楊苑斐 湯云哲

上海軌道交通設(shè)備發(fā)展有限公司 上海 200245

1 防火涂料概述

防火涂料是涂覆于基材表面,對基材起裝飾與保護(hù)作用的涂料[1]。防火涂料具有普通涂料的防腐、防銹、耐酸堿、耐鹽霧等性能,自身具有不燃性或難燃性,在火災(zāi)發(fā)生時(shí)能夠阻止燃燒,或?qū)θ紵a(chǎn)生延滯作用[2]。防火涂料能夠在一定的時(shí)間內(nèi)保護(hù)基材,避免基材參與燃燒,阻止或抑制燃燒的擴(kuò)展,從而為滅火工作爭取更多的時(shí)間,保護(hù)人民生命財(cái)產(chǎn)安全。防火涂料一般由乳液基料、阻燃體系、無機(jī)填料、助劑等成分組成,按照機(jī)理可以分為膨脹型、非膨脹型,按照組成可以分為溶劑性、水性,按照使用厚度可以分為超薄型、薄型、厚型。典型超薄膨脹型水性防火涂料如圖1所示。

2 鋼結(jié)構(gòu)防火

防火涂料最初廣泛應(yīng)用于建筑、化工、船舶、電纜、建筑、文物保護(hù)等行業(yè)。特別是在建筑行業(yè)的鋼結(jié)構(gòu)中,防火涂料得到大量使用。鋼結(jié)構(gòu)具有高強(qiáng)度、高韌性、抗震、輕質(zhì)、價(jià)廉等優(yōu)點(diǎn),在建筑行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。鋼材雖然屬于不易燃燒材料,但導(dǎo)熱性能好,在高溫下會因迅速受熱失去強(qiáng)度而變形。研究表明,當(dāng)溫度達(dá)到540 ℃時(shí),鋼結(jié)構(gòu)的屈服應(yīng)力僅有常溫時(shí)屈服應(yīng)力的40%,承載能力急劇降低。火災(zāi)時(shí)溫度一般在800～1 200 ℃之間,在火災(zāi)發(fā)生的最初15 min內(nèi),火場溫度可高達(dá)700 ℃,裸露的鋼結(jié)構(gòu)會因達(dá)到耐火極限而喪失承載能力,進(jìn)而發(fā)生坍塌。因此,對鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行保護(hù)十分有必要。在實(shí)際工程中,應(yīng)用最廣泛且經(jīng)濟(jì)有效的方法就是噴涂鋼結(jié)構(gòu)防火涂料[3]。

圖1 典型超薄膨脹型水性防火涂料

3 軌道交通車輛鋁合金車體特點(diǎn)

隨著軌道交通車輛向輕量化發(fā)展,鋁合金材料廣泛應(yīng)用于軌道交通車輛結(jié)構(gòu)中,包括車體結(jié)構(gòu)、內(nèi)裝結(jié)構(gòu)等。鋁合金的熔點(diǎn)一般低于650 ℃,鋼結(jié)構(gòu)的熔點(diǎn)一般為1 300 ℃左右,軌道交通車輛車體中常用的鋁型材在300 ℃左右時(shí)將喪失40%～60%的強(qiáng)度。根據(jù)BS 476-20[4]、ASTM E119[5]等標(biāo)準(zhǔn),軌道交通火災(zāi)的纖維類火焰在著火5 min后溫度就能達(dá)到500 ℃[6]?？梢韵胂?未做任何防護(hù)的軌道交通車輛鋁合金車體相比建筑鋼結(jié)構(gòu),將會更早地出現(xiàn)坍塌,救援與滅火時(shí)間更短,一旦發(fā)生火災(zāi),將產(chǎn)生巨大的生命及財(cái)產(chǎn)損失。

4 軌道交通車輛耐火技術(shù)要求

軌道交通屬于大型城市公共運(yùn)輸系統(tǒng),客流量大,一旦發(fā)生災(zāi)害,將會造成巨大的生命和財(cái)產(chǎn)損失?；馂?zāi)是軌道交通系統(tǒng)中發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)較高、造成損失較大的災(zāi)害,尤其需要關(guān)注[7]。軌道交通車輛的防火工作十分重要,同時(shí)得到了各軌道交通業(yè)主和各大主機(jī)廠的廣泛重視。近年來,軌道交通行業(yè)開始借鑒建筑領(lǐng)域鋼結(jié)構(gòu)防火涂料的應(yīng)用,將防火涂料引入軌道交通車輛的設(shè)計(jì)中,在軌道交通車輛底架耐火結(jié)構(gòu)、司機(jī)室后隔墻、客室電氣柜間壁等部位開始大量應(yīng)用防火涂料。防火涂料的應(yīng)用,對于提升軌道交通車輛防火性能具有較大作用,對于保護(hù)乘客生命財(cái)產(chǎn)安全具有重要意義。

