鋁纜線燃燒痕跡宏細觀特征

周楠， 蔣敬， 方雨， 陶秋辰， 唐一菁

(1.南京森林警察學院刑事科學技術學院， 南京 210023； 2.南京理工大學化工學院， 南京 210094； 3.安徽弘雷金屬復合材料科技有限公司， 宣城 242000)

隨著生活和工業用電負荷的不斷增大，由生產、生活用電而導致的電氣火災呈現出多發趨勢。電氣火災是由電氣設備或電氣線路自身故障、誘發故障或使用不當而引發的火災[1]。電氣火災一旦發生，嚴重威脅人民的生命安全和財產安全，所以對其性質的確定(意外事故或案件)具有重要的意義。在此過程中，火災現場燃燒痕跡的勘驗在對其性質的確定中發揮著重要的作用。在火災現場燃燒痕跡中，除了由電氣原因直接產生的燃燒殘留物外， 由非電氣原因引起的火災在發生和蔓延過程中，電氣設施處于火焰高溫作用下，也會留下相應的燃燒殘留物痕跡。火災現場痕跡的形成是物質相互作用的客觀反映，其形成與火災的發生和發展之間存在著客觀的因果關系，所以，在火災調查中，可以通過對火災現場痕跡的研判，分析火災發生和發展的過程，進而為分析和認定起火點和起火原因提供重要依據[2-3]。因此，在火災現場勘驗過程中，準確地發現、提取、分析和鑒定此類痕跡物證，對于案件的快速偵破具有重要的實戰意義。

早在20世紀80年代，Ettlinng[4]研究了電氣火災中銅、鋁導線的燃燒過程及其特征，并比較了二者的差異。目前，關于電氣火災的研究主要針對城市電氣火災現場痕跡物證技術及其鑒定方法而開展。武魏等[5]采用掃描電鏡研究了銅、鋁導線的一次、二次短路熔痕和火燒熔痕的微觀形貌特征，初步建立了此類電氣火災原因的判別方法；劉澤平[6]研究了火場中鋁合金材料的痕跡特征，重點分析了鋁合金火災痕跡的基本特征、形成機理和現場證明作用，為此類火災事故調查提供依據；邸曼等[7]對火場提取的鋁導線金屬熔融痕進行了金相組織結構研究，并結合火災案例，對高壓鋁導線由于電熱作用形成的熔融噴濺而引起火災的可能性進行了分析；姜文宇等[8]通過設計試驗研究了過電流故障鋁導線熔痕部位與組織特征之間的關聯，為準確識別鋁導線發生過電流故障及溯源起火過程提供數據支持。而對于森林火災中常見的涉架空電纜火災而言，由于此類輸電線纜電壓高、通過的單位電流較低，發生火災的幾率不及城市電氣火災，但近年也呈現多發趨勢，如四川涼山森林大火。此類森林火災一旦發生，造成的自然資源損失、經濟損失和生態環境破壞較城市電氣火災更為嚴重；同時，由于此類火災現場物證種類較為有限，所以起火原因的判定需更為慎重。因此，對于電纜線所致森林火災，能否正確判定起火原因、定性則尤為重要。通過文獻調研不難發現，到目前為止，關于電氣火災的研究主要集中于城市電氣火災的起火原因分析、痕跡物證技術及其鑒定方法研究等方面[9-11]，王華山等[12]和劉全義等[13]還分別對生物質燃燒特性以及環境壓力對飛機艙內典型乘客衣物燃燒特性的影響開展了研究，而對于本文關于涉架空電纜森林火災痕跡的研究則鮮有報道。

因此，現以鋁纜線為研究對象，分為裸線和包覆聚氯乙烯絕緣層兩類，通過設計并開展燃燒實驗制備鋁纜線燃燒樣品，綜合采用體視顯微鏡、掃描電鏡對燃燒痕跡的宏觀形態和微觀形貌特征進行觀察分析，討論線纜規格尺寸、有無絕緣層、不同燃燒溫度以及不同燃燒持續時間對燃燒痕跡宏/微觀形貌的影響，為此類森林火災的起火原因分析提供判斷依據。

1 燃燒實驗

為系統研究鋁纜線在燃燒環境中的宏/微觀痕跡特征，分析線纜規格尺寸、有無絕緣層、不同燃燒溫度以及不同燃燒持續時間對燃燒痕跡形貌特征的影響，設計并開展了鋁纜線燃燒實驗研究。

1.1 實驗材料

選用適用于高低壓環境的不同規格的鋁纜線，分別為裸纜線和包覆聚氯乙烯絕緣層纜線，二者具有相同的規格尺寸，其截面積分別為25 mm2和50 mm2，具體規格尺寸如表1所示。

