電纜燃燒煙氣釋放速率的實驗研究

楊守生,何 翊

(1.中國人民武裝警察部隊學院消防工程系,河北廊坊065000;2.中國人民武裝警察部隊學院科研部,河北廊坊065000)

電纜燃燒煙氣釋放速率的實驗研究

楊守生1,何 翊2

(1.中國人民武裝警察部隊學院消防工程系,河北廊坊065000;2.中國人民武裝警察部隊學院科研部,河北廊坊065000)

為系統地了解電纜在燃燒過程中煙氣釋放速率以及其與其他參數間的關系,利用錐形量熱儀對 YJV 4×6電纜的燃燒行為進行了分析。結果表明,電纜在不同外界熱流強度下的燃燒行為是不同的。隨著熱輻射強度的增大,電纜燃燒時的煙氣釋放速率也隨之增大。電纜燃燒時熱量的釋放滯后于煙氣的釋放,煙氣釋放速率隨質量損失速率增加而增大。穩定燃燒狀態下則表現為煙氣釋放速率降低,熱釋放速率增大。

電纜;錐形量熱儀;燃燒性能;煙氣釋放速率

0 前言

隨著國民經濟的高速發展,包括電力電纜、控制電纜、通訊電纜在內的各種電纜的應用范圍越來越廣,使用量越來越大。由于大部分塑料電纜的護套原料和絕緣材料都具有可燃性,當電線發生短路時,很容易引燃護套料和絕緣料,繼而導致火災發生;當塑料電纜暴露在高溫環境或卷入火災中,不僅能增大火勢和發煙量,而且極易導致火勢蔓延。據我國火災年鑒統計,1997年以來,每年電氣火災占火災總數的25%～30%,造成的直接財產損失占總數的35%～44%,而電氣火災中由電線電纜引起的火災又占了50%以上[1]。而目前國內使用的大部分阻燃電纜為含鹵電纜,雖然其具有較好的阻燃性,但是在燃燒時會產生大量的煙塵和對人體有刺激、有麻醉的毒性氣體,這些煙塵及毒性氣體一方面造成火場能見度降低,從而影響受困人員逃離火場,另一方面還能造成受困人員窒息、中毒甚至死亡[2]。從消防監督部門火災統計的數據來看,人員傷亡主要是由于有機材料燃燒過程中產生的大量濃煙及人體吸入有刺激的有害氣體而無法逃離,導致窒息造成的。因此,研究電線電纜火災條件下的燃燒行為進而降低電線電纜的火災危害具有重要意義。有文獻利用錐形量熱儀,從電纜的結構、材料方面入手,對電纜燃燒時的產煙特性進行了分析[3-4],以此來改善電纜的阻燃抑煙性能,但對電纜燃燒時煙氣釋放的影響因素的研究并不多。本文利用錐形量熱儀對 YJV 4×6電纜的燃燒行為進行了分析,并探討了電纜在燃燒過程中煙氣釋放速率以及其與其他參數間的關系。這對進一步認識電纜的燃燒性能、優化護套原料阻燃設計、降低電纜新產品的研發成本以及制定電纜護套原料阻燃標準具有實際意義。

1 錐形量熱法

1.1 錐形量熱實驗原理

錐形量熱計采用耗氧量來測量材料的熱釋放速率,所謂耗氧量原理就是認為材料燃燒時消耗每一單位的氧氣所釋放的熱量基本上是一樣的,即消耗1 kg氧氣釋放熱量13.1 MJ±0.655 MJ。建筑業和商業中普遍使用的大多數塑料和其他固體材料都遵循這個規律[5-6]。目前IS05660標準、美國ASTM E1354標準以及其他發達國家的一些標準都把錐形量熱法確認為進行材料燃燒性能測試的標準實驗方法。

1.2 試樣的受熱表面積和厚度

試樣的受熱表面積和厚度對點燃性和釋熱速率的測試都有影響。錐形量熱標準規定,一般情況下,試樣的受熱表面積為100 mm×100 mm,這個值比較適合小尺寸試驗,是經過精心選擇的。

