美國海軍艦船的耐火分隔技術發展

1 引 言

火災無論在戰爭期間還是在和平時期都會給艦船及人員帶來巨大危害。上世紀50～60年代美國海軍海上系統司令部就對海軍艦船防火安全提出了一系列要求，對艦船艙壁等的耐火隔熱和熱量傳遞給出了限定[1-4]。美國海軍研究實驗室(NRL)、美國水面戰中心和美國海岸警衛隊研究發展中心都對艦船的防火安全問題和耐火分隔技術及材料進行了大量的研究試驗工作[5,6]。特別是近年來為了應對現代戰爭環境下艦船的防護要求，美國海軍海上系統司令部又對艦船耐火分隔提出了更高要求，即N級耐火分隔要求。同時艦船為了減輕上層建筑的重量，使用了大量復合材料和鋁合金材料，因此對結構件的耐火分隔技術和材料的要求比A級耐火分隔有了進一步的提高[7]。N級耐火分隔與A級耐火分隔的關鍵區別在于,耐火燃燒試驗中前者采用快速升溫的UL-1709標準作為燃燒升溫條件，同時要求在試驗前增加沖擊試驗。因而N級耐火分隔對絕熱材料的性能有很高的要求。

2 N級耐火試驗的特點

N級耐火試驗的主要特點包括：

1) 燃燒試驗的升溫要求比A級耐火燃燒試驗苛刻。A級耐火燃燒試驗采用的是標準升溫曲線，在第60 min時溫度上升至926 ℃。而N級耐火試驗采用的是碳氫類燃燒升溫曲線試驗[8]，燃燒試驗的熱流密度為204±16 kW/m2，要求在最初的5 min內爐內平均溫度達到1 093±111°C，并一直保持這一溫度。N級耐火試驗升溫曲線與A級耐火試驗升溫曲線的差別如圖1所示。

圖1 N級與A級耐火升溫曲線的比較

2) 在耐火試驗前先要根據MIL-S-901標準進行沖擊試驗，在錘重不低于3 357 kg的沖擊試驗下，要求絕熱層的結構保持完整并且不影響耐火效果。

3 N級耐火分隔的定義

N級耐火分隔由符合下列要求的艙壁和甲板組成:

1) 應以鋼或其它等效的材料制造，包括應用于上層建筑的復合材料；

2) 應有適當的防撓加強；

3) 構造應可在耐火試驗時間內防止煙及火焰的通過；

4) 應是經認可的隔熱不燃材料，使其在下列時間內背火面的平均溫度較原始溫度升高不超過140℃，且包括任何接頭在內的任一點溫度較原始溫度升高不超過180 ℃。

N-60級 60 min

N-30級 30 min

N-0級 0 min

其中,N-0級耐火分隔沒有背面升溫要求，但要求至少在30 min的耐火試驗條件下，背面沒有火焰竄過。

4 N級耐火分隔的絕熱材料

早期用于美國海軍艦船的耐火分隔的絕熱材料主要是陶瓷棉，但近年來陶瓷棉被認為對人體有害,因此已被美國海軍部門禁止使用。

美國海軍針對N級耐火分隔的要求,對多種被動式防火材料進行了研究和試驗，主要有可溶性硅酸鹽纖維、膨脹型防火涂層和納米孔氣凝膠復合材料。但目前通過美國海軍部門認可的材料僅有可溶性硅酸鹽纖維[9]。其它材料要么有缺陷要么還在試驗之中，所以尚未得到正式應用。

