600 m2的多个区域。规范认可所有的事故不超过此界限，并以此作为安全返港设计的基本界限。
2）事故界限（Casualty threshold）
事故界限在规范中有明确说明，主要以火源处有无固定灭火装置来进行判断。简单来说，有固定灭火装置，事故控制在本处所内；没有固定灭火装置，事故范围扩大至临近区域的A级边界。
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图 1 有固定式灭火系统保护 Fig. 1 With fixed firefighting protection |
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图 2 无固定式灭火系统保护 Fig. 2 Without fixed firefighting protection |
当火灾事故限于事故界限内，则船舶应满足安全返港要求；当火灾事故超出上述界限，且损失范围小于一个主竖区，则应满足有序撤离的相关要求；当损失范围超过一个主竖区，SOLAS没有相关要求。
事故需要考虑火灾或者进水2种情况，但不考虑火灾和进水事故同时发生。
3）要求的系统(Required system)
在安全返港情况下，规范要求必须的13个系统在没有被事故影响的区域可用；在有序撤离情况下，有6个系统在没有被事故影响的主竖区应能运行至少3 h，这两类主要系统中都包括水消防系统。
4）安全中心
安全中心一般选择驾驶室的一部分，或者与驾驶室相邻且可以直接进入驾驶室的单独处所，能在不转移值班员航行职责的情况下处理应急事件。消防系统的各类监测信息，需要在安区中心内显示或者操作。
1.1.2 安全返港规范存在的不足安全返港规范要求公约是基于“船舶自身是其最好的救生艇”这一原则，提高客船自身的生存能力，但其规范要求并没有无限提高船舶安全型，具有一定局限[4]。
1）限定范围的事故
安全返港规范要求的系统安全性设计只针对进水和火灾两类事故类型，如果发生规定场景以外的破损事故或者火灾事故，安全返港的规定将不再适用。
2）进水事故描述不明确
规范中II-2/21.3条款给出了火灾的事故界限，但是公约中对于进水事故的事故界限并没有给出具体的规定，没有设定具体的船舶破损场景或者稳性要求。通常惯例认舱壁甲板以下任意单一水密处所进水时，船舶应满足安全返港要求。当一个以上舱室进水时，则认为超出设计范畴，不做考虑。
3）SRtP里程未作明确
返回港口的里程取决于船舶的航线。对于跨大西洋的邮轮，返回最近陆地的距离达到1000 km，而跨太平洋的则在1450 km左右；而对班轮来说，总航程一半即为SRtP里程。对于很多营运路线不明的船舶，一般按照最大里程1500 km进行设计，但也因此造成设计的经济性较差。
4）超出事故界限的情况未作说明
对于超过事故界限的情况，未作出说明。惯例认为设计者无需考虑这类情况。
1.2 USPH由于岸基的供水接口基本上都是饮用水管网，需要为所有接至岸上饮用水系统的船用非饮用水系统连接口处安装减压型防回流装置RP assembly，防止交叉污染。
1.3 讨论由于规范在具体要求的明确性上不明朗，船舶系统设计的可选择性非常多元，而对于我国目前引进的大型豪华邮轮，甚至今后将会涉及的其他大型客船、客滚船等，都存在重大的研究价值。
2 消防总管系统设计要点 2.1 相关要求 2.1.1 SOLAS要求舱壁甲板以下任一水密处所进水后，消防总管系统需保持功能；火灾不超过事故界限时，消防总管系统需保持功能；火灾超过事故界限时，消防总管系统需在非事故主竖区保持功能3 h。
2.1.2 统一解释如何达到事故时保持系统可用，规范有相关统一解释[5]。
除载有易燃液体和经过（而非直接服务）受火灾事故影响的区域的那些钢制管道外，其他钢管只要有足够的厚度（substantial thickness）（参考ICLL 66 REG 22（3），及 IACS UI LL36 / Rev.2（b）段）或本身是A-60绝缘（根据resolution A.754（18）批准用于舱壁或甲板的A-60级绝缘），而被认为保持其功能。
