防火涂料在轨道交通车辆中应用的研究

杨苑斐 汤云哲

上海轨道交通设备发展有限公司 上海 200245

1 防火涂料概述

防火涂料是涂覆于基材表面,对基材起装饰与保护作用的涂料[1]。防火涂料具有普通涂料的防腐、防锈、耐酸碱、耐盐雾等性能,自身具有不燃性或难燃性,在火灾发生时能够阻止燃烧,或对燃烧产生延滞作用[2]。防火涂料能够在一定的时间内保护基材,避免基材参与燃烧,阻止或抑制燃烧的扩展,从而为灭火工作争取更多的时间,保护人民生命财产安全。防火涂料一般由乳液基料、阻燃体系、无机填料、助剂等成分组成,按照机理可以分为膨胀型、非膨胀型,按照组成可以分为溶剂性、水性,按照使用厚度可以分为超薄型、薄型、厚型。典型超薄膨胀型水性防火涂料如图1所示。

2 钢结构防火

防火涂料最初广泛应用于建筑、化工、船舶、电缆、建筑、文物保护等行业。特别是在建筑行业的钢结构中,防火涂料得到大量使用。钢结构具有高强度、高韧性、抗震、轻质、价廉等优点,在建筑行业中得到广泛应用。钢材虽然属于不易燃烧材料,但导热性能好,在高温下会因迅速受热失去强度而变形。研究表明,当温度达到540 ℃时,钢结构的屈服应力仅有常温时屈服应力的40%,承载能力急剧降低。火灾时温度一般在800～1 200 ℃之间,在火灾发生的最初15 min内,火场温度可高达700 ℃,裸露的钢结构会因达到耐火极限而丧失承载能力,进而发生坍塌。因此,对钢结构进行保护十分有必要。在实际工程中,应用最广泛且经济有效的方法就是喷涂钢结构防火涂料[3]。

图1 典型超薄膨胀型水性防火涂料

3 轨道交通车辆铝合金车体特点

随着轨道交通车辆向轻量化发展,铝合金材料广泛应用于轨道交通车辆结构中,包括车体结构、内装结构等。铝合金的熔点一般低于650 ℃,钢结构的熔点一般为1 300 ℃左右,轨道交通车辆车体中常用的铝型材在300 ℃左右时将丧失40%～60%的强度。根据BS 476-20[4]、ASTM E119[5]等标准,轨道交通火灾的纤维类火焰在着火5 min后温度就能达到500 ℃[6]。可以想象,未做任何防护的轨道交通车辆铝合金车体相比建筑钢结构,将会更早地出现坍塌,救援与灭火时间更短,一旦发生火灾,将产生巨大的生命及财产损失。

4 轨道交通车辆耐火技术要求

轨道交通属于大型城市公共运输系统,客流量大,一旦发生灾害,将会造成巨大的生命和财产损失。火灾是轨道交通系统中发生风险较高、造成损失较大的灾害,尤其需要关注[7]。轨道交通车辆的防火工作十分重要,同时得到了各轨道交通业主和各大主机厂的广泛重视。近年来,轨道交通行业开始借鉴建筑领域钢结构防火涂料的应用,将防火涂料引入轨道交通车辆的设计中,在轨道交通车辆底架耐火结构、司机室后隔墙、客室电气柜间壁等部位开始大量应用防火涂料。防火涂料的应用,对于提升轨道交通车辆防火性能具有较大作用,对于保护乘客生命财产安全具有重要意义。

5 轨道交通车辆防火涂料应用现状

轨道交通业主及主机厂对轨道交通车辆防火要求不断提高,通过试验对防火涂料的使用效果不断进行验证。涂覆防火涂料目前已经成为轨道交通车辆防火设计中的一项主要措施,笔者通过检索文献对目前轨道交通车辆防火涂料的应用案例进行调研分析,以进一步总结防火涂料在轨道交通车辆中的应用现状。

康解云等[8]介绍了一种双组分无溶剂环氧膨胀型防火涂料在城市轨道交通车辆中的应用,涂膜性能在当时满足GB 14907—2002《钢结构防火涂料》的技术要求,防火性能满足BS 6853[9]标准要求,地板结构在着火45 min内可以保持完整,并且背火面平均温度不超过250 ℃,最高温度不超过300 ℃。

陈小伟等[10]介绍了防火涂料在轨道交通车辆中的应用,指出目前轨道交通车辆中所使用的防火涂料均为膨胀型防火涂料,并通过试验验证了防火涂料地板结构优于传统的使用陶瓷纤维和不锈钢防火板的地板结构。

中车唐山机车车辆公司与中车青岛四方车辆研究所公司分别使用陶瓷纤维和防火漆对地板结构进行保护,制作了三个样件,按照BS 6853标准进行试验。通过试验确认,采用防火漆能够对地板整体结构形成保护,实践中需要根据要求选用合适的防火漆,不同品牌的防火漆性能差异较大,必要时可以做防火试验。

