欧洲轨道车辆材料防火标准及其启示

孙末囡

(1.庞巴迪运输全球采购中心,200120,上海;2.同济大学铁道与城市轨道交通研究院,201804,上海∥高级工程师、硕士研究生)

1 轨道车辆材料防火概念

轨道车辆材料的防火主要是指：车辆设计时考虑所用材料一旦失火,能控制其燃烧及蔓延,使对乘客产生的伤害和损失最小。火灾风险分析如图1所示。

由图1火灾过程(从左至右：1起火,2被发现,3危及健康,4危及生命,5死亡)风险分析可以看到,材料在燃烧情况下产生的无氧、高热、烟气和毒气将直接危及人的生命安全。该危害有两个方面,一是直接导致致命危害,二是由于烟浓度过高使得人被熏麻醉或受刺激或能见度降低,导致人降低逃生能力的亚致命危害。为尽可能保证乘客在限定时间内逃生,在考虑车辆材料时,主要考量材料对火的反应,测试材料所承受燃烧的能力,如材料对火的引燃能力、蔓延能力,产生滴落的倾向,烟和悬浮物的形成能力,产生气体的速度、毒性、腐蚀性等。

图1 火灾过程风险分析

据有关数据统计,列车失火主要有两个原因：一是纵火,二是由于设计考虑不周。各国根据其考虑问题出发点不同,对铁路车用材料防火有着不同的要求标准。本文介绍欧洲一些国家的轨道交通车辆材料防火标准,同时对我国的相关材料防火标准提出更新建议。

2 欧洲各国轨道车辆材料防火标准

2.1 法国标准

2.1.1 标准综述

法国的防火标准是NF F 16-101《关于铁道车辆用防火材料的选择》。该标准适用于各类轨道交通车辆。标准将轨道车辆用材料分为18类,每类材料都要进行3种或4种试验,分别对材料燃烧后产生的烟火毒情况进行考量。

NF F 16-101对材料的防火性能要求根据不同的使用场合具有选择性,并且规定了最低选择要求。该标准可用于轨道车辆除喷漆之外的所有非金属材料的选择。该标准还规定：①材料的尺寸和几何形状不能满足试验要求的样块尺寸大小;②材料为导线和电缆时如何考量材料对火的反映情况(见表1)。电气设备另有NF F 16-102的相关标准规定。

表1 NFF16-101中关于非金属材料的测试方法及标准

2.1.2 NF F 16-101对轨道车辆的分类

该标准将轨道车辆划分为A1、A2和B等三种类型。

A1类：指所有的包括司机室、往来于隧道之间运行频繁的轨道车辆。

A2类：指包括司机室、往来于隧道之间运行不频繁的城郊轨道车辆、货车及其拖车,以及卧铺车。

B类：指干线的包括司机室并带有座椅、不往来于隧道之间运行的轨道车辆,以及机车和机车司机室。

2.1.3 NF F 16-101的使用

根据车辆分类,轨道车辆用材料按对火的反应有M0～M4,或I0～I4,或 A ～D,或NC 几个级别;按对烟和毒的考虑有F0～F5共6个级别。例如：B类车座椅座垫和靠背垫的防火性能要求应满足NF F 16-101中表格9(见表2)的要求。由表2可见,材料最低满足要求为M0F5,M1F4,M2F3等,有一定的选择性;而座椅面布的防火性能要求应满足NFF16-101中表格7(见表3)的要求;座椅及内装比较常用的尼龙搭扣则必须满足NF F 16-101中表格5的防火性能要求,且由于尼龙搭扣的尺寸通常较小,因此其对火的性能测试采用考量I值的方法,如必须满足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 标准应用体会

法国标准涵盖了材料的烟、火、毒的性能测试,具有灵活的选择性和较强的适用性。但该标准只规定了材料的防火性能要求,而没有对部件的防火进行规定,如对整体座椅的防火性能要求未作规定。

2.2 德国标准

2.2.1 标准综述

德国的铁路防火标准是DIN 5510。该标准为系列标准,由下列标准组成：

DIN 5510-1——铁路车辆阻燃保护,阻燃保护等级,阻燃等级衡量及阻燃报告。

DIN 5510-2——材料和零部件的遇火性能和副作用及其分类、要求和测试方法。

DIN 5510-3——因准备 EN 45 545而未发布。

DIN 5510-4——轨道车辆防火阻燃设计安全要求。

DIN 5510-5——轨道车辆防火阻燃电气设备安全要求。

DIN 5510-6——轨道车辆防火阻燃伴随测试的包括紧急制动、信息显示系统、火灾报警、消防设备等的技术安全要求。

其中,DIN 5510-2是轨道车辆材料的防火要求,它经历了 1991、1996、2000、2001 年和 2003 年的多次修改。但是,火灾中材料所产生的烟雾的毒性作用一直没有被限定在阻燃保护等级中,因为当时认为还没有一个可行的试验方法来考量不同的材料在铁路车辆发生火灾时的风险程度。这一问题直到2007年在DIN 5510-2更新的版本中才给予补充。

