低壓環境下航空電纜點燃性能及煙氣特性

賀元驊, 陽 邦, 張 政, 張健萍, 崔仁浩

(中國民用航空飛行學院民航安全工程學院, 廣漢 618307)

中外民航運輸量日益增加,據民航局數據顯示,截至2019年年底中國民航全行業運輸飛機期末在冊架數為3 818架,全行業完成旅客運輸量為65 993.42萬人次,全行業完成貨郵運輸量為753.14萬t[1]。在高強度的運輸量條件下,民航安全需要引起高度重視。由于飛機艙內電纜數量多且有老化、短路和接觸不良等情況,很容易導致電纜火災。2016年，英國Blue Islands航空公司客機因飛機引擎內導線老化起火,最終迫降；2015年，美國動力航空公司由于引擎內電纜等部件突然著火,導致機上人員損傷；2014年，南方航空飛機左側引擎下方發動機電纜等器件冒煙,導致艙內出現燒焦煙霧和氣味。中外學者在電纜燃燒方面研究較多,主要集中在常壓環境下普通電纜煙氣成分、毒性、火蔓延、熔融滴落及計算機模擬仿真等。Matheson等[2]對聚氯乙稀電纜燃燒性能進行分析,揭示了阻燃與非阻燃聚氯乙稀電纜點燃性、熱釋放速率和耐燃性等方面的差異。Delichatsios等[3]主要研究多根電纜燃燒性能,提出火焰向上蔓延傳播(upward flame spread, UFS)模型預測電纜束的火焰蔓延和相應臨界條件。彭玉輝[4-5]用PyroSim軟件對電纜火災進行數值模擬,揭示了在空間內電纜火災煙氣的遷移蔓延規律,采用錐形量熱儀,以核級電纜為研究對象,實驗測試了核級電纜在不同外加熱輻射、電纜護套厚度情況下在燃燒過程中的熱釋放速率、質量損失速率、煙氣生成速率等燃燒特性。付強[6]對電纜火災的熱解性能、燃燒性能、電纜熱傳導數學模型等方面進行了研究,揭示了常壓環境下電纜燃燒的傳熱規律。胡定煜等[7]研究了典型電纜燃燒煙氣的組分,并對其毒性大小進行定量分析,通過搭建試驗裝置進行了試驗研究。卞曉剛[8]對電線電纜帶電燃燒進行了研究分析。

為了模擬飛機艙內壓力環境,現分別開展常壓和低壓試驗,研究FXL型航空電纜護套層點燃性能、發煙量以及毒性,以期為保障民航運輸安全穩定提供數據參考。

1 試驗材料及設備平臺

1.1 試驗材料

試驗選取飛機用低壓臘克線,又稱FXL臘克線,其主要組成結構有護套層、絕緣層和導體,電纜主要材料有臘克、棉紗、橡膠和鍍錫銅絲等,橡皮絕緣外面有棉紗編織并涂上臘克。電纜結構和特性分別如圖1和表1所示。此實驗測試方法按照《單根電線電纜燃燒試驗方法》(GB/T 12666.1—2008)[9]、《電纜及光纜燃燒性能分級》GB 31247—2014進行[10]。

1為臘克棉紗護套層；2為橡膠絕緣層；3為鍍鋅銅導體圖1 FXL航空電纜結構Fig.1 FXL aviation cable structure

表1 FXL材料和工作屬性Table 1 FXL material and work properties

1.2 實驗設備平臺

1.2.1 熱輻射加熱平臺

主要利用可編程邏輯控制器(programmable togic contractor, PLC)控制箱內溫度恒定且升溫40 ℃/min,精度保持在±1 ℃范圍內,從而測試航空電纜的點燃溫度和點燃時間。熱輻射恒溫加熱箱如圖2所示。

1為溫度傳感器；2為加熱板；3為加熱棒；4為電纜；5為熱力偶；6為排風口；7為熱流計；8為數據處理中心圖2 熱輻射恒溫加熱箱Fig.2 Thermal radiation constant temperature heating box

