船用鋁合金與復(fù)合材料用防火材料導(dǎo)熱系數(shù)研究

程嘉歡，楊洪剛，孫寶國

中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，上海201108

0 引 言

目前，火災(zāi)是威脅水面艦船生命力的重要因素之一。統(tǒng)計(jì)表明，水面艦船遭受破壞的主要形式為火災(zāi)和爆炸［1］。因此，防火設(shè)計(jì)是保障水面艦船生命力和戰(zhàn)斗力的必要手段。其中，利用防火材料建立耐火分隔的結(jié)構(gòu)防火技術(shù)是預(yù)防和控制水面艦船火災(zāi)行之有效的方法。

船用防火材料于1960 年代中后期開始研制，主要包括硅酸鈣、膨脹珍珠巖、蛭石、石膏等硬質(zhì)材料和巖棉、陶瓷棉等軟質(zhì)材料，以及防火涂料等。《國際海上人命安全公約》（SOLAS 公約）于1974 年提出耐火分隔以來，國外形成了不同耐火基材、不同結(jié)構(gòu)形式的耐火分隔體系，但防火材料沒有大的變化［2-4］。國內(nèi)防火材料研究起步于1970 年代末，以巖棉、陶瓷棉和硅酸鈣制品為主?，F(xiàn)有的耐火分隔體系均以鋼圍壁與防火材料的組合為標(biāo)準(zhǔn)形式［2］。

現(xiàn)代水面艦船的結(jié)構(gòu)輕量化與功能結(jié)構(gòu)一體化是大勢(shì)所趨，以鋁合金和復(fù)合材料為代表的新型結(jié)構(gòu)材料開始大規(guī)模上艦。鋁合金于20 世紀(jì)50 年代開始在水面艦船上運(yùn)用［5］。進(jìn)入21 世紀(jì)以來，國外出現(xiàn)了瀕海戰(zhàn)斗艦（LCS）、聯(lián)合高速運(yùn)輸船（JHSV）等全鋁合金艦艇；國內(nèi)也成功運(yùn)用了鋁合金上層建筑，減重效果顯著。船用復(fù)合材料早期受制于質(zhì)量和成本，僅在20 世紀(jì)60 年代中期運(yùn)用于小型快艇/獵掃雷艇［6］。21 世紀(jì)以來，得益于工藝改進(jìn)和成本下降，復(fù)合材料的力學(xué)性能好、密度低、便于多種功能復(fù)合設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)逐步得到重視，歐美各國開始將其運(yùn)用于大尺度、強(qiáng)受力、特殊功能領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)，例如煙囪（如拉斐特級(jí)護(hù)衛(wèi)艦）、桅桿（如AEM/S、45 型驅(qū)逐艦）、上層建筑（如DDG 1000 驅(qū)逐艦、20380/20385 型護(hù)衛(wèi)艦）乃至艦體（如“維斯比”級(jí)輕型護(hù)衛(wèi)艦）［7］。上述2 種結(jié)構(gòu)材料的高溫失效特性與鋼材不同，原有的防火材料將難以勝任。因此，需要針對(duì)新型結(jié)構(gòu)材料，提出防火材料的新要求，用于指導(dǎo)防火材料的研制。

目前，在船用鋁合金和復(fù)合材料的防火方面，國內(nèi)研究較少，缺少有效應(yīng)對(duì)措施。對(duì)于鋁合金結(jié)構(gòu)的防火問題，主要采用陶瓷防火層［8］、無機(jī)防火涂料［9-10］和鋁塑復(fù)合材料［11］，以及敷設(shè)傳統(tǒng)防火材料。這些措施不僅難以滿足A 級(jí)耐火要求，而且不適用于船舶領(lǐng)域。對(duì)于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的防火問題，國內(nèi)通常利用其自熄性，在結(jié)構(gòu)間增加鋼質(zhì)基底耐火分隔以阻斷火災(zāi)傳播路徑，從而放棄已經(jīng)受到影響的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)［12］，這種設(shè)計(jì)顯然不適用于水面艦船。此外，國內(nèi)新材料的研制鮮有從船舶總體性能需求出發(fā)，制約了新型材料的研究和上艦。本文將從艦船總體的角度，基于鋁合金和復(fù)合材料這2 種結(jié)構(gòu)材料的高溫力學(xué)特性，以耐火試驗(yàn)狀態(tài)的耐火分隔試樣為研究對(duì)象，通過模擬耐火分隔傳熱過程，得到防火材料導(dǎo)熱系數(shù)的定量要求，以期為新型防火材料的研制提供參考。