2.2.2 DIN 5510对轨道车辆阻燃等级的分类

该标准规定了客车车辆的阻燃保护等级(见表4)。阻燃的级别根据逃生的可能性和失火后的风险情况而制定。相关主管部门负责对不同车辆阻燃级别的技术审核与制定。本标准没有规定其它类型车辆的阻燃保护级别。

表4 DIN 5510中的客车车辆阻燃保护等级

由表4可见,阻燃保护等级根据火灾风险程度的不同划分为4个级别。火灾风险程度是根据乘客不得不停留在发生火灾车厢区域的时间(即乘客从火灾发生到从火灾区域逃生的时间)而定。这个时间包含了受火灾影响的燃烧车辆本身以及可能波及位于隧道中的另一辆车的时间。保护等级2和3是指那些运行环境在隧道中占较高比例(等级2)和具有卫星城运输特点(等级3)的轨道车辆。紧急停站距离或站间距2 000 m的要求是根据失火时烟密度(能见度)对人身的危害和燃烧释放热量对逃生的影响而制定的。

2.2.3 标准应用体会

DIN 5510对材料的防火性能要求包括可燃性、热辐射、烟雾和熔化滴落等,但对材料所产生的烟雾的毒性作用一直没有被限定在阻燃保护等级中。而这一点对隧道中发生火灾的车辆尤为重要。因此该标准在欧洲一直被认为是不完善的。

2.3 英国标准

2.3.1 标准综述

英国铁路防火标准是BS 6853《载客列车设计与建造防火通用规则》。该标准由英国标准化协会编制,其版本经过多次修改于1999年开始执行。

该标准适用于各类轨道交通车辆。其制定目的是为了保证失火列车上或失火列车周围乘客的安全性。标准规定了一些设计注意事项,例如：为了避免车内隐匿处的火源,强调在乘客车厢内不得设置开放式的凹形和槽形元件(如间接照明);乘客头上的行李架应设计为从下面可以看到摆放的物品等。该标准重点考虑列车建造材料的防火性能,并对车用材料的选择制定如下目标：

(1)控制燃烧源的能量、持续时间及其发生频率。

(2)控制材料对多种燃烧源的反应。

(3)对较小的燃烧源(如1 kW),要保证受影响的车辆能够持续运行的条件。

(4)对较大的燃烧源(如10 kW),要保证在限定时间内有条件允许乘客转移或越过受影响车辆。

(5)对更大的燃烧源(如100 kW),要保证车内转向失火的可能性最低。

(6)限制失火车辆释放热量的速度。

(7)限制远离失火座椅区域对燃烧产物的影响。

2.3.2 车辆分类

根据运行环境,该标准将车辆主要分为两大类。

Ⅰ类车：地下运行车辆。该类车又被分为Ⅰa车和Ⅰb车。其中,Ⅰa车指主要运行于单线铁路隧道中的列车,旁侧没有出口通往步行道和逃生通道,或相当长的时间运行在地下的卧铺车,或无人驾驶列车。Ⅰb车指主要运行于复线铁路隧道中的列车,线路上具有侧出口通往步行道和逃生通道,或大部分时间不运行在地下的卧铺车。

Ⅱ类车：指大多数在地面运行、较少运行于隧道中的车辆。

上述类别的车辆代表了当失火时可能导致列车火情及其危害的不同程度。

2.3.3 车用材料的分类和选择

该标准根据材料在车上的位置和表面方向将其分为14种类型。材料表面方向是决定火蔓延和火情发展带来的风险的重要因素。按火险情况降序排列可将材料分类为：

(1)型如车顶,表面水平朝下,与水平面夹角小于45°(称为 HP型)。

(2)型如墙板,表面垂直,垂直面夹角小于45°(称为Ⅴ型)。

(3)型如地板,表面水平朝上,与水平面夹角小于45°(称为HS型)。

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

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

以这种方式对材料分类,不需特别的数值,即可把大量的各式各样的材料表面进行分类。该标准还对其它不易按表面进行分类的材料,以及小尺寸、小质量的单一材料和组合材料,根据车辆类型、材料重、尺寸等参数作了规定。分类后的材料只有满足标准中规定的要求才能被选择使用(详见表5)。

表5 BS 6853中材料的测试方法及标准

2.3.4 标准应用体会

该标准以“表面方向”对材料进行烟、火、毒的考量,同时对车辆设计提出了要求,内容完善,适用性强。但该标准作为实施规则,采用指导和建议的形式,它的制定基于数字及设计指导,其所考虑的标准代表了防火安全的最优水平,有些建议很难实施,操作较难。

