火焰引燃高速列车车厢窗帘燃烧特性全尺寸试验研究

朱杰，李小菊，程奉梅

(1.四川师范大学 消防工程研究所，四川成都610101;2.四川省公共火灾防治技术重点实验室，四川成都610101)

高速列车属典型狭长受限空间，可燃物较多且相对集中，目前尚未配置有效的消防安全防火系统，一旦发生火灾，火势蔓延迅速，救援困难，严重威胁人员生命和行车安全，极易酿成车毁人亡的惨剧，造成恶劣社会影响。目前，我国动车组防火设计主要采用国际铁路联盟、德国和中国相关的防火标准，从材料、设施和结构等方面对车体的消防安全做出了系统严格的规定。与国外相比，我国针对高速列车防火方面开展的研究还相对较少，仅见研究也只局限在其火灾特点原因、消防管理、应急预案制定等定性描述及少量FDS数值模拟，针对性较差，无法真实反映实际火灾场景［1－9］;至今未建立一套完整的高速列车防火体系，缺少列车燃烧特性、烟气蔓延、人员逃生、防灭火设计等系统研究。尤其关于高速列车车厢火灾燃烧特性研究更十分有限，全尺寸试验研究基本没有涉及。本文以CRH1高速列车车厢实体窗帘为研究对象，运用家具量热仪，全尺寸试验研究不同引火源功率、不同通风量等条件下座椅点燃时间等引燃特性、热释放速率、质量损失率、热释放总量、烟气释放速率等重要火灾动力学参数;分析它们之间关系，最终总结高速列车车厢窗帘的燃烧行为及特性，为高速列车火灾防治及安全设计提供基础数据及参考依据。

1 车厢模型

高速列车车厢主要由车体、座椅、旅客行李、窗帘等组成。车体多为不燃或难燃烧体，高速列车燃烧实际主要是由座椅、旅客行李、窗帘等可燃组件合成的可燃物在多变环境耦合作用下的复杂传热传质过程。要想科学确定高速列车火灾规模，制定各类有效可行的主被动防火措施，首当其冲必须掌握高速列车车厢各个可燃物的燃烧行为及特性。

高铁列车车厢窗帘与其他车厢内可燃物有所区别。窗帘由于材质和厚度的原因，极易燃烧，往往充当火灾点火器的角色;窗帘虽然自身所含可燃物质较少，但是其周围往往存在座椅、行李等大量可燃物，能引发火灾并形成较大火势，由此可见，研究车厢内窗帘的火灾特性对减少火灾造成的经济损失和人员伤亡具有重要意义。

CRH1型高速列车广泛应用在成灌快速铁路、达成铁路、遂渝铁路、京沪高铁、沪杭高铁、广深铁路等线路，时速200 km/h。CRH1型高速列车车厢分为一等车厢、二等车厢及餐车车厢。一等及餐车车厢两侧共有18个大窗户，2个小窗户，二等车厢共有20个大窗户和两个小窗户。单个大窗帘及小窗帘的面积分别为 0.65 m ×1.6 m，0.65 m ×0.8 m，窗户总面积为21.84 m2，整个车厢窗帘总面积保守考虑定为30 m2左右。各车厢窗户设置情况立面图见图1～图3所示。

图1 一等座车厢剖面图及平面图Fig.1 Profile and plan of first－ class compartment

图2 二等座车厢剖面图及平面图Fig.2 Profile and plan of second － class compartment

图3 餐车车厢剖面图及平面Fig.3 Profile and plan of dining car compartment

2 实验装置及方法

本试验火灾动力学参数主要根据耗氧原理测量［10］，试验装置及试验现场如图4～图5所示。全尺寸标准燃烧间按照GB/T27904—2011标准建造。集烟罩底部尺寸为3 m×3 m，高1.0 m。集烟罩底部一边紧贴试验房间，其余3边的钢板向下延伸1.0 m，集烟罩的有效高度为2.0 m。集烟罩连接到横截面积为0.9 m×0.9 m的混气室。混气室的高度最小为0.9 m。为增加湍流效果，混气室设置2块约0.5 m×0.9 m的隔板。集烟罩的设计和制造确保无烟气泄漏，排烟管与混气室相连，内径为400 mm，直管段不小于4.8 m。