5 軌道交通車輛防火涂料應(yīng)用現(xiàn)狀

軌道交通業(yè)主及主機(jī)廠對軌道交通車輛防火要求不斷提高,通過試驗(yàn)對防火涂料的使用效果不斷進(jìn)行驗(yàn)證。涂覆防火涂料目前已經(jīng)成為軌道交通車輛防火設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)主要措施,筆者通過檢索文獻(xiàn)對目前軌道交通車輛防火涂料的應(yīng)用案例進(jìn)行調(diào)研分析,以進(jìn)一步總結(jié)防火涂料在軌道交通車輛中的應(yīng)用現(xiàn)狀。

康解云等[8]介紹了一種雙組分無溶劑環(huán)氧膨脹型防火涂料在城市軌道交通車輛中的應(yīng)用,涂膜性能在當(dāng)時(shí)滿足GB 14907—2002《鋼結(jié)構(gòu)防火涂料》的技術(shù)要求,防火性能滿足BS 6853[9]標(biāo)準(zhǔn)要求,地板結(jié)構(gòu)在著火45 min內(nèi)可以保持完整,并且背火面平均溫度不超過250 ℃,最高溫度不超過300 ℃。

陳小偉等[10]介紹了防火涂料在軌道交通車輛中的應(yīng)用,指出目前軌道交通車輛中所使用的防火涂料均為膨脹型防火涂料,并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了防火涂料地板結(jié)構(gòu)優(yōu)于傳統(tǒng)的使用陶瓷纖維和不銹鋼防火板的地板結(jié)構(gòu)。

中車唐山機(jī)車車輛公司與中車青島四方車輛研究所公司分別使用陶瓷纖維和防火漆對地板結(jié)構(gòu)進(jìn)行保護(hù),制作了三個(gè)樣件,按照BS 6853標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)。通過試驗(yàn)確認(rèn),采用防火漆能夠?qū)Φ匕逭w結(jié)構(gòu)形成保護(hù),實(shí)踐中需要根據(jù)要求選用合適的防火漆,不同品牌的防火漆性能差異較大,必要時(shí)可以做防火試驗(yàn)。

唐山軌道客車公司研究了防火涂料代替動車組用防火毛氈的可行性,指出在防火性能達(dá)標(biāo)的前提下,尋求施工簡便、成本更低的防火涂料,將給我國動車組生產(chǎn)制造業(yè)帶來更大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

李鵬飛等[11]按照BS 6853標(biāo)準(zhǔn)對三種典型軌道交通車輛地板結(jié)構(gòu)進(jìn)行耐火試驗(yàn),并得出如下結(jié)論:無任何保護(hù)的鋁合金底架在試驗(yàn)過程中發(fā)生結(jié)構(gòu)失效,無法滿足耐火要求;噴涂800μm阻尼型防火涂料,可具有到60 min耐火性能,同時(shí)采用玻璃棉隔熱材料,可以有效保證地板結(jié)構(gòu)的隔熱完整性;采用不銹鋼板和玻璃棉隔熱材料的復(fù)合結(jié)構(gòu)也具有60 min耐火性能,但質(zhì)量較大,并且施工復(fù)雜,對車底設(shè)備安裝還會產(chǎn)生限制。國外早期軌道交通車輛耐火設(shè)計(jì)中普遍采用不銹鋼板和玻璃棉隔熱材料的復(fù)合結(jié)構(gòu),但現(xiàn)在已較少采用。三種軌道交通車輛地板結(jié)構(gòu)如圖2～圖4所示,耐火試驗(yàn)結(jié)果見表1。

圖3 第二種軌道交通車輛地板結(jié)構(gòu)

圖4 第三種軌道交通車輛地板結(jié)構(gòu)

