國內外典型列車火災燃燒特性研究綜述

馬偉斌 王志偉 韓自力 馬召輝

中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京100081

截至2020年底，我國鐵路運營里程已達14.5萬km，隧道運營里程達19 630 km，居世界第一［1］。鐵路快速發(fā)展的同時列車運行安全問題也不容忽視。列車空間狹小、氣密性好、人員密集，如果列車客室內發(fā)生火災，火災產(chǎn)生的煙氣和熱量難以散發(fā)、乘客疏散困難，乘客生命安全會受到嚴重威脅［2］。很多國家對鐵路列車火災都極其重視，并開展了大量的科研工作，在預測列車火災危險程度基礎上進行列車防火安全評估、火災安全管理，采取相應的預防措施。

我國參考國外的標準制訂了部分標準及規(guī)范，如TB/T 2640—1995《鐵道客車防火保護的結構設計》［3］、TB/T 3237—2010《動車組用內裝材料阻燃技術條件》［4］等。這些標準和規(guī)范基本參照歐盟EN 45545.2—2013+A1—2015《鐵路應用——鐵路車輛的防火保護——第2部分 材料和元件》，德國DIN 5510.1—1988《鐵路機車車輛預防性防火防火等級、防火技術措施和證明》、美國NFPA 130—2010《有軌列車及鐵路客運體系標準》等國外標準制定。TB 10020—2017《鐵路隧道防災疏散救援工程設計規(guī)范》［5］中有些建議也是在調研國外有關研究成果和規(guī)定的基礎上確定的。比如火災規(guī)模應按照列車類型確定，動車組可采用15 MW，普通旅客列車可采用20 MW。這些標準缺乏系統(tǒng)試驗，導致了標準內容不夠全面和具體，隨著列車生產(chǎn)制造技術、選材的變化和時間的推移，在一定程度上顯現(xiàn)出缺乏適用性。

運營鐵路里程日益增多，越來越多的列車投入使用，大運量高密度地運行對安全運營要求越來越高，列車本身防災減災和災害應急處置客觀上要求針對列車火災時的熱釋放速率、火場溫度、煙氣組分、致災機理等開展前瞻性的系統(tǒng)研究。一方面可得出現(xiàn)行列車的關鍵防火位置，采集相關數(shù)據(jù)對現(xiàn)有規(guī)范進行修訂；另一方面可以為人員疏散方案設計、防災疏散救援工程設計提供依據(jù)，保障列車運營安全與應急處置措施的有效性和科學性。

國內外針對列車火災燃燒特性的研究主要采用實體燃燒試驗、模型燃燒試驗和數(shù)值模擬三種方法。實體燃燒試驗數(shù)據(jù)可靠，但耗資巨大、試驗難度大。模型試驗花費比實體試驗有所減少，且重復性好、數(shù)據(jù)采集便利，但其具有條件復雜、影響因素多等困難。數(shù)值模擬花費較低，但需要考慮足夠的邊界條件、輸入?yún)?shù)的準確性等問題。

本文基于廣泛調研，綜述國內外列車火災實體燃燒試驗、模型燃燒試驗與數(shù)值模擬的研究過程與典型結果，分析相同研究對象之間的差異，并指出我國實體燃燒試驗、模型燃燒試驗存在的問題，給出今后的研究建議。

1 國內外列車火災實體燃燒試驗

1.1 國外典型列車火災實體燃燒試驗

截至目前，包括日本、德國、瑞典、韓國、西班牙、等國家的知名研究機構開展過實體燃燒試驗。

日本國家鐵路公司先后在1951年、1972年、1975年進行了列車車輛靜態(tài)燃燒試驗［6］。1973年在北海道狩勝試驗線上進行了非隧道區(qū)間5輛編組列車的運行著火試驗，調查了運行列車的火災狀況、車廂阻燃材料的防火性能、著火車廂前后相鄰車廂受到火災的影響程度，以及為了保證旅客安全須采取的車輛防火對策和列車操縱方法。