2.2 系统配置说明 2.2.1 消防系统简介大型邮轮消防管路通常为湿式设计[6]。消防系统通常包含有规范要求数量的消防泵，维持系统压力的压力水柜，输送消防水的消防环网，分配处所的消防水集管，连接消防栓的消防水支管，以及连接消防水龙带的消防栓。根据规范要求，消防水系统必须配置有国际通岸接头，其位置需要确保能从码头上通过软管连接供应消防用水。
消防系统通常使用海水介质，一般从前、后的海水总管取水，部分消防泵较多的船舶，也会从位于海水总管较远处的主竖区中设立的海底门处取水。
消防系统通过压力水柜维持系统压力，通过检测压力水柜以及管网压力，自动启停保压泵的为系统补充损失的压力。当管网压力无法维持时，系统需自动启动主消防泵，来维持压力，此情况可能是出现了火灾事故，应此要求消防泵自动启动。如系统检测到主消防泵不可用，需要启动备用消防泵。
船用消防水系统通常也会为位于首尾部的系泊甲板设备提供雨淋系统，也是火灾保护的一种。一般通过手动控制方式来进行灭火操作。
2.2.2 消防系统SRtP要求消防系统要满足SRtP要求，需要从设备布置、管路布局、消防栓位置等方面考虑，消防泵的数量及位置，涉及到系统冗余量；管路的布局，影响到事故后系统完整性；消防栓的位置，关系到未受事故影响处所的消防保护。因此，完全满足SRtP要求的设计，需要从以上3个方面全盘考虑。
2.2.3 消防泵及压力水柜水消防系统通常配置有多台消防相关的水泵，按照规范要求，大型邮轮至少配置3台消防泵，且其所在位置的分布需要保证在任何一个舱室失火时，不会使所有消防泵失效。消防泵分布时需要考虑事故影响，避免单舱事故造成多台消防泵不可用，一般以机舱壁为界，前2后1，分别布置在不同的主竖区内。3台消防泵均需要在IAMCS中遥控控制，以及系统功能要求的自动启动功能，一般情况下，主消防泵不设置自动停止功能。
消防泵的排量需要按照规范要求进行计算，其排出压头需要保证最不利位置的消防栓出口压力不低于0.4 MPa。当然也不易过高，不能超过有效控制消防水带的压力。
消防压力水柜的的布置位置无特殊要求，可与其中一个消防泵同一处所，常规布局在靠近船首附近的主竖区。消防压力水柜的保压泵，无须冗余设计，一般配置1台保压泵即可，其备用冗余功能由主消防泵代替。
消防泵的电源系统，分别接入船上完全冗余的A/B电站[7]，并且接入应急电源系统，确保各种紧急状态下消防泵的可用。
2.2.4 消防管网消防管网为分布在全船的消防水管路，一般设计为总管、集管、支管的多层级管路系统。消防水总管的布局架构，涉及到消防管网的抗事故性，也就是会影响到消防水系统的可靠性。在考虑到船舶大小、规范要求的因素下，消防水总管一般有3种布局形式：“一” 字形，“C” 形，或者环行设计。对于大型邮轮而言，环路设计为系统提供良好压力稳定性和更高的安全可靠性，同时非常利于各集管和支管的布局连接，因此此种设计布局应用较多，特别是对于大型邮轮中甲板数较多的船舶，应用更加广泛，通过双环路甚至多环路结构，在考虑系统可靠性的同时也能兼顾布局的合理性。
消防总管比较重要，通常把主消防总管布置于水线以上，一般为0号甲板，也是通常情况下的舱壁甲板。由于船舶按照主竖区划分，消防系统作为贯穿全船的系统，为满足规范要求，在穿过主竖区隔离舱壁时，均须在两侧设置隔离阀，确保单一处所的事故可以通过隔离阀隔离，其他处所不受影响。另外隔离阀的开关状态信号需在安全中心显示，以便监测阀门开关状态，在操作时迅速作出判断。
另外根据SRtP要求，单一主竖区的事故，不能影响到其他处所，因此，需要结合消防水泵的位置分布，将部分主竖区内的消防总管，增加SRtP功能的连接管路，以确保SRtP功能。一般为了布置1根符合SRtP要求的Substantial thickness管材，跨越可能出现事故的导致其他区域失效的主竖区，来确保事故情况下消防总管依然连同，实现未受损区域的消防栓保持可用状态的要求[8]。
除消防总管需要设计SRtP管路连接外，也需要为事故主竖区未受影响的处所提供消防保障。通常情况下是布置具备SRtP能力的消防栓，通过连接至临近的主竖区，来保障此处的消防水供应。
