棉花铁路安全运输模拟试验的研究

殷 涛

YIN Tao

（中国铁道科学研究院运输及经济研究所，北京100081）

(Transportation and Economics Research Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China)

棉花铁路安全运输模拟试验的研究

殷 涛

YIN Tao

（中国铁道科学研究院运输及经济研究所，北京100081）

(Transportation and Economics Research Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China)

在分析我国棉花铁路运输现状的基础上，根据棉花铁路运输起火问题的复杂性和紧迫性，开展棉花铁路运输环境条件综合测试，有针对性地设计夹带火源、摩擦起火、铁屑引燃、火源及胶带引燃一系列模拟试验，系统研究棉花铁路运输过程中火灾隐患发生机理，提出铁路棉花安全运输条件，为降低棉花铁路运输过程中火灾事故的发生奠定基础。

铁路；棉花；安全；火灾；模拟试验；隐患

1　概述

棉花是关系我国国计民生的重要战略物资，是仅次于粮食的第二大经济作物，也是全国约1亿棉农的主要经济收入来源[1]，同时还是纺织工业的主要原材料，与人民群众的日常生活和利益息息相关，对国民经济的发展具有重要影响。每年新疆生产的棉花约 80% 经铁路运往沿海纺织工业发达地区销售[2]。由于棉花自身具有易燃、自燃、阴燃等特性[3]，在以往铁路运输途中容易发生火灾事故，给国家和棉农造成巨大经济损失，不仅影响铁路沿线群众日常生活，也干扰铁路正常运输秩序，进而威胁铁路运输安全[4]。

棉花铁路运输火灾多发生于运输途中，车厢处于密闭状态，施救后难以找到起火点和判断起火前的状态。因此，长期以来对棉花铁路运输火灾事故缺乏系统研究。铁路部门对棉花铁路运输途中发生火灾事故十分关注[5-6]，中国铁路总公司相关单位与各类科研机构[7]组成攻关小组开展专项试验研究，对火灾事故的原理进行模拟试验，系统研究棉花火灾事故发生机理，科学确定棉花运输条件，以尽量避免棉花铁路运输火灾事故的发生。

通过研究分析多起棉花铁路运输途中的火灾，查看火灾事故现场、货物列车在火灾发生前后的作业记录，测试分析过火棉包和其他棉包样品，棉花铁路运输发生火灾的可能原因主要有棉花自燃、包装过程中夹带火源、偶发的外来火源、捆扎棉包所用钢丝摩擦生热等。

2　棉花铁路安全运输模拟试验研究

为了更加准确地掌握我国棉花在铁路运输过程中的基础数据[4]，包括运输全程环境的温度与湿度、车厢在封堵和不封堵状态下各位置的温度与湿度，车厢内不同位置棉包内部不同深度的温度、湿度和回潮率等数据，按照不同季节、不同发站、车辆不同封堵方式，先后开展 6 次棉包铁路运输过程环境条件测试。在收集大量数据基础上，有针对性地设计了一系列可能引发火灾的模拟试验。

2.1 夹带火源模拟试验

相关研究表明棉花加工过程中产生的火源会在棉包内继续阴燃，是棉花铁路运输火灾的可能因素，因而需要对夹带火源的阴燃性进行模拟试验。在模拟试验中，选取引燃烟头 (最大热辐射强度5.8 kW/m2，平均温度 520℃，大于棉花的燃点) 作为典型微小火源，将点燃的烟头置于棉花中央，采用油压机模拟棉包成型压力压制棉包，使棉花达到棉包的密度，记录不同时间夹带烟头的棉包的碳化面积，以确认是否会产生持续阴燃。不同时间下的碳化面积如表1所示。

表1　不同时间下的碳化面积

试验结果表明：烟头产生的热量能够点燃棉花纤维，并且首先在局部形成带火星的碳化孔洞，碳化区域逐渐在平铺的松散棉花纤维上向外周扩散，碳化痕迹更加明显，碳化面积随时间的增加而增大。静置3min 时碳化面积达到最大为 21.0 cm2，并且不再有扩大的趋势。静置时间超过3min 所形成的棉花碳化痕迹，敞开后 30 min 时间内没有任何扩大迹象，棉花没有发生阴燃。