表1 實驗用不同規格的鋁纜線Table 1 Aluminum cables with different specifications

1.2 實驗設計與開展

考慮到鋁的熔點(約660 ℃)，在前期預實驗的基礎上，針對不同規格的鋁纜線，利用高溫氧氣焊槍作為燃燒源，模擬火場環境；線纜截取適當長度(約40 cm)置于槽型支架上。通過改變氣體組分比例以及與纜線間的距離來控制作用區域溫度的變化，進而制備不同燃燒溫度下的鋁纜線燃燒殘留物，同時采用接觸式熱電偶和手持式紅外測溫儀對中心作用區域的溫度值進行測量，獲得溫度隨時間變化曲線。實驗現場設置示意圖如圖1所示，燃燒實驗典型工況如圖2所示。

圖1 實驗設置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental setup

2 結果與分析

2.1 熔斷溫度研究

為獲得不同溫度火焰持續作用下鋁纜線的熔斷溫度，并研究不同燃燒溫度及其持續時間對燃燒痕跡的影響，分別采用熱電偶和紅外測溫儀對燃燒中心溫度進行連續測試，每隔10 s記錄溫度值，直至線纜被完全燃燒斷裂。針對每種規格的鋁線纜分別進行4～6組平行實驗，通過對數據進行均值化處理，進而獲得不同工況下平均溫度隨時間變化曲線，如圖3所示。

從圖3中可以看出，對于不同規格的鋁纜線，在燃燒初期階段(0～40 s)，溫度升高明顯，平均提高了131.8%，此階段主要處在溫度累積階段，溫升曲線呈現出較好的線性增長趨勢。當溫度達到一定峰值后(700～960 ℃)，鋁線纜燃燒斷裂，同時受到開放環境的影響，溫度曲線呈現出波動變化的趨勢，但隨著燃燒的持續，曲線最終趨于穩定。需要指出的是，本文中對于燃燒持續時間的界定，是在實驗中鋁纜線燃燒斷裂后繼續燃燒適當時長，并進行記錄，基于此討論燃燒持續時間對鋁纜線燃燒形貌特征的影響。

圖2 典型實驗過程Fig.2 Typical experimental process

圖3 平均燃燒溫度隨時間變化曲線Fig.3 Curves of average burning temperature and time of aluminum cables

為進一步研究不同鋁纜線在燃燒環境中的耐高溫極限，在燃燒實驗中，對鋁纜線的燃燒熔斷溫度和時間進行了記錄，實驗數據如圖4所示，不同規格鋁纜線的平均熔斷溫度也如圖4所示。通過對圖4中實驗數據的綜合分析可以看出，幾組不同規格鋁纜線的熔斷溫度平均值均高于鋁的熔點660 ℃。這主要是在鋁纜線的燃燒過程中，鋁線表面易生成致密的氧化鋁薄膜，而氧化鋁的熔點高于鋁的熔點，當燃燒溫度達到鋁的熔點時，其外層的氧化膜還沒有熔解，使鋁纜線仍然處在被包覆狀態，進而阻礙了鋁纜線與氧氣的反應，所以鋁纜線的最終熔斷溫度高于鋁的熔點[3]。

圖4 不同規格鋁纜線熔斷溫度Fig.4 Melting temperatures of aluminum cables with different sizes

綜合比較圖3和圖4中的實驗數據可以得知，對于不同類型的鋁纜線(含絕緣層/裸線)，不同規格裸鋁纜線的平均熔斷溫度均略高于相應規格的含絕緣層鋁纜線的平均熔斷溫度，平均提高了2.9%。這主要是因為絕緣層材料(聚氯乙烯)的燃點低于鋁，在燃燒的過程中，火焰溫度首先達到絕緣層材料的燃點并使其開始燃燒，隨著燃燒的持續，絕緣層材料的燃燒為鋁纜線的熔斷提供了熱量，并不斷積蓄，此部分熱量的存在加速了鋁纜線的熔斷，致使含絕緣層鋁纜線的平均熔斷溫度低于裸鋁纜線。

