上海軌道交通15號線車輛間壁結(jié)構(gòu)的耐火設(shè)計

□ 楊苑斐 □ 邴澤彤 □ 龍慧琴

上海軌道交通設(shè)備發(fā)展有限公司 上海 200245

1 設(shè)計背景

上海軌道交通15號線是上海城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)中的一條重要線路,途經(jīng)寶山、普陀、長寧、徐匯、閔行等五個行政區(qū),正線全長約42.3 km,全程為地下線,設(shè)30座車站。上海軌道交通15號線車輛為GOA4等級全自動駕駛列車,車輛及子系統(tǒng)的功能與設(shè)計滿足IEC 62290-1:2014[1]中的相關(guān)要求。車輛采用A型鋁合金車體,每列車為四動兩拖六節(jié)編組,最高速度為80 km/h。列車長140 m,寬3 m,最大載客量為2 670人[2-3]。由于為全自動駕駛列車,因此車輛材料的防火要求較高,需滿足EN 45545-2:2013[4]中的HL3等級要求。與此同時,客室間壁結(jié)構(gòu)、底架地板也需要滿足耐火要求[5]。

2 間壁結(jié)構(gòu)耐火技術(shù)要求

上海軌道交通15號線車輛技術(shù)規(guī)格書中,客室間壁結(jié)構(gòu)有如下耐火要求:客室間壁能夠阻擋火勢蔓延至少30 min;間壁結(jié)構(gòu)門應設(shè)有膨脹密封件,以確保火焰不會竄入客室,并且隔離氧氣流入間壁結(jié)構(gòu);間壁結(jié)構(gòu)及內(nèi)部設(shè)備易于更換。

客室間壁結(jié)構(gòu)位于車輛端部,如圖1所示。客室間壁結(jié)構(gòu)內(nèi)部為電氣設(shè)備柜,包含各種類型的繼電器、斷路器、主機、線纜等電氣部件。客室間壁結(jié)構(gòu)能夠遮蔽電氣設(shè)備柜,起裝飾作用。客室間壁結(jié)構(gòu)上設(shè)有能夠打開的檢修門,便于對內(nèi)部電氣設(shè)備柜進行檢修、維護。由于電氣設(shè)備柜內(nèi)部有各種電氣部件,因此存在火災風險。為了保護乘客安全,需要對客室間壁結(jié)構(gòu)進行耐火設(shè)計,以在發(fā)生火災時為乘客提供足夠的逃生時間[6-7]。

圖1 客室間壁結(jié)構(gòu)

按照BS 6853:1999[8]對客室間壁結(jié)構(gòu)進行耐火試驗。BS 6853:1999中7.2章節(jié)規(guī)定,按照BS 476-20[9]和BS 476-22[10]進行試驗,車輛端部的間壁結(jié)構(gòu),包括門在內(nèi),在經(jīng)過30 min燃燒后,完整度應當不受損壞。

耐火試驗時,對全尺寸試驗件在豎直方向進行試驗。選擇試驗件時,應將安裝在間壁結(jié)構(gòu)熱面和冷面,或者安裝在車輛墻壁之間的所有不同種類零部件都挑選出來,作為試驗件。在進行試驗時,應當對固定試驗件的工裝進行觀測,以排除因工裝燃燒膨脹而產(chǎn)生的影響。

耐火試驗的標準溫度時間曲線如圖2所示。試驗進行30 min時,爐內(nèi)溫度達到近850 ℃。客室間壁結(jié)構(gòu)在整個試驗過程中必須保證結(jié)構(gòu)完整性,不發(fā)生整體結(jié)構(gòu)坍塌,外表面不出現(xiàn)持續(xù)10 s以上的火焰。

圖2 耐火試驗標準溫度時間曲線

3 耐火設(shè)計方案

3.1 結(jié)構(gòu)

