棉花鐵路安全運輸模擬試驗的研究

殷 濤

YIN Tao

（中國鐵道科學(xué)研究院運輸及經(jīng)濟研究所，北京100081）

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

棉花鐵路安全運輸模擬試驗的研究

殷 濤

YIN Tao

（中國鐵道科學(xué)研究院運輸及經(jīng)濟研究所，北京100081）

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

在分析我國棉花鐵路運輸現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，根據(jù)棉花鐵路運輸起火問題的復(fù)雜性和緊迫性，開展棉花鐵路運輸環(huán)境條件綜合測試，有針對性地設(shè)計夾帶火源、摩擦起火、鐵屑引燃、火源及膠帶引燃一系列模擬試驗，系統(tǒng)研究棉花鐵路運輸過程中火災(zāi)隱患發(fā)生機理，提出鐵路棉花安全運輸條件，為降低棉花鐵路運輸過程中火災(zāi)事故的發(fā)生奠定基礎(chǔ)。

鐵路；棉花；安全；火災(zāi)；模擬試驗；隱患

1　概述

棉花是關(guān)系我國國計民生的重要戰(zhàn)略物資，是僅次于糧食的第二大經(jīng)濟作物，也是全國約1億棉農(nóng)的主要經(jīng)濟收入來源[1]，同時還是紡織工業(yè)的主要原材料，與人民群眾的日常生活和利益息息相關(guān)，對國民經(jīng)濟的發(fā)展具有重要影響。每年新疆生產(chǎn)的棉花約 80% 經(jīng)鐵路運往沿海紡織工業(yè)發(fā)達地區(qū)銷售[2]。由于棉花自身具有易燃、自燃、陰燃等特性[3]，在以往鐵路運輸途中容易發(fā)生火災(zāi)事故，給國家和棉農(nóng)造成巨大經(jīng)濟損失，不僅影響鐵路沿線群眾日常生活，也干擾鐵路正常運輸秩序，進而威脅鐵路運輸安全[4]。

棉花鐵路運輸火災(zāi)多發(fā)生于運輸途中，車廂處于密閉狀態(tài)，施救后難以找到起火點和判斷起火前的狀態(tài)。因此，長期以來對棉花鐵路運輸火災(zāi)事故缺乏系統(tǒng)研究。鐵路部門對棉花鐵路運輸途中發(fā)生火災(zāi)事故十分關(guān)注[5-6]，中國鐵路總公司相關(guān)單位與各類科研機構(gòu)[7]組成攻關(guān)小組開展專項試驗研究，對火災(zāi)事故的原理進行模擬試驗，系統(tǒng)研究棉花火災(zāi)事故發(fā)生機理，科學(xué)確定棉花運輸條件，以盡量避免棉花鐵路運輸火災(zāi)事故的發(fā)生。

通過研究分析多起棉花鐵路運輸途中的火災(zāi)，查看火災(zāi)事故現(xiàn)場、貨物列車在火災(zāi)發(fā)生前后的作業(yè)記錄，測試分析過火棉包和其他棉包樣品，棉花鐵路運輸發(fā)生火災(zāi)的可能原因主要有棉花自燃、包裝過程中夾帶火源、偶發(fā)的外來火源、捆扎棉包所用鋼絲摩擦生熱等。

2　棉花鐵路安全運輸模擬試驗研究

為了更加準確地掌握我國棉花在鐵路運輸過程中的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[4]，包括運輸全程環(huán)境的溫度與濕度、車廂在封堵和不封堵狀態(tài)下各位置的溫度與濕度，車廂內(nèi)不同位置棉包內(nèi)部不同深度的溫度、濕度和回潮率等數(shù)據(jù)，按照不同季節(jié)、不同發(fā)站、車輛不同封堵方式，先后開展 6 次棉包鐵路運輸過程環(huán)境條件測試。在收集大量數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，有針對性地設(shè)計了一系列可能引發(fā)火災(zāi)的模擬試驗。

