金屬管厚度對(duì)明敷消防供配電線路保護(hù)效果的模擬研究

馬 寧，湯 昊

(武警學(xué)院 研究生隊(duì)，河北 廊坊 065000)

0 引言

為保證滅火救援行動(dòng)的有效開展，消防供配電系統(tǒng)的安全可靠十分重要。在工程中，電氣線路的敷設(shè)方式主要有明敷和暗敷兩種方式。對(duì)于明敷方式，由于線路暴露在外，火災(zāi)時(shí)會(huì)受到火焰或高溫的作用而損毀。因此，《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》(GB 50016—2014)[1]中規(guī)定：消防配電線路應(yīng)滿足火災(zāi)時(shí)連續(xù)供電的需要，明敷時(shí)(包括敷設(shè)在吊頂內(nèi))，應(yīng)穿金屬導(dǎo)管或采用封閉式金屬槽盒保護(hù)，金屬導(dǎo)管或封閉式金屬槽盒應(yīng)采取防火保護(hù)措施。但是規(guī)范中并沒有明確規(guī)定金屬管的厚度。為了研究穿管的有效性，舒中俊[2]等人采用自主設(shè)計(jì)的紅外輻射加熱爐研究了不同保護(hù)狀態(tài)下的電纜受熱時(shí)的絕緣失效時(shí)間，得到了當(dāng)環(huán)境的熱通量比較低時(shí)，穿阻燃聚氯乙烯管的保護(hù)效果比穿金屬管好；當(dāng)環(huán)境的熱通量較高時(shí)，金屬管的保護(hù)效果優(yōu)于阻燃聚氯乙烯管。但針對(duì)金屬管并沒有研究其厚度與保護(hù)效果之間的關(guān)系。本文通過ANSYS軟件模擬明敷電線穿金屬管涂敷防火涂料的模型在標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)條件下的溫度分布情況和規(guī)律，研究金屬管厚度對(duì)線路保護(hù)效果的影響，為實(shí)際工程中明敷消防供配電線路的消防安全設(shè)計(jì)提出解決方案。

1 參數(shù)設(shè)定與模型建立

1.1 ANSYS模擬參數(shù)

利用ANSYS建立明敷消防配電線路穿金屬管涂覆防火涂料的模型。消防供配電線路通常采用阻燃電線和耐火電線，本文建立的模型主要有三部分：阻燃電線(銅芯聚乙烯絕緣聚氯乙烯護(hù)套電線)、304不銹鋼管、防火涂料。在ANSYS前處理階段，需要定義材料屬性，在進(jìn)行熱分析中，所涉及的材料本身的特性包括導(dǎo)熱系數(shù)、密度、比熱容等。結(jié)合經(jīng)驗(yàn)參數(shù)[3]與理論計(jì)算給出各種材料的參數(shù)如表1所示。

1.2 建模與計(jì)算

將模擬簡(jiǎn)化為沿截面的二維溫度場(chǎng)問題，使用ISO-834標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)升溫曲線來進(jìn)行火災(zāi)升溫情況的模擬，溫度場(chǎng)模型中采用PLANE55[4]單元。將防火涂料、金屬管以及空氣部分的單元尺寸劃分為1 mm，電線對(duì)應(yīng)的區(qū)域劃分為0.5 mm。建立的具體幾何模型如圖1所示，網(wǎng)格劃分完成后如圖2所示。模型施加對(duì)流和熱生成率兩種載荷，對(duì)流是施加在模型表面的面載荷，模擬平面和周圍流體之間的熱量交換，載荷的施加方式為通過數(shù)據(jù)表格來施加載荷；熱生成率作為體載荷施加，載荷的施加方式是直接施加實(shí)常數(shù)載荷，通過計(jì)算電線單元內(nèi)電流效應(yīng)生成的熱，得出電線的熱生成率為6 500 W·m-3。ANSYS讀取有限元模型及其上的載荷信息，建立聯(lián)立方程并使用不同求解器得出求解結(jié)果。設(shè)置加載時(shí)間為1 800 s，進(jìn)行求解后即可得出模型內(nèi)部的溫度分布。

