全尺寸的大客车整车火灾燃烧实验研究*

张良，张得胜，梁国福，鲁志宝，纪超

(应急管理部天津消防研究所，天津 300381)

2017年5月9日，在山东威海陶家夼隧道内，一辆韩国国际学校附属幼儿园的校车发生燃烧事故，导致车上11名幼儿遇难。经调查，事故原为司机携带汽油上车实施纵火行为。2009年“成都6.5公交车纵火案”、2013年“厦门6·7公交起火案”和2015年“贵阳2·27公交车纵火案”均为犯罪嫌疑人使用汽油在车内放火造成重大人员伤亡[1-2]。 2004 年，Mangs等在开放空间中, 对1辆装有1个备用轮胎及 30 L汽油的中型客车进行了全尺寸汽车火灾实验, 得到了热释放速率、温度等随时间的变化曲线[3]。2010年,清华大学孙璇等采用整车燃烧实验方法, 对一辆三厢的奥迪汽车进行了火灾实验研究，获得了汽车不同位置的温度等随时间的变化规律[4]。2016年，广州市公共危机预防协会、平安广州志愿服务总队会同广东省消防科学技术重点实验室开展公交车逃生通道创建及燃烧实验，通过比较车内温升变化和人体耐受温度，得出了最长为5 min的逃生时间[5]。为了进一步研究大客车火灾时的燃烧蔓延规律及燃烧初期烟气、温度变化特征，还原火灾案件的发生过程，确认最佳的逃生时间，本文使用与事故同类的车辆进行了全尺寸模拟实验，记录火灾的发生发展过程，测量燃烧过程中火点附近的温度、车内典型部位的烟气浓度，为大客车车内火灾预警、逃生及火灾调查提供实验数据[6-9]。

1 实验准备

实验场地位于野外开阔地带，东北风小于3级，气温18～26 ℃，实验时空气流速1.3～1.9 m/s。实验车辆为金龙客车提供的31座客车，车辆长×宽×高为8 210 mm×2 510 mm×3 420 mm，地面铺设地毯。烟气成分分析仪采用约克MGA5/Vario plus 型烟气分析仪，可以同时测量O2、CO、CO2、NO、NO2、SO2、H2S等多种气体浓度，示值误差 ≤±5%。采样点设置在着火点顶部，距离前门2 m处开孔，采用铜管将烟气导出至烟气分析仪处。实验车辆及汽油泼洒部位见图1-2。实验测试采用K型热电偶测温，按照实验需求在起火点一侧的座位、窗口、棚顶以及过道顶、车门附近，共布置28只K型热电偶，误差≤ ±0.75%, 布置方案如图3和表1所示。

图1 实验车辆及烟气分析仪穿孔区域

图2 汽油泼洒部位

图3 热电偶布置部位

表1 各热电偶布置位置

2 燃烧过程及现象

根据威海案例中隧道内过往车辆行车记录仪早期拍摄到的火焰特征对比，通过前期油盘燃烧试验，来控制汽油泼洒量。实验人员将2 L汽油倒在驾驶座位后排座椅前脚下地板，采用窗外抛掷引火物来引燃汽油，以汽油点燃时刻计时为0 s，为模拟威海放火案的实际案例情况，在火灾开始后的17 s左右将车门打开，在火灾燃烧至560 s时开启火灾抑制和扑救工作，燃烧过程见图4-图5。

汽油泼洒在驾驶位后第一排座椅下方区域，点燃后瞬间发生轰燃现象，初期火势集中在第一排座椅附近燃烧，有火焰向门口蹿出，驾驶员座椅处火势相对较小。由于此车辆车窗除驾驶员车窗外，其余车窗均由三块玻璃构成，上部一块玻璃固定，下部两块玻璃可推拉移动，因此两块玻璃之间存在一定缝隙，这也就导致初期火灾时，在火焰高温辐射作用下，玻璃熔融变形，有火从车窗玻璃间隙卷出。燃烧过程的38～96 s时间段内，驾驶室在浓烟作用下，从前风挡外向内只可以看到微弱的火光；在96～147 s时间段内前风挡处基本不见火光；147 s时前仪表台处又可见闪动的火光；后来火势逐渐扩大，直到前风挡玻璃烧破。燃烧初期的现象见表2。因侧重于火灾初期应急逃生的研究，后期的燃烧过程和现象不再赘述。

表2 燃烧初期烧损状态

图4 点燃初期车门打开时燃烧状态

图5 燃烧中期烧损状态

3 火灾过程中温度和烟气的变化规律

开门前，火灾平稳发展。在20 s的时间内，左侧车窗附近的温度上升到100 ℃左右；30 s以内，除火源附近的窗口，其余窗口温度保持在100 ℃以上的范围内；但是当开门后，窗口处温度迅速上升，在35 s左右，火源附近窗口(左数第二个车窗)处的温度达到400 ℃；随后窗户破损，此时气流贯通，在微风作用下烟气从左侧窗户一侧向门口一侧有轻微偏移，车内氧气浓度骤升，窗口处温度骤升至700 ℃；此后的80 s内，窗口处的温度稳步下降，说明火向门口处蔓延，见图6。

