近几年,中国汽车工业得到了迅猛的发展,特别是乘用汽车工厂的建设更是争先恐后,但其产品和制造工艺大多是从发达国家引进,涂装作业作为汽车装配工厂最重要组成部分,其消防灭火设施设计基本上也是沿用发达国家的做法,至今,我国还没有建立起一套适合我国汽车涂装作业场所消防灭火的科学方法。纵观中国汽车工厂,涂装作业场所消防灭火设施的设计五花八门,如喷漆室就设有常规喷淋、雨淋、泡沫-雨淋、水喷雾、七氟丙烷、二氧化碳、高倍数泡沫、细水雾和SDE气体等多种灭火系统,这些灭火系统到底哪个最适合汽车涂装作业场所的特殊火灾环境?以下就规模最大、工艺最复杂的乘用车车身涂装作业场所消防灭火设施设计有关问题进行分析和探讨。

　　 汽车涂装作业是将涂料(流动或粉末)涂布于经过表面处理的汽车车身或部件的表面,经干燥成膜的工艺,其目的是保护、装饰、美观和识别汽车车身或部件,汽车涂装作业场所不同于一般机械工厂,也非完全的化学工厂,它是机械制造工厂最具火灾危险性工程。

　　 汽车涂装作业场所按功能区可分为前处理、电泳(底漆)、喷漆和烘干四大区域,按生产线流程大致可按如下考虑:工件→预脱脂→脱脂→表调→磷化→电泳→烘干→密封胶→中涂→烘干→面漆→晾置→烘干→存放→去装配。

　　 主要的生产工艺设备为脱脂槽、磷化槽、电泳槽、喷漆室(房)、烘干室及其自动运输设备,这些设备造价昂贵,年产30万辆乘用车的涂装工艺设备造价一般在5亿~10亿元。

　　 汽车涂装作业场所工艺复杂、设备众多、生产线和公用动力设施纵横交错,人行其中仿佛置身于钢铁森林之中。

　　 一般汽车涂装作业场所使用的涂料及其有机溶剂、稀释剂大多是易燃、易爆物品,涂装常用有机溶剂和涂料特性及用量见表1和表2。

　　 在汽车涂装作业中形成的漆雾、挥发性有机溶剂、固化烘干过程中排出的废气,在空气中达到一定浓度、遇明火甚至火花就会造成火灾和爆炸。尽管现代汽车涂装作业大多采用环保型水性漆(挥发性有机溶剂量为30~80g/m²)替代传统溶剂型油漆(挥发性有机溶剂量≥120g/m²),但水性漆喷涂工艺仍有较多易燃、易爆有机溶剂产生,火灾危险性依然存在。

　　 从工艺功能区环境温度来看,烘干区环境温度明显高于其他区域,由此温差效应产生的动力可以推动烘干室泄漏的易燃、易爆介质的流动和扩散。

　　 从空气动力方面来看,因不同工位风速、风压和洁净度要求不一样,从而产生的气压差效应同样可以加速喷漆室、烘干室等设备泄漏的易燃、易爆介质的扩散和火灾蔓延的速度。

　　 从工艺竖向布置来考虑,生产线贯穿各楼层,楼层板上洞口较多且大多无法关闭,由此可能产生的烟囱效应也可以加速易燃、易爆介质的扩散和火灾垂直上升速度。

　　 即使生产线处于停止状态,喷漆过后的设备、地面、地坑、地沟、风道或工件余留下来的漆渣等无不在缓慢挥发有机溶剂,这些易燃挥发性有机溶剂在排风系统关闭的情况下,容易停留聚集,一旦接触火源,会迅速燃烧,这就是涂装作业场所在非生产状态下时常发生火灾的原因。

　　 因此,涂装作业场所整个围护结构内都充满了火灾隐患,而不是只有喷漆、烘干等区域才存在局部火灾危险。

　　 汽车涂装作业工程的建设规模大多都在年产10万辆汽车以上,建筑面积一般都在3万~5万m²,建筑高度控制约24m,建筑层数大多为2~3层(某些楼层是通过大型工艺钢平台来实现)。

　　 受工艺的限制,涂装作业场所内设置防火分隔难度极大,有时,即使采用了防火分隔,也难免开口,而这种开口为满足生产运输链的通过根本无法关闭,其实,偌大个建筑物就是一个防火分区。

