Thử nghiệm xác định tốc độ cháy ngang của vật liệu sử dụng trong kết cấu nội thất xe cơ giới

TS. Đặng Việt Hà ThS. Vũ Thành Niêm ThS. ĐInh Quang Vũ ThS. Phạm Minh Thành Cục Đăng kiểm Việt Nam Người phản biện: GS. TSKH. Phạm Văn Lang PGS. TS. Cao Trọng Hiền

TÓM TẮT: Hiện tượng cháy xe từ lâu đã được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu vì liên quan trực tiếp đến an toàn của hành khách trên xe. Để phòng chống hiện tượng này, việc kiểm soát vật liệu sử dụng trong kết cấu nội thất xe cơ giới là rất cần thiết. Để kiểm soát khả năng chống cháy của vật liệu, người ta xác định tốc độ cháy ngang, cháy dọc và đặc tính nóng chảy của vật liệu nội thất. Việc thử nghiệm, xác định tốc độ cháy của vật liệu theo phương ngang là một nội dung quan trọng. Bài báo trình bày phương pháp thử nghiệm xác định tốc độ cháy ngang của vật liệu, kết quả thử nghiệm đánh giá được nguy cơ cháy của vật liệu nội thất.

TỪ KHÓA: Tốc độ cháy ngang, vật liệu, xe cơ giới.

Abstract: Vehicle firephenomenonhas beenresearched for a long times by scientists because it is directly related to the safety of passengers. It is nesessary to control quality of materials used in the interior construction of certain categories of motor vehicles to prevent this phenomenon. To controlthe fire resistance of the material,we determine thehorizontalburning rate and melting behaviour of interior materials. In particular, the test and determination of  the horizontal burning rateof materials isanimportant item. This articlegives the test methods to determine the horizontal burning rate of materials andthis test result can evaluate the burning risk of interior materials.

Keywords: Horizontal burning rate, material, categories of motor vehicles.

1. ĐẶT VẤN ĐỀ

Trên thế giới, hiện tượng cháy nổ đối với xe cơ giới đặc biệt là đối với ô tô, xe máy từ lâu đã được quan tâm nghiên cứu. Ở Mỹ một số tổ chức chuyên nghiên cứu về các hiện tượng cháy nổ đã được thành lập như Hiệp hội Phòng chống cháy nổ quốc gia (NFPA), Viện Nghiên cứu Cháy nổ phương tiện giao thông (MVFRI). Các nước phát triển đã chi rất nhiềukinh phí để nghiên cứu giải quyết vấn đề này. Tuy nhiên trên thực tế, hiện tượng cháy xe chỉ được hạn chế chứ không thể loại bỏ hoàn toàn.

Ở Việt Nam, thời gian gần đây, cùng với việc gia tăng số lượng các phương tiện thì cũng đã xuất hiện các vụ cháy đối với ô tô và xe máy. Để kiểm soát khả năng chống cháy của phương tiện, trên xe cơ giới khi thiết kế và chế tạo người ta kiểm soát các kết cấu chống cháy từ khi thiết kế và kiểm soát lắp đặt các vật liệu nội thất có tính chống cháy vào phương tiện chế tạo mới. Để phục vụ cho việc nghiên cứu đưa ra các giải pháp về phòng, chống các hiện tượng cháy xe, Thủ tướng Chính phủ đã giao các bộ, ngành liên quan nghiên cứu, triển khai các giải pháp đồng bộ. Một trong các giải pháp về phòng chống cháy phương tiện đó là kiểm soát kết cấu chống cháy và vật liệu chống cháy của phương tiện ngay từ khâu thiết kế, chế tạo mới. Việc kiểm soát khả năng chống cháy của vật liệu nội thất được thực hiện theo Quy chuẩn QCVN 53:2013/BGTVT.

Để phục vụ cho công tác quản lý chất lượng và kiểm soát khả năng chống cháy của phương tiện, năm 2015, Cục Đăng kiểm Việt Nam đã được Bộ GTVT giao nhiệm vụ thực hiện Đề tài “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo lắp đặt thiết bị kiểm tra tốc độ cháy ngang của vật liệu trong thiết kế nội thất xe cơ giới” - Mã số DT154040 trong hai năm.

2. CƠ SỞ NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu nguy cơ cháy của vật liệu nội thất dựa trên cơ sở nguyên lý cháy. Có 3 yếu tố chính cấu thành đám cháy là: Chất cháy, chất oxy hóa và nguồn nhiệt (tam giác cháy). Trong đó, chất cháy và chất oxy hóa đóng vai trò là chất tham gia phản ứng, còn nguồn nhiệt đóng vai trò là tác nhân cung cấp năng lượng cho các chất tham gia phản ứng. Sơ đồ nguyên lý cháy được mô tả như 

Hình 2.1: Tam giác cháy

Chất cháy: Đầu tiên ta có thể khẳng định rất nhiều vật liệu có thể cháy. Ở nhiệt độ thường rất khó cháy nhưng khi bị nung nóng hoặc tiếp xúc với nguồn nhiệt trong thời gian đủ lớn sẽ cháy.