1985年德國蓋爾森基興市進行了隧道內列車火災試驗［7］。隧道采用ST52?3號型鋼制成，長361 m，圓形凈斷面面積約31 m2。將廢棄電車作為燃燒物，20 m車廂的燃燒荷載為7.07×104MJ。試驗得出隧道內空氣最高溫度出現(xiàn)在燃燒車輛頂板下方，最高溫度可達880℃，在火源點燃后6～8 min出現(xiàn)。

1990年在地下交通和設施安全問題日益嚴重的背景下，德國、瑞典、英國等歐洲九個國家聯(lián)合開展了代號為Eureka?Project EU 499的列車燃燒試驗［8-9］。通過大規(guī)模的全尺寸客運列車車廂火災試驗，研究了不同列車車體結構材料（鋁和鋼），不同車廂墻板以及天花板內裝材料下列車車廂燃燒特性，測得車廂頂部最高溫度近1 000℃，最大熱釋放速率可達15～20 MW。

2010年澳大利亞維多利亞大學為研究列車火災發(fā)展規(guī)律，利用全尺寸的旅客列車進行了火災試驗［10］，見圖1。發(fā)現(xiàn)火勢很難直接在前后排座椅間蔓延，通風條件對火災的發(fā)展具有重大影響，窗口破裂會顯著增加車內通氣量，使火勢迅速增大。破窗前后火災熱釋放速率分別為8、11 MW。

圖1 維多利亞大學全尺寸旅客列車火災試驗

2012年瑞典SP（Simpevarp）國家測試研究所在Brunsberg的廢棄隧道內進行了兩次實體地鐵列車燃燒試驗［11-12］，見圖2。所用地鐵車廂分別是生產(chǎn)于20世紀70年代的老式地鐵車廂和用現(xiàn)代列車座椅和不燃的鋁制材料改造的老式車廂。兩次試驗測得的熱釋放速率最大值分別為76.7、77.4 MW，火場最高溫度均超過了1 000℃。改造車廂熱釋放速率在燃燒初期發(fā)展緩慢，在100 min左右迅速發(fā)展，并在其后20 min內熱釋放速率達到最大值。試驗測得的熱釋放速率遠大于其他研究所得數(shù)據(jù)。原因是座位上、座位下和座位間的行李促進了火勢的蔓延，明顯加快了火災的發(fā)展。

圖2 隧道內列車燃燒試驗

2012年韓國鐵道技術研究院聯(lián)合加拿大卡爾頓大學基于耗氧法建造了一個類似于隧道且可用于列車火災熱釋放速率測試的大型量熱試驗裝置，并利用該裝置對一輛城際鐵路列車進行了火災熱釋放速率測試［13-14］，見圖3。試驗發(fā)現(xiàn)車廂內火勢沿天花板呈線性快速傳播，在座椅和地板上初始蔓延速度很慢，但隨后迅速擴大，呈非線性傳播趨勢。火災的進一步發(fā)展使窗戶破裂，破壞面積隨時間呈線性增加，不僅促進了車內通風，還使車內火焰熱輻射率迅速提高。最大熱釋放速率達到52.5 MW。

圖3 城際鐵路列車燃燒試驗火勢發(fā)展情況

2013年西班牙坎塔布里亞大學為保障新型高速列車的防火安全，首先通過小規(guī)模試驗測試了單種材料的防火性能，然后通過火災實體燃燒試驗開展進一步研究［15］。材料測試結果表明新型高速列車所用材料大多數(shù)具有良好的防火性能，但地毯、座椅等紡織材料防火性能較差。實體試驗也發(fā)現(xiàn)所用材料的防火性能良好，火勢只從作為初始火源的背包蔓延到鄰近的座椅和地毯。