　　 依据《建筑设计防火规范》(GB 50016-2014)3.1.2条规定,建筑专业通常把涂装作业场所的生产类别定为丁、戊类,该规定的前提条件有2种:(1)丁、戊类厂房内的油漆工段所占建筑面积比例小于10%,且发生火灾时不足以蔓延到其他部位或火灾危险性较大部位采用有效的防火措施;(2)丁、戊类厂房内的油漆工段采用封闭喷漆工艺且保持负压,油漆工段设置可燃气体探测报警系统或自动抑爆系统,且油漆工段占所在防火分区建筑面积的比例不大于20%。《涂装作业安全规程喷漆室安全技术规定》(GB 14444-2006)中有关喷漆工段(喷漆区)范围定义如下:喷漆室或喷漆房内部及与其相连接的排风系统内部;喷漆流水线上封闭的内部空间;涂料直接喷到的其他地方;喷漆作业尚存在有危险量的易燃、可燃性蒸汽、漆雾等的区域,如与喷漆室相连的流平室及地沟、地坑等低洼区,应划入喷漆区范围。

　　 从以上喷漆区范围定义可知:为满足大规模生产和自动化生产需要,实际的汽车喷涂作业场所是不可能完全封闭的,也很难采用防火隔断阻止火灾蔓延。大多数情况下,为满足油漆的洁净度要求往往采用正压送风系统,喷漆室内易燃物质极易从围护结构的洞口、地沟、风道和缝隙泄漏到建筑物其他部位,扩大了火灾危险区域面积,也使建筑物的生产类别相应提高。山东青岛、广西柳州某涂装车间喷漆室发生火灾后,大火迅速蔓延到整个车间屋架上空,顷刻,整个钢屋架报废,类似火灾在全国汽车工厂曾发生多起,而每起火灾所造成的损失都是巨大的,相比而言,汽车生产企业真正丁、戊类厂房(如冲压、焊装和总装)几乎没有火灾发生案例,因此,建筑专业把涂装作业场所的生产类别定为丁、戊类本身就存在着风险或迫于汽车工艺所表现的无奈。

　　 另外,许多建筑设计根本就没有考虑工艺设备的阻挡和分隔,实际的疏散距离和疏散通道设置根本就达不到《建筑设计防火规范》(GB 50016-2014)的有关要求,因此,汽车涂装作业场所的人员安全疏散问题也增大了建筑火灾危险性。

　　 汽车涂装作业因使用可燃性涂料和易燃的溶剂是制造工程中火灾危险性最高的工程。根据表3、表4中涂装作业发生火灾的原因可归纳为以下几点:

　　 (1)由于氧化发热引起涂料渣自燃着火。

　　 (2)静电火花引起溶剂着火。

　　 (3)电器设备操作不当或故障引起的电火花。

　　 (4)维修作业中产生的电火花。

　　 (5)涂料渣沉积在运转部位,运转摩擦引起涂料渣着火。

　　 汽车涂装作业使用的涂料和有机溶剂大多为甲、乙类易燃液体,在实际生产过程中还产生易燃、易挥发的蒸气,火灾的危险性很大,一旦发生,会通过建筑空间、设备内部和风道等通道迅速蔓延到整个建筑物,灭火难度极大。密集的生产线和狭窄的、弯曲的通道使常规消火栓给水系统无用武之地。车间内许多高大设备、悬挂的风道、运输链以及钢平台的耐火极限都不足0.25h,随时都会威胁到消防人员的安全。在这种情况下,为了防止和减少汽车涂装作业场所火灾危害,保护人身和财产安全,汽车涂装作业场所的消防灭火设施的设计极为重要。

　　 工程设计时,建筑专业虽把汽车涂装作业场所生产火灾类别定义为丁、戊类,但通过上述火灾危险性分析,汽车涂装作业场所的喷漆区和烘干区实际具有甲、乙类生产火灾类别的特征,而且该区域所占建筑面积比例大于20%,再加上涂装作业场所复杂的工艺和密集的生产线使灭火难度加大、灭火延续时间增加。因此,笔者认为汽车涂装作业场所的室内、外消防用水量和灭火延续时间应按甲、乙类生产火灾危险性考虑,以确保汽车涂装作业场所实际消防用水量需要。