试验说明：在较大棉包密度下，包内氧气含量较少，即使有火源，氧气量也不能保证长期进行阴燃。

2.2 摩擦起火模拟试验

2.2.1 振动摩擦模拟试验

每个棉包从棉花加工厂制成后，需要经过入库、出库、车辆运输及卸车等作业流程，在复杂作业过程中，棉包和捆绑棉包用钢丝不可避免地与装卸设备、铁路车辆和仓库发生摩擦，导致局部升温并且引起火花，从而可能致使棉花燃烧。为此，针对棉包及钢丝在摩擦作用下温度的变化、摩擦飞溅火星温度等进行试验研究，并且对摩擦温升、火星等引燃棉包的可能性进行研究。

采用振动试验机模拟车厢振动，以考察棉包与地板的摩擦。在模拟试验中首先固定一定厚度的钢板，钢板材料与铁路棚车地板材料一致。然后分别使用夹具固定1个标准棉包 (工况1) 和2个小规格棉包 (工况 2)，确保棉包在钢板上在有限的空间内振动。在模拟试验中振幅分别设置为水平方向0.5 mm、1 mm、1.5 mm、2 mm，以及垂直方向1 mm；试验机振动频率设置为 20 Hz，考虑到试验机负载和能量扩散平衡等情况，将振动时间设置为60 min，重点采集记录棉包与钢板接触面附近的温度变化数据。振动摩擦试验测试结果如表2所示。

表2　振动摩擦试验测试结果

通过分析表2中试验数据可以看出，靠近钢丝的棉花温度有一点上升，水平振动摩擦造成的温度升高大于垂直振动。观察相关红外成像可知，接触面附近钢丝温度最高，棉包本身温度次之。

2.2.2 地面拖拽摩擦模拟试验

试验针对棉包装卸过程中拖拽产生强烈摩擦展开模拟测试。试验中采用叉车向前快速推动棉包，速度分别为 5 km/h、10 km/h、15 km/h，让棉包下表面与普通水泥面摩擦，考察棉包、钢丝的磨损情况，以及接触面温度变化，从而判断此过程的火灾危险性。利用叉车推动棉包位移 40 m 后，接触面钢丝严重磨损，其中 4 根发生断裂，棉包外包装用棉布发生破损，棉花磨损严重，同时发现黑色碳化点，摩擦后的地面出现较多摩擦残留和痕迹，通过红外设备记录到断裂钢丝最高温度达到 122℃[8]。

2.2.3 冲击摩擦模拟试验

试验模拟货运列车在行驶途中制动、车辆间编组过程中发生巨大冲击力时棉包与车厢产生摩擦的情形，研究该过程中棉包的温度变化。试验中将棉包放置于铁质小推车上，采用人力和卡车推动推车，让推车以一定的速度溜放，并且与刚体(模拟编组车体)碰撞，采集记录棉包的温度变化。

小推车采用人力推动，分别以3m/s、4 m/s、5 m/s 的速度推动自制推车撞向一堵砖墙；卡车以2.8 m/s、4.2 m/s、5 m/s 的速度推动自制推车，在距墙1m 处停止推进，让自制推车以自由溜放的方式与砖墙碰撞。冲击试验温度记录表如表3所示。

表3　冲击试验温度记录表

2.3 铁屑引燃模拟试验

棉花打包捆扎用镀锌钢丝，在运输过程中与车辆厢体或水泥地面摩擦升温容易引起火花，可能导致棉花燃烧。模拟试验中制作平均质量分别为0.04 g、0.09 g、0.16 g、0.33 g 的 4 种规格钢丝铁屑样品，加热至一定温度后，将铁屑直接作用于裸露的棉花和包装棉包的棉布，观察铁屑能否引燃棉包，使棉包产生阴燃，同时监测铁屑作用于棉包区域的温度。试验结果如下。

