火焰引燃高速列車車廂窗簾燃燒特性全尺寸試驗研究

朱杰，李小菊，程奉梅

(1.四川師范大學 消防工程研究所，四川成都610101;2.四川省公共火災防治技術重點實驗室，四川成都610101)

高速列車屬典型狹長受限空間，可燃物較多且相對集中，目前尚未配置有效的消防安全防火系統(tǒng)，一旦發(fā)生火災，火勢蔓延迅速，救援困難，嚴重威脅人員生命和行車安全，極易釀成車毀人亡的慘劇，造成惡劣社會影響。目前，我國動車組防火設計主要采用國際鐵路聯盟、德國和中國相關的防火標準，從材料、設施和結構等方面對車體的消防安全做出了系統(tǒng)嚴格的規(guī)定。與國外相比，我國針對高速列車防火方面開展的研究還相對較少，僅見研究也只局限在其火災特點原因、消防管理、應急預案制定等定性描述及少量FDS數值模擬，針對性較差，無法真實反映實際火災場景［1－9］;至今未建立一套完整的高速列車防火體系，缺少列車燃燒特性、煙氣蔓延、人員逃生、防滅火設計等系統(tǒng)研究。尤其關于高速列車車廂火災燃燒特性研究更十分有限，全尺寸試驗研究基本沒有涉及。本文以CRH1高速列車車廂實體窗簾為研究對象，運用家具量熱儀，全尺寸試驗研究不同引火源功率、不同通風量等條件下座椅點燃時間等引燃特性、熱釋放速率、質量損失率、熱釋放總量、煙氣釋放速率等重要火災動力學參數;分析它們之間關系，最終總結高速列車車廂窗簾的燃燒行為及特性，為高速列車火災防治及安全設計提供基礎數據及參考依據。

1 車廂模型

高速列車車廂主要由車體、座椅、旅客行李、窗簾等組成。車體多為不燃或難燃燒體，高速列車燃燒實際主要是由座椅、旅客行李、窗簾等可燃組件合成的可燃物在多變環(huán)境耦合作用下的復雜傳熱傳質過程。要想科學確定高速列車火災規(guī)模，制定各類有效可行的主被動防火措施，首當其沖必須掌握高速列車車廂各個可燃物的燃燒行為及特性。

高鐵列車車廂窗簾與其他車廂內可燃物有所區(qū)別。窗簾由于材質和厚度的原因，極易燃燒，往往充當火災點火器的角色;窗簾雖然自身所含可燃物質較少，但是其周圍往往存在座椅、行李等大量可燃物，能引發(fā)火災并形成較大火勢，由此可見，研究車廂內窗簾的火災特性對減少火災造成的經濟損失和人員傷亡具有重要意義。

CRH1型高速列車廣泛應用在成灌快速鐵路、達成鐵路、遂渝鐵路、京滬高鐵、滬杭高鐵、廣深鐵路等線路，時速200 km/h。CRH1型高速列車車廂分為一等車廂、二等車廂及餐車車廂。一等及餐車車廂兩側共有18個大窗戶，2個小窗戶，二等車廂共有20個大窗戶和兩個小窗戶。單個大窗簾及小窗簾的面積分別為 0.65 m ×1.6 m，0.65 m ×0.8 m，窗戶總面積為21.84 m2，整個車廂窗簾總面積保守考慮定為30 m2左右。各車廂窗戶設置情況立面圖見圖1～圖3所示。

圖1 一等座車廂剖面圖及平面圖Fig.1 Profile and plan of first－ class compartment

圖2 二等座車廂剖面圖及平面圖Fig.2 Profile and plan of second － class compartment

圖3 餐車車廂剖面圖及平面Fig.3 Profile and plan of dining car compartment

2 實驗裝置及方法

本試驗火災動力學參數主要根據耗氧原理測量［10］，試驗裝置及試驗現場如圖4～圖5所示。全尺寸標準燃燒間按照GB/T27904—2011標準建造。集煙罩底部尺寸為3 m×3 m，高1.0 m。集煙罩底部一邊緊貼試驗房間，其余3邊的鋼板向下延伸1.0 m，集煙罩的有效高度為2.0 m。集煙罩連接到橫截面積為0.9 m×0.9 m的混氣室。混氣室的高度最小為0.9 m。為增加湍流效果，混氣室設置2塊約0.5 m×0.9 m的隔板。集煙罩的設計和制造確保無煙氣泄漏，排煙管與混氣室相連，內徑為400 mm，直管段不小于4.8 m。

