軌道車輛地板耐火性能分析研究

張建敏 郭會(huì)生 劉小霞 陳淑娟 王麗娟

(1.中車唐山機(jī)車車輛有限公司，063035，唐山;2.天津中車唐山軌道車輛有限公司，300300，天津 ∥ 第一作者，高級工程師)

目前國際上軌道車輛防火標(biāo)準(zhǔn)體系包括NFPA 130[1]、EN 45545[2]、BS6853[3]、DIN 5510[4]等，以及法國、澳大利亞、中國等國家的軌道車輛防火標(biāo)準(zhǔn)。其中對結(jié)構(gòu)耐火提出明確要求的只有歐盟的EN 45545、英國的BS 6853和美國的NFPA 130。軌道車輛結(jié)構(gòu)耐火設(shè)置的目的在于有效限制火災(zāi)的蔓延，為乘客疏散到臨近安全空間爭取時(shí)間；保證車輛在必要的運(yùn)行能力下運(yùn)行到指定位置再進(jìn)行疏散。

國內(nèi)車輛耐火結(jié)構(gòu)采用英國BS 6853和歐盟EN 45545標(biāo)準(zhǔn)的較多。近幾年，因北美軌道車輛項(xiàng)目持續(xù)火熱，帶動(dòng)車輛地板耐火結(jié)構(gòu)符合北美標(biāo)準(zhǔn)NFPA 130的相關(guān)要求也日益增多。

1 軌道車輛地板耐火隔斷組件及耐火結(jié)構(gòu)判定要求

1.1 地板耐火隔斷組件

地板耐火隔斷組件的作用是阻擋車下火災(zāi)，包括車體底架下面電氣設(shè)備著火和外部環(huán)境火災(zāi)。地板耐火隔斷組件包含車體底架及其帶有的各種貫穿結(jié)構(gòu)，例如防寒材、地板、地板布及其附屬結(jié)構(gòu)，以及座椅、扶手、設(shè)備柜等與地板接口結(jié)構(gòu)。

1.2 地板耐火隔斷判定依據(jù)

軌道車輛地板耐火隔斷的判定要求包括耐火完整性E、隔熱性I及高溫情況下的承載能力R。

1) 完整性E：在標(biāo)準(zhǔn)耐火試驗(yàn)條件下，當(dāng)建筑分隔構(gòu)件一面受火時(shí)，在一定時(shí)間內(nèi)防止火焰和煙氣穿透或在背火面出現(xiàn)火焰的能力。

2) 隔熱性I：在標(biāo)準(zhǔn)耐火試驗(yàn)條件下，當(dāng)建筑分隔構(gòu)件一面受火時(shí)，在一定時(shí)間內(nèi)防止其背火面溫度超過規(guī)定值的能力。

3) 承載能力R：承重構(gòu)件承受規(guī)定的試驗(yàn)載荷，其變形的大小和速率均未超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定極限值的能力。

極限彎曲變形量D：

D=L2/(400d)

極限彎曲變形速率ε：

ε=dD/dt=L2/(9 000d)

式中：

L——試件的凈跨度，mm；

d——試件截面上抗壓點(diǎn)和抗拉點(diǎn)間的距離，mm。

表1為軌道車輛國際三大防火標(biāo)準(zhǔn)體系對地板耐火測試的判定依據(jù)。

表1 不同標(biāo)準(zhǔn)體系的軌道車輛地板耐火隔斷判定依據(jù)

2 各標(biāo)準(zhǔn)體系的地板耐火隔斷要求

各標(biāo)準(zhǔn)體系對地板耐火隔斷的設(shè)置及性能要求是不同的：EN 45545地板耐火隔斷區(qū)域的設(shè)定依據(jù)危險(xiǎn)源辨識結(jié)果，對車下安裝有大功率設(shè)備、內(nèi)燃機(jī)、加熱設(shè)備等區(qū)域，要求進(jìn)行地板耐火設(shè)計(jì)；BS 6853和NFPA 130對耐火區(qū)域沒有特殊要求，根據(jù)實(shí)際車輛結(jié)構(gòu)選擇有貫穿孔等耐火完整性比較薄弱的區(qū)域進(jìn)行測試；NFPA 130還考慮到地板組成的承載情況。