根據(jù)上述間壁結(jié)構(gòu)耐火技術(shù)要求,在充分考慮間壁結(jié)構(gòu)功能、外觀、耐火、輕量化等要求的基礎(chǔ)上,對客室間壁結(jié)構(gòu)進行設(shè)計,最終采用鋁型材、鋁蜂窩復合板、陶瓷纖維毯結(jié)構(gòu)形式[11-12]。

客室間壁結(jié)構(gòu)的三維模型如圖3所示,實物如圖4所示。

圖3 客室間壁結(jié)構(gòu)三維模型

圖4 客室間壁結(jié)構(gòu)實物

客室間壁結(jié)構(gòu)及檢修門整體采用鋁型材,同時采用12 mm厚鋁蜂窩復合板。

鋁蜂窩復合板具體組成為1 mm厚鋁板+10 mm厚鋁蜂窩芯+1 mm厚鋁板。在客室間壁結(jié)構(gòu)內(nèi)表面粘貼15 mm厚陶瓷纖維毯。客室間壁結(jié)構(gòu)耐火設(shè)計如圖5所示。

圖5 客室間壁結(jié)構(gòu)耐火設(shè)計

3.2 材料

由于客室間壁結(jié)構(gòu)內(nèi)部設(shè)置大量電氣設(shè)備,因此需要設(shè)置通風格柵,保證日常通風散熱。一旦內(nèi)部發(fā)生火災,還需要能夠阻隔客室間壁結(jié)構(gòu)內(nèi)外熱量及空氣對流。通風格柵對客室間壁結(jié)構(gòu)能否滿足耐火技術(shù)要求至關(guān)重要,需要選用性能優(yōu)異且經(jīng)過實踐驗證的通風格柵。上海軌道交通15號線車輛客室間壁結(jié)構(gòu)選用20 mm厚防火膨脹格柵,平時作為通風格柵使用,遇火溫度達到約190 ℃時可膨脹,具有防火、阻隔熱煙和毒氣流通的功能。防火膨脹格柵的工作原理如圖6所示。防火膨脹格柵安裝后,使用防火膨脹密封膠進行密封處理。遇火時密封膠會膨脹,保證縫隙中不會有火竄出[13]。

圖6 防火膨脹格柵工作原理

客室間壁結(jié)構(gòu)檢修門的四周及門縫處使用防火膨脹密封條進行密封處理。遇火時,密封條膨脹,可以有效阻隔火焰、熱煙和毒氣流通。密封條的膨脹倍率能夠高達25倍,當電氣柜燃燒產(chǎn)生變形時,仍然能夠起到良好的密封效果。

為避免內(nèi)部燃燒時熱量過多傳遞到鋁蜂窩復合板,導致鋁蜂窩復合板損壞甚至坍塌,在間壁間隔內(nèi)表面粘貼15 mm厚陶瓷纖維毯進行隔熱。陶瓷纖維毯由特制陶瓷纖維長絲經(jīng)特殊雙面針刺工藝加工而成,具有低熱導率和高溫下低吸收率特性,化學性能穩(wěn)定,抗化學腐蝕能力強,并且具有良好的隔熱性能、較高的抗拉強度,以及優(yōu)良的抗振與吸聲性能,裁剪、安裝簡便,能夠長期耐受1 200 ℃高溫使用。陶瓷纖維毯粘貼時需要使用耐高溫膠水,同時輔助使用機械固定方式,以避免在高溫情況下陶瓷纖維毯從客室間壁結(jié)構(gòu)上脫落,導致客室間壁結(jié)構(gòu)失效。粘貼完成后,在表面包覆鋁箔以保持美觀。

間壁結(jié)構(gòu)采用鋁蜂窩復合板,受到高溫時,鋁蜂窩復合板內(nèi)部膠體容易熔化并流淌出來,可能導致燃燒。對此,采用0.8 mm厚不銹鋼板對客室間壁結(jié)構(gòu)中所有鋁蜂窩封邊位置進行包裹,并拉鉚釘進行固定。不銹鋼板封閉之后,再采用防火密封膠對所有縫隙處進行封堵。

