孫末囡

(1.龐巴迪運輸全球采購中心,200120,上海;2.同濟大學鐵道與城市軌道交通研究院,201804,上海∥高級工程師、碩士研究生)

1 軌道車輛材料防火概念

軌道車輛材料的防火主要是指：車輛設(shè)計時考慮所用材料一旦失火,能控制其燃燒及蔓延,使對乘客產(chǎn)生的傷害和損失最小?；馂娘L險分析如圖1所示。

由圖1火災過程(從左至右：1起火,2被發(fā)現(xiàn),3危及健康,4危及生命,5死亡)風險分析可以看到,材料在燃燒情況下產(chǎn)生的無氧、高熱、煙氣和毒氣將直接危及人的生命安全。該危害有兩個方面,一是直接導致致命危害,二是由于煙濃度過高使得人被熏麻醉或受刺激或能見度降低,導致人降低逃生能力的亞致命危害。為盡可能保證乘客在限定時間內(nèi)逃生,在考慮車輛材料時,主要考量材料對火的反應,測試材料所承受燃燒的能力,如材料對火的引燃能力、蔓延能力,產(chǎn)生滴落的傾向,煙和懸浮物的形成能力,產(chǎn)生氣體的速度、毒性、腐蝕性等。

圖1 火災過程風險分析

據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計,列車失火主要有兩個原因：一是縱火,二是由于設(shè)計考慮不周。各國根據(jù)其考慮問題出發(fā)點不同,對鐵路車用材料防火有著不同的要求標準。本文介紹歐洲一些國家的軌道交通車輛材料防火標準,同時對我國的相關(guān)材料防火標準提出更新建議。

2 歐洲各國軌道車輛材料防火標準

2.1 法國標準

2.1.1 標準綜述

法國的防火標準是NF F 16-101《關(guān)于鐵道車輛用防火材料的選擇》。該標準適用于各類軌道交通車輛。標準將軌道車輛用材料分為18類,每類材料都要進行3種或4種試驗,分別對材料燃燒后產(chǎn)生的煙火毒情況進行考量。

NF F 16-101對材料的防火性能要求根據(jù)不同的使用場合具有選擇性,并且規(guī)定了最低選擇要求。該標準可用于軌道車輛除噴漆之外的所有非金屬材料的選擇。該標準還規(guī)定：①材料的尺寸和幾何形狀不能滿足試驗要求的樣塊尺寸大小;②材料為導線和電纜時如何考量材料對火的反映情況(見表1)。電氣設(shè)備另有NF F 16-102的相關(guān)標準規(guī)定。

表1 NFF16-101中關(guān)于非金屬材料的測試方法及標準

2.1.2 NF F 16-101對軌道車輛的分類

該標準將軌道車輛劃分為A1、A2和B等三種類型。

A1類：指所有的包括司機室、往來于隧道之間運行頻繁的軌道車輛。

A2類：指包括司機室、往來于隧道之間運行不頻繁的城郊軌道車輛、貨車及其拖車,以及臥鋪車。

B類：指干線的包括司機室并帶有座椅、不往來于隧道之間運行的軌道車輛,以及機車和機車司機室。

2.1.3 NF F 16-101的使用

根據(jù)車輛分類,軌道車輛用材料按對火的反應有M0～M4,或I0～I4,或 A ～D,或NC 幾個級別;按對煙和毒的考慮有F0～F5共6個級別。例如：B類車座椅座墊和靠背墊的防火性能要求應滿足NF F 16-101中表格9(見表2)的要求。由表2可見,材料最低滿足要求為M0F5,M1F4,M2F3等,有一定的選擇性;而座椅面布的防火性能要求應滿足NFF16-101中表格7(見表3)的要求;座椅及內(nèi)裝比較常用的尼龍搭扣則必須滿足NF F 16-101中表格5的防火性能要求,且由于尼龍搭扣的尺寸通常較小,因此其對火的性能測試采用考量I值的方法,如必須滿足I2F3等。

表2 NF F 16-101中表格9

表3 NF F 16-101中表格7

2.1.4 標準應用體會

法國標準涵蓋了材料的煙、火、毒的性能測試,具有靈活的選擇性和較強的適用性。但該標準只規(guī)定了材料的防火性能要求,而沒有對部件的防火進行規(guī)定,如對整體座椅的防火性能要求未作規(guī)定。