　　 汽车涂装作业场所具有与汽车工厂其他场所不同的特征:设备高大而且相互衔接就像一列列火车车皮,各“列”设备之间通道狭窄而且弯曲,其实许多设备是“房中房”结构,“房中房”的内部、上部、下部还有各种悬吊、输送链和管线通过。因此,除应按建筑设置的安全通道、楼梯等布置室内消火栓外,还要考虑工艺设备和装置的阻挡和分隔,在工艺设备的平台、通道、爬梯等部位也应增补室内消火栓,以满足同一平面有2支消防水枪的2股充实水柱同时到达任何部位的要求。

　　 消火栓的保护半径应按沿建筑安全疏散通道和设备外部通道所能行走的距离确定,消火栓的水枪倾角也要考虑设备和装置高度带来的视角影响,另外,汽车涂装作业场所这些高大设备、钢平台、悬吊、输送链等耐火极限大多低于0.25h,随时都可能威胁消防队员生命安全。笔者认为如何更好地设置室内消火栓给水系统对扑灭初期火灾以防止火灾蔓延意义重大,但消火栓非一般员工所能操纵,因此,汽车涂装作业场所设置消防卷盘或轻便水龙供车间员工扑灭初期火灾是十分必要的。

　　 汽车涂装作业场所具有明显的火灾危险性,因该场所工艺的特殊性使普通的消火栓给水系统不能在火灾延续时间内全过程的施展作用,因此设置自动灭火系统是汽车涂装作业场所自救灭火的主要措施。汽车涂装作业场所自动灭火系统按空间布局可分为建筑自动灭火系统和设备(房)内部局部自动灭火系统。

　　 所有自动灭火系统中,自动喷水灭火系统是当今世界上公认的最为有效的自救灭火设施,具有安全可靠、经济适应、灭火成功率高等优点,汽车涂装作业场所建筑面积大,各功能区无明显、有效的防火分隔,该场所除变、配电间外,其他部位均适宜用水保护或灭火,因此,涂装作业场所建筑内均应考虑设置自动喷水灭火系统。另外,设备的悬空底部、钢平台下、风道的底部、密集管群的下部、悬挂输送链护网的底部、喷漆区的送排风系统、喷漆房的无纺布上部这些部位往往具有较大的面积或宽度,火灾发生时阻挡了热气流的上升,使其上部的喷头不能及时地开启,会错过灭火最佳时间,因此,以上部位也应设置自动喷水灭火系统。

　　 有时,建筑专业设计为了限制火灾区域或满足环境空调要求,在前处理、电泳、喷漆、烘干四大区域之间以及涂装作业场所与焊接、装配场所之间设置防火墙,但为满足工艺运输通道或设备布置要求,防火墙上必须开设无法关闭的洞口(某些洞口位于设备内部),这些洞口(含设备内部)应考虑设置水幕隔断。

　　 涂装作业场所较多使用可燃涂料和易燃、易爆有机溶剂,尽管这些操作部位大多限定在较为封闭的有限空间如喷漆室(房)、调漆间、烘干室等,而且,这些设备(房)内部一般设有自动灭火系统,第一时间内火灾均在设备(房)内部被自动灭火系统扑灭,但这些易燃、易爆物质还会通过喷漆室(房)、烘干室等开口或地沟或风道等泄漏到建筑物其他部位。笔者认为,鉴于汽车涂装生产线的贵重和保护工作人员的安全,参照《自动喷水灭火系统设计规范》(GB50084-2001,2005年版)附录中有关火灾危险性举例,涂装作业场所的喷漆区和烘干区建筑空间火灾危险等级不应低于严重危险等级Ⅰ级,设备内部危险等级应按严重危险级Ⅱ级考虑,其他部位则按中危险等级考虑,符合火灾特征和安全可靠、经济适用的原则。

