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1、不锈钢高耐用性、 防火性和安全性解决方案Stainless steel for durability, fire- resistance and safetyNB2010- 004转载本集资料需注明出 自 Nickel InstituteNickel Institute 国际镍协会北京办事处自工业时代开始， 结构的安全性和对人身安全的保 护对工程师来说就一直是极端重要的事情， 尽管有两个世纪的经验积累， 这些问题在今天仍然是人们主要的担心。也许因为人类的雄心有时超过了他现有的能力， 事 故仍然发生并不断造成伤亡。新技术带来新问题， 有时会有意想不到的情况发生， 带来深远和悲剧性的后果。 火灾是
2、最危险的风险之一， 易燃液体和气体的大量储存和运输意味着只要一个火星就足以酿成一场火灾或引起爆炸。所以在规划工业建筑厂房时， 必须密切注 意防止和消除火灾的问题， 包括研究现有的材料， 对于关键的有火灾危险的区域和人员逃生路径选择最佳最安全的方案。对比性防火试验为了在这方面帮助设计师和工程师，国际镍协会、 国际钼协会及三家不锈钢生产商（前阿维斯塔公司、 英 国不锈钢公司和优金公司） 资助了一个独立的防火试验 项目， 选择了四种在建筑结构包括海上结构中常用的材 料：镀锌钢、玻璃钢、铝和奥氏体不锈钢 316 （UNS S31600） 。详细的试验步骤和结果见下文。试验清晰地表明： 不锈钢结构即使长
3、时间暴露在碳 氢化合物燃烧的最高温度下，仍能保持其结构的完整 性， 而玻璃钢和铝由于熔点低， 耐火性能很差。 镀锌钢具有一定的防火性能， 但会有刚度的下降， 且可能发生熔 融锌的滴落， 这对人身构成潜在的威胁。鉴于不锈钢已在高温工业设备和工艺中广泛使用并积累了长期使用经验， 不锈钢的这种有益的防火效果 并不令人惊讶。然而在苛刻的火灾条件下不锈钢究竟比其它材料优越到什么程度， 可通过在受控条件下的对比 性试验得到答案。寿命周期成本研究在进行这些实验的同时， 英国钢结构研究所也受托研究考察了不锈钢相对于其它材料的经济性。 这包括计 算初始成本以及更重要的运行成本， 运行成本来自于整 个寿命期的维护
4、、 修理和更换。计算结果显示不锈钢相对较高的材料成本被其长 使用寿命、 免维护免修理所补偿， 使它们真正的经济性 比初看上去要有吸引力得多。的确， 在 10-30 年的使用 寿命中， 与碳钢 （试验中除不锈钢外唯一具有有效耐火 性能的材料） 相比， 不锈钢显然并不昂贵。增加安全性常常在短期带来财务上的不利， 防火试 验项目和经济性研究表明， 在建筑结构包括海洋结构的 相关部位增加不锈钢的使用， 将会以适当的成本投入大 大提高防火安全性。不锈钢的经济性和安全性英国莫克姆湾的这座天然气平台采用不锈钢包覆层来确保平台的长期无故障运行，最小的维护量和杰出的防火性能。1100 年前当研究钢中添加足量的铬
5、对钢耐蚀性的影 响时, 首次开发出耐锈蚀的钢。早期的这些含铬的钢非常有前途， 它们结合了光亮的外表及在当时看来很突出的耐腐蚀性。但在实践中， 由于它们不容易进行冷热加 工， 不能很容易地成形为棒材、 中厚板、 薄板和建造工业设备所需要的其它产品形式， 因此其用途受到限制。通 过向这些含铬钢中添加镍克服了以上缺点， 添加镍大大改善了这些钢的加工性能并进一步提高了它们的耐腐蚀性。 20 世纪 20 年代这种不生锈的钢的成分被确立， 就 是我们今天熟悉的 18 - 8， 含有 18%的铬和 8%的镍， 不 久就进行了工业化生产， 不锈钢就成为这种钢的通俗名 称。不锈钢的首批主要应用之一是用作 192