Chất oxy hóa: Trong phản ứng cháy có thể là oxy nguyên chất, oxy trong không khí, oxy sinh ra do các chất chứa oxy bị phân hủy hoặc các chất oxy hóa khác. Thực tế, ta thường gặp đám cháy trong môi trường không khí, chất oxy hóa là oxy của không khí. Đây là thành phần tự nhiên, không thể thay đổi hoặc tác động.

Nguồn nhiệt: Có thể là ngọn lửa, vật được nung nóng, tia lửa (tia lửa điện do động cơ tạo ra, tia lửa do ma sát, chạm chập).

Khi nghiên cứu về nguy cơ cháy của vật liệu nội thất (chất cháy) thì các yếu tố còn lại (chất oxy hóa, nguồn nhiệt) phải được xác định như: Quy định về nhiên liệu đốt cháy, nhiệt trị, thời gian tiếp xúc với nguồn nhiệt và không gian của đám cháy. Khi đó, nguy cơ cháy của vật liệu nội thất chỉ phụ thuộc vào bản chất cấu thành vật liệu.

Cơ sở đánh giá nguy cơ cháy của vật liệu nội thất dựa trên tốc độ cháy vì đây là đại lượng đặc trưng cho mức độ gây nguy hiểm và khả năng cháy lan của vật liệu. Để đo tốc độ cháy của vật liệu ta đo thông qua hai đại lượng là đoạn cháy được và thời gian cháy.

3. THIẾT BỊ THỬ NGHIỆM

Thiết bị có cấu tạo gồm năm phần chính như Hình 3.1:

Hình 3.1: Thiết bị thử nghiệm

Buồng cháy được chế tạo bằng thép không gỉ, có kích thước 385x363x360mm. Mặt trước của buồng cháy có lắp kính chịu nhiệt làm cửa sổ quan sát. Mặt đáy có các lỗ thông và mặt trên có các khe thông gió xung quanh để tạo môi trường cháy.

Giá kẹp mẫu gồm 2 tấm hoặc khung kim loại chống ăn mòn hình chữ U. Tấm phía dưới có các chốt, tấm phía trên có các lỗ tương ứng nhằm đảm bảo kẹp giữ mẫu chắc chắn. Các chốt này được sử dụng làm các điểm đo ở đầu và cuối khoảng cháy. Nguồn cháy được cung cấp bằng một đầu đốt Bunsen có đường kính trong là 9,5mm ± 0,5mm. Phía ngoài có van điều chỉnh lưu lượng khí gas để điều chỉnh chiều cao ngọn lửa. Khí gas thử nghiệm là khí gas thiên nhiên có nhiệt trị 38MJ/m³.

Thiết bị thử nghiệm đảm bảo khả năng chống gỉ, chịu nhiệt và an toàn cháy nổ hoàn toàn đáp ứng yêu cầu về môi trường thử nghiệm do thường xuyên tiếp xúc với nhiệt độ cao, hóa chất phân hủy cho vật liệu cháy gây ra, đáp ứng yêu cầu về thử nghiệm của Quy chuẩn QCVN 53:2013/BGTVT.

4. THử NGHIỆM

4.1. Mẫu thử

Theo quy định của Quy chuẩn QCVN 53:2013/BGTVT thì có 7 nhóm vật liệu phải thử nghiệm xác định tốc độ cháy theo phương ngang bao gồm:

- Vật liệu dùng để bọc ghế ngồi;

- Vật liệu ốp trần xe;

- Vật liệu ốp các thành bên, phía sau bao gồm cả vách ngăn;

- Vật liệu cách nhiệt, cách âm;

- Vật liệu ốp sàn xe;

- Vật liệu ốp phía trong giá hành lý, các đường ống sưởi và thông hơi;

- Vật liệu dùng để gá lắp đèn trong khoang khách.

Mẫu thử được cắt ra thành các tấm hình chữ nhật có kích thước 356x100x13mm. Trên mỗi tấm có các lỗ tương ứng với các lỗ của giá kẹp mẫu (Hình 4.1).

Hình 4.1: Mẫu vật liệu bọc ghế ngồi

Đối tượng bắt buộc phải thử nghiệm vật liệu nội thất theo Quy chuẩn QCVN 53:2013/BGTVT là các loại xe khách có khối lượng toàn bộ lớn hơn 5 tấn và có số người cho phép chở từ 22 người trở lên (kể cả người lái). Do các loại xe khách có kết cấu khoang chở khách rộng với nhiều loại vật liệu nội thất khác nhau và liên quan đến an toàn của hành khách trên xe nên cần thử nghiệm về nguy cơ cháy của vật liệu nội thất.

4.2. Quy trình thử nghiệm

Tiến hành thử nghiệm xác định tốc độ cháy ngang của 7 nhóm vật liệu gồm: Vật liệu bọc ghế, ốp trần, ốp thành bên, ốp vách ngăn, ốp sàn, ốp giá hành lý, ống thông hơi. Mỗi nhóm vật liệu có 5 mẫu thử có kích thước theo quy định.

