1 引 言

火災(zāi)無論在戰(zhàn)爭(zhēng)期間還是在和平時(shí)期都會(huì)給艦船及人員帶來巨大危害。上世紀(jì)50～60年代美國(guó)海軍海上系統(tǒng)司令部就對(duì)海軍艦船防火安全提出了一系列要求，對(duì)艦船艙壁等的耐火隔熱和熱量傳遞給出了限定[1-4]。美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室(NRL)、美國(guó)水面戰(zhàn)中心和美國(guó)海岸警衛(wèi)隊(duì)研究發(fā)展中心都對(duì)艦船的防火安全問題和耐火分隔技術(shù)及材料進(jìn)行了大量的研究試驗(yàn)工作[5,6]。特別是近年來為了應(yīng)對(duì)現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)環(huán)境下艦船的防護(hù)要求，美國(guó)海軍海上系統(tǒng)司令部又對(duì)艦船耐火分隔提出了更高要求，即N級(jí)耐火分隔要求。同時(shí)艦船為了減輕上層建筑的重量，使用了大量復(fù)合材料和鋁合金材料，因此對(duì)結(jié)構(gòu)件的耐火分隔技術(shù)和材料的要求比A級(jí)耐火分隔有了進(jìn)一步的提高[7]。N級(jí)耐火分隔與A級(jí)耐火分隔的關(guān)鍵區(qū)別在于,耐火燃燒試驗(yàn)中前者采用快速升溫的UL-1709標(biāo)準(zhǔn)作為燃燒升溫條件，同時(shí)要求在試驗(yàn)前增加沖擊試驗(yàn)。因而N級(jí)耐火分隔對(duì)絕熱材料的性能有很高的要求。

2 N級(jí)耐火試驗(yàn)的特點(diǎn)

N級(jí)耐火試驗(yàn)的主要特點(diǎn)包括：

1) 燃燒試驗(yàn)的升溫要求比A級(jí)耐火燃燒試驗(yàn)苛刻。A級(jí)耐火燃燒試驗(yàn)采用的是標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線，在第60 min時(shí)溫度上升至926 ℃。而N級(jí)耐火試驗(yàn)采用的是碳?xì)漕惾紵郎厍€試驗(yàn)[8]，燃燒試驗(yàn)的熱流密度為204±16 kW/m2，要求在最初的5 min內(nèi)爐內(nèi)平均溫度達(dá)到1 093±111°C，并一直保持這一溫度。N級(jí)耐火試驗(yàn)升溫曲線與A級(jí)耐火試驗(yàn)升溫曲線的差別如圖1所示。

圖1 N級(jí)與A級(jí)耐火升溫曲線的比較

2) 在耐火試驗(yàn)前先要根據(jù)MIL-S-901標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，在錘重不低于3 357 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。

3 N級(jí)耐火分隔的定義

N級(jí)耐火分隔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；

4) 應(yīng)是經(jīng)認(rèn)可的隔熱不燃材料，使其在下列時(shí)間內(nèi)背火面的平均溫度較原始溫度升高不超過140℃，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180 ℃。

N-60級(jí) 60 min

N-30級(jí) 30 min

N-0級(jí) 0 min

其中,N-0級(jí)耐火分隔沒有背面升溫要求，但要求至少在30 min的耐火試驗(yàn)條件下，背面沒有火焰竄過。

4 N級(jí)耐火分隔的絕熱材料

早期用于美國(guó)海軍艦船的耐火分隔的絕熱材料主要是陶瓷棉，但近年來陶瓷棉被認(rèn)為對(duì)人體有害,因此已被美國(guó)海軍部門禁止使用。

美國(guó)海軍針對(duì)N級(jí)耐火分隔的要求,對(duì)多種被動(dòng)式防火材料進(jìn)行了研究和試驗(yàn)，主要有可溶性硅酸鹽纖維、膨脹型防火涂層和納米孔氣凝膠復(fù)合材料。但目前通過美國(guó)海軍部門認(rèn)可的材料僅有可溶性硅酸鹽纖維[9]。其它材料要么有缺陷要么還在試驗(yàn)之中，所以尚未得到正式應(yīng)用。

