上海轨道交通15号线车辆间壁结构的耐火设计

□ 杨苑斐 □ 邴泽彤 □ 龙慧琴

上海轨道交通设备发展有限公司 上海 200245

1 设计背景

上海轨道交通15号线是上海城市轨道交通网络中的一条重要线路,途经宝山、普陀、长宁、徐汇、闵行等五个行政区,正线全长约42.3 km,全程为地下线,设30座车站。上海轨道交通15号线车辆为GOA4等级全自动驾驶列车,车辆及子系统的功能与设计满足IEC 62290-1:2014[1]中的相关要求。车辆采用A型铝合金车体,每列车为四动两拖六节编组,最高速度为80 km/h。列车长140 m,宽3 m,最大载客量为2 670人[2-3]。由于为全自动驾驶列车,因此车辆材料的防火要求较高,需满足EN 45545-2:2013[4]中的HL3等级要求。与此同时,客室间壁结构、底架地板也需要满足耐火要求[5]。

2 间壁结构耐火技术要求

上海轨道交通15号线车辆技术规格书中,客室间壁结构有如下耐火要求:客室间壁能够阻挡火势蔓延至少30 min;间壁结构门应设有膨胀密封件,以确保火焰不会窜入客室,并且隔离氧气流入间壁结构;间壁结构及内部设备易于更换。

客室间壁结构位于车辆端部,如图1所示。客室间壁结构内部为电气设备柜,包含各种类型的继电器、断路器、主机、线缆等电气部件。客室间壁结构能够遮蔽电气设备柜,起装饰作用。客室间壁结构上设有能够打开的检修门,便于对内部电气设备柜进行检修、维护。由于电气设备柜内部有各种电气部件,因此存在火灾风险。为了保护乘客安全,需要对客室间壁结构进行耐火设计,以在发生火灾时为乘客提供足够的逃生时间[6-7]。

图1 客室间壁结构

按照BS 6853:1999[8]对客室间壁结构进行耐火试验。BS 6853:1999中7.2章节规定,按照BS 476-20[9]和BS 476-22[10]进行试验,车辆端部的间壁结构,包括门在内,在经过30 min燃烧后,完整度应当不受损坏。

耐火试验时,对全尺寸试验件在竖直方向进行试验。选择试验件时,应将安装在间壁结构热面和冷面,或者安装在车辆墙壁之间的所有不同种类零部件都挑选出来,作为试验件。在进行试验时,应当对固定试验件的工装进行观测,以排除因工装燃烧膨胀而产生的影响。

耐火试验的标准温度时间曲线如图2所示。试验进行30 min时,炉内温度达到近850 ℃。客室间壁结构在整个试验过程中必须保证结构完整性,不发生整体结构坍塌,外表面不出现持续10 s以上的火焰。

图2 耐火试验标准温度时间曲线

3 耐火设计方案

3.1 结构

根据上述间壁结构耐火技术要求,在充分考虑间壁结构功能、外观、耐火、轻量化等要求的基础上,对客室间壁结构进行设计,最终采用铝型材、铝蜂窝复合板、陶瓷纤维毯结构形式[11-12]。

客室间壁结构的三维模型如图3所示,实物如图4所示。

图3 客室间壁结构三维模型

图4 客室间壁结构实物

客室间壁结构及检修门整体采用铝型材,同时采用12 mm厚铝蜂窝复合板。

铝蜂窝复合板具体组成为1 mm厚铝板+10 mm厚铝蜂窝芯+1 mm厚铝板。在客室间壁结构内表面粘贴15 mm厚陶瓷纤维毯。客室间壁结构耐火设计如图5所示。

图5 客室间壁结构耐火设计

3.2 材料

由于客室间壁结构内部设置大量电气设备,因此需要设置通风格栅,保证日常通风散热。一旦内部发生火灾,还需要能够阻隔客室间壁结构内外热量及空气对流。通风格栅对客室间壁结构能否满足耐火技术要求至关重要,需要选用性能优异且经过实践验证的通风格栅。上海轨道交通15号线车辆客室间壁结构选用20 mm厚防火膨胀格栅,平时作为通风格栅使用,遇火温度达到约190 ℃时可膨胀,具有防火、阻隔热烟和毒气流通的功能。防火膨胀格栅的工作原理如图6所示。防火膨胀格栅安装后,使用防火膨胀密封胶进行密封处理。遇火时密封胶会膨胀,保证缝隙中不会有火窜出[13]。