2.2 德國標準

2.2.1 標準綜述

德國的鐵路防火標準是DIN 5510。該標準為系列標準,由下列標準組成：

DIN 5510-1——鐵路車輛阻燃保護,阻燃保護等級,阻燃等級衡量及阻燃報告。

DIN 5510-2——材料和零部件的遇火性能和副作用及其分類、要求和測試方法。

DIN 5510-3——因準備 EN 45 545而未發(fā)布。

DIN 5510-4——軌道車輛防火阻燃設(shè)計安全要求。

DIN 5510-5——軌道車輛防火阻燃電氣設(shè)備安全要求。

DIN 5510-6——軌道車輛防火阻燃伴隨測試的包括緊急制動、信息顯示系統(tǒng)、火災報警、消防設(shè)備等的技術(shù)安全要求。

其中,DIN 5510-2是軌道車輛材料的防火要求,它經(jīng)歷了 1991、1996、2000、2001 年和 2003 年的多次修改。但是,火災中材料所產(chǎn)生的煙霧的毒性作用一直沒有被限定在阻燃保護等級中,因為當時認為還沒有一個可行的試驗方法來考量不同的材料在鐵路車輛發(fā)生火災時的風險程度。這一問題直到2007年在DIN 5510-2更新的版本中才給予補充。

2.2.2 DIN 5510對軌道車輛阻燃等級的分類

該標準規(guī)定了客車車輛的阻燃保護等級(見表4)。阻燃的級別根據(jù)逃生的可能性和失火后的風險情況而制定。相關(guān)主管部門負責對不同車輛阻燃級別的技術(shù)審核與制定。本標準沒有規(guī)定其它類型車輛的阻燃保護級別。

表4 DIN 5510中的客車車輛阻燃保護等級

由表4可見,阻燃保護等級根據(jù)火災風險程度的不同劃分為4個級別?；馂娘L險程度是根據(jù)乘客不得不停留在發(fā)生火災車廂區(qū)域的時間(即乘客從火災發(fā)生到從火災區(qū)域逃生的時間)而定。這個時間包含了受火災影響的燃燒車輛本身以及可能波及位于隧道中的另一輛車的時間。保護等級2和3是指那些運行環(huán)境在隧道中占較高比例(等級2)和具有衛(wèi)星城運輸特點(等級3)的軌道車輛。緊急停站距離或站間距2 000 m的要求是根據(jù)失火時煙密度(能見度)對人身的危害和燃燒釋放熱量對逃生的影響而制定的。

2.2.3 標準應用體會

DIN 5510對材料的防火性能要求包括可燃性、熱輻射、煙霧和熔化滴落等,但對材料所產(chǎn)生的煙霧的毒性作用一直沒有被限定在阻燃保護等級中。而這一點對隧道中發(fā)生火災的車輛尤為重要。因此該標準在歐洲一直被認為是不完善的。

2.3 英國標準

2.3.1 標準綜述

英國鐵路防火標準是BS 6853《載客列車設(shè)計與建造防火通用規(guī)則》。該標準由英國標準化協(xié)會編制,其版本經(jīng)過多次修改于1999年開始執(zhí)行。

該標準適用于各類軌道交通車輛。其制定目的是為了保證失火列車上或失火列車周圍乘客的安全性。標準規(guī)定了一些設(shè)計注意事項,例如：為了避免車內(nèi)隱匿處的火源,強調(diào)在乘客車廂內(nèi)不得設(shè)置開放式的凹形和槽形元件(如間接照明);乘客頭上的行李架應設(shè)計為從下面可以看到擺放的物品等。該標準重點考慮列車建造材料的防火性能,并對車用材料的選擇制定如下目標：

(1)控制燃燒源的能量、持續(xù)時間及其發(fā)生頻率。

(2)控制材料對多種燃燒源的反應。

(3)對較小的燃燒源(如1 kW),要保證受影響的車輛能夠持續(xù)運行的條件。

(4)對較大的燃燒源(如10 kW),要保證在限定時間內(nèi)有條件允許乘客轉(zhuǎn)移或越過受影響車輛。

(5)對更大的燃燒源(如100 kW),要保證車內(nèi)轉(zhuǎn)向失火的可能性最低。

(6)限制失火車輛釋放熱量的速度。

(7)限制遠離失火座椅區(qū)域?qū)θ紵a(chǎn)物的影響。

2.3.2 車輛分類

根據(jù)運行環(huán)境,該標準將車輛主要分為兩大類。

Ⅰ類車：地下運行車輛。該類車又被分為Ⅰa車和Ⅰb車。其中,Ⅰa車指主要運行于單線鐵路隧道中的列車,旁側(cè)沒有出口通往步行道和逃生通道,或相當長的時間運行在地下的臥鋪車,或無人駕駛列車。Ⅰb車指主要運行于復線鐵路隧道中的列車,線路上具有側(cè)出口通往步行道和逃生通道,或大部分時間不運行在地下的臥鋪車。