4.1 可溶性硅酸鹽纖維

可溶性硅酸鹽纖維是一種含鈣、鎂元素的堿土金屬硅酸鹽纖維(AES)，它具有在人體內(nèi)部可溶性的特點(diǎn)，是一種綠色環(huán)保型防火絕熱材料。它的熔點(diǎn)溫度為1 260 ℃，長(zhǎng)期使用溫度超過900 ℃。該材料在國(guó)外船舶的A級(jí)耐火分隔上已得到廣泛應(yīng)用，目前已發(fā)展成海洋平臺(tái)H級(jí)耐火分隔及美國(guó)海軍艦船N級(jí)耐火分隔的主要絕熱層[10]。其中美國(guó)熱陶瓷公司的StructoGard制品和美國(guó)奇耐纖維公司的Insulfrax制品已通過了N-30耐火分隔實(shí)驗(yàn)認(rèn)證。如使用容重為116 kg/m3的StructoGard纖維氈在鋼板兩面分別貼敷1 in(25.4 mm)厚的制品,或在背火面貼敷3.5 in(88.9 mm)厚的制品，采用碰釘固定即可達(dá)到N-30級(jí)耐火分隔的要求。

4.2 膨脹型防火涂層

防火涂層具有良好的防火性能且維護(hù)方便，上世紀(jì)70年代在開發(fā)出新型環(huán)氧膨脹型防火涂料后，即引起了海洋工程研究人員和軍方的重視。這種材料在受到火焰高溫輻射時(shí)，能迅速膨脹形成具有隔熱作用的碳化層，從而在火焰和被保護(hù)基體之間筑成一道熱屏障。但遇到高溫時(shí)，在膨脹過程中會(huì)釋放出有毒氣體和煙霧，使得此類材料不適合在一些密閉場(chǎng)所使用,這些場(chǎng)所要優(yōu)先考慮人的生命安全。美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室根據(jù)大量的調(diào)查和試驗(yàn)，認(rèn)為雖然膨脹型防火涂層能達(dá)到N級(jí)隔熱的要求，但還存在如燃燒時(shí)涂層會(huì)掉落等[11]一些問題?，F(xiàn)有的膨脹型防火涂料還不能滿足艦船在作戰(zhàn)環(huán)境下的使用要求，這方面的技術(shù)還有待進(jìn)一步的研究和改進(jìn)。

4.3 納米孔氣凝膠材料

由于美國(guó)海軍艦船N級(jí)耐火分隔對(duì)所使用的耐火絕熱層的單位面積重量和厚度均有限制,因此需要一種高性能的耐火絕熱材料。

納米孔氣凝膠是一種多孔的、具有納米級(jí)結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)絕熱材料，這種材料最早由美國(guó)宇航局研制，并制成絕熱瓦應(yīng)用在航天飛機(jī)上。但由于這種材料成本高,使得在其它領(lǐng)域的推廣使用受到限制。美國(guó)宇航局創(chuàng)建的阿斯膨氣凝膠公司針對(duì)美國(guó)海軍艦船的需要開發(fā)出了低成本的納米孔氣凝膠復(fù)合材料[12]。納米孔氣凝膠復(fù)合材料與傳統(tǒng)的絕熱材料相比具有優(yōu)異的絕熱效果，因此在減輕重量和節(jié)約空間方面有很大的先進(jìn)性，因而受到美國(guó)海軍部門的重視。

5 N級(jí)耐火分隔的典型結(jié)構(gòu)形式

目前對(duì)N級(jí)耐火分隔的基本結(jié)構(gòu)形式是采用碰釘將絕熱材料貼敷在結(jié)構(gòu)材料表面。以下介紹幾種典型的艙壁耐火分隔結(jié)構(gòu)形式，絕熱材料采用容重為116 kg/m3的可溶性硅酸鹽纖維氈，耐火等級(jí)為N-30級(jí)。

5.1 鋼質(zhì)板材的N-30級(jí)艙壁結(jié)構(gòu)

圖2 雙面絕熱層鋼質(zhì)艙壁N-30級(jí)耐火分隔

圖2為在有扶強(qiáng)材鋼板的兩側(cè)貼敷厚度25 mm的絕熱材料。這種結(jié)構(gòu)要求有扶強(qiáng)材的一側(cè)向火進(jìn)行耐火試驗(yàn)，即認(rèn)為是能阻擋任一側(cè)的火源通過。