1 防火材料導(dǎo)熱系數(shù)的算法

研究對(duì)象為耐火試驗(yàn)狀態(tài)的耐火分隔試樣，包含耐火分隔的傳熱過程計(jì)算和火場模型?；饒瞿Ｐ陀糜诖_定火場溫升和對(duì)防火材料向火面的傳熱過程，在此基礎(chǔ)上求解背火面溫度。背火面溫度的限值由鋁合金和復(fù)合材料的高溫力學(xué)性能確定。通過不同導(dǎo)熱系數(shù)的迭代計(jì)算，確定恰好滿足限值的狀態(tài)，而在此狀態(tài)下的導(dǎo)熱系數(shù)即為防火材料的導(dǎo)熱系數(shù)要求。

1.1 耐火分隔的傳熱過程計(jì)算

計(jì)算過程以《國際耐火試驗(yàn)和程序應(yīng)用規(guī)則》［13］中規(guī)定的耐火分隔試樣為研究對(duì)象，并做如下假設(shè)：1）耐火分隔試樣是平板；2）根據(jù)船體艙壁的特點(diǎn)，耐火分隔試樣的長度和寬度遠(yuǎn)大于其厚度；3）耐火分隔試樣處于試驗(yàn)爐內(nèi)，四周絕熱條件良好；4）考慮到艦船火災(zāi)的艙室密閉性和耐火分隔形式，背火面視為絕熱。滿足以上假設(shè)的研究對(duì)象也滿足無限大平板非穩(wěn)態(tài)傳熱模型的約束條件。本文以此傳熱模型為基礎(chǔ)，計(jì)算耐火分隔試樣的背溫。根據(jù)耐火分隔形式建立坐標(biāo)系，厚度方向?yàn)閤 軸，正向?yàn)槭芑鹈?；防火材料背火面為y 軸，如圖1 所示。圖中：Tw為受火面溫度；ε為發(fā)射率；σ 為Stefan-Boltzman 常數(shù)；h 為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)；δ 為防火材料厚度；Tf為火場溫度，按《國際耐火試驗(yàn)和程序應(yīng)用規(guī)則》的規(guī)定升溫。

圖1 耐火分隔的傳熱環(huán)境Fig.1 Heat transfer environment of fire resistant division

在無限大平板非穩(wěn)態(tài)傳熱模型［14］的基礎(chǔ)上，得到防火材料上的導(dǎo)熱微分方程和定解條件。

式中：T 為防火材料內(nèi)部厚度位置x 處的溫度；T0為初始溫度，賦值為常溫；λ 為導(dǎo)熱系數(shù)；a=λ/(ρc)，為熱擴(kuò)散率，其中ρ 為耐火材料的密度,c 為比熱容。對(duì)式（1）～式（4）在空間-時(shí)域進(jìn)行離散，將防火材料在x 方向離散為N 份，單份長度為Δx；時(shí)域離散為I 份，單份時(shí)間為Δi。任意時(shí)間、任意厚度位置的溫度為T(n，i)。將溫度函數(shù)T（x，t）在節(jié)點(diǎn)（n，i+1）對(duì)節(jié)點(diǎn)（n，i）作泰勒展開，擴(kuò)散項(xiàng)取中心差分，非穩(wěn)態(tài)項(xiàng)取向前差分，代入式（1），得到：

上式可進(jìn)一步推導(dǎo)為對(duì)于防火材料受火面，即第N 個(gè)微元進(jìn)行熱力學(xué)分析。根據(jù)能量守恒定律，其邊界條件為

由a=λ/(ρc)整理得到：

利用式（6）和式（8），輸入邊界條件和初始條件，即可完成上述非穩(wěn)態(tài)過程的計(jì)算，得到耐火分隔背火面溫度TB。

1.2 火場對(duì)耐火分隔的傳熱模型

本文按照耐火分隔在耐火試驗(yàn)中的火場環(huán)境，假設(shè)耐火分隔向火面均勻受熱，根據(jù)《國際耐火試驗(yàn)和程序應(yīng)用規(guī)則》［13］，火場溫度Tf滿足表1所示的光滑溫升情況。

火場主要通過受迫熱對(duì)流和熱輻射向受火面?zhèn)鬟f熱量，受火面接收到的熱流密度q 為

在防火材料厚度足夠的情況下，防火材料的低導(dǎo)熱性使得TB對(duì)h 和ε 的敏感度較低。本文以厚度為40 mm 的陶瓷棉防火材料在A60 級(jí)耐火試驗(yàn)過程為例進(jìn)行敏度感分析。陶瓷棉防火材料的參數(shù)如表2 所示。

