船舶耐火分隔材料的发展

船舶耐火分隔材料的发展

1材料的退火分离式所谓的耐寒分离是指船舶的耐热性和结构限制。现行的规范强调了耐火分隔在船舶防火中的重要作用,其目的是,用耐火分隔将船舶划分为若干主竖区;用耐火分隔将起居处所与船舶其他处所分割开来;用耐火分隔保护脱险通道和灭火出入口。耐火分隔的作用是,一旦发生火灾,可以在一定时间内保持船舶结构的完整性,将火灾产生的烟气、热量和火焰控制在局部范围内,防止火灾蔓延,为人员疏散和扑灭火灾赢得时间,以求最大限度地减少人员伤亡和财产损失。我国的海军舰船也有类似的要求。船舶耐火分隔,按其阻火性能的差异分为A级、B级、C级。1.1不燃材料退火试验指由符合下列要求的舱壁、甲板所组成的分隔:(1)它们应以钢或其他等效的材料制造;(2)它们应有适当的防挠加强;(3)它们应经认可的不燃材料隔热,在以下四种标准耐火试验时间内,其背火一面的平均温度较原温度升高不超过139℃,且在包括任何接头在内的任何一点的温度,较原温度升高不超过180℃——“A-60”级60min、“A-30”级30min、“A-15”级15min、“A-0”级0min;(4)它们的构造,应在1h的标准耐火试验至结束时,能够防止烟及火焰的通过。1.2材料保护剂的选用系指由符合下列要求的舱壁、甲板、天花板或衬板所组成的分隔:(1)它们应以认可的不燃材料建造,且“B”级分隔的建造和装配中所用的一切材料应为不燃材料;(2)它们所具有的隔热值,在以下两种标准耐火试验时间内,其背火一面的平均温度较原温度升高不超过139℃,且在包括任何接头在内的任何一点的温度,较原温度升高不超过225℃——“B-15”级15min、“B-0”级0min;(3)它们的构造应在最初半小时的标准耐火试验结束时,能够防止火焰通过。1.3“c”级分离系指由认可的不燃材料所建造的分隔,它们不必满足防止烟和火焰通过,以及限制温升的要求,只要其满足相关的要求。1.4滑曲线的测定系在标准时间下,炉温的升温曲线应是下列各温度点所连接的一条光滑曲线:自开始至满5min时,556℃;自开始至满10min时,659℃;自开始至满15min时,718℃;自开始至满30min时,821℃;自开始至满60min时,925℃。2不燃性舱室材料的发展在国外,早在上世纪40年代的船舶设计和建造中,就考虑了结构防火,到60年代,结构防火理论趋于成熟。1960年国际海事组织(IMO)通过的《1960年国际海上人命安全公约》(SOLAS1960)正式提出,造船使用不燃材料及与此有关的试验问题。从上世纪60年代中后期开始,欧美等造船发达国家纷纷进行了不燃性舱室材料的研究,主要成果是,研究出了硅酸钙板、膨胀珍珠岩板、蛭石板、石膏板等硬质材料;岩棉、陶瓷棉、超细玻璃棉等软质毡毯,及耐火涂料等。在1974年国际海事组织又通过了《1974年国际海上人命安全公约》(SOLAS1974),提出了舱室的耐火分隔要求。因此,欧美日等国家又开始进行耐火舱室系统的研究,并形成了许多不同耐火基材、不同结构的系统。对于耐火基材来说,主要有岩棉、陶瓷棉和硅酸钙板等。我国的船舶耐火分隔系统,是在上世纪70年代末、80年代初开始研究的,以满足SOLAS1974所规定的要求。在当时,我国主要是仿照国际上流行的耐火分隔系统,以复合岩棉板、硅酸钙板和陶瓷棉毡等材料为主。其A级耐火分隔的主要结构形式有,钢围壁加隔热材料,即将陶瓷棉或岩棉敷设在钢围壁上,以及组合结构耐火舱壁,即钢围壁加衬板(复合岩棉板或硅酸钙板),并在钢围壁与衬板之间设有一定距离的空气隔层。另外,也有在钢围壁上加一层隔热材料,再加上空气隔层和衬板所组成的。3点火工艺材料的应用上面所提及的岩棉和陶瓷棉等材料,是船舶耐火分隔结构所使用的传统的、早期的隔热材料,多少是为了应付SOLAS1974的要求,在现成成熟的耐火材料中选用的。但是,经过这些年的应用与发展,已初步形成了按性能要求、施工工艺方法、价格成本各不相同的多档次的材料品种。现将国内外一些主要的用于A级耐火分隔结构的隔热材料介绍如下。3.1一些传统的加热材料3.1.1耐温性好,热导率低狭义的陶瓷棉就指硅酸铝纤维;广义的陶瓷棉还包括多晶氧化铝纤维、多晶莫来石纤维、氧化锆纤维等。但由于船舶行业所应用的标准耐火试验的极限是925℃,因此,选用硅酸铝纤维在耐温性方面亦已足够。硅酸铝纤维是以粘土、矾土、氧化铝和石英等为原料,经高温熔融后用离心法或喷吹法制得,主要成分是Al2O3和SiO2。该产品耐火温度较高,通常在950～1200℃,高温下的热导率相对较小。