□ 楊苑斐 □ 邴澤彤 □ 龍慧琴

上海軌道交通設備發(fā)展有限公司 上海 200245

1 設計背景

上海軌道交通15號線是上海城市軌道交通網絡中的一條重要線路,途經寶山、普陀、長寧、徐匯、閔行等五個行政區(qū),正線全長約42.3 km,全程為地下線,設30座車站。上海軌道交通15號線車輛為GOA4等級全自動駕駛列車,車輛及子系統的功能與設計滿足IEC 62290-1:2014[1]中的相關要求。車輛采用A型鋁合金車體,每列車為四動兩拖六節(jié)編組,最高速度為80 km/h。列車長140 m,寬3 m,最大載客量為2 670人[2-3]。由于為全自動駕駛列車,因此車輛材料的防火要求較高,需滿足EN 45545-2:2013[4]中的HL3等級要求。與此同時,客室間壁結構、底架地板也需要滿足耐火要求[5]。

2 間壁結構耐火技術要求

上海軌道交通15號線車輛技術規(guī)格書中,客室間壁結構有如下耐火要求:客室間壁能夠阻擋火勢蔓延至少30 min;間壁結構門應設有膨脹密封件,以確?；鹧娌粫Z入客室,并且隔離氧氣流入間壁結構;間壁結構及內部設備易于更換。

客室間壁結構位于車輛端部,如圖1所示?？褪议g壁結構內部為電氣設備柜,包含各種類型的繼電器、斷路器、主機、線纜等電氣部件。客室間壁結構能夠遮蔽電氣設備柜,起裝飾作用?？褪议g壁結構上設有能夠打開的檢修門,便于對內部電氣設備柜進行檢修、維護。由于電氣設備柜內部有各種電氣部件,因此存在火災風險。為了保護乘客安全,需要對客室間壁結構進行耐火設計,以在發(fā)生火災時為乘客提供足夠的逃生時間[6-7]。

圖1 客室間壁結構

按照BS 6853:1999[8]對客室間壁結構進行耐火試驗。BS 6853:1999中7.2章節(jié)規(guī)定,按照BS 476-20[9]和BS 476-22[10]進行試驗,車輛端部的間壁結構,包括門在內,在經過30 min燃燒后,完整度應當不受損壞。

耐火試驗時,對全尺寸試驗件在豎直方向進行試驗。選擇試驗件時,應將安裝在間壁結構熱面和冷面,或者安裝在車輛墻壁之間的所有不同種類零部件都挑選出來,作為試驗件。在進行試驗時,應當對固定試驗件的工裝進行觀測,以排除因工裝燃燒膨脹而產生的影響。

耐火試驗的標準溫度時間曲線如圖2所示。試驗進行30 min時,爐內溫度達到近850 ℃?？褪议g壁結構在整個試驗過程中必須保證結構完整性,不發(fā)生整體結構坍塌,外表面不出現持續(xù)10 s以上的火焰。

圖2 耐火試驗標準溫度時間曲線

3 耐火設計方案

3.1 結構

根據上述間壁結構耐火技術要求,在充分考慮間壁結構功能、外觀、耐火、輕量化等要求的基礎上,對客室間壁結構進行設計,最終采用鋁型材、鋁蜂窩復合板、陶瓷纖維毯結構形式[11-12]。

客室間壁結構的三維模型如圖3所示,實物如圖4所示。

圖3 客室間壁結構三維模型

圖4 客室間壁結構實物

客室間壁結構及檢修門整體采用鋁型材,同時采用12 mm厚鋁蜂窩復合板。

鋁蜂窩復合板具體組成為1 mm厚鋁板+10 mm厚鋁蜂窩芯+1 mm厚鋁板。在客室間壁結構內表面粘貼15 mm厚陶瓷纖維毯。客室間壁結構耐火設計如圖5所示。

圖5 客室間壁結構耐火設計

3.2 材料

由于客室間壁結構內部設置大量電氣設備,因此需要設置通風格柵,保證日常通風散熱。一旦內部發(fā)生火災,還需要能夠阻隔客室間壁結構內外熱量及空氣對流。通風格柵對客室間壁結構能否滿足耐火技術要求至關重要,需要選用性能優(yōu)異且經過實踐驗證的通風格柵。上海軌道交通15號線車輛客室間壁結構選用20 mm厚防火膨脹格柵,平時作為通風格柵使用,遇火溫度達到約190 ℃時可膨脹,具有防火、阻隔熱煙和毒氣流通的功能。防火膨脹格柵的工作原理如圖6所示。防火膨脹格柵安裝后,使用防火膨脹密封膠進行密封處理。遇火時密封膠會膨脹,保證縫隙中不會有火竄出[13]。