除消防环网以及具备SRtP功能的消防栓支管外，其他管路禁止跨主竖区通行。每个主竖区内的消防管路，从消防环路总管上引出消防集管，输送至各层甲板，再从集管通过支管连接各个消防栓，也可就近从环管上开支管连接消防栓。
2.2.5 消防栓布局消防栓的布局需要根据所保护处所的功能来进行设计，不同类型的处所可选择覆盖范围不同的消防水带，从而进行消防栓的布置，原则是要求保障仅通过连接1节消防水带时至少2股水柱覆盖到达的任何处所。
在大型邮轮上，由于功能舱室多，结构复杂，以及为满足SRtP的功能需求，一般会将消防栓分为普通消防栓和具有SRtP功能的消防栓。
普通消防栓，即在通常情况下使用的消防栓，需要满足SOLAS基本要求，确保每个处所两股水柱覆盖保护。SRtP消防栓，即在SRtP情况下使用，消防栓本身并无特殊，只是其所连接的管材以及水源来源有要求，一般使用具备SRtP要求的Substantial thickness管材从相邻的主竖区主管上接入，消防栓的具体设计原则如图3所示。
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图 3 安全返港情况下消防栓功能 Fig. 3 Fire Hydrant function in SRtP condition |
另外，SRtP中要求的事故后系统可用，最终落脚点其实是消防栓处有消防水可用，应此需要如何判断消防栓可用，是设计时需要重点考虑和研究的。
3 设计实例 3.1 返港功能实现原理 3.1.1 消防主管路设计安全返港要求消防系统可用，需要确保每一个未被事故影响处所的消防栓可用，依然具备消防功能，保证船舶和人员安全。
消防系统SRtP设计时，按照从大区域到小区块的原则进行分析。首先考虑主竖区的概念，如何保证在失去一个主竖区的情况下，保证其他主竖区的系统可用。然后再分析每个独立的防火分隔空间，或者称之为防火处所。确保每个防火分隔空间在火灾不超过事故界限的情况下，依然能满足规范对于2股水柱触及的要求。
整个水消防系统，通过合理布置消防泵所在主竖区，以尽可能少的substantial thickness管材，实现了主消防环网的安全返港设计要求。图4为某大型邮轮消防系统简图 。
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图 4 某大型邮轮湿式水消防系统示意图 Fig. 4 Wet pipe fire main system on a luxury cruise ship |
可知，2台主消防泵分别位于主动力系统所在2号和3号主竖区，另外将消防压载泵布置在最首部的主竖区。在这种布置情况下，仅有2号主竖区失去，会影响到1号主竖区的消防功能。因此，系统在2号主竖区的一侧环管，冗余设计了一根具备SRtP功能的substantial thickness管材，确保2号主竖区失去的情况下，不影响1号主竖区，可满足有序撤离的要求。
其他主竖区失去，均可以使用另外的2台消防泵，确保消防系统功能完整。
3.1.2 消防栓布局通过适当布置具备SRtP功能的消防栓，弥补了部分空间消防栓因为火灾而失去功能造成的消防能力不足，覆盖可能出现的盲区，以保证系统可用。受影响的处所均可以通过相邻的主竖区中消防栓连接2根消防软管覆盖。
如果不满足以上要求，则需要为此区域设置一个满足SRtP功能的消防栓，其连接管线需选用fire resistant防火型棺材，即满足substantial thickness连接至相邻主竖区内的消防集管上，并设置常开隔离阀。如果以上设置的SRtP功能消防栓可能被事故影响，则需要按照相同原则设置第二处满足SRtP功能的消防栓。
3.2 有序撤离功能实现原理对于超过事故界限的情况，由电动消防泵供应的消防主系统，其泵(及其运行所必需的电气设备)的位置和布置应确保在所有不直接受事故影响的主要垂直区域都有运行能力。
由图4可看出，主消防泵A和B分别位于MVZ 02和MVZ 03，另外将消防泵C布置在6号主竖区。在这种布置情况下，仅有2号主竖区失去，会影响到1号主竖区的消防功能，因此，系统在2号主竖区的一侧环管，冗余设计了1根具备SRtP功能的substantial thickness管材，确保2号主竖区失去的情况下，不影响1号主竖区，可满足有序撤离的要求。
