防火涂料在軌道交通車輛中應用的研究

楊苑斐 湯云哲

上海軌道交通設備發展有限公司 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,在火災發生時能夠阻止燃燒,或對燃燒產生延滯作用[2]。防火涂料能夠在一定的時間內保護基材,避免基材參與燃燒,阻止或抑制燃燒的擴展,從而為滅火工作爭取更多的時間,保護人民生命財產安全。防火涂料一般由乳液基料、阻燃體系、無機填料、助劑等成分組成,按照機理可以分為膨脹型、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 鋼結構防火

防火涂料最初廣泛應用于建筑、化工、船舶、電纜、建筑、文物保護等行業。特別是在建筑行業的鋼結構中,防火涂料得到大量使用。鋼結構具有高強度、高韌性、抗震、輕質、價廉等優點,在建筑行業中得到廣泛應用。鋼材雖然屬于不易燃燒材料,但導熱性能好,在高溫下會因迅速受熱失去強度而變形。研究表明,當溫度達到540 ℃時,鋼結構的屈服應力僅有常溫時屈服應力的40%,承載能力急劇降低。火災時溫度一般在800～1 200 ℃之間,在火災發生的最初15 min內,火場溫度可高達700 ℃,裸露的鋼結構會因達到耐火極限而喪失承載能力,進而發生坍塌。因此,對鋼結構進行保護十分有必要。在實際工程中,應用最廣泛且經濟有效的方法就是噴涂鋼結構防火涂料[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

隨著軌道交通車輛向輕量化發展,鋁合金材料廣泛應用于軌道交通車輛結構中,包括車體結構、內裝結構等。鋁合金的熔點一般低于650 ℃,鋼結構的熔點一般為1 300 ℃左右,軌道交通車輛車體中常用的鋁型材在300 ℃左右時將喪失40%～60%的強度。根據BS 476-20[4]、ASTM E119[5]等標準,軌道交通火災的纖維類火焰在著火5 min后溫度就能達到500 ℃[6]。可以想象,未做任何防護的軌道交通車輛鋁合金車體相比建筑鋼結構,將會更早地出現坍塌,救援與滅火時間更短,一旦發生火災,將產生巨大的生命及財產損失。

4 軌道交通車輛耐火技術要求

軌道交通屬于大型城市公共運輸系統,客流量大,一旦發生災害,將會造成巨大的生命和財產損失。火災是軌道交通系統中發生風險較高、造成損失較大的災害,尤其需要關注[7]。軌道交通車輛的防火工作十分重要,同時得到了各軌道交通業主和各大主機廠的廣泛重視。近年來,軌道交通行業開始借鑒建筑領域鋼結構防火涂料的應用,將防火涂料引入軌道交通車輛的設計中,在軌道交通車輛底架耐火結構、司機室后隔墻、客室電氣柜間壁等部位開始大量應用防火涂料。防火涂料的應用,對于提升軌道交通車輛防火性能具有較大作用,對于保護乘客生命財產安全具有重要意義。

5 軌道交通車輛防火涂料應用現狀

軌道交通業主及主機廠對軌道交通車輛防火要求不斷提高,通過試驗對防火涂料的使用效果不斷進行驗證。涂覆防火涂料目前已經成為軌道交通車輛防火設計中的一項主要措施,筆者通過檢索文獻對目前軌道交通車輛防火涂料的應用案例進行調研分析,以進一步總結防火涂料在軌道交通車輛中的應用現狀。

康解云等[8]介紹了一種雙組分無溶劑環氧膨脹型防火涂料在城市軌道交通車輛中的應用,涂膜性能在當時滿足GB 14907—2002《鋼結構防火涂料》的技術要求,防火性能滿足BS 6853[9]標準要求,地板結構在著火45 min內可以保持完整,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,并通過試驗驗證了防火涂料地板結構優于傳統的使用陶瓷纖維和不銹鋼防火板的地板結構。

中車唐山機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構進行保護,制作了三個樣件,按照BS 6853標準進行試驗。通過試驗確認,采用防火漆能夠對地板整體結構形成保護,實踐中需要根據要求選用合適的防火漆,不同品牌的防火漆性能差異較大,必要時可以做防火試驗。

