火場條件下常用電纜產(chǎn)煙特征及煙氣毒性分析

王之琦,何 豪,朱家哲,黃冬梅

(中國計量大學(xué)質(zhì)量與安全工程學(xué)院,浙江 杭州 310018)

近年來,電纜火災(zāi)多發(fā),并且其熱毒危害較大,引起了國內(nèi)外學(xué)者們的廣泛關(guān)注。目前有學(xué)者針對電纜燃燒及其產(chǎn)物進行了大量的試驗研究,如對電纜熱釋放速率[1-2]、煙氣比光密度[3-4]、多環(huán)芳香烴(PAHs)譜分布[5]以及主要氣體成分及擴散過程[6-12]等進行了分析。這些研究大多是針對常見的電纜用料,如XLPE(交聯(lián)聚乙烯)和PVC(聚氯乙烯)等熱塑性材料,缺乏對實際火場條件下阻燃電纜熱解燃燒過程及煙氣產(chǎn)物的分析。而對于常用的電纜,其在火場條件下燃燒時產(chǎn)生的煙氣產(chǎn)物中的CO、CO2氣體對電纜燃燒煙氣產(chǎn)物毒性起決定作用[13-14]。鑒于此,本文選取國內(nèi)市場占有率較高的兩種電纜——阻燃交聯(lián)聚乙烯絕緣聚氯乙烯護套電纜(ZR-YJV)和阻燃交聯(lián)聚乙烯絕緣聚烯烴護套電纜(ZR-YJY)開展了熱解燃燒試驗研究,通過分析電纜的燃燒性能參數(shù),考察了不同外加熱輻射強度作用下電纜類型和規(guī)格對電纜產(chǎn)煙特征及煙氣毒性的影響,以期為電纜產(chǎn)品合理選擇以及電纜早期火災(zāi)探測提供參考。

1 試驗設(shè)計

1.1 試驗材料

本試驗所用電纜為某電纜企業(yè)生產(chǎn)的規(guī)格分別為1×10 mm2、1×25 mm2、2×10 mm2、3×10 mm2、4×25 mm2的ZR-YJV(阻燃交聯(lián)聚乙烯絕緣聚氯乙烯護套電纜)和1×10 mm2的ZR-YJY(阻燃交聯(lián)聚乙烯絕緣聚烯烴護套電纜),試驗電纜均為B級阻燃,其具體參數(shù)見表1。

表1 試驗電纜具體參數(shù)

試驗中將試驗電纜截成若干75 mm長段狀樣品,樣品盒底部均勻填充數(shù)層用水浸潤過的脫脂棉以實現(xiàn)隔熱保溫,將樣品內(nèi)表面利用錫箔紙包覆形成單面受熱的電纜試樣,并排放置于測試臺上,在不同外加熱輻射強度下對電纜試樣進行熱解燃燒試驗。試驗電纜結(jié)構(gòu)及受熱模式如圖1所示,此時電纜試樣按圖1(b)緊密排列,其受熱表面積S為n根電纜的半個圓柱體表面積之和,其計算公式如下:

圖1 試驗電纜結(jié)構(gòu)及受熱模式Fig.1 Test cable structure and heating mode

(1)

式中:S為電纜受熱表面積(mm2);n為電纜根數(shù)(根);D為電纜的外徑(mm);H為電纜試樣的長度(mm)。

1.2 試驗設(shè)備

本文采用NBS煙密度試驗箱和傅里葉紅外分析儀聯(lián)用裝置,按照ISO5659-2標(biāo)準(zhǔn)對電纜試樣進行熱解燃燒試驗。電纜受熱試驗區(qū)的組成如圖2所示。密閉試驗艙內(nèi)電纜燃燒過程不受外部氣流影響,且電加熱方式可進行外加熱輻射強度的精確控制,試驗誤差較小,可以較為真實地反映材料在火場條件下的燃燒特性[15]。每次試驗前都要對試驗儀器進行清潔、校準(zhǔn)及預(yù)熱等工作,以盡量減少試驗誤差。

圖2 電纜受熱試驗區(qū)組成Fig.2 Composition of cable heating test area

1.3 試驗方法

本試驗選取6種不同規(guī)格的兩類典型電纜,采用3組外加熱輻射強度,從低到高依次為25、37.5和50 kW/m2,代表實際火場中不同強度的熱環(huán)境,開展了模擬火場條件下電纜的熱解燃燒試驗,為保證試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,重復(fù)進行多次試驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 電纜的質(zhì)量損失速率分析