图6 防火膨胀格栅工作原理

客室间壁结构检修门的四周及门缝处使用防火膨胀密封条进行密封处理。遇火时,密封条膨胀,可以有效阻隔火焰、热烟和毒气流通。密封条的膨胀倍率能够高达25倍,当电气柜燃烧产生变形时,仍然能够起到良好的密封效果。

为避免内部燃烧时热量过多传递到铝蜂窝复合板,导致铝蜂窝复合板损坏甚至坍塌,在间壁间隔内表面粘贴15 mm厚陶瓷纤维毯进行隔热。陶瓷纤维毯由特制陶瓷纤维长丝经特殊双面针刺工艺加工而成,具有低热导率和高温下低吸收率特性,化学性能稳定,抗化学腐蚀能力强,并且具有良好的隔热性能、较高的抗拉强度,以及优良的抗振与吸声性能,裁剪、安装简便,能够长期耐受1 200 ℃高温使用。陶瓷纤维毯粘贴时需要使用耐高温胶水,同时辅助使用机械固定方式,以避免在高温情况下陶瓷纤维毯从客室间壁结构上脱落,导致客室间壁结构失效。粘贴完成后,在表面包覆铝箔以保持美观。

间壁结构采用铝蜂窝复合板,受到高温时,铝蜂窝复合板内部胶体容易熔化并流淌出来,可能导致燃烧。对此,采用0.8 mm厚不锈钢板对客室间壁结构中所有铝蜂窝封边位置进行包裹,并拉铆钉进行固定。不锈钢板封闭之后,再采用防火密封胶对所有缝隙处进行封堵。

客室间壁结构的门锁、锁孔、折页等均为防火薄弱点,需要根据结构类型进行防火密封处理,保证在耐火试验时火焰不从缝隙位置窜出。可在客室间壁结构门锁位置增加保护罩,材质可选择铝或不锈钢,并用机械固定的方法进行固定。在保护罩内外两侧均喷涂1 mm厚防火涂料,涂料遇火膨胀可包裹折页、铰链、锁孔,避免传热。

尽量减小胶水的使用量,避免试验过程中胶水流淌引起火焰燃烧,因为大部分胶水都不耐高温。所有缝隙都需要使用防火膨胀类产品进行密封处理,并且在门缝处设计粘接防火膨胀胶条的凹槽,避免试验时由于结构变形产生缝隙,导致窜火现象。对于关键部位,应尽量选择已有大量应用案例的产品,确保产品的稳定性。

4 试验验证

根据设计方案制作客室间壁结构耐火试验的试验件,试验件高为1 900 mm,长为850 mm,斜面最大处宽为617 mm,斜面最小处宽为525 mm。客室间壁结构耐火试验试验件如图7所示。

图7 客室间壁结构耐火试验试验件

选择具有资质的实验室,将客室间壁结构按照实际使用时的位置固定于一个竖直耐火炉的试验框架内,框架高与宽均为3 m,电气设备柜内表面作为受火面。耐火试验现场如图8所示。

图8 客室间壁结构耐火试验现场

按照BS 476-20 和BS 476-22标准中的规定进行耐火试验,炉内温度按图2所示曲线执行[14]。在试验过程中观察试验件背火面情况,确认是否出现明火,并目视检查产烟情况。

耐火试验中,连续记录炉内温度、试验件背火面温度、炉内压力、环境温度,记录间隔均不长于1 min。如果需要,采用移动热电偶测量试验件背火面温度。在特定情况下,采用缝隙探棒和棉垫记录缝隙的情况。

上海轨道交通15号线车辆客室间壁结构试验件顺利通过了30 min耐火试验,验证了耐火设计方案的合理性。试验后客室间隔结构试验件状态如图9所示。

图9 耐火试验后客室间壁结构试验件状态

5 结束语

上海轨道交通15号线车辆间壁结构耐火设计合理,试验件顺利通过了30 min耐火试验,为后续全自动驾驶列车间壁结构的耐火设计提供了参考。

在后续项目设计时,可以从以下方面进行研究:铝蜂窝复合板内部的胶体如何既能保证粘接强度,又能耐高温使用;是否可以采用一些新型轻量化、高强度、耐高温材料,使间壁结构进一步实现轻量化;对于间壁结构的耐火技术要求,除了完整性,还可以增加绝热性。