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,指出在防火性能達標的前提下,尋求施工簡便、成本更低的防火涂料,將給我國動車組生產制造業帶來更大的經濟效益和社會效益。

李鵬飛等[11]按照BS 6853標準對三種典型軌道交通車輛地板結構進行耐火試驗,并得出如下結論:無任何保護的鋁合金底架在試驗過程中發生結構失效,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,同時采用玻璃棉隔熱材料,可以有效保證地板結構的隔熱完整性;采用不銹鋼板和玻璃棉隔熱材料的復合結構也具有60 min耐火性能,但質量較大,并且施工復雜,對車底設備安裝還會產生限制。國外早期軌道交通車輛耐火設計中普遍采用不銹鋼板和玻璃棉隔熱材料的復合結構,但現在已較少采用。三種軌道交通車輛地板結構如圖2～圖4所示,耐火試驗結果見表1。

圖3 第二種軌道交通車輛地板結構

圖4 第三種軌道交通車輛地板結構

表1 耐火試驗結果

文獻[12]介紹了上海軌道交通15號線車輛底架結構耐火設計方案,鋁合金底架結構主要采用1.5 mm厚防火涂料及4 mm厚陶瓷纖維毯,設計中根據ASTM E119、NFPA 130[13]標準要求,制作3 m寬、4.5 m長樣件,并加載5 t質量進行耐火試驗,確認具有45 min耐火性能,同時滿足以下要求:底架背火面沒有火焰竄出,沒有出現熱氣點燃棉墊的情況;底架背火面的平均溫升不大于139 K,單點最高溫升不大于181 K。底架支撐5 t質量,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行研究分析,同時介紹了BS 6853、EN 45545[15]、NFPA 130標準的底架整體結構耐火要求。BS 6853標準和EN 45545標準要求基本一致,但與NFPA 130標準有較大差異,主要體現在樣件尺寸、載荷、溫升三個方面。文獻[14]同時還列出了防火涂料的技術要求,如粘接強度、耐沖擊性、耐凍融循環性、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、原材料質量、耐候性、測試方法等方面。

通過對上述案例的調研分析不難發現,防火涂料已經廣泛應用于國內各大主機廠的眾多項目中,并且成為軌道交通車輛技術發展的一種趨勢。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要求,一般參照鋼結構防火涂料標準提出。針對軌道交通車輛實際應用場景,需要根據相應標準做耐火試驗進行驗證。相關試驗結果表明,防火涂料的使用顯著提升了軌道交通車輛的耐火性能。同時需要對防火涂料使用過程中出現的一些問題進行分析總結,以更好地發揮防火涂料對軌道交通車輛的保護作用。

6 相關思考

防火涂料在國內軌道交通車輛項目中的應用雖然較多,但是大批量使用主要集中在最近5 a,尚未有歷經軌道交通車輛實際運行考驗達到第一個10 a大修期的成熟案例。因此,尚有諸多問題急需行業專家考慮解決,筆者由此提出幾點思考。

第一,防火涂料在軌道交通車輛中的應用借鑒于建筑領域鋼結構,目前對于產品性能的要求也大多參考鋼結構防火涂料,應該盡早建立與軌道交通車輛特點相適應的技術標準體系。針對不同主機廠、不同軌道交通車輛平臺、不同項目,應盡可能提出統一性規范,以更好地指導實際應用。同時還應建立防火涂料耐火性能的評價體系。

第二,防火涂料隨著時間的推移會發生性能衰減,如何驗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,防火涂料的壽命應該如何定義、如何驗證?防火涂料壽命到期后該如何處理,是進行局部修復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,而關鍵焊縫檢查是確保軌道交通車輛結構安全性的必要措施,對此是否有相應的有針對性的檢測手段?

以上思考需要主機廠、防火涂料廠家、行業專家共同研究,筆者初步提出一種設想,在軌道交通車輛生產過程中,專門噴涂一批防火涂料樣板安裝在軌道交通車輛上,在真實工況下隨車運行,每年取下部分樣板進行性能測試,記錄性能指標變化情況,這樣對于進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值。