开门后车门口处的热电偶温度迅速上升，在30 s内达到600 ℃，且高位布置的热电偶温度显著高于低位布置的热电偶温度。在左侧第二块玻璃破碎后，高处热电偶温度平稳下降，低处热电偶温度持续上升，说明在车门口的火势降低，火从破碎的窗口处蹿出。在160 s左右，前窗位置看到明火，前门部位的温度上升很快，直至前挡风玻璃破碎，温度很快下降，说明火已经开始向前窗外蔓延，见图7。

对于车辆过道处的温度进行监测，距前风挡玻璃2 m处在35 s内保持在60 ℃以下，距前风挡玻璃1 m和1.5 m处的测温点因靠近火点，在10 s后便迅速上升到100 ℃以上，见图8。在燃烧初期，由红外热像仪测得高温区域集中在火点的地面附近且顶部热烟气温度相对较高。随着燃烧发展，燃烧温度不断上升，燃烧进行到3 min左右时，最高温度已经超过1 100 ℃，高温区域集中在驾驶室上部。随着燃烧进行，高温区域也不断后移，见图9。从起火初期车内测温点数据可以得知，起火后火点附近在30 s内便达到了100 ℃以上，远离火点位置的测温点在35 s以后也开始上升到100 ℃以上。而查阅文献得知，人体在95 ℃以上的环境中最多只能待5 min[10]。

图6 燃烧初期窗口处温度变化过程

图7 燃烧初期车门口处温度变化

图8 燃烧初期过道处测温点温度变化

图9 燃烧过程中监测的温度场

由于烟气导出管道长度较长，烟气的采集和火势的发展存在一定的时间差。从烟气的成分判断，燃烧后O2的浓度下降到0.9%，而CO2的浓度能达到15%,说明燃烧后期驾驶室内的氧气基本耗光，被烟气充满。NO、NOx、NO2等的浓度都在燃烧初期会显著升高，50 s以后NO2和NOx均有下降，最大浓度分别达到180×10-6、200×10-6、和140×10-6。而在燃烧进行到40 s时，SO2的浓度达到5 800×10-6。CO的浓度是火场窒息的主要因素，CO浓度在燃烧进行到100 s时可达到近40 000×10-6。而CO浓度在12 800×10-6时，人体吸入 1～3分钟内死亡 ，见图10-13。从以上烟气浓度变化过程可知，在大客车火灾初起的30 s内是内部乘员的最佳逃生时间。

图10 燃烧初期氧气和二氧化碳浓度变化

图11 燃烧初期一氧化碳浓度变化

图12 燃烧初期氮氧化物浓度变化

图13 燃烧初期二氧化硫浓度变化

4 小 结

1)大客车在泼洒一定量汽油后点燃瞬间火势变大，向周围蔓延。先从薄弱位置突破，本文中大客车由于使用推拉玻璃，故在高温烘烤作用下玻璃很快软化，火焰从玻璃间缝隙向外蔓延燃烧，高温区域集中在车辆靠上的位置。

2)大客车内的燃烧受玻璃破损和车门开启影响较大，反映在温度变化上有一个瞬时增加的过程，这与玻璃破损和车门开启后氧气得到迅速补充有关。在很短时间内，车内温度便可以达到1 100 ℃以上。通过热电偶垂直高度的测量数据分析，燃烧初期大巴车内高温热烟气易向上聚集，逃生时尽量降低自身高度。

3)此类大客车火灾对于乘员伤害主要为两部分，一是燃烧产生的有毒烟气，二是起火后的高温环境。由于是助燃剂放火，乘员舱内均为易燃物，燃烧蔓延迅速，在燃烧初期车内氧气迅速消耗，产生了大量的一氧化碳，氮氧化物和硫化物等容易让人中毒窒息的气体，结合车内的测温数据可以得知此类大客车内起火后的最佳逃生时间为30 s。

4)遇到此类火灾时，车内乘员一定第一时间破窗逃生。根据实验测试数据，门口区域起火后，由于车门已经开启，门口区域的温度远超人体的耐受温度，此时门口不再是最佳逃生通道，应就近选择远离火源的窗口，第一时间破窗有序逃生。

5)大客车乘员密集，除了配备专门的安全员检查，严禁易燃易爆品上车，在车辆主动安全防护上应配备易燃易爆品的预警系统，对于易挥发类的助燃剂等成分可以第一时间监测报警，及时疏散乘客。车上可以考虑增加车窗爆破总开关，遇到突发情况，第一时间破窗应急。