Ⅱ類車：指大多數(shù)在地面運行、較少運行于隧道中的車輛。

上述類別的車輛代表了當失火時可能導致列車火情及其危害的不同程度。

2.3.3 車用材料的分類和選擇

該標準根據(jù)材料在車上的位置和表面方向?qū)⑵浞譃?4種類型。材料表面方向是決定火蔓延和火情發(fā)展帶來的風險的重要因素。按火險情況降序排列可將材料分類為：

(1)型如車頂,表面水平朝下,與水平面夾角小于45°(稱為 HP型)。

(2)型如墻板,表面垂直,垂直面夾角小于45°(稱為Ⅴ型)。

(3)型如地板,表面水平朝上,與水平面夾角小于45°(稱為HS型)。

(4)水平有限延伸表面,最大水平延伸長度小于1 m的HP型表面(稱為HPL型)。

(5)垂直有限延伸表面,最大垂直延伸長度小于1 m的V型表面(稱為VL型)。

以這種方式對材料分類,不需特別的數(shù)值,即可把大量的各式各樣的材料表面進行分類。該標準還對其它不易按表面進行分類的材料,以及小尺寸、小質(zhì)量的單一材料和組合材料,根據(jù)車輛類型、材料重、尺寸等參數(shù)作了規(guī)定。分類后的材料只有滿足標準中規(guī)定的要求才能被選擇使用(詳見表5)。

表5 BS 6853中材料的測試方法及標準

2.3.4 標準應用體會

該標準以“表面方向”對材料進行煙、火、毒的考量,同時對車輛設(shè)計提出了要求,內(nèi)容完善,適用性強。但該標準作為實施規(guī)則,采用指導和建議的形式,它的制定基于數(shù)字及設(shè)計指導,其所考慮的標準代表了防火安全的最優(yōu)水平,有些建議很難實施,操作較難。

2.4 歐洲標準

2.4.1 歐洲標準目前的狀況

目前,歐洲除了英國、德國、法國的防火標準外,還有意大利和歐洲聯(lián)盟的UIC標準。UIC 564-2也被其他歐洲標準所關(guān)連并采用。

由于各國鐵路用戶所要求的標準不同,導致車輛上所使用材料的選擇方式和測試方法各不相同,且沒有統(tǒng)一被認可的測試機構(gòu)。另外,由于各國的防火標準各有所長及所短,也給一些跨國項目的執(zhí)行帶來了一定的技術(shù)和經(jīng)濟上的麻煩。為此,1997年歐洲委員會標準組開始實施軌道車輛防火標準的統(tǒng)一,即制定EN45 545軌道車輛防火保護標準,并于2004年2月發(fā)布了草稿版標準即Pre-EN 45 545,2009年1月頒布中間過度的技術(shù)標準CEN TS 45 545。

CEN TS 45 545為EN標準正式出臺前中間過度的技術(shù)規(guī)范,限定使用3年。在使用2年后,各委員會成員國要向標準組遞交使用意見,尤其是關(guān)于能否被轉(zhuǎn)為正式標準的意見。

目前,歐洲軌道車輛用防火標準的統(tǒng)一化正在實現(xiàn)。CEN TS 45 545已經(jīng)形成法律于2009年在歐洲國家開始逐步被使用。尤其對那些軌道車輛防火標準還未制定或不完善的歐洲國家,它作為合同規(guī)范已經(jīng)應用于在隧道中運行的車輛,接著是高速鐵路。傳統(tǒng)的軌道車輛的相應規(guī)范目前還是草稿版階段,還未形成法律。

CEN TS 45 545是一套系列標準,包括總則、材料、防火墻、設(shè)計、設(shè)備、控制等7個方面的內(nèi)容。其中第二部分是軌道車輛的材料防火和試驗要求。