6、9 年纽约克 莱斯勒大厦富有装饰艺术风格的尖塔， 这座 320 米高的 建筑， 其上部 88 米采用不锈钢包覆。在 80 多年后的今 天， 这座尖塔依然是这座城市最精致的景观之一， 它捕 捉并反射着不断变化的太阳光线， 成为不锈钢长寿命和 视觉吸引力特质的有力证明。 20 世纪 30 年代 18-8 不锈钢的应用显著扩大。 随着 不锈钢对多种腐蚀性介质优异的耐蚀性能和免维护的 特点不断被人们所了解， 一些重要的市场开始对不锈钢 开放， 首批利用了新材料优势的行业包括石化、 电力、 食 品加工和储运、 交通运输和建筑。随着实践经验的积累 和信心的增长， 不锈钢的应用范围稳步扩大。二战期间不锈钢应
7、用进一步扩大， 而战后是增长速 度迅速加快的时期。 增长动力首先来自于传统工业的结构调整和现代化， 其次是新技术的来临， 还有世界人民对生活水平、 健康维护和环境问题的日益重视。所有这 些都要求采用能够确保安全性、能长期无故障使用、 性能不下降、 所需维护最少的优质建筑材料。而不锈钢正 好具备所要求的这些特性。现在有很多牌号的铬镍不锈钢可满足特定需求， 但 基本的 18-8 型不锈钢 （304 或 UNS30400） 仍然是使用 量远远超过其它任何新牌号的不锈钢。304 不锈钢良好的耐腐蚀性、 易清洁性、 既耐热又耐严寒的能力、 良好的 强度、韧性和加工性能使它成为各类用途的标准材料， 比如石
8、化设备、 食品饮料加工设备、 医疗设备、 道路和轨 道运输、 纸浆造纸设备、 液化天然气储运装置、 核工业设 施部件、 制药设备、 建筑外立面和屋面、 家用厨房设备和 街道景观设施。 当设施服役条件很苛刻时， 可采用一种或多种特定 牌号的不锈钢来获得更好的性能。例如 316 不锈钢 （UNS S31600）在腐蚀性氯化物条件下的海洋设施上广 泛而成功的应用。 采用适当合金化的不锈钢可满足一些 特定的要求如要求优越的耐腐蚀性、 更好的加工性和焊 接性、 最大强度 / 重量比或良好的冷加工性能。 从不锈钢 生产商或国际镍协会可以获得如何选用最适合牌号的 建议。不锈钢的广泛使用试验证明了不锈钢优异的
9、防火性能为了获得人们熟悉的四种结构材料暴露于严重火 灾条件下的比较性数据，委托 Darchem 工程有限公司 （英国国家测量鉴定系统批准认证的测试实验室）在电缆梯架 （从市面上购买） 上进行一系列受控实验。 试验的 四种材料为玻璃钢、 铝、 镀锌钢和 316 （UNS S31600） 奥氏体不锈钢。防火试验现代电缆一般都有膨胀防火涂层来为导体提供防火自我保护。 这种涂层遇火会膨胀、 变脆， 无法经受很多 弯曲操作， 因此电缆梯架应采用高温下不会过度变形的材料制造， 避免损伤涂层。实验步骤包括： 3 米长梯架受到均匀的负荷 *， 负荷 大小模拟电缆的重量，用 18 个液化石油气炉子直接加 热，
10、平均温度为 1000-1050 ， 加热时间为 5 分钟。* 按照与其它三个梯架相同的标准规范采购的铝梯架， 断面尺寸较薄， 因此为达到和其它材质梯架类似的初始弯曲程度， 试验时的负荷仅为 455 公斤， 而其它材质梯架负荷为 609 公斤。2结果玻璃钢：玻璃钢梯架在炉子还没有全部点燃时就坍塌 了， 这样就不可能获得有意义的温度测量值。观察到材料被点燃冒烟。 铝： 铝梯架 26 秒钟就发生整体坍塌， 时间太短不能得到有意义的温度读数。因为梯架由于材料软化而迅速坍塌， 倒塌在火区之外， 所以没有看见熔融金属。 镀锌钢： 镀锌钢梯架在规定的 5 分钟内保持了其结构完整性。 随着试验的进行， 可以看
11、到大的熔融锌珠滴落。 记录的最大平均温度为 642 , 单个梯架的最大温度为 811。不锈钢： 不锈钢梯架在规定的 5 分钟内保持了其结构完整性，并且在不关闭炉子的条件下又继续进行了 40 分 钟试验， 直到燃气用完。在整个 45 分钟的时间里， 不锈 钢都保持了结构完整性。 梯架的最大平均温度达到 705， 单个梯架最高温度达到 757 。 平均火焰温度超过 1000 的时间有 14 分钟。防火试验前后的铝梯架。铝梯架点火后 26 秒就发生坍塌防火试验后的玻璃钢梯架。炉子还未全部点燃玻璃钢梯架就全部坍塌了， 并且看见冒烟了。防火试验后的镀锌钢梯架。在规定的 5 分钟内保持了结构完整性， 试验