客室間壁結(jié)構(gòu)的門鎖、鎖孔、折頁等均為防火薄弱點,需要根據(jù)結(jié)構(gòu)類型進行防火密封處理,保證在耐火試驗時火焰不從縫隙位置竄出。可在客室間壁結(jié)構(gòu)門鎖位置增加保護罩,材質(zhì)可選擇鋁或不銹鋼,并用機械固定的方法進行固定。在保護罩內(nèi)外兩側(cè)均噴涂1 mm厚防火涂料,涂料遇火膨脹可包裹折頁、鉸鏈、鎖孔,避免傳熱。

盡量減小膠水的使用量,避免試驗過程中膠水流淌引起火焰燃燒,因為大部分膠水都不耐高溫。所有縫隙都需要使用防火膨脹類產(chǎn)品進行密封處理,并且在門縫處設(shè)計粘接防火膨脹膠條的凹槽,避免試驗時由于結(jié)構(gòu)變形產(chǎn)生縫隙,導致竄火現(xiàn)象。對于關(guān)鍵部位,應盡量選擇已有大量應用案例的產(chǎn)品,確保產(chǎn)品的穩(wěn)定性。

4 試驗驗證

根據(jù)設(shè)計方案制作客室間壁結(jié)構(gòu)耐火試驗的試驗件,試驗件高為1 900 mm,長為850 mm,斜面最大處寬為617 mm,斜面最小處寬為525 mm。客室間壁結(jié)構(gòu)耐火試驗試驗件如圖7所示。

圖7 客室間壁結(jié)構(gòu)耐火試驗試驗件

選擇具有資質(zhì)的實驗室,將客室間壁結(jié)構(gòu)按照實際使用時的位置固定于一個豎直耐火爐的試驗框架內(nèi),框架高與寬均為3 m,電氣設(shè)備柜內(nèi)表面作為受火面。耐火試驗現(xiàn)場如圖8所示。

圖8 客室間壁結(jié)構(gòu)耐火試驗現(xiàn)場

按照BS 476-20 和BS 476-22標準中的規(guī)定進行耐火試驗,爐內(nèi)溫度按圖2所示曲線執(zhí)行[14]。在試驗過程中觀察試驗件背火面情況,確認是否出現(xiàn)明火,并目視檢查產(chǎn)煙情況。

耐火試驗中,連續(xù)記錄爐內(nèi)溫度、試驗件背火面溫度、爐內(nèi)壓力、環(huán)境溫度,記錄間隔均不長于1 min。如果需要,采用移動熱電偶測量試驗件背火面溫度。在特定情況下,采用縫隙探棒和棉墊記錄縫隙的情況。

上海軌道交通15號線車輛客室間壁結(jié)構(gòu)試驗件順利通過了30 min耐火試驗,驗證了耐火設(shè)計方案的合理性。試驗后客室間隔結(jié)構(gòu)試驗件狀態(tài)如圖9所示。

圖9 耐火試驗后客室間壁結(jié)構(gòu)試驗件狀態(tài)

5 結(jié)束語

上海軌道交通15號線車輛間壁結(jié)構(gòu)耐火設(shè)計合理,試驗件順利通過了30 min耐火試驗,為后續(xù)全自動駕駛列車間壁結(jié)構(gòu)的耐火設(shè)計提供了參考。

在后續(xù)項目設(shè)計時,可以從以下方面進行研究:鋁蜂窩復合板內(nèi)部的膠體如何既能保證粘接強度,又能耐高溫使用;是否可以采用一些新型輕量化、高強度、耐高溫材料,使間壁結(jié)構(gòu)進一步實現(xiàn)輕量化;對于間壁結(jié)構(gòu)的耐火技術(shù)要求,除了完整性,還可以增加絕熱性。