表1 火場溫度Tf［13］Table 1 Fire temperature Tf［13］

表2 陶瓷棉防火材料參數(shù)Table 2 The parameters of ceramic cool fireproof material

為了驗(yàn)證TB對(duì)h和ε 的敏感度，分別假設(shè)2種計(jì)算條件：一是h的取值范圍為20～100 W/（m2·K）［15］，間隔20 取值，取ε=0.8；二是ε 的取值范圍為0.8～0.9［15］，間隔0.2 取值，取h=50 W/（m2·K）。基于上述計(jì)算條件得到的TB隨h和ε 的變化情況如圖2 所示。由圖可見，TB對(duì)h 和ε 的計(jì)算敏感度很低。本文按環(huán)境嚴(yán)苛考慮，取h=100 W/（m2·K），ε=0.9。

圖2 防火材料TB對(duì)h 和ε 的敏感度Fig.2 The sensitiveness of h and ε to TB of fireproof material

2 鋁合金與復(fù)合材料對(duì)防火材料TB的限值

防火材料背火面溫度TB的限值是影響其導(dǎo)熱系數(shù)要求的關(guān)鍵因素，通過綜合考慮結(jié)構(gòu)材料的高溫力學(xué)性能和火災(zāi)的傳播特性得到。在耐火分隔設(shè)計(jì)中，鋁合金或復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的兩側(cè)均敷設(shè)有防火材料，避免了結(jié)構(gòu)因承受熱載荷而導(dǎo)致力學(xué)性能折減。本文從鋁合金與復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的高溫力學(xué)性能入手，分別確定其TB限值。

普通鋼材在250 ℃以下時(shí)，力學(xué)性能沒有明顯降低，屈服強(qiáng)度基本保持不變；高于250 ℃時(shí)，力學(xué)性能逐漸降低，塑性逐漸提高，出現(xiàn)塑性流動(dòng)；高于300 ℃時(shí)，沒有明顯的屈服平臺(tái)；高于600 ℃時(shí)，鋼材基本失去承載能力［16-17］。高強(qiáng)度鋼材在高溫下的強(qiáng)度損失更大［16-17］。根據(jù)《國際耐火試驗(yàn)和程序應(yīng)用規(guī)則》［13］中的升溫要求，防火材料TB限值為205 ℃。

國內(nèi)船用鋁合金普遍采用5083，6061，6082等牌號(hào)［18］。研究表明，經(jīng)多次受火，溫度低于200 ℃時(shí)，6061 和6082 鋁合金的力學(xué)性能未顯著降低；高于200 ℃時(shí)，2 種鋁合金的力學(xué)性能下降速度隨溫度遞增［19-20］?？紤]到結(jié)構(gòu)不能在反復(fù)受熱中降低力學(xué)性能，且美國海軍將艙壁結(jié)構(gòu)中鋁質(zhì)材料的溫度限制在200 ℃［21］，本文取鋁合金結(jié)構(gòu)的防火材料TB限值為200 ℃。

船用復(fù)合材料主要采用強(qiáng)度較高、耐海水性好的熱固性樹脂基復(fù)合材料。熱固性樹脂在高溫下會(huì)變形和分解，是高溫下復(fù)合材料在力學(xué)上的薄弱點(diǎn)。典型的熱固性樹脂物理特性如表3 所示。當(dāng)溫度超過100 ℃時(shí)，樹脂開始變形，復(fù)合材料的強(qiáng)度迅速降低。因此，針對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，本文取防火材料的TB指標(biāo)為100 ℃。

表3 典型的熱固性樹脂復(fù)合材料物理參數(shù)Table 3 Physical parameters of typical thermoset resin composites

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 算法驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文算法的可靠性和收斂性，采用陶瓷棉防火材料，在A60 級(jí)火場下加熱60 min，以最低要求敷設(shè)的厚度40 mm 為算例，計(jì)算防火材料TB，并與文獻(xiàn)［22］的相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比。陶瓷棉防火材料的參數(shù)如表2 所示，h=100 W/（m2·K），ε=0.9。

陶瓷棉防火材料的受火面和背火面溫度與時(shí)間的關(guān)系如圖3 所示。按照A 級(jí)耐火試驗(yàn)要求加熱60 min 后，陶瓷棉背火面溫度為204 ℃。

圖3 陶瓷棉在A 級(jí)火場下的受火面與背火面溫度變化Fig.3 Temperature on both sides of ceramic wool under A class fire resistance test