4.1 可溶性硅酸鹽纖維

可溶性硅酸鹽纖維是一種含鈣、鎂元素的堿土金屬硅酸鹽纖維(AES)，它具有在人體內部可溶性的特點，是一種綠色環保型防火絕熱材料。它的熔點溫度為1 260 ℃，長期使用溫度超過900 ℃。該材料在國外船舶的A級耐火分隔上已得到廣泛應用，目前已發展成海洋平臺H級耐火分隔及美國海軍艦船N級耐火分隔的主要絕熱層[10]。其中美國熱陶瓷公司的StructoGard制品和美國奇耐纖維公司的Insulfrax制品已通過了N-30耐火分隔實驗認證。如使用容重為116 kg/m3的StructoGard纖維氈在鋼板兩面分別貼敷1 in(25.4 mm)厚的制品,或在背火面貼敷3.5 in(88.9 mm)厚的制品，采用碰釘固定即可達到N-30級耐火分隔的要求。

4.2 膨脹型防火涂層

防火涂層具有良好的防火性能且維護方便，上世紀70年代在開發出新型環氧膨脹型防火涂料后，即引起了海洋工程研究人員和軍方的重視。這種材料在受到火焰高溫輻射時，能迅速膨脹形成具有隔熱作用的碳化層，從而在火焰和被保護基體之間筑成一道熱屏障。但遇到高溫時，在膨脹過程中會釋放出有毒氣體和煙霧，使得此類材料不適合在一些密閉場所使用,這些場所要優先考慮人的生命安全。美國海軍研究實驗室根據大量的調查和試驗，認為雖然膨脹型防火涂層能達到N級隔熱的要求，但還存在如燃燒時涂層會掉落等[11]一些問題。現有的膨脹型防火涂料還不能滿足艦船在作戰環境下的使用要求，這方面的技術還有待進一步的研究和改進。

4.3 納米孔氣凝膠材料

由于美國海軍艦船N級耐火分隔對所使用的耐火絕熱層的單位面積重量和厚度均有限制,因此需要一種高性能的耐火絕熱材料。

納米孔氣凝膠是一種多孔的、具有納米級結構的輕質絕熱材料，這種材料最早由美國宇航局研制，并制成絕熱瓦應用在航天飛機上。但由于這種材料成本高,使得在其它領域的推廣使用受到限制。美國宇航局創建的阿斯膨氣凝膠公司針對美國海軍艦船的需要開發出了低成本的納米孔氣凝膠復合材料[12]。納米孔氣凝膠復合材料與傳統的絕熱材料相比具有優異的絕熱效果，因此在減輕重量和節約空間方面有很大的先進性，因而受到美國海軍部門的重視。

5 N級耐火分隔的典型結構形式

目前對N級耐火分隔的基本結構形式是采用碰釘將絕熱材料貼敷在結構材料表面。以下介紹幾種典型的艙壁耐火分隔結構形式，絕熱材料采用容重為116 kg/m3的可溶性硅酸鹽纖維氈，耐火等級為N-30級。

5.1 鋼質板材的N-30級艙壁結構

圖2 雙面絕熱層鋼質艙壁N-30級耐火分隔

圖2為在有扶強材鋼板的兩側貼敷厚度25 mm的絕熱材料。這種結構要求有扶強材的一側向火進行耐火試驗，即認為是能阻擋任一側的火源通過。

圖3為在帶扶強材一側的鋼板上貼敷每層厚44 mm，共兩層的絕熱材料。這種結構如試驗時鋼板面向火，可認為能阻擋任一側的火源通過。如在試驗時絕熱材料向火進行耐火試驗，則僅被認為能阻擋來自絕熱材料方向的火源通過。

圖3 單面絕熱層鋼質艙壁N-30級耐火分隔

5.2 鋁質板材的N-30級艙壁結構

由于鋁質材料本身無法承受耐火試驗的高溫，美國海軍部門規定在艙壁結構中鋁質材料的溫度不能超過200 ℃。因此，未帶絕熱材料的鋁質板材直接向火是不現實的，鋁質艙壁板的兩側都必須貼敷絕熱層。