對于不同規格的鋁纜線，無論是含絕緣層鋁纜線還是裸鋁纜線，在本文研究的4種規格纜線中，截面積為25 mm2高壓鋁纜線(JY/L-H10-25)的平均熔斷溫度最高，截面積為25 mm2的低壓鋁纜線(JY/L-L1-25)的平均熔斷溫度最低，截面積為50 mm2的低/高壓鋁纜線的平均熔斷溫度介于兩者之間?？傮w而言，截面積為25 mm2的鋁線的平均熔斷溫度高于截面積為50 mm2的鋁線的平均熔斷溫度，同時，由于50 mm2的含絕緣層鋁線的絕緣層厚度大于25 mm2的含絕緣層鋁線，所以燃燒時間更久，也就是說線徑越粗的含絕緣層鋁線，達到熔點的燃燒時間就越長。

2.2 燃燒痕跡宏觀特征

鋁線在火場燃燒中形成的痕跡主要有熔化痕跡(火災熱作用下纜線、絕緣層熔化形成的痕跡)、熔融痕跡(火災熱作用下鋁導線熔化形成的金屬熔珠)和機械痕跡(外力作用下鋁導線形成的拉斷或折斷痕跡)[14]。通過對實驗過程觀察可得，鋁纜線在燃燒過程中發出耀眼白光，其在空氣中燃燒生成氧化鋁，附著在鋁線表面，隨著持續加熱，最終熔斷。在電氣火災中，鋁纜線在高溫作用下易形成熔珠，如圖5(a)所示。燃燒形成熔珠體積一般較大，其直徑通常為鋁線線徑的1～3倍[14-15]，其表面較光滑，具有金屬光澤?；馃壑槭卿X線在火焰燃燒作用下，在其即將熔斷時，鋁纜線由固態轉變為液態，在高溫燃燒和自身重力作用下滴落，自然冷卻后形成的熔珠。有的熔珠凝結在鋁線端部，有的在燃燒過程中脫落。

圖5 含絕緣層鋁線熔斷形貌Fig.5 Melting morphology of aluminum cables with insulation layer

對于處在燃燒中心的鋁纜線，在高溫火焰的集中作用下，鋁表層逐漸發生熔化，致使鋁線的力學性能顯著降低，并在自身重力的作用下在薄弱處發生熔斷，斷裂處主要形成尖狀熔痕。對于鋁線，熔化范圍一般較大，熔化區和非熔化區無明顯界限，鋁線和熔珠之間存在變細過渡區；在整根纜線上有若干部位因熔化而變細，亦有若干部位因熔化積聚而變粗，無固定形狀的熔化痕跡。

對于含絕緣層鋁纜線，絕緣層在高溫作用下發生熔化脫落，致使多股鋁線粘連在一起，并在熔斷面形成塊狀熔珠或形成尖狀熔痕。因絕緣層的存在，未燃燒部分纜線整體性保持較好，僅處在燃燒中心的纜線出現單絲分離，如圖5(b)所示。

與含絕緣層鋁纜線不同的是，燃燒斷裂的裸鋁纜線整體上呈束狀，但臨近熔痕端處出現明顯的分離。熔痕端多呈倒鉤狀和熔化增粗，倒鉤處表面更加光滑，與其他融痕形成鮮明對比。鋁線斷口處有金屬光澤，成晶狀或瓷狀不等，轉動斷口，可見明顯反光，斷口表面有人字紋，指向尖端。之于熔珠形貌，在燃燒中心處，裸鋁纜線因為沒有絕緣層的約束與熔化粘連，在高溫和自身重力作用下熔化滴落，形成塊狀扁平熔痕，其形貌顯著區別于含絕緣層鋁纜線所形成球形熔珠，既有單個獨立熔片形成，也有熔片粘連在鋁線端部，線端熔片表面較粗糙，存在少許微孔，熔斷區和基體之間分界較明顯，熔化區亦有孔洞存在。典型形貌如圖6和圖7所示。

圖6 1 kV，50 mm2 (L-L1-50)裸鋁線熔斷形貌Fig.6 Melting morphology of bare aluminum cables(L-L1-50)

圖7 不同規格裸鋁線典型熔斷形貌Fig.7 Melting morphology of bare aluminum cables with different sizes

2.3 燃燒痕跡細觀特征

通過上述分析可以看出，鋁纜線燃燒主要形成熔化痕跡和熔融痕跡，其中熔化痕跡以裂紋、孔洞、凹坑狀熔痕為主，熔融痕跡以熔珠、熔片為主。為系統研究上述痕跡的細觀特征，進一步采用掃描電鏡對其顯微結構開展研究。