遠(yuǎn)東防火試驗(yàn)中心曾對(duì)A60 級(jí)艙壁進(jìn)行了耐火試驗(yàn)［22］，試樣的背面安裝了9 個(gè)熱電偶（TC1～TC9）用于測(cè)量溫升，試樣尺寸為3 m×3 m，由5 mm 鋼板與40 mm 陶瓷棉組成。試驗(yàn)報(bào)告中給出的耐火分隔背火面溫升數(shù)據(jù)與本文計(jì)算得到的溫升值的對(duì)比結(jié)果如圖4 所示。由圖可見，計(jì)算值與試驗(yàn)值相近，溫升值誤差為5%。鄭盼等［23］采用40 mm 陶瓷棉作為防火分隔，進(jìn)行了A60 級(jí)耐火試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)束后背火面溫度為201℃，與算例計(jì)算值204 ℃基本一致。

3.2 鋁合金結(jié)構(gòu)防火材料導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算

在鋁合金結(jié)構(gòu)防火材料背火面溫度限制指標(biāo)為200 ℃的條件下，對(duì)防火材料的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。本文假設(shè)防火材料的敷設(shè)規(guī)模和形式與現(xiàn)有設(shè)計(jì)方法一致，即A60 級(jí)火場防火分隔處敷設(shè)材料厚度δ =40 mm，A30 級(jí)防火分隔處敷設(shè)材料厚度δ =30 mm。鋁合金結(jié)構(gòu)防火材料參數(shù)如表4所示。

圖4 陶瓷棉在A60 火場下背火面溫升計(jì)算值與試驗(yàn)值［22］對(duì)比結(jié)果Fig.4 Comparison of temperature on reverse sides of ceramic wool between A60 class fire resistant test［22］and numerical calculation

表4 鋁合金結(jié)構(gòu)防火分隔參數(shù)Table 4 The parameters of fire resistant division for aluminum alloy structure

在A60 級(jí)火場下δ =40 mm 時(shí)，取不同的λ ，燃燒60 min 后，防火材料背火面溫度計(jì)算情況如表5 所示。由表可見，當(dāng)λ ≤0.032 W·m-1·K-1時(shí)，在A60 級(jí)火場下，防火材料背火面溫度滿足鋁合金結(jié)構(gòu)的溫度限值要求。TB溫升曲線和各時(shí)間點(diǎn)防火材料在不同厚度位置的溫度分布曲線如圖5所示。由圖5（a）可知，受火以后15 min 內(nèi)，火場熱量尚未傳導(dǎo)到背火面，背火面溫度TB基本保持不變，有效保護(hù)了鋁合金結(jié)構(gòu)。此后TB逐漸上升，升溫速率與火場溫度Tf和導(dǎo)熱系數(shù)λ 有關(guān)。由圖5（b）可知，防火材料內(nèi)部溫差很大，溫度變化速率隨遠(yuǎn)離火場而急劇降低。這是由于λ 較低，防火材料受火方向阻擋了絕大部分熱量，僅有少部分熱量傳遞進(jìn)來。防火材料背火方向部分升溫緩慢。在整個(gè)過程中，鋁合金結(jié)構(gòu)表面溫度可以有效控制在200 ℃以內(nèi)，保證了結(jié)構(gòu)的安全性。

在A30 級(jí)火場下δ =30 mm 時(shí)，取不同的λ ，燃燒30 min 后，防火材料背火面溫度計(jì)算情況如表6 所示。由表可見，當(dāng)λ ≤0.032 W·m-1·K-1時(shí)，TB滿足鋁合金結(jié)構(gòu)的溫度限值要求。其受火面/背火面溫升曲線和各時(shí)間點(diǎn)防火材料在不同厚度位置的溫度分布曲線如圖6 所示。

表5 A60 級(jí)火場下鋁合金結(jié)構(gòu)防火材料背火面溫度Table 5 The temperature on back side of fireproof material for aluminum alloy structure under A60 fire resistant test

圖5 A60 級(jí)火場下鋁合金結(jié)構(gòu)防火材料溫度變化與分布（λ=0.032）Fig.5 Temperature of fireproof material for aluminum alloy structure and its distribution under A60 fire resistant test（λ=0.032）

綜上所述，在滿足A 級(jí)防火等級(jí)的情況下，防火材料的導(dǎo)熱系數(shù)λ ≤0.032 W·m-1·K-1時(shí)，能有效保護(hù)鋁合金結(jié)構(gòu)。

表6 A30 級(jí)火場下鋁合金結(jié)構(gòu)防火材料背火面溫度Table 6 The temperature on back side of fireproof material for aluminum alloy structure under A30 fire resistant test