（1）质量为 0.04 g 的铁屑温度达到 490℃ 时棉包露白碳化，温度达到 580℃ 时露白阴燃；质量为0.09 g 的铁屑温度达到 450℃ 时棉包露白碳化，温度达到 550℃ 时露白阴燃；质量为 0.16 g 的铁屑温度达到 380℃ 时棉包露白部分碳化，温度达到490℃ 时露白阴燃；质量为 0.33 g 的铁屑温度达到380℃ 时，棉包露白碳化，温度达到 450℃ 时露白阴燃。由此可见，当铁屑温度超过 550℃ 时，所有铁屑都能够使棉包露白进入阴燃状态。

（2）当铁屑温度低于 300℃ 时，棉包包装棉布无碳化；质量为 0.04 g 的铁屑温度达到 550℃ 时包装棉布碳化，温度达到 670℃ 时棉布灼穿；质量为0.09 g 的铁屑温度达到 550℃ 时包装棉布碳化，温度达到 670℃ 时棉布灼穿；质量为 0.16 g 的铁屑温度达到 450℃ 时包装棉布轻度碳化，温度达到670℃ 时棉布灼穿；质量为 0.33 g 的铁屑温度达到390℃ 时包装棉布轻度碳化，温度达到 550℃ 时棉布灼穿。由此可见，当铁屑温度达到 870℃ 时，棉包包装棉布均未引燃。

试验结果表明，接触温度和铁屑质量是影响铁屑作用棉包包装棉布的因素。在试验条件下，质量大、温度高的铁屑更容易灼穿包装棉布，但铁屑灼穿包装棉布后并不能使棉包进入阴燃阶段。

同时采用电焊焊渣引燃棉包的试验方法确定点燃完整包装的棉包的最高温度。当掉落的焊渣最高温度达到1200℃ 以上时，极易引燃棉包，并且能使棉包进入阴燃阶段，而振动、冲击摩擦模拟试验的结果表明，捆扎棉包钢丝各种摩擦很难达到1 000℃。因此，焊渣点燃棉包的模拟试验结果可能是捆扎棉包钢丝摩擦产热的极端情况。

2.4 火源及胶带引燃模拟试验

试验采用点燃的烟头放置于棉包露白棉花表面，使用红外测温仪监测烟头作用于棉包区域的温度，利用摄像机全程动态监测整个试验过程。烟头在露白棉花表面很快形成碳化并引起阴燃，红外测温仪监测作用区域的温度达到 521℃，露白棉花表面温度渐渐下降，阴燃向棉花内部扩散。取出阴燃的棉花，在空气流通的室外环境中可以观察到明火。试验结果说明，未熄灭的烟头易点燃棉包的露白，引燃棉包，并且使棉包进入引燃阶段。

棉包包装棉布上缠绕的包装胶带密度较小、成分较为复杂，遇热易变形收缩，不能适用于塑料产品燃烧性能的国家标准测试方法《塑料燃烧性能的测定 水平法和垂直法》(GB/T 2408—2008)。因此，采用辐射热源、微小火源和明火分别对包装胶带进行直接点燃试验，以考察包装胶带在不同热源条件下的火灾危险性。以马弗炉内腔体作为辐射热源，利用摄像机全程动态监测整个试验过程。当炉内空气温度达到 300℃ 时，包装胶带开始变形；当炉内空气温度达到 500℃ 时，包装胶带迅速地卷曲收缩，没有出现明火燃烧。

选取引燃烟头作为微小火源接触包装胶带。接触烟头的包装胶带表现为收缩变形，没有出现明火。收缩变形只在接触位置附近发生，并没有产生蔓延，说明烟头不能点燃包装胶带。当以明火点燃包装胶带时，胶带发生燃烧。

2.5 结论与建议

通过试验模拟测试，结合理论分析可知，引发棉花铁路运输火灾的主要原因有2个，分别是棉包捆扎钢丝之间，棉包捆扎钢丝与车厢侧壁、地板之间，车门与车厢侧壁之间，因调车作业等引起剧烈摩擦产生的高温铁屑作用于露白棉花上；棉包捆扎钢丝长时间摩擦蓄热升温作用于露白棉花上。调车、装卸作业等引起的捆扎钢丝剧烈摩擦导致摩擦点温度升高也具有一定火灾危险性。模拟试验结果表明，棉包发生自燃的条件比较苛刻，铁路运输途中发生自燃的概率较小。在现有棉包密度条件下，夹带的火源不易持续燃烧。偶发的外来火源作用于露白棉花上，也是引发棉花铁路运输火灾的可能因素。