2.1 夾帶火源模擬試驗

相關(guān)研究表明棉花加工過程中產(chǎn)生的火源會在棉包內(nèi)繼續(xù)陰燃，是棉花鐵路運輸火災(zāi)的可能因素，因而需要對夾帶火源的陰燃性進行模擬試驗。在模擬試驗中，選取引燃煙頭 (最大熱輻射強度5.8 kW/m2，平均溫度 520℃，大于棉花的燃點) 作為典型微小火源，將點燃的煙頭置于棉花中央，采用油壓機模擬棉包成型壓力壓制棉包，使棉花達到棉包的密度，記錄不同時間夾帶煙頭的棉包的碳化面積，以確認是否會產(chǎn)生持續(xù)陰燃。不同時間下的碳化面積如表1所示。

表1　不同時間下的碳化面積

試驗結(jié)果表明：煙頭產(chǎn)生的熱量能夠點燃棉花纖維，并且首先在局部形成帶火星的碳化孔洞，碳化區(qū)域逐漸在平鋪的松散棉花纖維上向外周擴散，碳化痕跡更加明顯，碳化面積隨時間的增加而增大。靜置3min 時碳化面積達到最大為 21.0 cm2，并且不再有擴大的趨勢。靜置時間超過3min 所形成的棉花碳化痕跡，敞開后 30 min 時間內(nèi)沒有任何擴大跡象，棉花沒有發(fā)生陰燃。

試驗說明：在較大棉包密度下，包內(nèi)氧氣含量較少，即使有火源，氧氣量也不能保證長期進行陰燃。

2.2 摩擦起火模擬試驗

2.2.1 振動摩擦模擬試驗

每個棉包從棉花加工廠制成后，需要經(jīng)過入庫、出庫、車輛運輸及卸車等作業(yè)流程，在復(fù)雜作業(yè)過程中，棉包和捆綁棉包用鋼絲不可避免地與裝卸設(shè)備、鐵路車輛和倉庫發(fā)生摩擦，導(dǎo)致局部升溫并且引起火花，從而可能致使棉花燃燒。為此，針對棉包及鋼絲在摩擦作用下溫度的變化、摩擦飛濺火星溫度等進行試驗研究，并且對摩擦溫升、火星等引燃棉包的可能性進行研究。

采用振動試驗機模擬車廂振動，以考察棉包與地板的摩擦。在模擬試驗中首先固定一定厚度的鋼板，鋼板材料與鐵路棚車地板材料一致。然后分別使用夾具固定1個標準棉包 (工況1) 和2個小規(guī)格棉包 (工況 2)，確保棉包在鋼板上在有限的空間內(nèi)振動。在模擬試驗中振幅分別設(shè)置為水平方向0.5 mm、1 mm、1.5 mm、2 mm，以及垂直方向1 mm；試驗機振動頻率設(shè)置為 20 Hz，考慮到試驗機負載和能量擴散平衡等情況，將振動時間設(shè)置為60 min，重點采集記錄棉包與鋼板接觸面附近的溫度變化數(shù)據(jù)。振動摩擦試驗測試結(jié)果如表2所示。

表2　振動摩擦試驗測試結(jié)果

通過分析表2中試驗數(shù)據(jù)可以看出，靠近鋼絲的棉花溫度有一點上升，水平振動摩擦造成的溫度升高大于垂直振動。觀察相關(guān)紅外成像可知，接觸面附近鋼絲溫度最高，棉包本身溫度次之。

2.2.2 地面拖拽摩擦模擬試驗

試驗針對棉包裝卸過程中拖拽產(chǎn)生強烈摩擦展開模擬測試。試驗中采用叉車向前快速推動棉包，速度分別為 5 km/h、10 km/h、15 km/h，讓棉包下表面與普通水泥面摩擦，考察棉包、鋼絲的磨損情況，以及接觸面溫度變化，從而判斷此過程的火災(zāi)危險性。利用叉車推動棉包位移 40 m 后，接觸面鋼絲嚴重磨損，其中 4 根發(fā)生斷裂，棉包外包裝用棉布發(fā)生破損，棉花磨損嚴重，同時發(fā)現(xiàn)黑色碳化點，摩擦后的地面出現(xiàn)較多摩擦殘留和痕跡，通過紅外設(shè)備記錄到斷裂鋼絲最高溫度達到 122℃[8]。