圖6 A30 級(jí)火場下鋁合金結(jié)構(gòu)防火材料溫度變化與分布（λ=0.032）Fig.6 Temperature of fireproofing material for aluminum alloy structure and its distribution under A30 fire resistant test（λ=0.032）

3.3 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)防火材料導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算

基于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)防火材料背火面溫度限值為100 ℃的條件進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算參數(shù)如表7 所示。

表7 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)防火分隔參數(shù)Table 7 Parameters of fire resistant division for composite material structure

在A60 級(jí)火場下δ =40 mm 時(shí)，取不同的λ ，燃燒60 min 后，防火材料背火面溫度計(jì)算結(jié)果如表8所示。由表可見，當(dāng)λ ≤0.020 W·m-1·K-1時(shí)，在A60 級(jí)火場下，防火材料TB滿足復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的溫度限制要求。其TB溫升曲線和各時(shí)間點(diǎn)防火材料在不同厚度位置的溫度分布曲線如圖7 所示。在整個(gè)計(jì)算過程中，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)表面溫度可以有效控制在100 ℃以內(nèi)，保證了結(jié)構(gòu)的安全性。

表8 A60 級(jí)火場下復(fù)合材料結(jié)構(gòu)防火材料背火面溫度Table 8 Temperature on back side of fireproof material for composite structure under A60 fire resistant test

圖7 A60 級(jí)火場下復(fù)合材料結(jié)構(gòu)防火材料溫度變化與分布（λ=0.020）Fig.7 Temperature of fireproofing material for composite structure and its distribution under A60 fire resistance test（λ=0.020）

在A30 級(jí)火場下δ =30 mm 時(shí)，取不同的λ ，燃燒30 min 后，防火材料TB計(jì)算結(jié)果如表9 所示。由表可見，當(dāng)λ ≤0.020 W·m-1·K-1時(shí)，在A30級(jí)火場下，防火材料TB滿足復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的溫度限值要求。其TB溫升曲線和各時(shí)間點(diǎn)防火材料在不同厚度位置的溫度分布曲線如圖10 所示。

表9 A30 級(jí)火場下復(fù)合材料結(jié)構(gòu)防火材料背火面溫度Table 9 Temperature on back side of fireproof material for composite structure under A30 fire resistant test

圖8 A30 級(jí)火場下復(fù)合材料結(jié)構(gòu)防火材料溫度變化與分布（λ=0.020）Fig.8 Temperature of fireproof material for composite structureand its distribution under A30 fire resistant test（λ=0.020）

綜合上述計(jì)算結(jié)果，在滿足A 級(jí)防火等級(jí)的情況下，防火材料的導(dǎo)熱系數(shù)λ ≤0.020 W·m-1·K-1時(shí)，能有效保護(hù)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。

4 結(jié) 語

本文從艦船總體出發(fā)，以標(biāo)準(zhǔn)耐火試驗(yàn)?zāi)突鸱指粼嚇訛檠芯繉?duì)象，提出了防火材料導(dǎo)熱系數(shù)的算法。首先，使用無限大平板非穩(wěn)態(tài)傳熱模型，進(jìn)行空間-時(shí)域離散，實(shí)現(xiàn)耐火分隔傳熱過程的計(jì)算；其次，建立火場模型，對(duì)材料表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)和發(fā)射率2 個(gè)參數(shù)進(jìn)行了近似處理，并驗(yàn)證了該近似處理對(duì)耐火分隔背火面溫度TB的計(jì)算結(jié)果不產(chǎn)生明顯影響。最后，通過分析鋁合金、熱固性樹脂基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的高溫力學(xué)性能，確定了TB的限值。通過迭代計(jì)算得到滿足要求的導(dǎo)熱系數(shù)。

計(jì)算結(jié)果表明，該算法可以有效地計(jì)算敷設(shè)不同防火材料時(shí)耐火分隔的傳熱過程。在防火材料敷設(shè)厚度與形式與現(xiàn)有設(shè)計(jì)方案一致時(shí)，用于鋁合金和樹脂基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的防火材料的導(dǎo)熱系數(shù)應(yīng)分別不大于0.032 和0.020 W·m-1·K-1。這一研究結(jié)果可以為鋁合金和復(fù)合材料結(jié)構(gòu)新型防火材料的研制提供指導(dǎo)和參考。在今后的研究中，將建立更真實(shí)的船舶防火主豎區(qū)模型，針對(duì)熱載荷和力載荷同時(shí)作用的情況，進(jìn)一步開展耐火分隔的熱力學(xué)算法優(yōu)化和性能預(yù)報(bào)工作。