圖6 防火膨脹格柵工作原理

客室間壁結構檢修門的四周及門縫處使用防火膨脹密封條進行密封處理。遇火時,密封條膨脹,可以有效阻隔火焰、熱煙和毒氣流通。密封條的膨脹倍率能夠高達25倍,當電氣柜燃燒產生變形時,仍然能夠起到良好的密封效果。

為避免內部燃燒時熱量過多傳遞到鋁蜂窩復合板,導致鋁蜂窩復合板損壞甚至坍塌,在間壁間隔內表面粘貼15 mm厚陶瓷纖維毯進行隔熱。陶瓷纖維毯由特制陶瓷纖維長絲經特殊雙面針刺工藝加工而成,具有低熱導率和高溫下低吸收率特性,化學性能穩(wěn)定,抗化學腐蝕能力強,并且具有良好的隔熱性能、較高的抗拉強度,以及優(yōu)良的抗振與吸聲性能,裁剪、安裝簡便,能夠長期耐受1 200 ℃高溫使用。陶瓷纖維毯粘貼時需要使用耐高溫膠水,同時輔助使用機械固定方式,以避免在高溫情況下陶瓷纖維毯從客室間壁結構上脫落,導致客室間壁結構失效。粘貼完成后,在表面包覆鋁箔以保持美觀。

間壁結構采用鋁蜂窩復合板,受到高溫時,鋁蜂窩復合板內部膠體容易熔化并流淌出來,可能導致燃燒。對此,采用0.8 mm厚不銹鋼板對客室間壁結構中所有鋁蜂窩封邊位置進行包裹,并拉鉚釘進行固定。不銹鋼板封閉之后,再采用防火密封膠對所有縫隙處進行封堵。

客室間壁結構的門鎖、鎖孔、折頁等均為防火薄弱點,需要根據結構類型進行防火密封處理,保證在耐火試驗時火焰不從縫隙位置竄出?？稍诳褪议g壁結構門鎖位置增加保護罩,材質可選擇鋁或不銹鋼,并用機械固定的方法進行固定。在保護罩內外兩側均噴涂1 mm厚防火涂料,涂料遇火膨脹可包裹折頁、鉸鏈、鎖孔,避免傳熱。

盡量減小膠水的使用量,避免試驗過程中膠水流淌引起火焰燃燒,因為大部分膠水都不耐高溫。所有縫隙都需要使用防火膨脹類產品進行密封處理,并且在門縫處設計粘接防火膨脹膠條的凹槽,避免試驗時由于結構變形產生縫隙,導致竄火現象。對于關鍵部位,應盡量選擇已有大量應用案例的產品,確保產品的穩(wěn)定性。

4 試驗驗證

根據設計方案制作客室間壁結構耐火試驗的試驗件,試驗件高為1 900 mm,長為850 mm,斜面最大處寬為617 mm,斜面最小處寬為525 mm。客室間壁結構耐火試驗試驗件如圖7所示。

圖7 客室間壁結構耐火試驗試驗件

選擇具有資質的實驗室,將客室間壁結構按照實際使用時的位置固定于一個豎直耐火爐的試驗框架內,框架高與寬均為3 m,電氣設備柜內表面作為受火面。耐火試驗現場如圖8所示。

圖8 客室間壁結構耐火試驗現場

按照BS 476-20 和BS 476-22標準中的規(guī)定進行耐火試驗,爐內溫度按圖2所示曲線執(zhí)行[14]。在試驗過程中觀察試驗件背火面情況,確認是否出現明火,并目視檢查產煙情況。

耐火試驗中,連續(xù)記錄爐內溫度、試驗件背火面溫度、爐內壓力、環(huán)境溫度,記錄間隔均不長于1 min。如果需要,采用移動熱電偶測量試驗件背火面溫度。在特定情況下,采用縫隙探棒和棉墊記錄縫隙的情況。

上海軌道交通15號線車輛客室間壁結構試驗件順利通過了30 min耐火試驗,驗證了耐火設計方案的合理性。試驗后客室間隔結構試驗件狀態(tài)如圖9所示。

圖9 耐火試驗后客室間壁結構試驗件狀態(tài)

5 結束語

上海軌道交通15號線車輛間壁結構耐火設計合理,試驗件順利通過了30 min耐火試驗,為后續(xù)全自動駕駛列車間壁結構的耐火設計提供了參考。

在后續(xù)項目設計時,可以從以下方面進行研究:鋁蜂窩復合板內部的膠體如何既能保證粘接強度,又能耐高溫使用;是否可以采用一些新型輕量化、高強度、耐高溫材料,使間壁結構進一步實現輕量化;對于間壁結構的耐火技術要求,除了完整性,還可以增加絕熱性。