軌道車輛地板耐火性能分析研究

張建敏 郭會生 劉小霞 陳淑娟 王麗娟

(1.中車唐山機車車輛有限公司，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準體系包括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準。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間；保證車輛在必要的運行能力下運行到指定位置再進行疏散。

國內(nèi)車輛耐火結(jié)構(gòu)采用英國BS 6853和歐盟EN 45545標準的較多。近幾年，因北美軌道車輛項目持續(xù)火熱，帶動車輛地板耐火結(jié)構(gòu)符合北美標準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：在標準耐火試驗條件下，當建筑分隔構(gòu)件一面受火時，在一定時間內(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：在標準耐火試驗條件下，當建筑分隔構(gòu)件一面受火時，在一定時間內(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)定的試驗載荷，其變形的大小和速率均未超過標準規(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——試件截面上抗壓點和抗拉點間的距離，mm。

表1為軌道車輛國際三大防火標準體系對地板耐火測試的判定依據(jù)。

表1 不同標準體系的軌道車輛地板耐火隔斷判定依據(jù)

2 各標準體系的地板耐火隔斷要求

各標準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)危險源辨識結(jié)果，對車下安裝有大功率設(shè)備、內(nèi)燃機、加熱設(shè)備等區(qū)域，要求進行地板耐火設(shè)計；BS 6853和NFPA 130對耐火區(qū)域沒有特殊要求，根據(jù)實際車輛結(jié)構(gòu)選擇有貫穿孔等耐火完整性比較薄弱的區(qū)域進行測試；NFPA 130還考慮到地板組成的承載情況。

表2為各標準體系對地板隔斷耐火區(qū)域設(shè)置及性能要求。

表2 不同標準體系的耐火隔斷布置及要求

3 各標準體系測試要求差異

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

EN 1363-1與BS 476-20升溫曲線計算公式：

θ=345 log10(8t+1)+20

式中：

θ——爐內(nèi)平均溫度，℃

t——時間，min

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

圖1對比了各測試標準在測試開始后第一個小時內(nèi)各時間點爐內(nèi)溫度情況。

圖1 各測試標準在測試開始后第1個小時內(nèi)各時間點爐內(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，基于該標準的要求，中車唐山機車車輛有限公司對某一研制項目地板進行了實際測試驗證。以該項目為案例，對地板耐火組件的設(shè)計、試制、組裝及測試進行分析。

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標準,對地板樣件進行了完整性、隔熱性及高溫變形量的測試。在第22分鐘時火焰從背火面冒出，試驗失敗。

4.3 測試失敗原因分析

在本次試驗中，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氣體。經(jīng)分析，試驗失敗的主要原因為：防寒材變色且性狀發(fā)生變化，估計參與了燃燒；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，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。高溫下熱解出可燃氣體在空腔內(nèi)積聚，達到一定壓力后通往外界，遇到空氣發(fā)生閃燃。

2) 試驗樣件隔熱性較差。背火面平均溫升在第22分鐘時已達到92 ℃。

3) 試驗樣件在高溫下負載變形的能力尚可。

4.4 樣件結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化方案

基于地板樣件試驗失敗原因分析，樣件整改的目標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，通過車體靜強度試驗后則無需考慮高溫負載而特意增加剛度，所以本研制項目的鋼結(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更高的材料。安裝時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)部可燃氣體的產(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，樣件測試滿足標準要求。

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間為30 min。通常的做法是，測試30 min后，如果試驗結(jié)果依然符合標準的判定要求，試驗會持續(xù)進行直至試驗失敗。此時爐內(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)的熔點較低，對于鋁合金車體，底架需要防火膨脹材料的保護。

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