唐山轨道客车公司研究了防火涂料代替动车组用防火毛毡的可行性,指出在防火性能达标的前提下,寻求施工简便、成本更低的防火涂料,将给我国动车组生产制造业带来更大的经济效益和社会效益。

李鹏飞等[11]按照BS 6853标准对三种典型轨道交通车辆地板结构进行耐火试验,并得出如下结论:无任何保护的铝合金底架在试验过程中发生结构失效,无法满足耐火要求;喷涂800μm阻尼型防火涂料,可具有到60 min耐火性能,同时采用玻璃棉隔热材料,可以有效保证地板结构的隔热完整性;采用不锈钢板和玻璃棉隔热材料的复合结构也具有60 min耐火性能,但质量较大,并且施工复杂,对车底设备安装还会产生限制。国外早期轨道交通车辆耐火设计中普遍采用不锈钢板和玻璃棉隔热材料的复合结构,但现在已较少采用。三种轨道交通车辆地板结构如图2～图4所示,耐火试验结果见表1。

图3 第二种轨道交通车辆地板结构

图4 第三种轨道交通车辆地板结构

表1 耐火试验结果

文献[12]介绍了上海轨道交通15号线车辆底架结构耐火设计方案,铝合金底架结构主要采用1.5 mm厚防火涂料及4 mm厚陶瓷纤维毯,设计中根据ASTM E119、NFPA 130[13]标准要求,制作3 m宽、4.5 m长样件,并加载5 t质量进行耐火试验,确认具有45 min耐火性能,同时满足以下要求:底架背火面没有火焰窜出,没有出现热气点燃棉垫的情况;底架背火面的平均温升不大于139 K,单点最高温升不大于181 K。底架支撑5 t质量,最大变形量也满足要求。戴惠新等[14]对城市轨道交通车辆的防火性能进行研究分析,同时介绍了BS 6853、EN 45545[15]、NFPA 130标准的底架整体结构耐火要求。BS 6853标准和EN 45545标准要求基本一致,但与NFPA 130标准有较大差异,主要体现在样件尺寸、载荷、温升三个方面。文献[14]同时还列出了防火涂料的技术要求,如粘接强度、耐冲击性、耐冻融循环性、耐酸碱性、耐盐雾腐蚀性等,并提出了防火涂料使用中的一些问题,包括施工、原材料质量、耐候性、测试方法等方面。

通过对上述案例的调研分析不难发现,防火涂料已经广泛应用于国内各大主机厂的众多项目中,并且成为轨道交通车辆技术发展的一种趋势。目前,轨道交通车辆使用的防火涂料均为膨胀型防火涂料,对于防火涂料的性能与技术要求,一般参照钢结构防火涂料标准提出。针对轨道交通车辆实际应用场景,需要根据相应标准做耐火试验进行验证。相关试验结果表明,防火涂料的使用显著提升了轨道交通车辆的耐火性能。同时需要对防火涂料使用过程中出现的一些问题进行分析总结,以更好地发挥防火涂料对轨道交通车辆的保护作用。

6 相关思考

防火涂料在国内轨道交通车辆项目中的应用虽然较多,但是大批量使用主要集中在最近5 a,尚未有历经轨道交通车辆实际运行考验达到第一个10 a大修期的成熟案例。因此,尚有诸多问题急需行业专家考虑解决,笔者由此提出几点思考。

第一,防火涂料在轨道交通车辆中的应用借鉴于建筑领域钢结构,目前对于产品性能的要求也大多参考钢结构防火涂料,应该尽早建立与轨道交通车辆特点相适应的技术标准体系。针对不同主机厂、不同轨道交通车辆平台、不同项目,应尽可能提出统一性规范,以更好地指导实际应用。同时还应建立防火涂料耐火性能的评价体系。

第二,防火涂料随着时间的推移会发生性能衰减,如何验证使用一定期限后的防火涂料能够满足轨道交通车辆底架耐火要求?

第三,防火涂料的寿命应该如何定义、如何验证?防火涂料寿命到期后该如何处理,是进行局部修复还是移除后重新喷涂?

第四,防火涂料覆盖了轨道交通车辆车体底架焊缝,而关键焊缝检查是确保轨道交通车辆结构安全性的必要措施,对此是否有相应的有针对性的检测手段?

以上思考需要主机厂、防火涂料厂家、行业专家共同研究,笔者初步提出一种设想,在轨道交通车辆生产过程中,专门喷涂一批防火涂料样板安装在轨道交通车辆上,在真实工况下随车运行,每年取下部分样板进行性能测试,记录性能指标变化情况,这样对于进一步研究防火涂料的性能衰减、评估防火涂料使用寿命具有参考价值。