3.3 满足USPH要求实现原理USPH所要求主要针对消防水通岸接口站，由于船舶靠港或者其他情况需要连接岸基供水来保证消防水系统水源。然而岸基一般都是饮用水管网，因此需要设置防回流装置，防止船上消防系统管路中的海水返流至岸基的饮用水管网中。
一般在前后或者船中位置设置通岸接口，根据码头水深，在不同的甲板设置多个通岸接口，以适应不同的码头水况。
4 结 语安全返港要求下的消防系统设计原则，要求消防系统主动力水泵分散布置在不同的主竖区，并根据主竖区的数量来进行位置的分配，确保在一个主竖区损失的情况下，其他未受损主竖区的消防系统仍然可以使用。如果不能保证，则需要通过增加耐事故管线，来跨越受损的主竖区，连通需要保护的处所。而在受损主竖区内的未受损处所，需要通过设置专用的安全返港功能消防栓来进行保护，通常是从邻近的主竖区，通过耐事故管连接到需要保护的处所，以达到消防的目的。
通过对消防系统SRtP设计原则分析，也可以推测出SRtP设计原则大体归结为冗余设计和耐事故连接设计，以实现规范要求的事故后系统可用的能力。
冗余设计：通过设备、管路等主要部件的双倍布置，来实现系统功能在SRtP情况下的可用。
通常情况下，服务于主推进或者船用电站的相关系统，是按照整个系统完全冗余的设计思路进行布局，以满足SRtP要求。例如，服务于推进系统，或者船用电站的轮机系统，按照电力系统的A/B分区的设计理念，A/B区内部系统均能满足设备及系统运行的需要，实现A/B完全冗余的设计模式。
耐事故管线：通过增加系统部分关键部件的耐事故能力，比如加厚管材、耐火电缆等的应用，还实现事故状态下系统在其他区域依然保留功能的情况。
通常，服务于船舶的各类系统，例如舱底、压载、消防的全船系统，是通过设置各类耐事故线路，来抵御事故影响，从而实现安全返港或者有序撤离的要求。
| [1] |
IMO, Maritime Safety Committee. MSC 82/3/31-Comments on the criteria for safe return to port [R]. 2006.
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| [2] |
IMO. The international convention for the safety of life at sea, 1974[S]. 2014.
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| [3] |
CCS. 实施IMO安全返港和有序撤离要求指南[R]. 2019.
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| [4] |
董贻意. 客船安全返港规定的公约要求与影响分析[J]. 世界海运, 2019, 42(7): 21-24. |
| [5] |
MSC. 1/Circular. 1369/Add. 1 – Interim explanatory notes for the assessment of passenger ship systems' capabilities after a fire or flooding casualty [R]. 2012.
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| [6] |
宗明珍, 陈小虎, 黄信男. 满足安全返港要求的船舶管系设计研究[J]. 船舶设计通讯, 2016, (S2): 64-71.
|
| [7] |
许必丰, 沈洪. 满足安全返港要求的客滚船电气设计[J]. 广船科技, 2015, 35(4): 1-4. DOI:10.3969/j.issn.2095-4506.2015.04.001 |
| [8] |
王旭辉, 郭佳. 基于事故界限的客船安全返港能力评估分析方法[J]. 船舶, 2019, 30(2): 65-69. |