排烟管两端设置均流器，使测量点处气体均匀流动。排烟管道与排烟系统连接，在排烟管道后半段有一部分是测量段，装有气体采样设备和烟密度分析装置。气体采样设备与气体分析仪连接，分析测量烟气中的O2，CO2和CO浓度。在排烟管道末端装有风机，风机的排烟能力不小于4 kg/s(在标准大气压条件下约为12 000 m3/h)，以收集时产生的所有烟气，风机尾部的真空度为2 kPa。试验过程中，风机排烟量在0.5～4 kg/s连续可调。试验初期调低空气流量，否则将影响试验的测试精度。整个燃烧室建在一个相对封闭、无机械通风、保温，并足够大的室内空间，以确保到达到试验所需要求。

图4 大型家具量热仪试验装置图Fig.4 Setup diagram of large furniturecalorimeter

图5 现场试验照片Fig.5 Picture of onsite test

本试验采用自购CRH1实体二等车厢内的单面大窗户窗帘(面积为0.65 m×1.6 m)为试验样品，试验点火源是丙烷气体，火源位于窗帘正中心下方500 mm处，环境温度为24.5℃。不同试验条件包括:不同引火源功率(20 kW和100 kW)和不同通风量(1.5 m3/s和2.8 m3/s)。每次试验之前均对所有测量设备进行了校准和标定，每组试验均重复3次。

3 试验结果及分析

3.1 试验现象

试验共进行了4组，表1为不同试验条件下单面窗帘引燃及火焰持续时间。通过表1可见，高铁车厢单个窗帘在不同燃烧试验条件下均可被引燃，且引燃时间接近，均为70～75 s，窗帘引燃时间基本不受环境通风量影响，但会随引火源功率增大较小幅度缩短。燃烧环境对火焰持续时间影响较大，引火源功率越大，通风量越大，燃烧越迅速、充分，燃烧持续时间越短，100 kW引火源功率，2.8 m3/s通风量条件下，窗帘火焰持续时间仅为350 s，远远低于20 kW引火源功率，1.5 m3/s通风量条件下的火焰持续时间为855 s。

现场试验燃烧过程见图6所示，通过图6可见4组燃烧现象相差不大，由于材质、厚度等原因，窗帘极易引燃，通常点火70 s左右即会引燃，火焰传播速度较快;纵向蔓延为主，80 s纵向全部引燃，形成上宽下窄梯形形状蔓延，过火形状呈倒三角形;随着火势不断增大，直至蔓延至窗帘水平顶端，持续燃烧最终将试样烧成两半，水平持续蔓延直至烧断掉落;最终部分尚未完全燃烧试样及部分燃烧液滴在地面持续燃烧、减弱直至结束。虽然窗帘本身热释放量不大，但引燃燃烧迅速，极短时间内即可把火焰从起火点传到其他可燃物，进而形成较大火势，其往往充当点火器角色。因此，有效提高窗帘本身阻燃性能，延迟引燃时间，增加窗帘与可燃物之间有效安全距离是防止其引发火灾的关键。

通过表1可见，高铁车厢单个窗帘在不同燃烧试验条件下均可被引燃，且引燃时间接近，均为70～75 s，窗帘引燃时间基本不受环境通风量影响，但会随着引火源功率增大较小幅度缩短。燃烧环境对火焰持续时间影响较大，引火源功率越大，通风量越大，燃烧越迅速、充分，燃烧持续时间越短，100 kW引火源功率，2.8 m3/s通风量条件下，窗帘火焰持续时间仅为350 s，远远低于20 kW引火源功率，1.5 m3/s通风量条件下火焰持续时间855 s。

表1 不同试验条件下单个窗帘引燃及火焰持续时间Table 1 Ignition time and flame duration of single curtains under different test conditions

图6 单个窗帘现场燃烧过程图Fig.6 Detailed combustion process in onsite tests

3.2 热释放速率研究

热释放速率峰值和平均热释放速率是研究热释放速率的2个重要指标。热释放速率峰值表征材料燃烧时的最大热释放程度。平均热释放速率则表征材料燃烧过程中的平均热释放程度，平均热释放速率越大，说明材料燃烧越猛烈。图7为不同引火源功率不同通风条件下单个窗帘热释放速率变化曲线。表2为不同试验条件下单个窗帘热释放速率峰值及平均热释放速率。

表2 不同试验条件单个窗帘热释放速率峰值及平均热释放速率Table 2 Peak value of heat release rate and average heat release rate of single curtains under different test conditions