2.4.2 CEN TS 45 545對軌道車輛的分類

CEN TS 45 545對軌道車輛的分類包括運行分類和設(shè)計分類。

(1)運行分類(如果車輛運行屬于多種類別,則其設(shè)計應滿足所有相關(guān)要求),包括運行1～4類。

運行1類：車輛設(shè)計或裝備運行于非地下、隧道或高架,并且短暫停留后側(cè)向疏散到相對安全之地是可能的。

運行2類：車輛設(shè)計或裝備運行于地下、隧道或高架,具備可以側(cè)向疏散并具有車站或緊急車站,以提供乘客在較短時間內(nèi)換乘的相對安全之地。

運行3類：車輛設(shè)計或裝備運行于地下、隧道或高架,具備可以側(cè)向疏散并具有車站或緊急車站,以提供乘客在較長時間內(nèi)換乘的相對安全之地。

運行4類：車輛設(shè)計或裝備運行于地下、隧道或高架,不具備側(cè)向疏散并具有車站或緊急車站,以提供乘客在較短時間內(nèi)換乘的相對安全之地。

(2)設(shè)計分類,包括 A 、D、S、N 類 。

A：車輛為自動駕駛,車上無訓練有素的乘務(wù)人員;

D：雙層車;

S：臥鋪車;

N：所有其它類型車(標準車)。

2.4.3 車輛風險等級和材料防火要求

按照車輛運行和設(shè)計分類,該規(guī)范給出了從H L1至HL3的火災風險級別(見表6)。不同的火災風險級別要求,其使用材料對火的反應亦不同。

表6 CEN TS 45 545中的軌道車輛火災風險級別

所有軌道車輛用材料根據(jù)車內(nèi)或車外不同的部位,其防火要求從R1～R25。例如：內(nèi)裝頂棚、側(cè)墻、行李架、車內(nèi)連接內(nèi)裝的風道等部位所用材料要求為R1,車內(nèi)電纜、折疊椅子、垃圾箱等所用材料要求為R2,車外風道、轉(zhuǎn)向架零部件材料要求為R6,車內(nèi)地板材料要求為 R9等。不同的車輛火災風險級別對同一種防火要求,其標準也不同(見表 7)。

表7 CEN TS 45 545中不同車輛火災風險級別對同一種防火要求的標準

該規(guī)范采用了國際標準。其目標是使著火的可能性最小,控制火蔓延的速度和程度,減小著火產(chǎn)物對乘客和乘務(wù)人員的影響。但該規(guī)范能否被認可,尤其是被英國、法國和德國等防火標準比較完善的國家認可而成為標準,還有待于檢驗。

3 對我國軌道車輛材料防火標準的啟示

3.1 現(xiàn)狀分析

我國鐵路車輛材料防火標準采用的是 TB/T 3138—2006《機車車輛阻燃材料技術(shù)條件》。該標準代替了TB/T 2402—1993《鐵道客車非金屬材料的阻燃要求》和TB/T 2560—1995《鐵道客車非金屬材料的選擇要求》。

TB/T 2402—1993規(guī)定了鐵道客車用非金屬材料的阻燃要求和試驗方法,對車體、車內(nèi)設(shè)備、裝飾涂料,玻璃鋼及其制品,電線電纜制品及客車用其它非金屬材料的阻燃提出了要求,試驗方法采用氧指數(shù)法和45°角燃燒法。該標準雖然提到了發(fā)煙和毒性的要求,但沒有定量和定性的具體說明,沒有可操作性。

與 TB/T 2402—1993和 TB/T 2560—1995相比,新標準TB/T 3138—2006在防火方面增加了阻燃材料煙密度限定指標的要求,其試驗方法采用GB/T 8323—2008(與ISO 5659—2006為等同的標準)。但該標準在使用、適用和實用上仍然存在著亟待解決的問題。

3.2 存在的問題及改進建議

3.2.1 關(guān)于材料分類和車輛分類

我國標準中對材料的詳細分類及其適用的車型和運行條件未作詳細規(guī)定。而在歐洲,以及英、德、法等國的防火標準中,強調(diào)以人身安全為本,材料及車輛分類按火災風險對人可能造成的危害不同而等級不同,頻繁往來于隧道的車輛尤為重視。材料按車上使用部位及火災風險分類,車輛按地面運行或隧道運行以及運行線路環(huán)境可能逃生的火災風險分類。按此方法分類,同樣的部件在不同的車輛運行環(huán)境中要求應不同,但試驗方法有可能相同,這樣才能做到標準一致、操作容易、經(jīng)濟適用。