圖8給出了含絕緣層鋁線典型熔斷形貌的微觀結構。鋁線在高溫作用下受熱膨脹，表面出現裂紋和形狀不規則的凹陷狀熔痕，并伴有隨機出現的孔洞。痕跡的形成與火場環境有著重要的關聯，在本實驗中，由于火焰集中、溫度高，鋁線受熱面積小，鋁線熔化速度快，大量的氣體噴射到燒熔的鋁線中，鋁線的熔融物迅速脫落，脫離高溫而凝固，此時氣體來不及逸出，從而導致大量氣孔存在，形成了孔洞痕跡，孔洞大小不一，形狀各異，密集分布在鋁線表面，其內壁粗糙并有龜紋、條紋等紋跡出現，如圖8(a)所示。鋁線燃燒后形成的熔珠顯微結構形貌如圖8(b)所示。通過體視顯微鏡可觀察到熔珠表面結構致密緊湊，無明顯麻點和小坑，這主要是由于鋁線在高溫作用下熔化后再冷卻凝固所致。進一步采用掃描電鏡進行觀察可以發現，熔化區內存在氣孔、波狀花紋、局部熔化堆積等痕跡特征，對火焰傳播方向具有指向性[16]。

圖9給出了裸鋁線典型熔斷形貌的微觀結構，通過掃描電鏡觀察可以看出，熔痕端表面較為粗糙，存在明顯的狹長溝壑狀痕跡，進一步放大觀察可以看出，溝壑間隙處分布著一定數量的簇狀物，這主要是鋁在高溫作用下和氧氣反應生成的氧化鋁。通過大量觀察發現，熔痕端出現的簇狀物是較為穩定的特征，如圖9(a)所示。此外，通過觀察其他熔痕端還可以看出，在整體結構較完整的熔痕端處尚存在為數不多的微孔洞，多為小氣孔[17]，如圖9(b)所示。

這主要是因為，鋁纜線在火場高溫作用下發生熔化，產生的大部分氣體逸出體外，致使其冷卻速度減慢，凝固時間變長，在此過程中，燃燒所形成熔珠與環境氣體進一步反應，溶解的氣體有較充分的逸出時間，所以總體上火燒熔痕斷面比較光滑平整。而對于氣孔的產生，熔化的鋁線中會溶解大量氣體，氣體在金屬中的溶解是一個可逆過程，當鋁液凝固時，氣體溶解度下降，從鋁液中逸出，其中一部分氣體經擴散逸散到空氣中，另一部分氣體的逸散速度相對較慢，剩余氣體便會在熔痕端形成氣孔[18-19]。

3 結論

在制備不同規格鋁纜線燃燒痕跡試樣的基礎上，綜合采用體視顯微鏡、掃描電鏡對其宏觀形態和微觀形貌特征進行觀察分析，討論了線纜規格尺寸、有無絕緣層、不同燃燒溫度以及不同燃燒持續時間對燃燒痕跡形貌的影響，得出如下結論。

(1)不同規格鋁纜線的熔斷溫度平均值均高于鋁的熔點660 ℃，主要是由生成的氧化鋁所致；聚氯乙烯絕緣層的存在一定程度上降低了鋁纜線的平均熔斷溫度。

(2)在本文研究的4種規格纜線中，截面積為25 mm2的高壓鋁纜線的平均熔斷溫度最高，截面積為25 mm2的低壓鋁纜線的平均熔斷溫度最低，截面積為50 mm2的低/高壓鋁纜線的平均熔斷溫度介于兩者之間；此外，線徑越粗的含絕緣層鋁線，達到熔點的燃燒時間就越長。

(3)鋁纜線在高溫作用下易形成熔珠，其體積較大(直徑通常為鋁線線徑的1～3倍)，表面較光滑，具有金屬光澤，有的凝結在鋁線端部，有的在燃燒過程中脫落；鋁線斷裂處則以尖狀熔痕和熔化增粗為主。

圖8 含絕緣層鋁線典型熔斷微觀形貌Fig.8 Typical micro melting morphology of aluminum cables with insulation layer

圖9 裸鋁線典型熔斷微觀形貌Fig.9 Typical micro melting morphology of bare aluminum cables

(4)對于含絕緣層鋁纜線，其表面分布著大小不一、形狀各異的孔洞痕跡；熔珠表面結構致密緊湊，無明顯麻點和小坑。對于裸鋁纜線，熔化后其整體結構仍較完整，熔痕端表面較粗糙，在狹長溝壑狀痕跡內較穩定分布著一定數量的氧化鋁簇狀物，偶有小氣孔出現。

在本文研究范圍之內，4種不同規格的鋁纜線在火燒作用下產生的熔化痕跡和熔融痕跡對此類火災現場中起火點和起火原因的判別具有重要參考價值。所以，準確地發現、提取、分析此類痕跡，可為鋁纜線在火場環境中起火原因的判別提供參考依據。