2.4 欧洲标准

2.4.1 欧洲标准目前的状况

目前,欧洲除了英国、德国、法国的防火标准外,还有意大利和欧洲联盟的UIC标准。UIC 564-2也被其他欧洲标准所关连并采用。

由于各国铁路用户所要求的标准不同,导致车辆上所使用材料的选择方式和测试方法各不相同,且没有统一被认可的测试机构。另外,由于各国的防火标准各有所长及所短,也给一些跨国项目的执行带来了一定的技术和经济上的麻烦。为此,1997年欧洲委员会标准组开始实施轨道车辆防火标准的统一,即制定EN45 545轨道车辆防火保护标准,并于2004年2月发布了草稿版标准即Pre-EN 45 545,2009年1月颁布中间过度的技术标准CEN TS 45 545。

CEN TS 45 545为EN标准正式出台前中间过度的技术规范,限定使用3年。在使用2年后,各委员会成员国要向标准组递交使用意见,尤其是关于能否被转为正式标准的意见。

目前,欧洲轨道车辆用防火标准的统一化正在实现。CEN TS 45 545已经形成法律于2009年在欧洲国家开始逐步被使用。尤其对那些轨道车辆防火标准还未制定或不完善的欧洲国家,它作为合同规范已经应用于在隧道中运行的车辆,接着是高速铁路。传统的轨道车辆的相应规范目前还是草稿版阶段,还未形成法律。

CEN TS 45 545是一套系列标准,包括总则、材料、防火墙、设计、设备、控制等7个方面的内容。其中第二部分是轨道车辆的材料防火和试验要求。

2.4.2 CEN TS 45 545对轨道车辆的分类

CEN TS 45 545对轨道车辆的分类包括运行分类和设计分类。

(1)运行分类(如果车辆运行属于多种类别,则其设计应满足所有相关要求),包括运行1～4类。

运行1类：车辆设计或装备运行于非地下、隧道或高架,并且短暂停留后侧向疏散到相对安全之地是可能的。

运行2类：车辆设计或装备运行于地下、隧道或高架,具备可以侧向疏散并具有车站或紧急车站,以提供乘客在较短时间内换乘的相对安全之地。

运行3类：车辆设计或装备运行于地下、隧道或高架,具备可以侧向疏散并具有车站或紧急车站,以提供乘客在较长时间内换乘的相对安全之地。

运行4类：车辆设计或装备运行于地下、隧道或高架,不具备侧向疏散并具有车站或紧急车站,以提供乘客在较短时间内换乘的相对安全之地。

(2)设计分类,包括 A 、D、S、N 类 。

A：车辆为自动驾驶,车上无训练有素的乘务人员;

D：双层车;

S：卧铺车;

N：所有其它类型车(标准车)。

2.4.3 车辆风险等级和材料防火要求

按照车辆运行和设计分类,该规范给出了从H L1至HL3的火灾风险级别(见表6)。不同的火灾风险级别要求,其使用材料对火的反应亦不同。

表6 CEN TS 45 545中的轨道车辆火灾风险级别

所有轨道车辆用材料根据车内或车外不同的部位,其防火要求从R1～R25。例如：内装顶棚、侧墙、行李架、车内连接内装的风道等部位所用材料要求为R1,车内电缆、折叠椅子、垃圾箱等所用材料要求为R2,车外风道、转向架零部件材料要求为R6,车内地板材料要求为 R9等。不同的车辆火灾风险级别对同一种防火要求,其标准也不同(见表 7)。

表7 CEN TS 45 545中不同车辆火灾风险级别对同一种防火要求的标准

该规范采用了国际标准。其目标是使着火的可能性最小,控制火蔓延的速度和程度,减小着火产物对乘客和乘务人员的影响。但该规范能否被认可,尤其是被英国、法国和德国等防火标准比较完善的国家认可而成为标准,还有待于检验。

3 对我国轨道车辆材料防火标准的启示

3.1 现状分析

我国铁路车辆材料防火标准采用的是 TB/T 3138—2006《机车车辆阻燃材料技术条件》。该标准代替了TB/T 2402—1993《铁道客车非金属材料的阻燃要求》和TB/T 2560—1995《铁道客车非金属材料的选择要求》。

TB/T 2402—1993规定了铁道客车用非金属材料的阻燃要求和试验方法,对车体、车内设备、装饰涂料,玻璃钢及其制品,电线电缆制品及客车用其它非金属材料的阻燃提出了要求,试验方法采用氧指数法和45°角燃烧法。该标准虽然提到了发烟和毒性的要求,但没有定量和定性的具体说明,没有可操作性。

与 TB/T 2402—1993和 TB/T 2560—1995相比,新标准TB/T 3138—2006在防火方面增加了阻燃材料烟密度限定指标的要求,其试验方法采用GB/T 8323—2008(与ISO 5659—2006为等同的标准)。但该标准在使用、适用和实用上仍然存在着亟待解决的问题。