排煙管兩端設置均流器，使測量點處氣體均勻流動。排煙管道與排煙系統(tǒng)連接，在排煙管道后半段有一部分是測量段，裝有氣體采樣設備和煙密度分析裝置。氣體采樣設備與氣體分析儀連接，分析測量煙氣中的O2，CO2和CO濃度。在排煙管道末端裝有風機，風機的排煙能力不小于4 kg/s(在標準大氣壓條件下約為12 000 m3/h)，以收集時產生的所有煙氣，風機尾部的真空度為2 kPa。試驗過程中，風機排煙量在0.5～4 kg/s連續(xù)可調。試驗初期調低空氣流量，否則將影響試驗的測試精度。整個燃燒室建在一個相對封閉、無機械通風、保溫，并足夠大的室內空間，以確保到達到試驗所需要求。

圖4 大型家具量熱儀試驗裝置圖Fig.4 Setup diagram of large furniturecalorimeter

圖5 現場試驗照片Fig.5 Picture of onsite test

本試驗采用自購CRH1實體二等車廂內的單面大窗戶窗簾(面積為0.65 m×1.6 m)為試驗樣品，試驗點火源是丙烷氣體，火源位于窗簾正中心下方500 mm處，環(huán)境溫度為24.5℃。不同試驗條件包括:不同引火源功率(20 kW和100 kW)和不同通風量(1.5 m3/s和2.8 m3/s)。每次試驗之前均對所有測量設備進行了校準和標定，每組試驗均重復3次。

3 試驗結果及分析

3.1 試驗現象

試驗共進行了4組，表1為不同試驗條件下單面窗簾引燃及火焰持續(xù)時間。通過表1可見，高鐵車廂單個窗簾在不同燃燒試驗條件下均可被引燃，且引燃時間接近，均為70～75 s，窗簾引燃時間基本不受環(huán)境通風量影響，但會隨引火源功率增大較小幅度縮短。燃燒環(huán)境對火焰持續(xù)時間影響較大，引火源功率越大，通風量越大，燃燒越迅速、充分，燃燒持續(xù)時間越短，100 kW引火源功率，2.8 m3/s通風量條件下，窗簾火焰持續(xù)時間僅為350 s，遠遠低于20 kW引火源功率，1.5 m3/s通風量條件下的火焰持續(xù)時間為855 s。

現場試驗燃燒過程見圖6所示，通過圖6可見4組燃燒現象相差不大，由于材質、厚度等原因，窗簾極易引燃，通常點火70 s左右即會引燃，火焰?zhèn)鞑ニ俣容^快;縱向蔓延為主，80 s縱向全部引燃，形成上寬下窄梯形形狀蔓延，過火形狀呈倒三角形;隨著火勢不斷增大，直至蔓延至窗簾水平頂端，持續(xù)燃燒最終將試樣燒成兩半，水平持續(xù)蔓延直至燒斷掉落;最終部分尚未完全燃燒試樣及部分燃燒液滴在地面持續(xù)燃燒、減弱直至結束。雖然窗簾本身熱釋放量不大，但引燃燃燒迅速，極短時間內即可把火焰從起火點傳到其他可燃物，進而形成較大火勢，其往往充當點火器角色。因此，有效提高窗簾本身阻燃性能，延遲引燃時間，增加窗簾與可燃物之間有效安全距離是防止其引發(fā)火災的關鍵。

通過表1可見，高鐵車廂單個窗簾在不同燃燒試驗條件下均可被引燃，且引燃時間接近，均為70～75 s，窗簾引燃時間基本不受環(huán)境通風量影響，但會隨著引火源功率增大較小幅度縮短。燃燒環(huán)境對火焰持續(xù)時間影響較大，引火源功率越大，通風量越大，燃燒越迅速、充分，燃燒持續(xù)時間越短，100 kW引火源功率，2.8 m3/s通風量條件下，窗簾火焰持續(xù)時間僅為350 s，遠遠低于20 kW引火源功率，1.5 m3/s通風量條件下火焰持續(xù)時間855 s。

表1 不同試驗條件下單個窗簾引燃及火焰持續(xù)時間Table 1 Ignition time and flame duration of single curtains under different test conditions

圖6 單個窗簾現場燃燒過程圖Fig.6 Detailed combustion process in onsite tests

3.2 熱釋放速率研究

熱釋放速率峰值和平均熱釋放速率是研究熱釋放速率的2個重要指標。熱釋放速率峰值表征材料燃燒時的最大熱釋放程度。平均熱釋放速率則表征材料燃燒過程中的平均熱釋放程度，平均熱釋放速率越大，說明材料燃燒越猛烈。圖7為不同引火源功率不同通風條件下單個窗簾熱釋放速率變化曲線。表2為不同試驗條件下單個窗簾熱釋放速率峰值及平均熱釋放速率。

表2 不同試驗條件單個窗簾熱釋放速率峰值及平均熱釋放速率Table 2 Peak value of heat release rate and average heat release rate of single curtains under different test conditions

