Water mist fire protection systems : The development of testing procedures for marine and heritage applications

Abstract

Modern, commercial water mist fire protection system technology evolved at the beginning of the 1990s due a need to replace halon fire-extinguishing systems and improve fire safety on passenger ships. This thesis documents the unknown water mist system development work by two Swedish companies during the 1970s and 1980s. It also documents the development of the first international installation recommendations and fire test procedures for marine applications.
Several of these fire test procedures needed revisions. A research project in the thesis showed that those for machinery space protection can be significantly improved by using simple and inexpensive measurements and performance measurement parameters. In another research project, tests simulating fire on a ro-ro cargo space of a ship was conducted. The results indicate that large water droplets are required for fire suppression, but smaller water droplets cool the fire gases well. For the protection of heritage buildings, a field study suggests that functional testing is essential to maintain the function of a system. Testing using commercial nozzles indicate that exposure of sensitive wall paintings to water spray could cause significant damage under real-life conditions, even if the flow rate is low.
Future research should focus on improving fire test procedures based on experience as well on a theoretical understanding of the mechanisms of water mist. Long-term field experience is also desired for continual improvements of the performance and reliability of systems. In order to convince authorities, insurers, fire protection consultants and end-users on using water mist, these issues need to be dealt with in a systematic manner.

Abstract (Swedish)

Även om man redan under 1930- och 40 talen förstod att små vattendroppar under vissa förutsättningar kan förbättra släckeffektiviteten för vatten jämfört med större vattendroppar och slutna vattenstrålar, så var det inte förrän på 1990 talet som tekniken med fasta system med ”vattendimma” kommersialiserades. Incitamentet var i första hand det så kallade Montrealprotokollet och branden ombord på passagerarfärjan Scandinavian Star. Montrealprotokollet är en internationell överenskommelse som reglerar produktionen och användningen av ett antal substanser som tros påverka jordens ozonskikt. Avtalet trädde i kraft den 1 januari 1989 och inkluderar bromerade brandsläckningsgaser (’haloner’). Branden på Scandinavian Star den 7 april 1990, där 158 personer omkom, resulterade i betydligt högre brandsäkerhetskrav på passagerarfartyg i internationell trafik, däribland krav på sprinkler i passagerar och publika utrymmen. Fasta vattendimsystem kom därför att lanseras som ett alternativ till halongaser i maskinrum på fartyg och som ett alternativ till traditionella sprinklersystem på passagerarfartyg.
Denna avhandling sammanfattar resultaten från några av de projekt som författaren drivit under många års arbete med vattendimsystem. Avhandlingen dokumenterar den tidiga utvecklingen av kommersiella så kallade högtrycksystem som bedrevs (oberoende men med viss samverkan) av två svenska företag under 1970 och 1980 talen. Inget av de båda företagen hade dock någon större kommersiell framgång, delvis beroende på att marknaden för tekniken var alltför begränsad. Avhandlingen dokumenterar även utvecklingen av de allra första internationella (IMO) installationsrekommendationerna och standardiserade brandprovnings¬metoderna. Dessa dokument kom att ha stort inflytande för acceptansen av vattendimsystem.
Några de brandprovningsmetoder som togs fram av IMO hade flera brister, vilket bidrog till att vattendimsystem avsedda för fartygsmaskinrum bland annat kunde dimensioneras med mycket låga vattenflöden. Detta uppmärksammades av sjöfartsmyndigheter och klassningssällskap som önskade bättre brandprovnings-metoder. I ett forskningsprojekt utvecklades en metodik som mäter systemens förmåga att dämpa en spillbrand, kyla brandgaser och fördela vattendroppar och vattenånga i försöksrummet. Metodiken ger, tillsammans med tiden till släckning, en bättre bild av det provade systemets prestanda. Delar av metodiken implementerades av IMO i den relevanta brandprovningsmetoden. I ett annat forskningsprojekt jämfördes prestandan för traditionella vattenspraysystem och vattendimma i ett scenario som simulerar en brand i en lastbilstrailer i ett ro ro lastutrymme på ett fartyg. Resultaten indikerar att stora vattendroppar krävs för att dämpa brandeffekten från en brand. Däremot kyler mindre vattendroppar brand¬gaserna väl. Slutsatserna kom att ligga till grund för de reviderade dimensionerings¬reglerna för sprinkler och vattenspraysystem på ro ro lastutrymmen.
Kulturbyggnader är en tillämpning där vattendimsystem passar bra. I ett projekt sammanställdes erfarenheter från nio svenska kyrkor där sprinkler installerades åren 2004–2006, samt erfarenheter från Norge där sprinklersystem har installerats i ett större antal kyrkor. Studien visar att installationerna är diskreta och väl utförda, den normale kyrkobesökaren lägger troligen inte märke till dem överhuvudtaget. Men systeminstallationerna är relativt komplexa. En erfarenhet från Norge är att sofistikerade lösningar och ”modern” teknik ställer höga krav på underhåll och att de ofta är dyra. Enkla lösningar är därför eftersträvansvärda. Regelbunden kontroll, provning och underhåll är nyckeln till hög tillförlitlighet och flera fall där system inte fungerat vid funktionskontroll dokumenterades. Men kontroll och provning kräver tid, utbildning och engagemang från anläggningsskötaren. Flera anläggningsskötare utryckte att underhållet krävt mer tid och varit dyrare än man förväntat sig.
Många träkyrkor har mer eller mindre heltäckande vägg- och takmålningar som troligen är mycket känsliga för vattenbegjutning. Påverkan på känsliga målningar av vattensprayen från både traditionell sprinkler och vattendimma undersöktes med försök. Resultaten pekar mot att även mycket små vattenmängder kan skada känsliga ytor, även om ett högre vattenflöde förstås bidrar till större påverkan. En annan slutsats är att faktorer som sprickbildning och andra ytdefekter i färglagren och antal färglager har stor betydelse för hur stor skadan blir. Försöken visar också att takytan i närområdet ovanför en nedåtriktad sprinkler kan utsättas för kraftig vattenbegjutning. Det dock bör understrykas att man i varje enskilt fall bör ställa sig frågan om man kan acceptera risken för en mindre vattenskada (vid en oavsiktlig aktivering) för att förhindra att en hel byggnad totalförstörs vid en brand.

• author: Arvidsson, Magnus
• supervisor: Patrick van Hees; Björn Sundström
• organization: Division of Fire Safety Engineering
• publishing date: 2020-09-09
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Other Engineering and Technologies not elsewhere specified
• keywords: Vattendimma, brand, fartyg, kulturbyggnader, Water mist, fire protection, fire test procedures, Ships, marine applications, heritage buildings
• pages: 89 pages
• ISSN: 1402-3504
• ISSN: 1402-3504
• ISBN: 978-91-7895-554-1
• ISBN: 978-91-7895-553-4
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 18418aae-21f2-4ede-8f27-611cdd3f8ef0
• date added to LUP: 2020-09-10 11:06:33
• date last changed: 2023-06-29 10:31:25