圖4為在帶扶強材的鋁質板材兩側各貼敷每層厚38 mm共兩層的絕熱材料。試驗時鋼板面向火，則可認為能阻擋任何一側的火源通過。

圖4 帶扶強材的鋁質板艙壁N-30級耐火分隔

圖5為未帶扶強材的鋁質板材兩側各貼敷每層厚38 mm共兩層的絕熱材料。由于兩側相等，因此可認為能阻擋任何一側的火源通過。

圖5 鋁質平板艙壁N-30級耐火分隔

5.3 復合材料的N-30級艙壁結構

這是一種夾層式復合材料，它的中間是76 mm厚的軟木，兩側各有7 mm厚的纖維增強板。到目前為止還未研制出可經受1 000 ℃以上的有機樹脂的復合材料，因此只能在貼敷絕熱材料的一側向火進行耐火試驗。由于軟木也具有良好的絕熱效果，控制背面溫度的上升不超過140 ℃是比較容易做到的，因此絕熱材料主要是保護復合材料所能承受的臨界溫度。美國海軍現已認可用E玻璃纖維增強的阻燃性乙烯基酯樹脂復合材料，在向火面貼敷每層厚16 mm共兩層的絕熱材料結構件作為N-30級耐火分隔,如圖6所示。

圖6 復合材料的N-30級艙壁結構

6 結束語

N級耐火分隔作為一種要求較高的艦船防火設施，也被一些西方國家海軍部門仿效。不過由于絕熱材料的關系，美國海軍艦船到目前為止還未能做到N-60級耐火分隔。因此我國應加強這方面的研究工作，以適應對現代海軍艦船的需求。這里應包括兩個方面：一方面進行新材料的研制，以獲得具有優良隔熱效果的材料來滿足高等級的耐火要求；另一方面是建立N級耐火分隔的試驗裝置，來驗證和確定N級耐火分隔的技術等級。另外，在海洋工程領域對耐火分隔又提出了更高要求的燃燒試驗標準，因此也需要及時跟蹤和探索。

參考文獻:

[1] DARWIN R L,MCCANN R B. Fire protection aboard U.S.navy ships[J].National Safety Congress Transaction,National Safety Council, 1968, 14(10).

[2] HETTCHE L R.SCHINDLER A L.Naval structural materials:requirements, issues and opportunities[J].Naval Research Reviews, 1978,31(6): 1-25.

[3] MIL-PRF-32161.Performance specification insulation,high temperature fire protection,thermal and acoustic[S].2004.

[4] BOYER L.Thermal radiation from marine fire boundarier evalnation and analysis of A-60,A-30,A-15 and bulkhead assemblies,CG-D-01-94[R].San Antonio,Texas:Southwest Research Institute,1994.

[5] VENTRIGLIO D R. Fire safe materials for navy ships[J].Naval Engineers Journal ,1982 ,94(5): 65-74.

[6] PARKER A J,BEITEL J J,BEYLER C L. Fire test program to verify the calculation method of determining the A-30 and A-15 thickness of approved deck and bulkhead insulation materials,ADA414235[R].Baltimore, MD: Technical Information Center, Hughes Associates Inc.,Defense,2003.

[7] GREEENE E. Labor-saving passive fire protection systems for aluminum and composite construction,PB2005-108998[R].Springfield,VA:National Technical Information Service, U.S.Dept of Commerce,2005.

[8] UL 1709 Rapid rise fire tests of protection materials for structural steel[S].2007.

[9] SORATHIA U. Fire resistant divisions in U.S.naval ships[C]∥Anthony J:SAMPE 2007 M&P-Coast-to-Coast and Around the World,52nd Int' l SAMPE Symposium & Exhibition,Baltimore,MD: DEStech,publications,Inc,2007.

[10] BEESTON A.Reducing the weight of structural fireprotection in composite ships[J].BrandPosten,2006,(34):16-17.

[11] SORATHIA U.Improving the fire performance characteristics of composite materials for naval applications[J].The AMPTIAC Quarterly, 2003,7(3):49-54.

[12] PAYTON S C.First annual report to congress defense,acquisition challenge program fiscal year 2003[R]. United States Department of Defense, 2004.