2.2.3 沖擊摩擦模擬試驗

試驗?zāi)M貨運列車在行駛途中制動、車輛間編組過程中發(fā)生巨大沖擊力時棉包與車廂產(chǎn)生摩擦的情形，研究該過程中棉包的溫度變化。試驗中將棉包放置于鐵質(zhì)小推車上，采用人力和卡車推動推車，讓推車以一定的速度溜放，并且與剛體(模擬編組車體)碰撞，采集記錄棉包的溫度變化。

小推車采用人力推動，分別以3m/s、4 m/s、5 m/s 的速度推動自制推車撞向一堵磚墻；卡車以2.8 m/s、4.2 m/s、5 m/s 的速度推動自制推車，在距墻1m 處停止推進，讓自制推車以自由溜放的方式與磚墻碰撞。沖擊試驗溫度記錄表如表3所示。

表3　沖擊試驗溫度記錄表

2.3 鐵屑引燃模擬試驗

棉花打包捆扎用鍍鋅鋼絲，在運輸過程中與車輛廂體或水泥地面摩擦升溫容易引起火花，可能導(dǎo)致棉花燃燒。模擬試驗中制作平均質(zhì)量分別為0.04 g、0.09 g、0.16 g、0.33 g 的 4 種規(guī)格鋼絲鐵屑樣品，加熱至一定溫度后，將鐵屑直接作用于裸露的棉花和包裝棉包的棉布，觀察鐵屑能否引燃棉包，使棉包產(chǎn)生陰燃，同時監(jiān)測鐵屑作用于棉包區(qū)域的溫度。試驗結(jié)果如下。

（1）質(zhì)量為 0.04 g 的鐵屑溫度達到 490℃ 時棉包露白碳化，溫度達到 580℃ 時露白陰燃；質(zhì)量為0.09 g 的鐵屑溫度達到 450℃ 時棉包露白碳化，溫度達到 550℃ 時露白陰燃；質(zhì)量為 0.16 g 的鐵屑溫度達到 380℃ 時棉包露白部分碳化，溫度達到490℃ 時露白陰燃；質(zhì)量為 0.33 g 的鐵屑溫度達到380℃ 時，棉包露白碳化，溫度達到 450℃ 時露白陰燃。由此可見，當(dāng)鐵屑溫度超過 550℃ 時，所有鐵屑都能夠使棉包露白進入陰燃狀態(tài)。

（2）當(dāng)鐵屑溫度低于 300℃ 時，棉包包裝棉布無碳化；質(zhì)量為 0.04 g 的鐵屑溫度達到 550℃ 時包裝棉布碳化，溫度達到 670℃ 時棉布灼穿；質(zhì)量為0.09 g 的鐵屑溫度達到 550℃ 時包裝棉布碳化，溫度達到 670℃ 時棉布灼穿；質(zhì)量為 0.16 g 的鐵屑溫度達到 450℃ 時包裝棉布輕度碳化，溫度達到670℃ 時棉布灼穿；質(zhì)量為 0.33 g 的鐵屑溫度達到390℃ 時包裝棉布輕度碳化，溫度達到 550℃ 時棉布灼穿。由此可見，當(dāng)鐵屑溫度達到 870℃ 時，棉包包裝棉布均未引燃。

試驗結(jié)果表明，接觸溫度和鐵屑質(zhì)量是影響鐵屑作用棉包包裝棉布的因素。在試驗條件下，質(zhì)量大、溫度高的鐵屑更容易灼穿包裝棉布，但鐵屑灼穿包裝棉布后并不能使棉包進入陰燃階段。

同時采用電焊焊渣引燃棉包的試驗方法確定點燃完整包裝的棉包的最高溫度。當(dāng)?shù)袈涞暮冈罡邷囟冗_到1200℃ 以上時，極易引燃棉包，并且能使棉包進入陰燃階段，而振動、沖擊摩擦模擬試驗的結(jié)果表明，捆扎棉包鋼絲各種摩擦很難達到1 000℃。因此，焊渣點燃棉包的模擬試驗結(jié)果可能是捆扎棉包鋼絲摩擦產(chǎn)熱的極端情況。