因此，针对铁路棉花安全运输，改进措施与方法主要包括新的棉花包装标准、新的塑钢带捆扎方式、严格控制调车作业速度、装车前处理露白棉包、装车站抽检回潮率等。通过近几年铁路运输实践，铁路棉花火灾事故发生率显著降低。

3　结束语

通过系统研究棉花铁路运输过程中火灾事故发生的机理，开展棉花铁路运输环境条件综合测试，模拟试验典型火灾发生隐患条件，有效降低了棉花铁路运输过程中火灾事故的发生几率，提高了棉花铁路运输的安全性，尽可能地避免因火灾造成的经济损失，同时推动棉花包装新标准在我国棉花加工行业内的应用，促进我国棉花的国际贸易[9]。

[1] 汤 进. 棉花加工企业火灾成因及消防安全对策[J]. 中国棉花加工，2013(5)：41-42.

[2] 臧 丽. 浅析国内棉花物流[J]. 中国市场，2015(7)：18-19. ZANG Li. Analysis on Contton Logistics in China[J]. China Market，2015(7)：18-19.

[3] 夏恩亮，刘申友，程旭东，等. 棉花阴燃和明火燃烧特性的对比研究[J]. 火灾科学，2013，22(2)：70-76. XIA En-liang，LIU Shen-you，CHENG Xu-dong，et al. A Comparative Study on the Characteristic of Cotton Smolderingand Flaming Combustion[J]. Fire Safety Science，2013，22(2)：70-76.

[4] 车德慧，陆 松，殷 涛. 棉花铁路运输环境条件的试验研究[J]. 铁道运输与经济，2013，35(6)：56-60. CHE De-hui，LU Song，YIN Tao. Study on Environment Condition Test of Cotton Railway Transportation[J]. Railway Transport and Economy，2013，35(6)：56-60.

[5] 温克学. 关于铁路危险货物运输安全管理创新的探索与思考[J]. 铁道货运，2015，33(3)：1-8. WEN Ke-xue. Discussion and Thoughts on Innovating Safety Management of Railway Dangerous Goods Transportation[J]. Railway Freight Transport，2015，33(3)：1-8.

[6] 汪俊杰，刘雷莲. 棉花加工厂火灾预防与控制[J]. 中国棉花，2007，34(2)：41-42.

[7] 凌炎鑫. 无线传感器网络在铁路棉花运输安全监测中的应用研究[D]. 北京：北京交通大学，2013. LING Yan-xin. Application Research on Wireless Sensor Networks for Cotton Safety Monitoring in Railway Transportation[D]. Beijing：Beijing Jiaotong University，2013.

[8] 黄 昊，张永丰，顾海昕. 铁路运输及装卸过程中棉花火灾风险性研究[C]//中国消防协会，山东省公安消防总队. 2011 中国消防协会科学技术年会论文集. 济南：中国消防协会，山东省公安消防总队，2011：165-170.

[9] 王瑞霞，胡春雷. 新《棉花包装》国家标准分析[J]. 中国棉花加工，2008(2)：28-30.

责任编辑：冯姗姗

Study on Simulation Tests of Safe Cotton Transportation by Railway

Based on analysis of existing status of railway cotton transportation in China, according to complexity and urgency of fire catching during cotton railway transportation, a series of ambient conditions tests of cotton railway transport were carried out, during which such conditions as ignition source, fire by friction, iron-ignited fire, fire origin and tape-ignited fire were simulated, and the firing mechanism during cotton transportation by railway was thus studied, and then, conditions for safe cotton transportation by railway were put forward as to provide foundation for reducing fire accidents in the transportation.

Railway; Cotton Transportation; Safety; Fire; Simulation Test

1003-1421(2016)04-0089-05

U298.4

B

10.16668/j.cnki.issn.1003-1421.2016.04.19

2016-03-01

中国铁道科学研究院基金项目 (2015YJ066)