圖3為在帶扶強(qiáng)材一側(cè)的鋼板上貼敷每層厚44 mm，共兩層的絕熱材料。這種結(jié)構(gòu)如試驗(yàn)時(shí)鋼板面向火，可認(rèn)為能阻擋任一側(cè)的火源通過。如在試驗(yàn)時(shí)絕熱材料向火進(jìn)行耐火試驗(yàn)，則僅被認(rèn)為能阻擋來自絕熱材料方向的火源通過。

圖3 單面絕熱層鋼質(zhì)艙壁N-30級(jí)耐火分隔

5.2 鋁質(zhì)板材的N-30級(jí)艙壁結(jié)構(gòu)

由于鋁質(zhì)材料本身無法承受耐火試驗(yàn)的高溫，美國(guó)海軍部門規(guī)定在艙壁結(jié)構(gòu)中鋁質(zhì)材料的溫度不能超過200 ℃。因此，未帶絕熱材料的鋁質(zhì)板材直接向火是不現(xiàn)實(shí)的，鋁質(zhì)艙壁板的兩側(cè)都必須貼敷絕熱層。

圖4為在帶扶強(qiáng)材的鋁質(zhì)板材兩側(cè)各貼敷每層厚38 mm共兩層的絕熱材料。試驗(yàn)時(shí)鋼板面向火，則可認(rèn)為能阻擋任何一側(cè)的火源通過。

圖4 帶扶強(qiáng)材的鋁質(zhì)板艙壁N-30級(jí)耐火分隔

圖5為未帶扶強(qiáng)材的鋁質(zhì)板材兩側(cè)各貼敷每層厚38 mm共兩層的絕熱材料。由于兩側(cè)相等，因此可認(rèn)為能阻擋任何一側(cè)的火源通過。

圖5 鋁質(zhì)平板艙壁N-30級(jí)耐火分隔

5.3 復(fù)合材料的N-30級(jí)艙壁結(jié)構(gòu)

這是一種夾層式復(fù)合材料，它的中間是76 mm厚的軟木，兩側(cè)各有7 mm厚的纖維增強(qiáng)板。到目前為止還未研制出可經(jīng)受1 000 ℃以上的有機(jī)樹脂的復(fù)合材料，因此只能在貼敷絕熱材料的一側(cè)向火進(jìn)行耐火試驗(yàn)。由于軟木也具有良好的絕熱效果，控制背面溫度的上升不超過140 ℃是比較容易做到的，因此絕熱材料主要是保護(hù)復(fù)合材料所能承受的臨界溫度。美國(guó)海軍現(xiàn)已認(rèn)可用E玻璃纖維增強(qiáng)的阻燃性乙烯基酯樹脂復(fù)合材料，在向火面貼敷每層厚16 mm共兩層的絕熱材料結(jié)構(gòu)件作為N-30級(jí)耐火分隔,如圖6所示。

圖6 復(fù)合材料的N-30級(jí)艙壁結(jié)構(gòu)

6 結(jié)束語

N級(jí)耐火分隔作為一種要求較高的艦船防火設(shè)施，也被一些西方國(guó)家海軍部門仿效。不過由于絕熱材料的關(guān)系，美國(guó)海軍艦船到目前為止還未能做到N-60級(jí)耐火分隔。因此我國(guó)應(yīng)加強(qiáng)這方面的研究工作，以適應(yīng)對(duì)現(xiàn)代海軍艦船的需求。這里應(yīng)包括兩個(gè)方面：一方面進(jìn)行新材料的研制，以獲得具有優(yōu)良隔熱效果的材料來滿足高等級(jí)的耐火要求；另一方面是建立N級(jí)耐火分隔的試驗(yàn)裝置，來驗(yàn)證和確定N級(jí)耐火分隔的技術(shù)等級(jí)。另外，在海洋工程領(lǐng)域?qū)δ突鸱指粲痔岢隽烁咭蟮娜紵囼?yàn)標(biāo)準(zhǔn)，因此也需要及時(shí)跟蹤和探索。

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