2.4 火源及膠帶引燃模擬試驗

試驗采用點燃的煙頭放置于棉包露白棉花表面，使用紅外測溫儀監(jiān)測煙頭作用于棉包區(qū)域的溫度，利用攝像機全程動態(tài)監(jiān)測整個試驗過程。煙頭在露白棉花表面很快形成碳化并引起陰燃，紅外測溫儀監(jiān)測作用區(qū)域的溫度達到 521℃，露白棉花表面溫度漸漸下降，陰燃向棉花內(nèi)部擴散。取出陰燃的棉花，在空氣流通的室外環(huán)境中可以觀察到明火。試驗結(jié)果說明，未熄滅的煙頭易點燃棉包的露白，引燃棉包，并且使棉包進入引燃階段。

棉包包裝棉布上纏繞的包裝膠帶密度較小、成分較為復(fù)雜，遇熱易變形收縮，不能適用于塑料產(chǎn)品燃燒性能的國家標準測試方法《塑料燃燒性能的測定 水平法和垂直法》(GB/T 2408—2008)。因此，采用輻射熱源、微小火源和明火分別對包裝膠帶進行直接點燃試驗，以考察包裝膠帶在不同熱源條件下的火災(zāi)危險性。以馬弗爐內(nèi)腔體作為輻射熱源，利用攝像機全程動態(tài)監(jiān)測整個試驗過程。當(dāng)爐內(nèi)空氣溫度達到 300℃ 時，包裝膠帶開始變形；當(dāng)爐內(nèi)空氣溫度達到 500℃ 時，包裝膠帶迅速地卷曲收縮，沒有出現(xiàn)明火燃燒。

選取引燃煙頭作為微小火源接觸包裝膠帶。接觸煙頭的包裝膠帶表現(xiàn)為收縮變形，沒有出現(xiàn)明火。收縮變形只在接觸位置附近發(fā)生，并沒有產(chǎn)生蔓延，說明煙頭不能點燃包裝膠帶。當(dāng)以明火點燃包裝膠帶時，膠帶發(fā)生燃燒。

2.5 結(jié)論與建議

通過試驗?zāi)M測試，結(jié)合理論分析可知，引發(fā)棉花鐵路運輸火災(zāi)的主要原因有2個，分別是棉包捆扎鋼絲之間，棉包捆扎鋼絲與車廂側(cè)壁、地板之間，車門與車廂側(cè)壁之間，因調(diào)車作業(yè)等引起劇烈摩擦產(chǎn)生的高溫鐵屑作用于露白棉花上；棉包捆扎鋼絲長時間摩擦蓄熱升溫作用于露白棉花上。調(diào)車、裝卸作業(yè)等引起的捆扎鋼絲劇烈摩擦導(dǎo)致摩擦點溫度升高也具有一定火災(zāi)危險性。模擬試驗結(jié)果表明，棉包發(fā)生自燃的條件比較苛刻，鐵路運輸途中發(fā)生自燃的概率較小。在現(xiàn)有棉包密度條件下，夾帶的火源不易持續(xù)燃燒。偶發(fā)的外來火源作用于露白棉花上，也是引發(fā)棉花鐵路運輸火災(zāi)的可能因素。

因此，針對鐵路棉花安全運輸，改進措施與方法主要包括新的棉花包裝標準、新的塑鋼帶捆扎方式、嚴格控制調(diào)車作業(yè)速度、裝車前處理露白棉包、裝車站抽檢回潮率等。通過近幾年鐵路運輸實踐，鐵路棉花火災(zāi)事故發(fā)生率顯著降低。

3　結(jié)束語

通過系統(tǒng)研究棉花鐵路運輸過程中火災(zāi)事故發(fā)生的機理，開展棉花鐵路運輸環(huán)境條件綜合測試，模擬試驗典型火災(zāi)發(fā)生隱患條件，有效降低了棉花鐵路運輸過程中火災(zāi)事故的發(fā)生幾率，提高了棉花鐵路運輸?shù)陌踩?，盡可能地避免因火災(zāi)造成的經(jīng)濟損失，同時推動棉花包裝新標準在我國棉花加工行業(yè)內(nèi)的應(yīng)用，促進我國棉花的國際貿(mào)易[9]。

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責(zé)任編輯：馮姍姍

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

中國鐵道科學(xué)研究院基金項目 (2015YJ066)