1.2 國內列車火災實體燃燒試驗

2015年公安部天津消防研究所、中國安全生產(chǎn)科學研究院和北京市地鐵運營有限公司合作開展了針對地鐵列車燃燒特性的火災實體試驗［16］，見圖4。該試驗是國內首次開展的列車火災實體燃燒試驗，在試驗過程中獲得了車廂火災熱釋放速率、車內溫度分布、煙氣濃度、輻射熱等基礎數(shù)據(jù)，填補了我國在地鐵車輛火災研究領域的空白，獲得的數(shù)據(jù)對于指導地鐵消防系統(tǒng)設計、火災撲救以及標準制定都具有重要參考價值。國內實體列車燃燒試驗僅此一例，尚無針對鐵路各類型列車的燃燒試驗。

圖4 地鐵列車火災實體燃燒試驗

2 國內外列車火災燃燒模型試驗

2.1 國外列車火災模型燃燒試驗

1984年美國國家標準與技術研究院為了對鐵路客車內部的火災特性進行評估，開展了三種類型的試驗，分別為單種材料可燃性和產(chǎn)煙試驗、座椅組件熱釋放速率測定試驗、火災隱患和著火點調查試驗［17］。研究得出鐵路客車火災燃燒的煙氣溫度達825℃，煙氣中CO濃度達3.9%，沿著列車全長布置的地毯和行李架十分有利于火勢蔓延。

2000年澳大利亞聯(lián)邦科學與工業(yè)研究組織進行了一系列大尺寸列車火災模型試驗，對列車客室火災初期增長階段火焰演化過程進行了研究，發(fā)現(xiàn)火焰很難直接在前后排座椅間蔓延［18］。

2007年韓國鐵道技術研究院為評估由復合材料制成的列車車體防火安全性，利用一段長6 m的大尺寸列車模型進行了車廂局部火災條件下防火性能試驗［19］，見圖5。試驗得出車體內部表面最高溫度為156.3℃，復合材料表面最高溫度為307.2℃，均低于著火點溫度，證明復合材料車體在嚴酷的火災條件下具有良好的耐火性能。

圖5 模型試驗中燃燒過程

2007年瑞典SP國家測試研究所根據(jù)典型客車車廂尺寸按縮尺比1∶10制作模型［圖6（a）、圖6（b）］，對列車車廂熱釋放速率的影響因素進行研究［20］。結果表明列車內不同類型表面材料具有不同的初始火焰特征，車內的火災發(fā)展主要受通風狀態(tài)（開窗數(shù)量）控制。

2014年和2017年瑞典SP國家測試研究所又制作了1∶3的模型和1/3車廂長度的模型［圖6（c）、圖6（d）］，對通風開口、行李的數(shù)量及其分布等影響因素進行了研究［21-22］。發(fā)現(xiàn)所有試驗火災發(fā)展規(guī)律基本一致，都是火勢增大后局部轟燃，使整個區(qū)域卷入火場之中，然后火勢開始沿車廂蔓延，直至整個車廂開始燃燒。蔓延全過程中頂部煙氣層的溫度約在600～800℃，頂部火焰和煙氣產(chǎn)生的熱輻射是車廂內火勢蔓延的主要表現(xiàn)方式。

圖6 瑞典SP國家測試研究所火災模型試驗

2.2 國內列車火災模型燃燒試驗

1999年中國礦業(yè)大學［23］聯(lián)合中國鐵道科學研究院利用1∶5的列車模型在燃燒風洞中進行了著火列車運行條件下的車廂火災特性試驗。得出列車車門開啟狀況對車廂內的煙氣流動具有較大影響。車廂封閉時車內溫度升高較快，但由于供氧不足，燃燒后存在窒息的可能；端門打開時車內溫度上升較慢，但維持穩(wěn)定燃燒的時間較長。

2004年中南大學消防工程防災減災實驗室根據(jù)旅客列車臥鋪車廂情況制作了1∶15的車廂模型，在風洞內進行了火災模擬試驗［24］。發(fā)現(xiàn)列車在運動狀態(tài)下燃燒釋放的熱量比停止狀態(tài)下多，燃燒持續(xù)的時間也更長。

