軌道車輛表面材料火焰傳播測試方法分析介紹

李俊紅 徐文野 張術

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2016.07.052

摘 要：該文對多個軌道車輛防火標準中引用的火焰傳播測試方法，包括ISO 5658-2，BS476-7，DIN 54837， ASTM E162及鋪地材料類測試，結合一些相關的燃燒理論，做出分析介紹，并得出了它們的不同點。

關鍵詞：軌道車輛 火焰傳播 測試方法

中圖分類號：TS07 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）03（a）-0052-02

軌道交通事業是當今社會最重要的運輸手段之一，特別是我國正處在高速發展的時期，隨著列車的提速，高架、隧道、地下等特殊運行線路的發展，相應的車輛安全性能要求也在不斷提高。軌道交通的運行安全始終放在首要地位，而火災隱患和脫軌傾覆隱患是影響車輛運行的主要危險源，防火對于車輛安全運行至關重要。近年來，我國對于軌道交通車輛的防火要求日趨重視，引入多種國際上常用的防火標準，同時也有國內自行制定的標準，這雖豐富和滿足了多種情況的使用需求，但同時也造成了國內多種車輛防火標準并存使用的復雜情況，給很多標準的使用者帶來了困擾。

該文對各國標準中車輛表面材料的火焰傳播測試方法，結合一些相關的燃燒理論，進行一些簡單的介紹。

1 火焰傳播

材料支持火焰傳播的能力是影響火災危險性的重要因素，它會擴大燃燒區域和影響燃燒熱量的釋放。火焰傳播可看作材料未引燃部分的引燃速度和已著火部分持續燃燒速度相互競爭的結果，火焰傳播速率（V）定義為固體熱解前沿的加熱長度L與引燃時間tig之比[1]，即V=L/tig。

固體材料表面的火焰傳播有兩種形式，即順風傳播和逆風傳播。逆風傳播是指火焰傳播的方向與空氣流動方向相反，而順風傳播時兩者方向相同。火場的空氣流動通常由燃燒過程引起，順風傳播包括火焰在垂直表面的向上傳播或在天花板上的輻射傳播，逆風傳播包括火焰在垂直表面的向下或側向傳播以及火焰在地板面上的輻射傳播。逆風火焰傳播過程是由火焰到固體的熱傳遞過程和氣相化學反應動力學兩者相互作用來控制，而順風火焰傳播由火焰到材料表面熱裂解前沿的熱傳遞控制，由于順風火焰傳播有利于熱量的傳遞并加大材料表面暴露面積，所以通常比逆風傳播速率大得多。

1.1 非鋪地材料的火焰傳播

歐盟標準引用的測試方法標準ISO 5658-2[2]，及英國標準中的BS 476-7[3]都是典型的垂直面側向火焰傳播測試方法，分別見圖1和圖2。二者的測試形式類似，都是樣品垂直放置，在靠近樣品的一端有作為熱源的輻射板，與樣品表面形成固定的夾角。輻射板的功率固定，試樣按照安裝位置要求就位后，其表面暴露于輻射熱流中，熱通量的大小隨試樣長度方向而改變，從而在被測樣品表面形成有梯度變化的輻射場。樣品受到熱輻射的作用，并施加一個小的誘導火焰，從靠近熱源一端點燃，向另一端側向蔓延發展，屬于側向的逆風火焰傳播，在樣品引燃之前受材料點燃控制，引燃之后受熱板輻射熱量及自身燃燒的傳熱過程與固相的分解反應速度控制，這與樣品的密度、導熱性、比熱容和樣品表面形態都有關系。

兩種測試方法也存在不同點，如輻射板與樣品表面的夾角及對樣品表面的輻射強度，樣品的尺寸，在相應車輛標準中的考量指標等。ISO 5658-2測試結果考量的是樣品表面縱軸上火焰發展前沿對應的熱板輻射強度，即臨界輻射通量，而BS 476-7是根據規定時間點及最終的火焰傳播距離來評定材料的火焰傳播等級。