用于船舶耐火分隔的陶瓷棉制品,应选择高容重的产品,即容重在170～200kg/m3。在这样的状态下,材料在高温下的隔热效果才能体现出来,才能满足A-60级的耐火分隔要求。3.1.2材料特性的分析岩棉是以精选的玄武岩、安山岩等火山岩或其他镁质矿石为主要原料,它的制造方法与硅酸铝纤维相似,也是经高温熔融后用离心法或喷吹法制得,只是熔融温度稍低些。其主要成分是SiO2、Al2O3、MgO和CaO。该材料的特性是价格低廉。岩棉在中等温度(300℃)条件下的隔热性能与硅酸铝纤维相当。但其使用温度要比硅酸铝纤维低一些,约在700℃左右,国外有一些公司质量较好的能做到800℃多。其高温下的隔热效果要比硅酸铝纤维差一些,因此用作为A-60级耐火分隔时,隔热层厚度要厚一些。但目前国内的岩棉还无法直接贴覆在钢板上作为A-60级耐火分隔结构来使用。另外还有矿渣棉,它是以高炉矿渣为主要原料制成,其性能与岩棉相似,但比岩棉略差。矿渣棉很少使用在船舶的A级耐火分隔上。3.1.3无碱超细玻璃棉玻璃棉是以石英砂加废玻璃加热熔融,用喷吹和离心法制造。用于船舶行业的主要是无碱超细玻璃棉。它的特点是纤维直径细,因此能使制品的容重做得很轻,而且它在低温条件下的隔热效果很好。但它的使用温度比较低,通常在500～600℃。因此,无碱超细玻璃棉还不能直接用作为A级耐火分隔材料,仅用作为C级材料。3.2提高热压的设计随着船舶工业的发展,在船舶耐火分隔系统中,对耐火隔热材料也有了新的要求。如有的是为了解决施工问题,有的是为了降低些成本,更主要的则是要提高耐火隔热材料的性能,以满足一些高档船舶对耐火分隔系统的要求,如军舰、高速船、豪华游船等。它们对所用耐火隔热材料的重量、所占用的空间等都有很高的要求。3.2.1性粘接剂的使用喷涂型耐火隔热材料,是以陶瓷棉(硅酸铝纤维)加上水性粘接剂,用专门的喷涂设备一次喷涂达到所需的厚度。它的主要特点是,对异型结构和在非平面上也能进行施工,并能获得良好的效果。但它的隔热性能比起陶瓷棉毡毯并未有提高。3.2.2隔热材料好的种类国内有人称它为硅酸盐纤维,它实际上是一种由含有钙、镁元素的碱土金属硅酸盐纤维所制成的材料,国外简称作AES。主要化学成分是SiO2、MgO和CaO,和岩棉有点类似,但化学成分要比岩棉纯。该材料的析晶温度在900℃,因此比较适合用作A-60级耐火分隔的隔热材料。和陶瓷棉相比,它的容重要轻一些。和岩棉相比,它的隔热性能更好些。因此,它是在船舶行业用作A级耐火分隔中的一种很有发展前途的常规的隔热材料。3.2.3用石英玻璃棉直接用于a级退火上面提及的无碱超细玻璃棉具有容重特别轻(可做成≤48kg/m3),热导率小(≤0.03W/(m·K))的优点,但是它系一种硼硅酸盐玻璃,熔融点低,无法直接用作A级耐火分隔。如果要提高其使用温度,就要使用石英玻璃棉(SiO2≥99.5%、耐温1200℃),及高硅氧玻璃棉(SiO2≥96%、耐温900℃)。使用石英玻璃棉直接用作A级耐火分隔材料,可以大幅度减轻材料的重量。但由于该材料成本太高,在国内还未有这方面的研究,仅美国海军部门在军舰上做这种耐火分隔材料的试验工作。3.2.4表面活性剂的复配纳米孔绝热材料是建立在超微细孔(≤100nm)结构基础上的一种新型材料。从理论上讲,其热导率可低于静止空气的热导率。因为对于绝热材料而言,热传导主要由材料中的固体部分来完成;热对流则主要由材料中的空气来完成;热辐射靠发射光量子来进行热的传递而不需要任何介质。因此,要使一种材料获得极好的隔热效果,一是要使材料的固体部分越少越好;二是要有效地限制空气的对流;三是要通过吸收或散射的方法来减弱辐射传热。而纳米孔材料就是一种完全符合上述隔热原理的性能优异的绝热材料。特别是在高温条件下,它的隔热特性更能体现出来。在船舶上使用的主要是硅质纳米孔复合板,它和其他隔热材料在用作A-60级耐火分隔时,所需的隔热层厚度对比如表所示。由表可看出,使用硅质纳米孔复合板作A-60级耐火分隔时,可节约空间60%和减轻重量50%以上。因此,它是一种很有实际意义的新型材料。纳米孔隔热材料已经在国外的一些军舰和一些对材料隔热性能要求比较高的船舶上开始应用。当前,研究者主要是在做一些降低成本和复合安装工艺方面的研究,以便能在其他各类船舶上应用。4加强船舶退火要求的发展动态船用耐火隔热材料经过20多年的发展,已经形成了各种规格、多种档次的材料品种,以满足各类船舶的需求,而国内对船用耐火隔热材料的研究还停留在上世纪80年代的水平上。因此,我们要加快开展对船用耐