錐形量熱計主要用來測試真實物體的釋熱速率,因此試樣的厚度最好為測試物體的原厚度,但其受熱面要比較平整。

1.3 熱量和質量邊界條件的處理方法

全尺寸實驗中,熱量和質量輸運僅發生在試件的受熱表面,非受熱面沒有熱量和質量的損失。因此,為了使錐形量熱實驗盡可能與全尺寸實驗的熱邊界條件一致,需要采取一些措施來保證熱量和質量在非受熱面的損失最小。在實驗中,將試樣用鋁箔包裹其背面和側面以減少質量損失。有些材料在燃燒時燃燒表面會發生翹曲,使得燃燒表面積發生變化或者使受熱表面受到額外的熱輻射而影響最終結果。對于這種材料,在實驗中使用一種不銹鋼網柵夾住試樣的表面,以保證材料的平表面燃燒。

實驗時,所有的試樣在其背部都墊有一種厚度為13 mm、密度為650 kg/m3、熱阻很大的陶瓷纖維毯,這樣保證了一種標準的背面熱邊界條件。

1.4 熱輻射強度的確定

室內發生火災時,熱量從高溫火焰和煙氣傳播到其他鄰近物體上的主要途徑是熱輻射。熱輻射是火災發展和傳播的主要傳熱方式。

室內火災在發展最充分的時候,室內氣體的溫度可高達1000℃,這時輻射到墻壁和室內物體上的熱輻射強度可以達到150 kW/m2。一般情況下,當室內火災達到轟燃時,高溫煙氣和火焰對物體的熱輻射在75 kW/m2左右,實驗時,加給試樣的熱輻射要盡量達到這個水平。因此針對不同的材料,采用的熱輻射強度有 10、15、20、30、35、40、50 kW/m2等。這些熱輻射水平可以代表可燃物在小規模火災和中等規模火災中的熱輻射水平。

2 實驗部分

2.1 主要原料

YJV 4×6,銅芯交聯聚乙烯絕緣聚氯乙烯護套電纜,將電纜切割成長度為100 mm的小段,并排制成100 mm×100 mm的試樣,用鐵絲將其固定。

2.2 主要設備及儀器

錐形量熱儀,Dual Cone,英國FTT公司。

2.3 性能測試與結構表征

參照ISO 5660進行分析。將樣品水平放置,輻射源與試樣之間的距離恒定為23 mm。為了盡量保證電纜只有上表面受到輻射,實驗時用鋁箔包裹電纜的四周和底面,并用不銹鋼絲網保護樣品,以避免樣品翹曲和膨脹。用不同的熱輻射強度對樣品進行了系統的研究。

3 結果與討論

3.1 熱輻射強度對煙氣釋放速率的影響

電纜在不同外界熱流強度下的燃燒行為往往是不同的[7-8]。從圖1可以看出,隨著熱輻射強度的增大,電纜燃燒時的煙氣釋放速率也隨之增大。這主要是因為當電纜處于較大的熱輻射強度下,同一時間間隔內,發生熱解和燃燒的電纜數量比處于較小熱輻射強度下要多,所以產煙速率快,產煙量大。

圖1 不同熱輻射強度下的煙氣釋放速率曲線Fig.1 The smoke release rate of the cables at different radiation intensity

3.2 煙氣釋放速率與熱釋放速率的關系

在25 kW/m2熱輻射強度下對 YJV 4×6電纜進行燃燒測試,結果如圖2所示。從圖2可以看出,在實驗開始后的70 s內,煙氣釋放速率曲線快速增長,70 s時達到峰值。而熱釋放速率在實驗開始后50 s內還穩定在一個較低的值,從50 s之后才開始增長。即熱量的釋放滯后于煙氣的釋放。分析原因一方面是因為在實驗剛開始時燃燒的電纜數量少,放熱量不大。另一方面是由于開始階段電纜處于不完全燃燒狀態,釋放出的產物未能與氧充分混合,直接形成煙氣,并不參加燃燒;當實驗進行一段時間后,隨著燃燒的電纜數量增多,電纜充分燃燒,熱解形成的燃料氣體達到完全燃燒時氧與燃料預混所需的恰當比例,從而使電纜處于穩定燃燒狀態,表現為煙氣釋放速率降低,而熱釋放速率增大。

圖2 煙氣釋放速率與熱釋放速率曲線Fig.2 The curves for smoke release rate and heat release rate of the cables