表2為各標(biāo)準(zhǔn)體系對地板隔斷耐火區(qū)域設(shè)置及性能要求。

表2 不同標(biāo)準(zhǔn)體系的耐火隔斷布置及要求

3 各標(biāo)準(zhǔn)體系測試要求差異

EN 45545、BS 6853和NFPA 130除前面所述的在地板耐火隔斷區(qū)域的設(shè)置、測試方法和性能要求的不同之外，在升溫條件、測試壓力和承重等方面也存在一些差異。

3.1 測試爐內(nèi)的升溫要求

EN 45545(測試標(biāo)準(zhǔn)EN 1363-1[5])規(guī)定的溫升曲線與BS 6853(測試標(biāo)準(zhǔn)BS 476-20[7])一致，以公式的形式計(jì)算得出各時(shí)間點(diǎn)的溫度；而NFPA 130(測試標(biāo)準(zhǔn)ASTM E119[8])中對爐內(nèi)溫度要求按時(shí)間點(diǎn)列表給出。

EN 1363-1與BS 476-20升溫曲線計(jì)算公式：

θ=345 log10(8t+1)+20

式中：

θ——爐內(nèi)平均溫度，℃

t——時(shí)間，min

ASTM E119規(guī)定的各時(shí)間點(diǎn)的溫度詳見ASTM E 119附錄x1。

圖1對比了各測試標(biāo)準(zhǔn)在測試開始后第一個(gè)小時(shí)內(nèi)各時(shí)間點(diǎn)爐內(nèi)溫度情況。

圖1 各測試標(biāo)準(zhǔn)在測試開始后第1個(gè)小時(shí)內(nèi)各時(shí)間點(diǎn)爐內(nèi)溫升曲線對比圖

由圖1中可見，在前30 min，ASTM E 119的爐內(nèi)溫度略高于EN 1363-1和BS 476-20的,而后期相比則略低。

3.2 測試爐內(nèi)壓力

地板耐火測試中，爐內(nèi)壓力沿高度方向存在著線性梯度關(guān)系，并隨爐內(nèi)溫度不同而有細(xì)微區(qū)別：EN 1363-1規(guī)定樣件水平面以下100 mm處壓力為20 Pa；BS 476-20規(guī)定測試樣件水平面以下100 mm處壓力為0～2 Pa；ASTM E119未規(guī)定爐內(nèi)壓力的具體要求，通常維持輕微的負(fù)壓。

3.3 承重要求

針對地板耐火隔斷測試的承重要求，僅NFPA 130要求測試過程中需要承受實(shí)際載荷，即：車輛在AW3(超載)狀態(tài)下的地板組件上所承受的人員、座椅、電氣柜及地板下其他設(shè)備的質(zhì)量。

綜上所述，在EN 45545-3、BS 6853、NFPA 130規(guī)定的對于地板耐火隔斷的耐火性能要求中，NFPA 130的綜合要求最高(時(shí)間長、隔熱性能要求高、高溫下承載能力要求高)，EN 45554-3 和BS 6853則次之。

4 案例分析

基于前述結(jié)論，NFPA 130對地板隔斷組件的耐火性能要求最高，基于該標(biāo)準(zhǔn)的要求，中車唐山機(jī)車車輛有限公司對某一研制項(xiàng)目地板進(jìn)行了實(shí)際測試驗(yàn)證。以該項(xiàng)目為案例，對地板耐火組件的設(shè)計(jì)、試制、組裝及測試進(jìn)行分析。