3.2.2 關(guān)于火蔓延和熱量釋放

TB/T 3138—2006雖然對材料的可燃性有所要求,但對火蔓延和熱量釋放的要求沒有規(guī)定?；鹇邮侵覆牧辖咏鹪炊紵一鹧嫜刂牧媳砻媛拥木嚯x和速度。這里的火源為有焰火源和無焰火源。火蔓延的距離和快慢決定了火勢發(fā)展的速度以及熱量的釋放,從而直接決定了乘客是否能夠在有限的時間內(nèi)迅速逃生。試驗方法可以采用或借鑒ISO 5658-2,但是其限定值要在標準中給出,或者可以借鑒BS 476-6和BS 476-7的試驗標準。

3.2.3 關(guān)于材料的煙密度

TB/T 3138—2006中給出的限定指標為D4≤200,而D4的具體意義沒有被定義。根據(jù)其是量綱為一的量猜測是比光密度,但不知是第4 min的比光密度還是試驗前4 min的最大比光密度,因此操作性較差。法國標準中采用煙氣指數(shù),它綜合考慮了最大比光密度、前4 min比光密度和以及毒氣指數(shù)。最新的歐洲CEN TS45 545標準采用第4 min的比光密度Ds(4)、前4 min的比光密度和(VOF4)為煙密度的限定指標。以上兩種方法都可以借鑒。英國標準BS 6853以材料“表面方向”為導向,與我國現(xiàn)行標準差距較大,可借鑒性不大。

3.2.4 關(guān)于材料燃燒產(chǎn)生的毒性

TB/T 3138—2006對材料的毒性沒有作出要求。由于煙濃度過高使得人被熏麻醉或受刺激或能見度降低,導致人降低逃生能力的亞致命危害也將直接危害人身健康和生命安全,因此必須加以限制。歐洲標準中對毒氣的考慮大都是基于對燃燒產(chǎn)生的8種氣體(CO、CO2、HCL 、HBR 、HCN 、HF 、NOx和SO2)濃度的測量以及分析計算而進行的。而ISO 5659—2006在CEN TS 45 545技術(shù)規(guī)范中既是關(guān)于煙的試驗方法也是關(guān)于毒氣的試驗方法,在此基礎(chǔ)上增加了傅立葉紅外光譜分析進行毒氣的評定。BS 6853中也有類似的試驗方法。我國的GB/T 8323—2008與 ISO 5659—2006為等同標準,因此可同樣作為煙毒氣的試驗方法,但需要在標準中對毒氣指數(shù)加以分析和限定。

3.2.5 取消對材料的物理、機械性能的要求

TB/T 3138—2006增加了材料的物理、機械性能及其試驗方法等的要求。然而,標準是對材料的阻燃性能的規(guī)定,材料的阻燃是安全性能的要求,而材料的物理機械性能是功能性要求,二者混談,易致主次不分。因此,建議在該標準中取消對材料的物理、機械性能的要求。

4 結(jié)語

綜上所述,我國的軌道車輛材料防火標準還應從煙、火、毒及燃燒釋放熱量等方面對防火要求進一步細化。該防火要求應從試驗方法、評定標準及適用場合同時考慮,同時還應根據(jù)我國的國情,在標準的應用中不斷地總結(jié)、更改和完善,以形成一套比較合理、有效且適用的軌道車輛材料防火標準。車輛設(shè)計人員更應加強防火安全意識,強制標準執(zhí)行,嚴格把關(guān)車輛用材料的選擇,防患于未然。

當然,制定我國的標準并非一定要與哪個國際標準一樣,但可以其作為參考,取長補短。鐵路運輸有著高比例占有有限空間的特點,有效控制車用材料的防火性能,以減少因列車局部失火給乘客帶來的驚恐和其他損失,是一個長期的、值得關(guān)注的課題。

[1]BS 6853 載客列車設(shè)計與建造防火通用規(guī)則[S].

[2]NF F 16101 關(guān)于鐵道車輛用防火材料的選擇[S].

[3]DIN 5510 鐵路車輛阻燃保護系列標準[S].

[4]EN 45 545CEN T S 45 545 鐵路車輛防火保護標準[S].

[5]T B/T 3138—2006 機車車輛阻燃材料技術(shù)條件[S].

[6]T B/T 2402—1993 鐵道客車非金屬材料的阻燃要求[S].

[7]GB/T 8323—2008 第一部分和第二部分關(guān)于煙生成[S].

[8]ISO 5659-2—2006 塑料煙生成單室法測量煙密度[S].