1.2.2 氧指數分析平臺

氧指數分析儀能夠將氧氮混合氣體流量保持在10 L/min 不變,測量電纜被點火源引燃后,維持電纜燃燒長度為50 mm或燃燒時間180 s所需的最低氧濃度數值，如圖3所示。

1.2.3 煙密度及煙氣成分系統

煙密度及煙氣成分系統用于測量電纜在燃燒或分解下的靜態產煙量,要求純度≥85%的丙烷加熱4 min且保持燃氣壓力0.27 MPa,工作原理是測定平行光束穿過煙霧時通過率的變化,計算出給定光程長度下的光密度；采用OPTIMA7型煙氣分析儀測量CO、CO2及O2濃度的變化，如圖4所示。

2 試驗結果分析

2.1 點燃溫度與時間

電纜燃點和點燃時間是描述耐熱性能的重要參數[11]。隨著點燃溫度升高,電纜點燃時間逐漸下降；絕緣層點燃溫度均高于護套層；低壓61 kPa條件下,電纜護套層和絕緣層的最小極限點燃溫度和時間皆大于常壓96 kPa的燃燒結果，如圖5、表2所示。

圖5及表2數據顯示,96 kPa壓力環境下航空電纜護套和絕緣層的最小極限點燃溫度分別為400 ℃和460 ℃,對應的最小極限點燃時間分別為39.99 s和176.02 s；而61 kPa壓力環境下對應的點燃溫度為415 ℃和475 ℃,點燃時間分別是44.817 s及175.3 s，其主要原因是護套層和絕緣層材料的熱特性不同,臘克棉紗層比橡皮材料燃點低,此外96 kPa氧含量高于61 kPa,燃燒更加充分。當熱輻射溫度升高到600 ℃左右,護套層和絕緣層的抗燒性能均大幅降低,隨著熱輻射溫度繼續升高,電纜材料點燃溫度達到了極限,點燃時間幾乎不隨溫度增加,曲線的點燃時間趨于水平,其誤差均在0.5 s范圍內。96 kPa和61 kPa壓力下護套層的最大極限點燃溫度分別為700 ℃和640 ℃,而絕緣層對應的溫度為850 ℃和800 ℃,絕緣層均強于護套層,主要是材料屬性、部分添加劑和適用工況等原因；常壓和低壓下的點燃溫度和時間有差別,因此壓力環境對電纜的燃燒有影響,原因是低壓環境中氧氣分子空間體積占比小,在低壓電纜燃燒中,點燃溫度增大數值來減小氧氣分子量對燃燒的影響,所以低壓下的點燃溫度和時間均大于常壓。在民航運輸中,飛機艙內外均處于低壓環境,因此需要加強防火力度。

表2 護套層和絕緣層的極限點燃溫度和時間Table 2 Ultimate ignition temperature and time of sheath layer and insulator layer

圖5 不同壓力下燃點-點燃時間Fig.5 Ignition temperature and time at different pressures

從圖6可見,點燃時間隨著輻射溫度升高,變化速率大致上先增大后變小；相同材料在同樣的外界溫度下,61 kPa點燃時間變化率大于96 kPa；相同材料在輻射溫度增加過程中,61 kPa的最大變化率遠大于96 kPa；在相同壓力下,絕緣層變化率大于護套層。在96 kPa下,護套層和絕緣層的最大點燃時間變化率分別為0.346 75和1.931 97,而61 kPa下分別為1.126 7和4.652 74。因此可以根據點燃時間變化率將燃燒劇烈溫度段表示出來,96 kPa護套和絕緣層燃燒劇烈段分別為(425、500 ℃)和(475、550 ℃),61 kPa分別為(415、500 ℃)和(500、600 ℃),在此階段材料的耐熱程度大幅下降,若輻射溫度達到上述范圍,飛機艙內人員引起重視。