4.1 地板樣件

根據(jù)ASTM E 119，地板樣件尺寸長×寬×高為4 500 mm×3 040 mm×600 mm。樣件上包含車輛地板上各種貫穿孔(線纜及管路通過)及其封堵結(jié)構(gòu)。

4.2 測試結(jié)果

根據(jù)NFPA 130和ASTM E 119標(biāo)準(zhǔn),對地板樣件進(jìn)行了完整性、隔熱性及高溫變形量的測試。在第22分鐘時(shí)火焰從背火面冒出，試驗(yàn)失敗。

4.3 測試失敗原因分析

在本次試驗(yàn)中，地板樣件背火面出現(xiàn)了持續(xù)火焰，說明地板內(nèi)部存在可燃物或者非金屬材料分解出可燃?xì)怏w。經(jīng)分析，試驗(yàn)失敗的主要原因?yàn)椋悍篮淖兩倚誀畎l(fā)生變化，估計(jì)參與了燃燒；地梁上面的膠熱解/燃燒；線槽尼龍安裝座的熱解/燃燒。

由本次試驗(yàn)，可得出以下結(jié)論：

1) 樣件內(nèi)部可燃物較多，包括防寒材內(nèi)可燃混合物、地板粘接膠、線槽安裝座等。高溫下熱解出可燃?xì)怏w在空腔內(nèi)積聚，達(dá)到一定壓力后通往外界，遇到空氣發(fā)生閃燃。

2) 試驗(yàn)樣件隔熱性較差。背火面平均溫升在第22分鐘時(shí)已達(dá)到92 ℃。

3) 試驗(yàn)樣件在高溫下負(fù)載變形的能力尚可。

4.4 樣件結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化方案

基于地板樣件試驗(yàn)失敗原因分析，樣件整改的目標(biāo)即為盡量減少地板內(nèi)部的可燃物含量，提高隔熱性能，優(yōu)化方案為：

1) 不銹鋼車體底架有較好的剛度，通過車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)后則無需考慮高溫負(fù)載而特意增加剛度，所以本研制項(xiàng)目的鋼結(jié)構(gòu)車體底架結(jié)構(gòu)無需更改。

2) 防寒材由玻璃棉更換為燃點(diǎn)更高的材料。安裝時(shí)盡量減少分縫且與車體密貼，盡量減少熱量傳遞。

3) 盡量減少地板內(nèi)部的可燃物，并盡量減少內(nèi)部可燃?xì)怏w的產(chǎn)生和釋放。

4) 通過工藝技術(shù)措施控制車內(nèi)非金屬材料的使用量，例如膠粘劑的使用及控制等。

4.5 地板樣件優(yōu)化改造后測試情況

對優(yōu)化改造后的地板耐火樣件進(jìn)行了完整性、隔熱性及變形量的測試和判定。第二次測試判定情況及判定結(jié)果如表3所示。由表3可知，樣件測試滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表3 地板耐火樣件優(yōu)化改造后的測試結(jié)果

5 結(jié)語

NFPA 130要求地板組件耐火時(shí)間為30 min。通常的做法是，測試30 min后，如果試驗(yàn)結(jié)果依然符合標(biāo)準(zhǔn)的判定要求，試驗(yàn)會(huì)持續(xù)進(jìn)行直至試驗(yàn)失敗。此時(shí)爐內(nèi)溫度至少為843 ℃。鋼制地板底架(碳鋼或不銹鋼)具有較好剛度，對樣件高溫下的變形具有良好作用；但由于鋁合金材質(zhì)的熔點(diǎn)較低，對于鋁合金車體，底架需要防火膨脹材料的保護(hù)。

本文研究分析了國際上軌道車輛防火標(biāo)準(zhǔn)的地板耐火測試要求及判定依據(jù)，結(jié)合具體項(xiàng)目對符合NFPA 130要求的地板耐火樣件測試進(jìn)行分析，研究結(jié)果可為車輛地板設(shè)計(jì)及制造提供借鑒。