圖3為不同外加熱輻射強度下不同規(guī)格ZR-YJV電纜熱解與燃燒時的質(zhì)量損失隨時間的變化曲線。

圖3 不同規(guī)格電纜質(zhì)量損失隨時間的變化曲線Fig.3 Curves of quality loss of cables with different specifications over time

由圖3可以看出:隨著外加熱輻射強度的增大,電纜的質(zhì)量損失更快,產(chǎn)煙量更大;同一外加熱輻射強度下不同規(guī)格電纜的質(zhì)量損失隨時間的變化趨勢相近;對于同種規(guī)格電纜,其最終的質(zhì)量損失差約為0.5 g。

將圖3中電纜質(zhì)量損失對時間項求導(dǎo),可以得到電纜的質(zhì)量損失速率[16]。圖4為不同規(guī)格電纜最大質(zhì)量損失速率隨外加熱輻射強度的變化曲線。

圖4 不同規(guī)格電纜最大質(zhì)量損失速率隨外加熱輻射 強度的變化曲線Fig.4 Curves of maximum mass loss rate of cables with different specifications as a function of external heating radiation intensity

由圖4可見,電纜的最大質(zhì)量損失速率與外加熱輻射強度之間呈良好的正線性關(guān)系。因此,可以得到一個經(jīng)驗公式:

(2)

由公式(2)可求得1、3、4號電纜的k值分別為0.007 99、0.008 44、0.006 26 g/(kW·s),這種線性關(guān)系與Li等[17]的研究結(jié)果基本一致。

2.2 電纜的煙氣比光密度分析

煙密度是表征電纜燃燒后一定空間內(nèi)懸浮顆粒物的產(chǎn)量,用來反映電纜燃燒產(chǎn)物特性的參數(shù)[18]。本試驗中NBS煙密度箱以煙氣比光密度作為衡量電纜煙密度的指標(biāo),記作Ds,單位為%。試驗中在不同外加熱輻射強度下規(guī)格為1×10 mm2的ZR-YJV電纜和ZR-YJY電纜的煙氣比光密度隨時間的變化曲線如圖5所示,擬合曲線斜率的絕對值為電纜煙氣比光密度增長速率。

圖5 不同外加熱輻射強度下不同類型電纜煙氣比光 密度隨時間的變化曲線Fig.5 Variation curves of smoke specific optical density with time for different types of cables under different external heating radiation intensities

由圖5可知:在25、37.5、50 kW/m2外加熱輻射強度下ZR-YJV電纜趨于平衡的煙氣比光密度值分別為689.55%、775.61%和914.88%;在3種外加熱輻射強度下ZR-YJY電纜趨于平衡的煙氣比光密度值分別為63.97%、207.05%和361.81%;ZR-YJV電纜的產(chǎn)煙量遠遠大于ZR-YJY電纜;在穩(wěn)定上升階段,不同外加熱輻射強度下不同類型電纜煙氣比光密度與時間之間具有良好的線性關(guān)系,可以進行線性擬合,該擬合曲線的擬合方程如表2所示。

表2 不同類型電纜煙氣比光密度(DS)隨時間(t)變化的線性擬合方程

通過對比圖5中①、②、③及④、⑤、⑥曲線可以看出,無論是ZR-YJV電纜還是ZR-YJY電纜,隨著外加熱輻射強度的增大,電纜的煙氣比光密度上升趨勢加快,峰值更大,50 kW/m2與37.5 kW/m2之間、37.5 kW/m2與25 kW/m2之間相比均增加了150%左右,且電纜在相同時間內(nèi)的產(chǎn)煙量明顯增大[19]。

線芯直徑對應(yīng)額定載流量,通過搭配不同電纜根數(shù),使試驗達到相同額定載流量的前提條件,研究不同規(guī)格的ZR-YJV電纜煙氣比光密度隨時間的變化情況,其試驗結(jié)果見圖6。

圖6 不同規(guī)格電纜煙氣比光密度隨時間的變化曲線Fig.6 Variation curves of smoke specific optical density of different specifications of cables over time

由圖6可以看出:受熱條件下電纜的煙氣比光密度呈現(xiàn)先快速增長,達到峰值后保持平穩(wěn)波動的趨勢;電纜的最大煙氣比光密度隨外加熱輻射強度的增加而增大,如1號電纜從25 kW/m2的715%到50 kW/m2的1 000%;對比相同額定載流量的3種不同規(guī)格電纜(1號、3號和4號電纜)可以發(fā)現(xiàn)電纜受熱時產(chǎn)生的煙氣比光密度總體的大小排序為1號>3號>4號,表明規(guī)格較小的電纜產(chǎn)煙速率更快,但這種差異性并不特別顯著,甚至在出現(xiàn)點燃的情況下,最大煙氣比光密度接近。