2008年公安部四川消防研究所［25-26］利用地鐵列車模型模擬研究了車廂火災的熱釋放速率、煙氣組分、溫度的變化規(guī)律。車廂內按照列車實際情況布置了沙發(fā)座墊、靠墊、燈罩、廣告牌、拉手等設施。研究發(fā)現(xiàn)一節(jié)車廂最大熱釋放速率約為5 MW，如考慮極限情況，兩側沙發(fā)同時引燃，則一節(jié)車廂最大熱釋放速率約為10 MW。車內煙氣的主流是沿著但不貼著車頂（距車頂有一定距離）向車輛外蔓延。

2012年中國科學技術大學［27］依照深圳地鐵列車制作了全尺寸列車模型（圖7），對乘客攜帶不同數(shù)量、類型行李及人為縱火時火災特性進行了試驗［27］。得出在不考慮地鐵列車本身可燃材料著火的情況下人為縱火時車廂內乘客行李物品的熱釋放速率可達到4 MW。

圖7 中國科學技術大學全尺寸地鐵列車火災試驗模型

2012年青島理工大學［28］在測定地鐵列車可燃材料燃燒特性的基礎上，采用1∶4列車模型燃燒試驗和全尺寸列車數(shù)值模擬相結合的方法對地鐵列車的燃燒過程進行了研究。發(fā)現(xiàn)列車起火后火勢主要沿著地板布、燈罩和電纜蔓延，隧道斷面風速為1～3 m/s時一節(jié)車廂最大熱釋放速率在4.5～13.2 MW。

相較于實車試驗，模型試驗效率高，造價較低，但成果準確性取決于相似理論的準確應用。在實車試驗較難開展的情況下，模型試驗仍是當前最優(yōu)的研究方法。

3 國內外列車火災數(shù)值模擬

3.1 國外列車火災數(shù)值模擬

由于成本較低、工況調整方便，國內外對于列車火災燃燒特性研究的數(shù)值模擬均開展得較多。現(xiàn)行的主流火災模擬軟件為美國國家標準與技術研究院研發(fā)的FDS（fire dynamics simulator）。

2005年新西蘭的Chiam［29］考慮材料燃燒特性、隧道幾何結構等因素的影響，采用FDS對新加坡的新環(huán)線地鐵列車火災進行了數(shù)值模擬。研究得出列車在區(qū)間隧道和站臺燃燒時熱釋放速率分別為10、5 MW。

2008年西班牙的Capote等［30］針對利用錐形量熱儀測量結果得出的熱輻射率和點火溫度值，將FDS模擬結果與歐洲FIRESTARR研究項目的試驗結果進行了對比，在證明試驗數(shù)據(jù)有效的基礎上，進一步定量分析了列車火災材料單體燃燒特性和規(guī)律。

滑坡在SPOT5遙感解譯的判譯特征：以半圓形和不規(guī)則形狀居多，坡體地形破碎，局部有不均勻陷落的平臺?；麦w后緣發(fā)育有異常影像，活動滑坡地表土體比較新鮮，植被稀少，土體表面具有較強的反射能力，在影像上呈現(xiàn)明顯的亮色調，見圖5(a)，可顯示均勻的淺灰白色。

2014年法國的Guillaume等［31］以法國MS61列車為原型，利用FDS中材料熱解模型和HRRPUA（heat release rate per unit area）模型對列車火災的發(fā)展過程進行了數(shù)值模擬。研究得出熱釋放速率、溫度、CO2含量等相關數(shù)據(jù)，并強調預測CO等有毒有害氣體的含量也十分重要。