　　 某些汽车涂装作业场所建筑物净空高度往往大于8m,其实这些部位很大部分被高大工艺设备或多层分布设备占有,仅某些通道部分净空高度高于8m,对于这些部位,国内某些设计按保护钢屋架的标准设置自动喷水灭火系统,这种做法只是起到冷却钢结构作用,不能有效地扑灭和控制火灾。笔者认为,该部位设备内部应设自动灭火系统,多层分布设备的底部和建筑物顶棚应分别设置自动喷水灭火系统,该部位的自动喷水火灾危险等级应按所处功能区划对照上述火灾危险等级确定。对于某些通道等净空高度大于8m的部位,可在通道两侧设备外围分层布置喷头,喷头布置在设备外挑下或在喷头上部设置集热板(见图1)。

　　 汽车涂装作业场所的每个工艺阶段甚至每个设备如烘干炉、空调机、加热炉、电泳槽以及屋面等部位的环境温度都不一样,因此喷头的选择也应有所不同。特别是防火墙上(或设备内部)开口部位设置水幕隔断或设置防火卷帘水幕保护,也应根据该处环境温度确定温感元件的选型,武汉某涂装作业场所的水幕系统经常误喷就是喷头动作温度选择不当造成的。

　　 汽车涂装作业场所的喷漆室(房)、补漆室、流平室、闪干室、晾干室、烘干室、调漆间、储漆间和喷蜡室因直接使用易燃、易爆有机溶剂,火灾危险性极大,如果不在以上设备(房)内设置局部自动灭火系统,当火灾发生时,火灾会很快蔓延到厂房其他部位,有时还可能发生爆炸。另外,当涂装作业场所的变、配电间发生火灾时,停电可能引发生产线停运,使处于前处理、电泳和烘干区域的部件报废,停电造成的经济损失也是巨大的,因此有必要在以上设备(房)内部均设置局部自动灭火系统。目前,国、内外汽车涂装作业场所设备内部局部自动灭火系统一般采用七氟丙烷、二氧化碳、高倍数泡沫、雨淋、泡沫-雨淋、细水雾和水喷雾等自动灭火系统,下面就这些灭火系统的适用性进行分析和探讨。

　　 全淹没气体灭火系统对围护结构要求:必须是封闭的空间;围护结构的耐火极限不宜低于0.5h。而喷漆室(房)、流平室、闪干室、晾干室、烘干室、补漆室和喷蜡室等设备内部要满足生产线的连续性要求,它们之间有时是相互连通的,更谈不上完全封闭,而且以上设备(房)其结构形式基本都是钢结构,其耐火极限仅0.25h,达不到气体灭火围护结构耐火极限要求。

　　 汽车涂装喷漆室(房)型式大都采用水旋式或水帘式喷漆房,喷漆室(房)的底部开口与开式循环水池相连,喷漆室(房)发生火灾时,喷洒的气体多数因密度大于空气密度均下沉到开式循环水池内逸出,灭火气体不能充满火灾空间,更不可能有效扑灭火灾。

　　 因此,气体灭火系统不适合喷漆室(房)、流平室、闪干室、晾干室、烘干室、补漆室和喷蜡室等设备内部灭火。

　　 调漆间、储漆间和变配电间为封闭空间,防护区面积、体积、耐火极限、围护结构的承压能力均能满足气体灭火相关规范要求,因此,调漆间、储漆间和变配电间均可以采用气体灭火系统灭火。

　　 高倍数泡沫灭火的机理是以淹没或覆盖的方式扑灭A、B类火灾;对A类火灾有渗透性;水渍损失小,灭火效率高,泡沫易清除;保护区重量负荷增加极小;可以隔绝火焰,防止蔓延;绝热性能好,可以保护人员避免陷入火焰包围中;可以排除烟气和有毒气体。

　　 喷漆室(房)、流平室、晾干室、调漆间、储漆间、补漆室和喷蜡室等设备内部环境温度为10~35℃,这些设备都具有阻挡泡沫流失的围护结构,在灭火的时间内这些围护结构不会破坏。尽管喷漆室(房)、流平室、晾干室、补漆室、喷蜡室等因漆雾影响使泡沫发生器不能安装于其内部,但可以采用泡沫发生器外置再通过导泡筒将泡沫送入设备内部的灭火方式扑灭火灾(见图2),因此,高倍数泡沫灭火系统适合于喷漆室(房)、流平室、晾干室、调漆间、储漆间、补漆室和喷蜡室等设备(房)内部灭火。