窗帘制品质量较轻(单个窗帘质量未超过300 g)，试验全程基本为燃料控制。从图7可以看出，各试验工况下热释放速率曲线波动较大，在200～300 s时热释放速率增长最迅速，但主线呈持续上升，逐渐平稳特征，20 kW引火源功率条件下，单个窗帘热释放速率峰值及平均热释放速率与通风量成正比，均随着通风量增大而增加，但热释放速率峰值到达时间缩短。风机流量加大，可卷吸更多新鲜空气，氧气供应充足，更助于窗帘点燃及快速充分燃烧，热释放速率随之增大;但燃烧时间缩短，导致平均热释放速率增加。

100 kW引火源功率条件下，单个窗帘热释放速率峰值及平均热释放速率与通风量反而成反比关系，均随通风量增大而减小，热释放速率峰值到达时间增加。究其原因，可能因为较大引火源功率虽较快引燃窗帘，但其自身持续燃烧需要消耗较大环境氧气，羽流卷吸运动激烈，因窗帘质量较轻，随着排烟速度增大，燃烧热量快速飞散，上部原已形成的烟气层会更快衰减，进而烟气层对下部燃烧热反馈减弱，导致热释放速率峰值及平均热释放速率均有所降低。

7 不同试验条件单个窗帘热释放速率随时间变化曲线Fig.7 Curves of single curtains heat release rate versus time under different test conditions

3.3 热释放总量THR

热释放总量THR为单位面积材料完全燃烧所释放的热量之和，THR越大代表材料燃烧潜在危险性就越大［13］。不同试验条件下单个窗帘热释放总量THR曲线见图8所示。由图8可见，随着窗帘点燃并持续燃烧200～300 s，THR直线增加迅速，直至火焰熄灭。

图8 不同试验条件下双人座椅热释放总量随时间曲线Fig.8 Total heat release curves of single curtains versus time under different test conditions

试验表明，单个窗帘THR均随引火源功率及通风量增加而降低。较大引火源功率及通风量，会加大羽流卷吸速率，单个窗帘质量较轻，其燃烧热量流失较为严重，进而导致热释放总量降低。20 kW引火源功率条件下，2.8 m3/s热释放总量为64.5 MJ/m2，远远高于 100 kW 引火源功率，2.8 m3/s热释放总量为 14.9 MJ/m2。

3.4 质量损失率及烟气释放速率

质量损失率是反应热裂解、挥发及燃烧程度，是衡量物质火灾危险性的重要参数。质量损失速率越大，材料越容易点燃，燃烧速度就越快。试验过程中，单个窗帘最初质量在300 g左右。图9为不同试验条件下单个窗帘质量随时间变化曲线。通过试验可见，质量损失率随着引火源功率及通风量的增大而增加，不同试验条件下的最终质量损失率均为0。

图9 不同试验条件下双人座椅质量随时间变化曲线Fig.9 Mass loss curves of single curtains versus time under different test conditions

材料燃烧时烟气释放速率SRR是评价材料对火灾贡献的一个重要指标［14－16］。图10为不同试验条件下烟气释放速率SRR随时间变化曲线。通过图10可以看出，不同试验条件下单个窗帘SRR易受火场环境影响，随着通风量的加大而增大，基本不受最初引火源功率的影响。

图10 不同试验条件下单个窗帘SRR随时间变化曲线Fig.10 Smoke release rate of single curtains versus time under different test conditions

4 结论

1)高速列车窗帘较易引燃，1 min左右即可引燃，纵向蔓延为主，过火形状呈倒三角形，持续燃烧时间为6～15 min;

2)高速列车窗帘热释放速率可达400 kW/m2以上，易受引火源功率、通风量等火场环境影响。较低引火源功率条件下，热释放速率峰值和平均热释放速率与通风量成正比，较高引火源功率则反之;

3)热释放总量随引火源功率及通风量增加而降低，最高可超过60 MJ/m2;

4)烟气释放速率与通风量成正比，基本不受引火源功率影响，如何降低自身燃烧性能，延迟引燃时间，抑制有焰燃烧是高速列车窗帘阻燃关键;

5)窗帘燃烧特性决定其往往充当点火器角色，有效增加窗帘与可燃物之间防火间距是防止其引发火灾的关键。

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