表1 耐火試驗(yàn)結(jié)果

文獻(xiàn)[12]介紹了上海軌道交通15號線車輛底架結(jié)構(gòu)耐火設(shè)計(jì)方案,鋁合金底架結(jié)構(gòu)主要采用1.5 mm厚防火涂料及4 mm厚陶瓷纖維毯,設(shè)計(jì)中根據(jù)ASTM E119、NFPA 130[13]標(biāo)準(zhǔn)要求,制作3 m寬、4.5 m長樣件,并加載5 t質(zhì)量進(jìn)行耐火試驗(yàn),確認(rèn)具有45 min耐火性能,同時(shí)滿足以下要求:底架背火面沒有火焰竄出,沒有出現(xiàn)熱氣點(diǎn)燃棉墊的情況;底架背火面的平均溫升不大于139 K,單點(diǎn)最高溫升不大于181 K。底架支撐5 t質(zhì)量,最大變形量也滿足要求。戴惠新等[14]對城市軌道交通車輛的防火性能進(jìn)行研究分析,同時(shí)介紹了BS 6853、EN 45545[15]、NFPA 130標(biāo)準(zhǔn)的底架整體結(jié)構(gòu)耐火要求。BS 6853標(biāo)準(zhǔn)和EN 45545標(biāo)準(zhǔn)要求基本一致,但與NFPA 130標(biāo)準(zhǔn)有較大差異,主要體現(xiàn)在樣件尺寸、載荷、溫升三個(gè)方面。文獻(xiàn)[14]同時(shí)還列出了防火涂料的技術(shù)要求,如粘接強(qiáng)度、耐沖擊性、耐凍融循環(huán)性、耐酸堿性、耐鹽霧腐蝕性等,并提出了防火涂料使用中的一些問題,包括施工、原材料質(zhì)量、耐候性、測試方法等方面。

通過對上述案例的調(diào)研分析不難發(fā)現(xiàn),防火涂料已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國內(nèi)各大主機(jī)廠的眾多項(xiàng)目中,并且成為軌道交通車輛技術(shù)發(fā)展的一種趨勢。目前,軌道交通車輛使用的防火涂料均為膨脹型防火涂料,對于防火涂料的性能與技術(shù)要求,一般參照鋼結(jié)構(gòu)防火涂料標(biāo)準(zhǔn)提出。針對軌道交通車輛實(shí)際應(yīng)用場景,需要根據(jù)相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)做耐火試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果表明,防火涂料的使用顯著提升了軌道交通車輛的耐火性能。同時(shí)需要對防火涂料使用過程中出現(xiàn)的一些問題進(jìn)行分析總結(jié),以更好地發(fā)揮防火涂料對軌道交通車輛的保護(hù)作用。

6 相關(guān)思考

防火涂料在國內(nèi)軌道交通車輛項(xiàng)目中的應(yīng)用雖然較多,但是大批量使用主要集中在最近5 a,尚未有歷經(jīng)軌道交通車輛實(shí)際運(yùn)行考驗(yàn)達(dá)到第一個(gè)10 a大修期的成熟案例。因此,尚有諸多問題急需行業(yè)專家考慮解決,筆者由此提出幾點(diǎn)思考。

第一,防火涂料在軌道交通車輛中的應(yīng)用借鑒于建筑領(lǐng)域鋼結(jié)構(gòu),目前對于產(chǎn)品性能的要求也大多參考鋼結(jié)構(gòu)防火涂料,應(yīng)該盡早建立與軌道交通車輛特點(diǎn)相適應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系。針對不同主機(jī)廠、不同軌道交通車輛平臺、不同項(xiàng)目,應(yīng)盡可能提出統(tǒng)一性規(guī)范,以更好地指導(dǎo)實(shí)際應(yīng)用。同時(shí)還應(yīng)建立防火涂料耐火性能的評價(jià)體系。

第二,防火涂料隨著時(shí)間的推移會發(fā)生性能衰減,如何驗(yàn)證使用一定期限后的防火涂料能夠滿足軌道交通車輛底架耐火要求?

第三,防火涂料的壽命應(yīng)該如何定義、如何驗(yàn)證?防火涂料壽命到期后該如何處理,是進(jìn)行局部修復(fù)還是移除后重新噴涂?

第四,防火涂料覆蓋了軌道交通車輛車體底架焊縫,而關(guān)鍵焊縫檢查是確保軌道交通車輛結(jié)構(gòu)安全性的必要措施,對此是否有相應(yīng)的有針對性的檢測手段?

以上思考需要主機(jī)廠、防火涂料廠家、行業(yè)專家共同研究,筆者初步提出一種設(shè)想,在軌道交通車輛生產(chǎn)過程中,專門噴涂一批防火涂料樣板安裝在軌道交通車輛上,在真實(shí)工況下隨車運(yùn)行,每年取下部分樣板進(jìn)行性能測試,記錄性能指標(biāo)變化情況,這樣對于進(jìn)一步研究防火涂料的性能衰減、評估防火涂料使用壽命具有參考價(jià)值。