美国海军舰船的耐火分隔技术发展

1 引 言

火灾无论在战争期间还是在和平时期都会给舰船及人员带来巨大危害。上世纪50～60年代美国海军海上系统司令部就对海军舰船防火安全提出了一系列要求，对舰船舱壁等的耐火隔热和热量传递给出了限定[1-4]。美国海军研究实验室(NRL)、美国水面战中心和美国海岸警卫队研究发展中心都对舰船的防火安全问题和耐火分隔技术及材料进行了大量的研究试验工作[5,6]。特别是近年来为了应对现代战争环境下舰船的防护要求，美国海军海上系统司令部又对舰船耐火分隔提出了更高要求，即N级耐火分隔要求。同时舰船为了减轻上层建筑的重量，使用了大量复合材料和铝合金材料，因此对结构件的耐火分隔技术和材料的要求比A级耐火分隔有了进一步的提高[7]。N级耐火分隔与A级耐火分隔的关键区别在于,耐火燃烧试验中前者采用快速升温的UL-1709标准作为燃烧升温条件，同时要求在试验前增加冲击试验。因而N级耐火分隔对绝热材料的性能有很高的要求。

2 N级耐火试验的特点

N级耐火试验的主要特点包括：

1) 燃烧试验的升温要求比A级耐火燃烧试验苛刻。A级耐火燃烧试验采用的是标准升温曲线，在第60 min时温度上升至926 ℃。而N级耐火试验采用的是碳氢类燃烧升温曲线试验[8]，燃烧试验的热流密度为204±16 kW/m2，要求在最初的5 min内炉内平均温度达到1 093±111°C，并一直保持这一温度。N级耐火试验升温曲线与A级耐火试验升温曲线的差别如图1所示。

图1 N级与A级耐火升温曲线的比较

2) 在耐火试验前先要根据MIL-S-901标准进行冲击试验，在锤重不低于3 357 kg的冲击试验下，要求绝热层的结构保持完整并且不影响耐火效果。

3 N级耐火分隔的定义

N级耐火分隔由符合下列要求的舱壁和甲板组成:

1) 应以钢或其它等效的材料制造，包括应用于上层建筑的复合材料；

2) 应有适当的防挠加强；

3) 构造应可在耐火试验时间内防止烟及火焰的通过；

4) 应是经认可的隔热不燃材料，使其在下列时间内背火面的平均温度较原始温度升高不超过140℃，且包括任何接头在内的任一点温度较原始温度升高不超过180 ℃。

N-60级 60 min

N-30级 30 min

N-0级 0 min

其中,N-0级耐火分隔没有背面升温要求，但要求至少在30 min的耐火试验条件下，背面没有火焰窜过。

4 N级耐火分隔的绝热材料

早期用于美国海军舰船的耐火分隔的绝热材料主要是陶瓷棉，但近年来陶瓷棉被认为对人体有害,因此已被美国海军部门禁止使用。

美国海军针对N级耐火分隔的要求,对多种被动式防火材料进行了研究和试验，主要有可溶性硅酸盐纤维、膨胀型防火涂层和纳米孔气凝胶复合材料。但目前通过美国海军部门认可的材料仅有可溶性硅酸盐纤维[9]。其它材料要么有缺陷要么还在试验之中，所以尚未得到正式应用。

4.1 可溶性硅酸盐纤维

可溶性硅酸盐纤维是一种含钙、镁元素的碱土金属硅酸盐纤维(AES)，它具有在人体内部可溶性的特点，是一种绿色环保型防火绝热材料。它的熔点温度为1 260 ℃，长期使用温度超过900 ℃。该材料在国外船舶的A级耐火分隔上已得到广泛应用，目前已发展成海洋平台H级耐火分隔及美国海军舰船N级耐火分隔的主要绝热层[10]。其中美国热陶瓷公司的StructoGard制品和美国奇耐纤维公司的Insulfrax制品已通过了N-30耐火分隔实验认证。如使用容重为116 kg/m3的StructoGard纤维毡在钢板两面分别贴敷1 in(25.4 mm)厚的制品,或在背火面贴敷3.5 in(88.9 mm)厚的制品，采用碰钉固定即可达到N-30级耐火分隔的要求。