12、结束时中心处的弯曲变形为 166.5 毫米。试验中看到熔融锌珠滴落。防火试验后的不锈钢。试验时间延长至 45 分钟， 整个试验过程中都保持了结构完整性， 试验结束时中心处弯曲变形只有 80.5 毫米。3金属结果说明不锈钢通过试验延长到 45 分钟， 直到燃气耗尽。未发生失效， 45 分钟后弯曲变形量80.5 毫米镀锌钢通过5 分钟后弯曲变形量 166.5 毫米， 观察到部分熔融锌铝26 秒后失效失效玻璃钢30 秒后失效倒塌并开始燃烧， 冒烟Darchem 工程公司防火试验小结试验：承重的电缆支撑架暴露于 1000-1050火焰中要求：保持结构完整性达 5 分钟防热辐射试验发生火灾时， 建筑结构
13、可能要经受热辐射的考验而 不是直接受火焰灼烧。为了模拟这种条件， 每个梯架承 受均匀负荷 （同前述的试验） ， 然后在电热箱中直接受到 上方的热辐射。 试验进行到梯架温度稳定或发生结构失 效为止。结果玻璃钢： 玻璃钢梯架 6 分钟后发生整体结构失效。失效 时平均梯架温度为 185， 单个梯架最高温度为 222。 铝： 铝梯架 12 分钟后发生整体结构失效。 失效时平均梯 架温度为 238 ， 单个梯架最高温度为 264 。 镀锌钢： 梯架温度达到稳定用了 2 个小时，镀锌钢梯架 在 2 个小时里保持了其结构完整性。试验结束时梯架平均温度为 552 ， 单个梯架最高温度为 557。 到试验结 束
14、时， 梯架的整个锌涂层都不见了， 尽管当时只看到一 滴锌珠滴落。 不锈钢： 梯架温度达到稳定用了 3 个小时， 不锈钢梯架 在 3 个小时里保持了其结构完整性。试验结束时梯架平 均温度为 556， 单个梯架最高温度为 565。不锈钢梯 架 3 个小时后的弯曲变形量仅为镀锌钢梯架 2 个小时 后变形量的 1/3 多一点。防热辐射试验后的铝梯架。受辐射热 12 分钟后便发生结构失效Darchem 工程公司 2 小时热辐射试验小结试验：承重的电缆支撑梯架暴露于电热箱辐射热中 要求：保持结构完整性直到温度稳定 小结：碳钢和不锈钢保持了结构完整性。碳钢温度较快 达到稳定， 变形量是不锈钢的三倍部件导热试
15、验观察实际安装的梯架发现， 尽管电缆梯架受到防火 保护， 但支撑腿是不隔热的， 可以导热。试验在包覆 100毫米陶瓷纤维隔热层的铝和不锈钢梯架上进行， 梯架靠 没有隔热保护的支撑腿支撑。每个梯架安装一个不锈钢 腿和一个镀锌钢腿。没有进行铝支撑腿的试验， 因为不 可能固定到带隔热层的梯架上。每个梯架上有 12 根电缆分成两组接到梯架两侧， 梯架还承受一定负荷模拟其 它电缆。每侧三根电缆连接到一个电缆测试仪上， 测试 仪可指示三种故障情况： 断路、 接地故障和电缆故障即金属结果说明不锈钢3 小 时 后 温度达到稳定试验结束时平均温度为 556， 变形量是碳钢的 1/3镀锌钢2 个小时后温度达到稳定
16、试验结束时平均温度为 552， 变形量是不锈钢的 3 倍铝12分钟后失效 失效时梯架平均温度为 238玻璃钢6分钟后失效失效时梯架平均温度为 1854电阻击穿。每侧的电缆连接热电偶。 实验步骤包括： 控制炉子的火焰温度在 1000-1050，检测电缆的结构完整性和温度。判断失效的两个标准 为：（a） 电缆的完整性保持 15 分钟和 （ b） 电缆温度在 95以下的时间保持 15 分钟。结果铝：铝梯架逐渐坍塌，结果电缆不到 5 分钟就损坏了。镀锌钢支撑腿一侧 2 分钟就开始倒塌，又过了 1 分钟多不锈钢腿出现部分变形，梯架整体倒塌用时 4 分 41 秒。不锈钢： 完全符合测试标准，试验持续进行超过了规定 的 15 分钟。 不锈钢支撑腿一侧的电缆 26 分钟后发生损坏， 镀锌钢支撑腿一侧的电缆 33 分钟后发生损坏。不锈钢支撑腿一侧的电缆温度上升超过规定的 95的时间 是 21 分钟后，镀锌钢支撑腿一侧的电缆温度上升超过 规定的 95的时间是 26 分钟后。穿墙导热试验有时电缆梯架是穿墙安装的，如果墙的一侧着火， 热可能会从着火的这一侧传