Quy trình thử nghiệm như Hình 4.2, gồm các bước cơ bản sau:

- Lắp đặt mẫu thử;

- Điều chỉnh ngọn lửa khí gas;

- Đưa giá kẹp mẫu vào và tiến hành đo thời gian cháy;

- Kết thúc phép đo, tháo mẫu thử, đo chiều dàiđoạn cháy được;

- Đánh giá kết quả.

Hình 4.2: Thực hiện phép đo

4.3. Kết quả thử nghiệm

Kết thúc quá trình thử nghiệm, mẫu thử được tháo ra. Kết quả thử nghiệm của 7 nhóm vật liệu theo biểu đồ Hình 4.3. Việc đánh giá kết quả thử nghiệm dựa trên tốc độ cháy trung bình của nhóm vật liệu nội thất theo công thức (1).

Hình 4.3:Kết quả thử nghiệm

 

Hình 4.4: Mẫu sau khi thử

4.4. Đánh giá

Kết quả thử nghiệm được xem là đạt yêu cầu nếu tốc độ cháy theo phương ngang không lớn hơn 100mm/phút hoặc nếu ngọn lửa tắt trước khi tiếp cận điểm đo cuối cùng.

Tốc độ cháy B tính bằng milimét trên phút theo công thức sau:

 

 

Trong đó:

S - Chiều dài đoạn cháy được (mm);

t - Thời gian cần thiết để cháyđoạn S (s);

Chỉ tính toán tốc độ cháy (B) của mỗi mẫu thử khi ngọn lửa cháy đến điểm đo cuối cùng hoặc cháy đến hết mẫu thử.

Dựa trên kết quả thử nghiệm ta thấy rằng, 7 nhóm vật liệu nội thất này đều đạt yêu cầu. Tốc độ cháy phản ánh đúng bản chất của vật liệu: Vật liệu bọc ghế ngồi có tốc độ cháy lớn nhất 26mm/phút do có nhiều thành phần dễ cháy (mút, xốp); các vật liệu ốp sàn, ốp thành bên, ốp trần, ốp vách ngăn là các vật liệu khó cháy nên tốc độ cháy thấp hơn.

 

5. KẾT LUẬN

Việc kiểm soát chất lượng vật liệu nội thất rất cần thiết nhằm phòng, chống hiện tượng cháy xe ngay từ khâu lựa chọn vật liệu trước khi gia công thành các thành phẩm lắp lên xe. Trong đó, thử nghiệm xác định tốc độ cháy ngang là hạng mục quan trọng. Với 7 nhóm vật liệu nội thất bắt buộc phải thử nghiệm đối với xe khách góp phần nâng cao chất lượng an toàn kỹ thuật của xe.

Việc thử nghiệm tốc độ cháy của vật liệu nội thất dựa trên cơ sở nguyên lý cháy. Kết quả thử nghiệm đánh giá đúng bản chất của vật liệu. Thiết bị được thiết kế, chế tạo và lắp đặt thành công hoàn toàn đáp ứng được những yêu cầu về thử nghiệm theo Quy chuẩn QCVN 53:2013/BGTVT, đồng thời còn đáp ứng thử nghiệm theo các tiêu chuẩn nước ngoài như: ECE R118, ISO 3795, FMVSS 302.

Bên cạnh thử nghiệm vật liệu nội thất thiết bị còn có thể sử dụng kiểm tra tốc độ cháy của các loại vật liệu khác như: Vật liệu công nghiệp, vật liệu nhân tạo… Ngoài ra, thiết bị còn phục vụ công tác nghiên cứu khoa học, nghiên cứu phát triển sản phẩm vật liệu nội thất ô tô o

      

Tài liệu tham khảo

[1]. PGS. Hà Văn Vui, TS. Nguyễn Chí Sáng, ThS. Phan Đăng Phong (2006), Sổ tay  thiết kế cơ khí, NXB. Khoa học kỹ thuật.

[2]. QCVN 53:2013/BGTVT, Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về yêu cầu an toàn chống cháy của vật liệu sử dụng trong kết cấu nội thất xe cơ giới.

[3]. ECE R118, Uniform technical prescriptions concerning the burning behaviour and/or the capability to repel fuel or lubricant of materials used in the construction of certain categories of motor vehicles.

[4]. ISO 3795:1989, Method for Determination of burning behaviour of interior materials for road vehicles, and tractors and machinery for agriculture and forestry.

[5]. FMVSS 302, Flammability of Interior Materials.

[6]. Markus Egelhaaf, Dieter Wolpert (2011), Post collision vehicle fire analysis, Germany,.

[7]. K.H. Digges, R.G. Gann, S.J. Grayson, M.M. Hirschler, R.E. Lyon5, D.A. Purser, J.G. Quintiere, R.R. Stephenson1 and A. Tewarson, Improving survivability in motor vehicle fires.

[8].          Marty Ahrens: U.S (2008), Vehicle fire trends and patterns, Fire Analysis and Research Division, National Fire Protection Association.