4.2 膨胀型防火涂层

防火涂层具有良好的防火性能且维护方便，上世纪70年代在开发出新型环氧膨胀型防火涂料后，即引起了海洋工程研究人员和军方的重视。这种材料在受到火焰高温辐射时，能迅速膨胀形成具有隔热作用的碳化层，从而在火焰和被保护基体之间筑成一道热屏障。但遇到高温时，在膨胀过程中会释放出有毒气体和烟雾，使得此类材料不适合在一些密闭场所使用,这些场所要优先考虑人的生命安全。美国海军研究实验室根据大量的调查和试验，认为虽然膨胀型防火涂层能达到N级隔热的要求，但还存在如燃烧时涂层会掉落等[11]一些问题。现有的膨胀型防火涂料还不能满足舰船在作战环境下的使用要求，这方面的技术还有待进一步的研究和改进。

4.3 纳米孔气凝胶材料

由于美国海军舰船N级耐火分隔对所使用的耐火绝热层的单位面积重量和厚度均有限制,因此需要一种高性能的耐火绝热材料。

纳米孔气凝胶是一种多孔的、具有纳米级结构的轻质绝热材料，这种材料最早由美国宇航局研制，并制成绝热瓦应用在航天飞机上。但由于这种材料成本高,使得在其它领域的推广使用受到限制。美国宇航局创建的阿斯膨气凝胶公司针对美国海军舰船的需要开发出了低成本的纳米孔气凝胶复合材料[12]。纳米孔气凝胶复合材料与传统的绝热材料相比具有优异的绝热效果，因此在减轻重量和节约空间方面有很大的先进性，因而受到美国海军部门的重视。

5 N级耐火分隔的典型结构形式

目前对N级耐火分隔的基本结构形式是采用碰钉将绝热材料贴敷在结构材料表面。以下介绍几种典型的舱壁耐火分隔结构形式，绝热材料采用容重为116 kg/m3的可溶性硅酸盐纤维毡，耐火等级为N-30级。

5.1 钢质板材的N-30级舱壁结构

图2 双面绝热层钢质舱壁N-30级耐火分隔

图2为在有扶强材钢板的两侧贴敷厚度25 mm的绝热材料。这种结构要求有扶强材的一侧向火进行耐火试验，即认为是能阻挡任一侧的火源通过。

图3为在带扶强材一侧的钢板上贴敷每层厚44 mm，共两层的绝热材料。这种结构如试验时钢板面向火，可认为能阻挡任一侧的火源通过。如在试验时绝热材料向火进行耐火试验，则仅被认为能阻挡来自绝热材料方向的火源通过。

图3 单面绝热层钢质舱壁N-30级耐火分隔

5.2 铝质板材的N-30级舱壁结构

由于铝质材料本身无法承受耐火试验的高温，美国海军部门规定在舱壁结构中铝质材料的温度不能超过200 ℃。因此，未带绝热材料的铝质板材直接向火是不现实的，铝质舱壁板的两侧都必须贴敷绝热层。

图4为在带扶强材的铝质板材两侧各贴敷每层厚38 mm共两层的绝热材料。试验时钢板面向火，则可认为能阻挡任何一侧的火源通过。

图4 带扶强材的铝质板舱壁N-30级耐火分隔

图5为未带扶强材的铝质板材两侧各贴敷每层厚38 mm共两层的绝热材料。由于两侧相等，因此可认为能阻挡任何一侧的火源通过。

图5 铝质平板舱壁N-30级耐火分隔

5.3 复合材料的N-30级舱壁结构

这是一种夹层式复合材料，它的中间是76 mm厚的软木，两侧各有7 mm厚的纤维增强板。到目前为止还未研制出可经受1 000 ℃以上的有机树脂的复合材料，因此只能在贴敷绝热材料的一侧向火进行耐火试验。由于软木也具有良好的绝热效果，控制背面温度的上升不超过140 ℃是比较容易做到的，因此绝热材料主要是保护复合材料所能承受的临界温度。美国海军现已认可用E玻璃纤维增强的阻燃性乙烯基酯树脂复合材料，在向火面贴敷每层厚16 mm共两层的绝热材料结构件作为N-30级耐火分隔,如图6所示。

图6 复合材料的N-30级舱壁结构

6 结束语

N级耐火分隔作为一种要求较高的舰船防火设施，也被一些西方国家海军部门仿效。不过由于绝热材料的关系，美国海军舰船到目前为止还未能做到N-60级耐火分隔。因此我国应加强这方面的研究工作，以适应对现代海军舰船的需求。这里应包括两个方面：一方面进行新材料的研制，以获得具有优良隔热效果的材料来满足高等级的耐火要求；另一方面是建立N级耐火分隔的试验装置，来验证和确定N级耐火分隔的技术等级。另外，在海洋工程领域对耐火分隔又提出了更高要求的燃烧试验标准，因此也需要及时跟踪和探索。

参考文献:

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