窗簾制品質量較輕(單個窗簾質量未超過300 g)，試驗全程基本為燃料控制。從圖7可以看出，各試驗工況下熱釋放速率曲線波動較大，在200～300 s時熱釋放速率增長最迅速，但主線呈持續(xù)上升，逐漸平穩(wěn)特征，20 kW引火源功率條件下，單個窗簾熱釋放速率峰值及平均熱釋放速率與通風量成正比，均隨著通風量增大而增加，但熱釋放速率峰值到達時間縮短。風機流量加大，可卷吸更多新鮮空氣，氧氣供應充足，更助于窗簾點燃及快速充分燃燒，熱釋放速率隨之增大;但燃燒時間縮短，導致平均熱釋放速率增加。

100 kW引火源功率條件下，單個窗簾熱釋放速率峰值及平均熱釋放速率與通風量反而成反比關系，均隨通風量增大而減小，熱釋放速率峰值到達時間增加。究其原因，可能因為較大引火源功率雖較快引燃窗簾，但其自身持續(xù)燃燒需要消耗較大環(huán)境氧氣，羽流卷吸運動激烈，因窗簾質量較輕，隨著排煙速度增大，燃燒熱量快速飛散，上部原已形成的煙氣層會更快衰減，進而煙氣層對下部燃燒熱反饋減弱，導致熱釋放速率峰值及平均熱釋放速率均有所降低。

7 不同試驗條件單個窗簾熱釋放速率隨時間變化曲線Fig.7 Curves of single curtains heat release rate versus time under different test conditions

3.3 熱釋放總量THR

熱釋放總量THR為單位面積材料完全燃燒所釋放的熱量之和，THR越大代表材料燃燒潛在危險性就越大［13］。不同試驗條件下單個窗簾熱釋放總量THR曲線見圖8所示。由圖8可見，隨著窗簾點燃并持續(xù)燃燒200～300 s，THR直線增加迅速，直至火焰熄滅。

圖8 不同試驗條件下雙人座椅熱釋放總量隨時間曲線Fig.8 Total heat release curves of single curtains versus time under different test conditions

試驗表明，單個窗簾THR均隨引火源功率及通風量增加而降低。較大引火源功率及通風量，會加大羽流卷吸速率，單個窗簾質量較輕，其燃燒熱量流失較為嚴重，進而導致熱釋放總量降低。20 kW引火源功率條件下，2.8 m3/s熱釋放總量為64.5 MJ/m2，遠遠高于 100 kW 引火源功率，2.8 m3/s熱釋放總量為 14.9 MJ/m2。

3.4 質量損失率及煙氣釋放速率

質量損失率是反應熱裂解、揮發(fā)及燃燒程度，是衡量物質火災危險性的重要參數。質量損失速率越大，材料越容易點燃，燃燒速度就越快。試驗過程中，單個窗簾最初質量在300 g左右。圖9為不同試驗條件下單個窗簾質量隨時間變化曲線。通過試驗可見，質量損失率隨著引火源功率及通風量的增大而增加，不同試驗條件下的最終質量損失率均為0。

圖9 不同試驗條件下雙人座椅質量隨時間變化曲線Fig.9 Mass loss curves of single curtains versus time under different test conditions

材料燃燒時煙氣釋放速率SRR是評價材料對火災貢獻的一個重要指標［14－16］。圖10為不同試驗條件下煙氣釋放速率SRR隨時間變化曲線。通過圖10可以看出，不同試驗條件下單個窗簾SRR易受火場環(huán)境影響，隨著通風量的加大而增大，基本不受最初引火源功率的影響。

圖10 不同試驗條件下單個窗簾SRR隨時間變化曲線Fig.10 Smoke release rate of single curtains versus time under different test conditions

4 結論

1)高速列車窗簾較易引燃，1 min左右即可引燃，縱向蔓延為主，過火形狀呈倒三角形，持續(xù)燃燒時間為6～15 min;

2)高速列車窗簾熱釋放速率可達400 kW/m2以上，易受引火源功率、通風量等火場環(huán)境影響。較低引火源功率條件下，熱釋放速率峰值和平均熱釋放速率與通風量成正比，較高引火源功率則反之;

3)熱釋放總量隨引火源功率及通風量增加而降低，最高可超過60 MJ/m2;

4)煙氣釋放速率與通風量成正比，基本不受引火源功率影響，如何降低自身燃燒性能，延遲引燃時間，抑制有焰燃燒是高速列車窗簾阻燃關鍵;

5)窗簾燃燒特性決定其往往充當點火器角色，有效增加窗簾與可燃物之間防火間距是防止其引發(fā)火災的關鍵。

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