3.2 存在的问题及改进建议

3.2.1 关于材料分类和车辆分类

我国标准中对材料的详细分类及其适用的车型和运行条件未作详细规定。而在欧洲,以及英、德、法等国的防火标准中,强调以人身安全为本,材料及车辆分类按火灾风险对人可能造成的危害不同而等级不同,频繁往来于隧道的车辆尤为重视。材料按车上使用部位及火灾风险分类,车辆按地面运行或隧道运行以及运行线路环境可能逃生的火灾风险分类。按此方法分类,同样的部件在不同的车辆运行环境中要求应不同,但试验方法有可能相同,这样才能做到标准一致、操作容易、经济适用。

3.2.2 关于火蔓延和热量释放

TB/T 3138—2006虽然对材料的可燃性有所要求,但对火蔓延和热量释放的要求没有规定。火蔓延是指材料接近火源而燃烧且火焰沿着材料表面蔓延的距离和速度。这里的火源为有焰火源和无焰火源。火蔓延的距离和快慢决定了火势发展的速度以及热量的释放,从而直接决定了乘客是否能够在有限的时间内迅速逃生。试验方法可以采用或借鉴ISO 5658-2,但是其限定值要在标准中给出,或者可以借鉴BS 476-6和BS 476-7的试验标准。

3.2.3 关于材料的烟密度

TB/T 3138—2006中给出的限定指标为D4≤200,而D4的具体意义没有被定义。根据其是量纲为一的量猜测是比光密度,但不知是第4 min的比光密度还是试验前4 min的最大比光密度,因此操作性较差。法国标准中采用烟气指数,它综合考虑了最大比光密度、前4 min比光密度和以及毒气指数。最新的欧洲CEN TS45 545标准采用第4 min的比光密度Ds(4)、前4 min的比光密度和(VOF4)为烟密度的限定指标。以上两种方法都可以借鉴。英国标准BS 6853以材料“表面方向”为导向,与我国现行标准差距较大,可借鉴性不大。

3.2.4 关于材料燃烧产生的毒性

TB/T 3138—2006对材料的毒性没有作出要求。由于烟浓度过高使得人被熏麻醉或受刺激或能见度降低,导致人降低逃生能力的亚致命危害也将直接危害人身健康和生命安全,因此必须加以限制。欧洲标准中对毒气的考虑大都是基于对燃烧产生的8种气体(CO、CO2、HCL 、HBR 、HCN 、HF 、NOx和SO2)浓度的测量以及分析计算而进行的。而ISO 5659—2006在CEN TS 45 545技术规范中既是关于烟的试验方法也是关于毒气的试验方法,在此基础上增加了傅立叶红外光谱分析进行毒气的评定。BS 6853中也有类似的试验方法。我国的GB/T 8323—2008与 ISO 5659—2006为等同标准,因此可同样作为烟毒气的试验方法,但需要在标准中对毒气指数加以分析和限定。

3.2.5 取消对材料的物理、机械性能的要求

TB/T 3138—2006增加了材料的物理、机械性能及其试验方法等的要求。然而,标准是对材料的阻燃性能的规定,材料的阻燃是安全性能的要求,而材料的物理机械性能是功能性要求,二者混谈,易致主次不分。因此,建议在该标准中取消对材料的物理、机械性能的要求。

4 结语

综上所述,我国的轨道车辆材料防火标准还应从烟、火、毒及燃烧释放热量等方面对防火要求进一步细化。该防火要求应从试验方法、评定标准及适用场合同时考虑,同时还应根据我国的国情,在标准的应用中不断地总结、更改和完善,以形成一套比较合理、有效且适用的轨道车辆材料防火标准。车辆设计人员更应加强防火安全意识,强制标准执行,严格把关车辆用材料的选择,防患于未然。

当然,制定我国的标准并非一定要与哪个国际标准一样,但可以其作为参考,取长补短。铁路运输有着高比例占有有限空间的特点,有效控制车用材料的防火性能,以减少因列车局部失火给乘客带来的惊恐和其他损失,是一个长期的、值得关注的课题。

[1]BS 6853 载客列车设计与建造防火通用规则[S].

[2]NF F 16101 关于铁道车辆用防火材料的选择[S].

[3]DIN 5510 铁路车辆阻燃保护系列标准[S].

[4]EN 45 545CEN T S 45 545 铁路车辆防火保护标准[S].

[5]T B/T 3138—2006 机车车辆阻燃材料技术条件[S].

[6]T B/T 2402—1993 铁道客车非金属材料的阻燃要求[S].

[7]GB/T 8323—2008 第一部分和第二部分关于烟生成[S].

[8]ISO 5659-2—2006 塑料烟生成单室法测量烟密度[S].