3.2 國內列車火災數(shù)值模擬

2006年北京交通大學的王盟等［32］以鐵路YZ25T型空調硬座車廂為原型，利用PHOENICS（parabolic hyperbolic or elliptic numerical integration code series）計算傳熱學軟件對車內火災煙氣流動規(guī)律進行了模擬研究。得出當火源位于車廂中部時有明顯的煙氣羽流、頂棚射流和煙氣分層現(xiàn)象，而當火源位于車廂端部時煙氣羽流將卷吸門外空氣出現(xiàn)橫向傾斜現(xiàn)象，從而導致煙氣溫度和濃度最高點偏移。

2012年西南交通大學的王建帆、席亞軍等［33-34］以高速鐵路CRH2型動車組為原型，在利用錐形量熱儀和ISO 9705標準燃燒試驗臺獲取高速列車材料物性參數(shù)的基礎上，采用FDS進行了高速鐵路列車火災數(shù)值模擬。研究發(fā)現(xiàn)轟燃的產(chǎn)生及其影響與通風條件有密切關系，在轟燃發(fā)生之后打開門或窗，因外界空氣進入火災熱釋放速率在短時間內升高。

2014年西南交通大學的王升［35］采用材料測試和數(shù)值模擬相結合的方法對高速鐵路列車火災燃燒特性進行了研究。得出在列車客室可燃物完全燃燒時火災最大熱釋放速率在30～40 MW，火災充分發(fā)展階段頂棚溫度高達1 000℃以上。

2015年西南交通大學的茍琦林、畢海權等［36-37］采用FDS對高速列車火災燃燒特性進行了數(shù)值模擬。發(fā)現(xiàn)列車內部火勢沿著頂板蔓延的速度最快，而沿著地板、座椅、側墻蔓延的速度要比頂板慢得多，車內煙氣最高溫度約1 250℃。

2019年中南大學的王愛武等［38］采用FDS對CRH6高速列車火災進行數(shù)值模擬。得出CRH6高速列車二等車廂發(fā)生火災時，人均攜帶行李重量為5.0、7.5、10.0 kg時，火災最大熱釋放速率分別為10.786、14.544、18.800 MW。

模擬試驗結果可獲得大量的數(shù)據(jù)，但受限于初始輸入?yún)?shù)和建模人員技術水平。在保證真實性和準確性的前提下，模擬試驗可用于校核實體燃燒試驗和模型燃燒試驗結果。

4 結論

本文對國內外典型列車火災實體燃燒試驗、模型試驗和數(shù)值模擬三種方法的研究成果進行了分析，得出以下結論：

1）國外各實體燃燒試驗得出的列車火災熱釋放速率差異較大，低的約15 MW，高的超過70 MW，但火場最高溫度基本一致，多數(shù)在800～1 000℃。

2）目前我國關于列車火災燃燒特性的研究處于起步階段，國內除做過一次地鐵列車的實體燃燒試驗外，還未做過普速火車、高速鐵路動車等其他列車的實體火災試驗。

3）列車火災實體燃燒試驗是獲取火災熱釋放速率、火場溫度、煙氣組分等相關數(shù)據(jù)直接、有效，且具有說服力的方法，可為制定相關防火標準、防災疏散救援工程設計規(guī)范以及工程設備設施配置提供依據(jù)。

4）列車火災模型燃燒試驗和數(shù)值模擬兩種研究方法在研究火災發(fā)展機理和影響因素方面具有明顯優(yōu)勢，但由于可燃物分布、燃燒物設置等存在的問題，得出的熱釋放速率、火場最高溫度與列車火災實體燃燒試驗相應值有所差異。

5）模型試驗可在列車材質、構造等不同工況下進行。在辨識致災因素的基礎上，根據(jù)實際列車的大載荷與易燃材質分布特點制作模型進行燃燒試驗，能找出列車重點防火位置，進而提升列車耐火性能。

6）數(shù)值模擬可在采用錐形量熱儀和ISO 9705標準燃燒試驗臺等量熱裝置對列車材料進行物性分析的基礎上設置模型參數(shù)，評定各種材料防火性能的優(yōu)劣，構建列車材質防火性能共享數(shù)據(jù)庫。