　　 1995年由天津消防科学研究所渤海科技公司主导设置的武汉某涂装工厂油漆库(756m²)和调漆间(540m²)高倍数泡沫灭火系统,泡沫灭火剂采用AFFF高倍数灭火剂,泡沫混合比例为3%,供水压力为0.6MPa(利用车间自动喷水灭火系统),比例混合装置采用GPZ40-1400置换式压力比例混合器,泡沫淹没深度分别为5.2m和4.2m,淹没时间为3min,泡沫最小供给速率分别为1 545m³/min和913m³/min,泡沫连续供给时间为15min,泡沫发生器采用PFS4型高倍数泡沫发生器,设施安装完毕后,对现场进行了喷水和发泡火灾模拟试验,快速扑灭了火灾,也快速实现了火灾现场清理。

　　 闪干室一般与流平室和晾干室直接相连,它具有不易破坏且能阻挡泡沫流失的围护结构,其环境温度一般在80~160℃,选用耐温耐烟型高倍数泡沫液同样可以扑灭火灾,因此,闪干室适合采用高倍数泡沫灭火系统灭火。

　　 雨淋灭火系统的机理就是靠大量的喷水冷却和浸润。涂装作业场所喷漆房等部位的危险等级为严重危险级II级,其喷水强度不小于16L/(min·m²),作用面积为260m²,一般喷漆室等设备内部须保护平面面积远大于雨淋灭火系统的作用面积,须设置多组雨淋阀组,而且还要考虑各系统之间的衔接,管路较为复杂,同时,雨淋系统的的消防供水和供电设施都较大。

　　 另外,喷漆室(房)、流平室、闪干室、晾干室、补漆室和喷蜡室顶棚为送、排风设备的入口,火灾探测器一般只能采用火焰探测器和温感探测器,当发生闪电或维修焊接的弧光或与其相连的的闪干室、烘干炉热气流窜入相邻部位都有可能触动火灾自动报警系统,从而开启雨淋灭火系统造成误喷,误喷会损害喷漆设备,造成生产线断电停车,若生产线不能及时恢复,正处于表面处理或烘烤固化的工件会分别在酸、碱腐蚀液体中过度侵蚀或干裂而报废,造成的经济损失同样是惨痛的。

　　 泡沫-雨淋灭火系统是在雨淋灭火系统的管路上旁通设置了泡沫液管路系统,其作用是加强对涂装作业的B类火灾灭火效果,其系统比雨淋灭火系统更复杂、投资更高,并同样会产生误喷损失。

　　 雨淋或泡沫-雨淋灭火系统灭火后,还会产生较多的有害、有毒废水,灭火后续处理须增加环保费用。

　　 因此笔者建议,喷漆室(房)、流平室、闪干室、晾干室、调漆间、补漆室和喷蜡室设备内部灭火需慎用雨淋或泡沫-雨淋灭火系统。

　　 烘干室的环境温度有时高达到几百摄氏度,一般的火灾探测器难以适应,对于需要借助火灾报警系统启动的雨淋系统更难以实施自动启动,而且,大量的喷水会对烘干设备造成较大的损害,因此,烘干室不适合采用雨淋或泡沫-雨淋灭火系统。

　　 其灭火机理是表面冷却、稀释、窒息和乳化。一般用在扑灭闪点在60℃以上B类火灾和电器火灾,对于甲、乙类易燃液体则不具有很好效果,因此,水喷雾灭火系统不适用于涂装作业火灾的扑灭。

　　 细水雾是近十年发展较快的一种新型灭火介质,在国外已被广泛应用于工业企业、民用建筑、公共交通领域,它可以扑灭A、B类火灾和电气火灾,是替代常规气体灭火系统的理想系统。

　　 细水雾灭火机理:(1)冷却作用,细水雾喷向火灾区域时,会大量的吸热和蒸发,由此使火灾区域得到充分的冷却;(2)窒息作用,细水雾在蒸发过程中形成的水蒸气大量充斥火灾区域的氧浓度,使火灾不易继续燃烧;(3)稀释作用,通过细水雾和水蒸汽可以稀释挥发的可燃蒸气,进而使混合气体难以继续燃烧;(4)辐射热隔绝作用,雾滴粒非常小的部分形成物化空间,可以大大减弱火灾对周围可燃物的威胁。