圖6 點燃時間變化率Fig.6 Rate of change in ignition time

2.2 煙密度及煙氣成分

煙密度是表征燃燒后一定空間內懸浮顆粒物的產量,用來顯示燃燒產物對艙內人體傷害程度的參數。從圖7可見,隨著燃燒時間增加,煙密度先緩慢增加,再快速升高,最后趨于水平,96 kPa下電纜護套和絕緣層燃燒趨于平衡的煙密度為62.21%和50.25%,61 kPa條件下對應的煙密度分別為43.38%和35.54%。根據曲線,電纜護套層發煙量大于絕緣層,主要是由于材料所含成分不同。在不同壓力下,相同材料的發煙量不同,61 kPa條件護套和絕緣層發煙量小于96 kPa,低壓環境導致電纜不完全燃燒且過程化學反應不充分,所以煙密度小。從圖7中可以看出,電纜材料的發煙量均比較大,因此飛機艙內發生電纜火災需在60 s左右及時撲滅。

圖7 不同壓力下護套層和絕緣層煙密度變化Fig.7 Smoke density changes of sheath and insulation layer under different pressures

在燃燒過程中,化學反應會消耗O2,飛機艙內除了產生懸浮的顆粒物及雜質外,還包括CO、CO2等氣體。從圖8～圖10可知,隨著電纜在丙烷氣體加熱時間變長,在96 kPa和61 kPa條件下,護套和絕緣層O2含量均先下降后上升,且體積分數濃度最小值分別為7.8%、8.2%、7.1%、9.7%,峰谷時間在250 s左右。產生的CO2的體積分數濃度先上升后下降,且最大值分別為8.6%、8.4%、8.9%、7.3%,峰值時間在260 s左右,化學反應延遲。而CO曲線隨燃燒時間增加,曲線先升高后下降,但由于材料和環境壓力差異,趨勢不同。總之,O2參與燃燒反應含量減少,電纜材料中固態含碳物質在反應中變成氣態CO和CO2等氣體,導致含量增加。96 kPa由于燃燒反應充分,煙氣變化和含量大致相同,而61 kPa大氣中,氧氣分子稀薄且燃燒化學反應不活潑,導致煙氣含量及曲線不同,特別的是在61 kPa 下CO曲線會出現雙峰現象,主要原因是護套層和絕緣層在燃燒過程中O2不充足,導致電纜兩層燃燒反應不連續。

圖8 不同壓力下護套層和絕緣層氧氣變化Fig.8 Oxygen changes of jacket layer and insulation layer under different pressures

圖9 不同壓力下護套層和絕緣層CO2變化Fig.9 Carbon dioxide changes of jacket layer and insulation layer under different pressures

圖10 不同壓力下護套層和絕緣層CO變化Fig.10 Carbon monoxide changes of jacket layer and insulation layer under different pressures

2.3 氧指數及質量損失速率

由圖11可見,兩種材料的氧濃度-質量損失速率曲線趨勢各有不同,護套層的變化趨勢明顯大于絕緣層。低壓環境中氧濃度-質量損失速率線性擬合斜率更小,數據表明低壓環境中燃燒的質量損失速率更小,而且受氧濃度的影響力更小。

由圖12可見,燃燒時間隨著氧濃度不斷增大而減少,而且低壓下燃燒時間更短,氧濃度更低。

圖12 不同壓力下電纜燃燒時間-氧濃度關系Fig.12 Cable combustion time-oxygen concentration under different pressures

3 結論

分別在海拔4 290 m的高高原航空安全實驗室機場實驗室與海拔470 m的民機火災科學與安全工程重點實驗室,開展了FXL型航空電纜低壓與常壓條件下的燃燒實驗。分別測量了電纜的燃點、點燃時間、煙密度、CO、CO2、O2和氧指數及質量損失速率的變化規律,分析了低壓環境對FXL電纜護套層和絕緣層燃燒特性的影響試驗得到如下結論。

(1)低壓下的點燃溫度和時間均大于常壓。

(2)低壓環境導致電纜不完全燃燒且化學反應不充分,所以煙密度小。而且航空電纜材料的發煙量比較大,因此飛機艙內發生電纜火災需在60 s左右及時撲滅。

(3)低壓環境中燃燒的質量損失速率更小,而且受氧濃度的影響力更小；此外,低壓下燃燒時間更短,而且氧濃度更低。