表1 材料熱物性參數(shù)表

圖1 幾何模型示意圖

圖2 模型網(wǎng)格劃分示意圖

2 金屬管厚度對(duì)明敷消防供配電線路的影響分析

2.1 溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

2.1.1 溫度分布

1 800 s耐火試驗(yàn)結(jié)束后，厚度分別為2,3,4,5 mm的金屬管保護(hù)下的各組材料不同部位溫度如表2所示。由表2可知，金屬管的厚度越大，電線的溫度越低，即隨著金屬管厚度的增大，金屬管對(duì)電線的保護(hù)作用增強(qiáng)。304不銹鋼管的最高耐熱溫度是650 ℃左右，當(dāng)溫度超過650 ℃時(shí)，金屬管會(huì)因?yàn)閺?qiáng)度的大幅下降和變形程度的增加而失去對(duì)電線的保護(hù)能力。由表2可知，當(dāng)金屬管厚度為2 mm時(shí)，金屬管的溫度最高，為571.29 ℃，低于650 ℃。說明金屬管在火焰作用下半小時(shí)內(nèi)不會(huì)失去對(duì)電線的保護(hù)作用。工程中，阻燃電線外表面絕緣材料是聚氯乙烯，其最高耐熱溫度為250 ℃。從表2可以看出，在火災(zāi)發(fā)生半小時(shí)后，厚度為2,3,4 mm的金屬管所保護(hù)的電線溫度均大于250 ℃。說明這三組金屬管不能滿足半小時(shí)的連續(xù)供電。當(dāng)金屬管厚度為5 mm時(shí)，電線溫度為246.85 ℃，小于電線的失效溫度250 ℃。即當(dāng)電線直接受到火焰作用時(shí)，5 mm壁厚的金屬管能有效保護(hù)消防供配電線路保持半小時(shí)的有效供電。要想進(jìn)一步知道每組電線的失效時(shí)間，需要觀察電線外表面一點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化情況。

表2 穿有不同厚度金屬管電線各部位溫度(℃)

2.1.2 節(jié)點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化規(guī)律

為更好地得出在ISO-834標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)條件下模型內(nèi)部節(jié)點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化的規(guī)律，模擬得出厚度分別為2,3,4,5,6 mm的金屬管保護(hù)下的電線外表面某點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化的曲線如圖3所示。分析可以得出：(1)隨著金屬管厚度的增加電線溫升曲線的斜率降低，即電線溫度升高的速度越慢。說明金屬管厚度越大，在相同時(shí)間內(nèi)，所保護(hù)電線的溫度升高越小，電線達(dá)到失效的時(shí)間越長(zhǎng)，對(duì)電線的保護(hù)效果越強(qiáng)。(2)由圖3曲線斜率對(duì)比可知，對(duì)于電線外表面一點(diǎn)，穿金屬管明顯減慢了其在耐火試驗(yàn)下的溫升速率。隨著管壁厚度的增加，曲線斜率逐漸降低，電線外表面的最高溫度逐漸降低。由于阻燃電線的失效溫度為250 ℃，由圖3可知，厚度分別為2,3,4,5,6 mm的金屬管保護(hù)下電線的絕緣失效時(shí)間分別為18,25,28,31,33 min，可見管壁厚度越厚，電線的絕緣失效時(shí)間越長(zhǎng)。

2.2 模擬結(jié)果在實(shí)際工程中的應(yīng)用

《民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》(JGJ/T 16—2008)[5]中對(duì)消防用電設(shè)備在火災(zāi)發(fā)生期間的最少連續(xù)供電時(shí)間有明確規(guī)定，結(jié)合金屬管厚度對(duì)電線絕緣失效時(shí)間的影響可以得出，在保證電線完好且能持續(xù)供電的情況下，得到采用不同厚度的金屬管保護(hù)時(shí)，能滿足連續(xù)供電時(shí)間要求的消防用電設(shè)備類型如表3所示。由于明敷配電線路金屬管的管壁不宜過厚，所以如果想要滿足自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)、消火栓系統(tǒng)等設(shè)備更久的連續(xù)供電時(shí)間，在本文的模擬條件下無法達(dá)到，可以試著改變防火涂料的參數(shù)，或者改變金屬管的內(nèi)外徑以獲得更久的連續(xù)供電時(shí)間。

圖3 電線外表面某點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化圖

3 結(jié)語

本文運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)試驗(yàn)條件下的明敷消防供配電線路進(jìn)行了有限元分析及研究，獲得了穿不同厚度金屬管條件下的模擬數(shù)據(jù)；通過比較和分析，得出金屬管厚度對(duì)明敷消防供配電線路的影響；并結(jié)合消防供電設(shè)備所需的有效供電時(shí)間，為實(shí)際工程中明敷消防供配電線路所穿金屬管厚度提供了數(shù)值依據(jù)和建議。但在模型簡(jiǎn)化、模擬計(jì)算等方面仍然存在一定的局限性，下一步將結(jié)合模擬結(jié)果，進(jìn)行明敷消防電線防火措施有效性試驗(yàn)，方法及結(jié)論有待進(jìn)一步研究與開發(fā)。

表3 不同厚度金屬管與消防用電設(shè)備對(duì)應(yīng)表

[1] 中華人民共和國(guó)公安部.建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范:GB 50016—2014[S].北京:中國(guó)計(jì)劃出版社,2015.

[2] 舒中俊,孫清輝,陳南,等.穿管保護(hù)對(duì)ZR-VV電纜絕緣失效條件的影響[J].消防科學(xué)與技術(shù),2010,29(6):473-477.

[3] 上海電纜研究所.額定電壓1 kV到35 kV擠包絕緣電力電纜及附件 第1部分:額定電壓1 kV和3 kV電纜:GB/T 12706.1—2008[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2009.

[4] 李雪松.高溫條件下采用不同防火涂層的鋼柱溫度場(chǎng)數(shù)值模擬分析[J].基礎(chǔ)與結(jié)構(gòu)工程,2015,6(33):144-147.

[5] 中國(guó)建筑東北設(shè)計(jì)研究院.民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范:JGJ/T 16—2008[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2008.