　　 细水雾灭火特点:可以有效地扑灭A、B类火灾;无毒且可以减低火灾场所的烟尘、CO₂和CO含量;水源易获取,可重复启动灭火;用水量很小,水渍损失易控制;具有较强的吸热、辐射热阻隔及除烟能力;系统使用简单、维护方便;对空间密闭条件要求比气体灭火系统要求低,灭火成本较低。

　　 众所周知,蒸汽灭火是石油化工企业扑灭设备、装置火灾的重要手段,它是一门成熟、可靠技术。涂装作业场所喷漆房、流平室、闪干室、晾干室、烘干室、调漆间、储漆间、补漆室、喷蜡室和变配电间等所有设备(房)内部空间均为相对封闭或全封闭空间,其火灾类型主要为易燃液体火灾或电气火灾(与石油化工企业设备火灾类型相似),火灾发生时,细水雾能快速转变为蒸汽充满整个火灾空间,稀释氧的浓度从而促使火焰熄灭,特别是烘干室等高温设备在其他灭火系统无法实现灭火功能的情况下,采用细水雾灭火是理想的选择,因为即使设备内部发生误喷,喷射的细水雾受高温作用会迅速转变为水蒸气,水蒸气对烘干室等高温设备不会造成较大损害,也不会影响生产。因此笔者认为,从细水雾的灭火机理和特点来看,细水雾灭火系统适合于喷漆房、流平室、闪干室、晾干室、烘干室、调漆间、储漆间、补漆室、喷蜡室和变配电间等设备(房)内部灭火。

　　 2006年武汉某汽车涂装车间喷漆室和调漆间采用细水雾灭火系统,喷水强度不小于1.0L/(min·m²),供水压力大于1.2 MPa,为强化对易燃液体火灾灭火效果,系统附加了泡沫联用,泡沫液采用水成膜泡沫液,混合比为6%,泡沫混合液供给时间不小于15min,工程施工完毕后,对喷漆室实体进行火灾灭火试验,获得了较为理想的灭火效果。

　　 近几年,国内某些汽车生产厂的涂装作业场所开始引入(压力大于10 MPa)全淹没应用方式的开式高压细水雾灭火系统,其设计参数大多依据国外汽车生产企业或设备厂商提供的数据,缺少国内实体火灾模拟试验数据,根据《细水雾灭火系统设计规范》(GB 50898-2013)3.4.4条规定,采用全淹没应用方式的开式系统,其喷雾强度、喷头布置间距、安装高度和工作压力宜经实体火灾模拟试验确定。以上规定是基于影响细水雾灭火效果的因素众多、关系复杂,细水雾灭火系统的研究设计和应用一直建立在实体火灾试验或实体火灾模拟试验的基础上。因此笔者认为,细水雾尤其是高压细水雾灭火设施是一项投资较大、技术要求较高的消防工程,在取得汽车涂装作业场所实体火灾模拟试验数据的条件下,细水雾灭火系统具有广阔的应用前景。

　　 汽车涂装作业场所消防灭火设施的设计一定要在熟悉工艺技术和建筑结构形式的基础上,依据灭火介质的灭火机理,科学、合理地选择适合工程条件的灭火系统和灭火方式,做到迅速且有效地扑灭火灾、保护人身和财产安全、最大限度减少火灾损失、尽可能避免误喷造成设备损害、维护正常生产。

　　 汽车涂装作业场所是机械制造工程中火灾危险性最高的场所,建筑空间内包括楼层和屋盖的顶板下、设备的悬空底部、钢平台下、风道的底部、密集管群的下部、悬挂输送链护网的底部、喷漆区的送排风系统、喷漆房的无纺布上部等这些部位均应设置自动喷水灭火系统。

　　 喷漆房、调漆间等设备(房)内部设置局部自动灭火系统可以有效防止火灾迅速蔓延到设备以外其他部位,从灭火技术的有效性、毒性、对环境和设备的影响性、可持续性、人员安全性、经济性和维护管理等多方面来看,高倍数泡沫灭火系统适合绝大部分设备(房)内部自动灭火,而细水雾灭火系统适合汽车涂装作业场所所有设备(房)内部自动灭火且具有较广阔的应用前景。