3.3 煙氣釋放速率與質量損失速率的關系

YJV 4×6電纜在25 kW/m2熱輻射強度下的煙氣釋放速率與質量損失速率的關系如圖3所示。從圖3可以看出,電纜燃燒的煙氣釋放速率隨質量損失速率增加而增加,電纜在燃燒時的質量損失主要是由所釋放出的煙氣造成的,但是這并不表示儀器所檢測到的煙氣全部都是由電纜燃燒時損失的那部分質量轉化而來的。燃燒過程中的煙氣是由材料裂解或燃燒過程中生成的懸浮固體粒子、液體粒子以及氣體物質一起卷吸或混合了的大量空氣組成的。既包括“可見的煙”,也包括了“不可見的煙”。燃燒過程中產生的可見煙是由不完全燃燒造成的,它與“燃燒氣體產物”是有區別的。儀器所能檢測到的只是能散射和吸收可見光而呈現不透光粒子的那部分。

圖3 煙氣釋放速率與質量損失速率曲線Fig.3 The curves for smoke release rate and mass loss rate of the cables

3.4 煙氣釋放速率與有效燃燒熱的關系

YJV 4×6電纜在25 kW/m2熱輻射強度下煙氣釋放速率與有效燃燒熱的關系如圖4所示。有效燃燒熱表示在某時刻t時所測得熱釋放速率與質量損失速率之比,它反映了燃燒所生成的揮發性氣體在空氣中的燃燒程度。從圖4可以看出,在煙氣釋放速率高速增長的階段,有效燃燒熱很低,而且增長緩慢。當煙氣釋放速率達到峰值轉而降低時,有效燃燒熱開始逐漸增長,并在約200 s達到最大值,此時煙氣釋放速率已降到很低的水平。結合實驗現象來看,從開始到實驗進行34 s這段時間內,電纜只是不斷熱解,釋放出大量煙氣,在35 s時電纜被外部火源引燃,揮發出的可燃氣體參加燃燒,電纜處于有焰燃燒的狀態,但是燃料氣體與氧的混合還不夠充分,仍有大部分脫離火焰的高溫環境而直接形成煙。隨著實驗的進行,燃料氣體與氧的混合越來越充分,參與燃燒的部分越來越多,電纜有效燃燒熱和熱釋放速率也隨之增大,電纜處于穩定燃燒的狀態,從而煙氣釋放速率也就變得越來越小。這也說明了電纜的熱釋放速率滯后于煙氣釋放速率的原因。

圖4 煙氣釋放速率與有效燃燒熱曲線Fig.4 The curves for smoke release rate and effective heat combustion of the cables

4 結論

(1)電纜在不同外界熱流強度下的燃燒行為是不同的。隨著熱輻射強度的增大,電纜燃燒時的煙氣釋放速率也隨之增大;

(2)電纜燃燒時熱量的釋放滯后于煙氣的釋放。穩定燃燒狀態下則表現為煙氣釋放速率降低,熱釋放速率增大;

(3)電纜燃燒的煙氣釋放速率隨質量損失速率增加而增加,質量損失主要是由所釋放出的煙氣造成的。

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Study on Smoke Release Rate of Cables during Burning

YAN G Shousheng1,HE Yi2
(1.Department of Fire Engineering,the Chinese People′s Armed Police Forces Academy,Langfang 065000,China;2.Research Bureau,the Chinese People′s Armed Police Forces Academy,Langfang 065000,China)

In order to find out the characteristic of smoke release rate and their relation with other parameters,the smoke release rate in combustion of YJV4×6 cables was analyzed using a cone calorimeter.It showed that the combustion behavior was different at different radiation intensity.The greater the radiation intensity,the higher the smoke release rate.In addition,the heat release rate lagged behind the smoke release rate,and the smoke release rate increased with increasing mass loss rate.In a steady state,the combustion was characterized by decreasing the smoke release rate and increasing the heat release rate.

cable;cone calorimeter;combustion property;smoke release rate

TQ320.77

B

1001-9278(2010)07-0074-04

2010-04-20

公安部應用創新計劃資助項目(2007YYCXWJXY112)

聯系人,yangshousheng@wjxy.edu.cn