德國標準引用DIN 54837[4]，同時測定燃燒性能、產煙性能及滴落物狀況，見圖3。

樣品垂直安裝，并從其底部施加火焰，樣品被點燃后主要沿垂直方向向上發展，屬于典型的順風傳播。該測試使用明火作為熱源而非輻射板，引燃之初主要是靠外部火源的加熱，當火焰向上發展而遠離引燃火源后，主要靠樣品自身燃燒提供的熱量維持。測試結束后測量樣品的損毀長度用以劃分易燃性級別。

美國標準采用ASTM E162[5]測試標準，見圖4，樣品與垂直方向傾斜30°放置，暴露面面向垂直放置的輻射板，且樣品上端靠近該熱源，從樣品上端至下輻射場呈梯度變化。樣品從上部被引燃并向下傳播，屬于向下的逆風傳播，維持燃燒的熱量多來自于輻射板。記錄火焰發展到間隔為3-in的每個刻度的時間，同時該測試也包含對燃燒產生的熱的測量。

1.2 鋪地材料的火焰傳播

對于鋪地材料類產品的燃燒性能測試，各國機車標準引用的測試方法雖版本不同，如歐盟標準、英國標準引用ISO 9239-1，德國標準引用DIN 4102-14，美國標準引用ASTM E 648，但這些標準的方法和設備是基本相同的，都使用鋪地材料熱輻射源試驗裝置，見圖5。

樣品水平安裝，一端的上方設置輻射板，其表面與水平成30°夾角，對樣品提供有梯度的輻射場，用于評定鋪地材料在逆風條件和外加熱輻射條件下的火焰傳播情況，測試的形式與ISO 5658-2，BS 476-7類似，但樣品水平放置，用以模擬鋪地材料的實際使用情況，輻射熱通量在樣品表面的分布也各不相同。測試結果也是考量臨界輻射通量。

以上方法測定火焰傳播性能，但結果并非使用火焰傳播速率表示，而是通過特定時間內火焰前沿發展的范圍或者損毀范圍等來表示，或許考慮整個過程中火焰傳播發展的速度變化較大，用平均的“速率”并無多大的實際意義。

不同試驗方法得到的試驗結果通常很少一致，也無法相互比較，因為即使樣品為同一材質，但形狀尺寸，相對位置不同以及試驗點火源的強度、類型、作用方向、位置和時間等不同，都可能產生不同的測試結果。而不同的材料，其被引燃的難易程度，燃燒釋放的熱量，樣品的暴露程度、可燃部分的量都是影響火焰傳播的因素。

2 結語

通過以上對各火焰傳播測試方法及相關理論的分析介紹，可以得出多種不同點。

（1）從火焰傳播形式來說，ISO 5658-2，BS476-7屬于垂直面側向逆風火焰傳播；DIN 54837為垂直面向上的順風火焰傳播；ASTM E162為垂直面向下的逆風火焰傳播；鋪地材料類測試為水平面上的逆風火焰傳播。

（2）從火源的類型、強度、作用方向、位置和時間來說，DIN 54837為明火火源，其他方法均為輻射熱源，但這些方法中的輻射強度，在樣品表面的輻射熱通量分布，位置等各不相同。

（3）從樣品的相對位置來說，鋪地材料類測試樣品水平放置，ASTM E162為傾斜放置，其余為垂直放置。樣品的尺寸根據標準要求各自不同。

（4）從測試結果考量方式來說，ISO 5658-2，鋪地材料類測試的結果表示為火焰前沿對應的輻射通量即臨界輻射通量，DIN 54837為根據損毀長度劃分的等級，ASTM E162為火焰前沿發展到指定位置的時間并結合燃燒釋放熱的綜合計算結果。

所以各標準測試的結果并不能相互比較，僅表示在其特定測試條件下的火焰傳播性能。

參考文獻

[1] 杜建科，舒中俊，朱惠軍.材料燃燒性能與試驗方法[M].北京：中國建材工業出版社，2013.