通過公式(1)可計算得到不同外徑下電纜的受熱面積,并得出電纜受熱時產(chǎn)生的最大煙氣比光密度與受熱面積之間的關(guān)系曲線,如圖7所示。

圖7 不同外加熱輻射強度下電纜最大煙氣比光密度 與受熱面積的關(guān)系曲線Fig.7 Relationship curves between the maximum smoke specific optical density and the heating area of the cable under different external heating radiation intensities

由圖7可以看出:在3種外加熱輻射強度下,隨著受熱面積的增大,電纜的最大煙氣比光密度均呈現(xiàn)先增加后平穩(wěn)隨后繼續(xù)增長的態(tài)勢,電纜的中間區(qū)域最大煙氣比光密度基本保持一致,表明電纜的產(chǎn)煙量與其受熱面積呈階梯增長;對比不同外加熱輻射強度下電纜的最大煙氣比光密度,其數(shù)值相差不大。

2.3 電纜的煙氣毒性分析

電纜燃燒產(chǎn)生的煙氣產(chǎn)物除了有煙顆粒、水蒸氣之外,還包括CO、CO2、SO2、NO2等毒性氣體,這些毒性氣體對人體有刺激性和麻醉作用,容易造成呼吸道損傷甚至產(chǎn)生窒息的危害[20]。圖8為25和50 kW/m2外加熱輻射強度下不同類型電纜燃燒產(chǎn)生的CO、CO2氣體質(zhì)量濃度隨時間的變化曲線。

圖8 25和50 kW/m2外加熱輻射強度下不同類型電纜燃燒產(chǎn)生的CO和CO2氣體質(zhì)量濃度變化曲線Fig.8 Mass concentration variation curves of CO and CO2 gas mass concentration generated by combustion of different types of cables under 25 and 50 kW/m2 external heating radiation intensities

由圖8可以看出:在相同外加熱輻射強度下,ZR-YJV電纜燃燒產(chǎn)生的CO氣體質(zhì)量濃度是ZR-YJY電纜的近3倍[圖8(a)];而ZR-YJV電纜燃燒產(chǎn)生的CO2氣體質(zhì)量濃度是ZR-YJY電纜的近2倍[圖8(b)]。

將不同規(guī)格的電纜燃燒產(chǎn)生的CO與CO2氣體質(zhì)量濃度峰值進行了比較,其結(jié)果見圖9。

圖9 不同外加熱輻射強度下不同規(guī)格電纜燃燒產(chǎn)生的CO和CO2氣體質(zhì)量濃度峰值的比較Fig.9 Comparison of CO and CO2 gas mass concentration peaks generated by combustion of cables with different specifications under different external heating radiation intensities

由圖9可以看出:對于ZR-YJV電纜,電纜燃燒產(chǎn)生的CO氣體質(zhì)量濃度峰值最大超過650 mg/m3,而CO2氣體質(zhì)量濃度峰值最大可以達到2 800 mg/m3,其濃度變化明顯[21];對比圖9(a)中6種電纜燃燒產(chǎn)生的CO氣體質(zhì)量濃度峰值,發(fā)現(xiàn)其均隨外加熱輻射強度的增加呈線性增長,且1～5號電纜燃燒產(chǎn)生的CO氣體質(zhì)量濃度較為接近,均明顯高于6號電纜,說明在相同火場條件下,ZR-YJV電纜受熱產(chǎn)生CO氣體的速率要高于ZR-YJY電纜;對比圖9(b)中6種電纜,電纜燃燒產(chǎn)生的CO2氣體質(zhì)量濃度峰值也隨外加熱輻射強度增加呈線性增長,但6號電纜與其他電纜的差異性不顯著,說明在相同火場條件下,常見ZR-YJV電纜受熱產(chǎn)生CO2氣體的速率與ZR-YJY電纜無明顯差異。

試驗中同時測出5號電纜燃燒產(chǎn)生了部分其他毒性氣體包括SO2、NO2等,其氣體質(zhì)量濃度的變化曲線,如圖10所示。

圖10 25和50 kW/m2外加熱輻射強度下5號電纜燃燒 生成的其他典型毒性氣體質(zhì)量濃度的變化曲線Fig.10 Change curves of mass concentration of other typical toxic gases generated by the combustion of cable 5 under 25 and 50 kW/m2 external heating radiation intensities

由圖10可知:在25 kW/m2外加熱輻射強度下,與CO、CO2氣體相比,SO2、NO2等氣體的質(zhì)量濃度較低,均在20 mg/m3以內(nèi),且隨電纜燃燒時間的增加無明顯變化,其中NO2氣體的質(zhì)量濃度達到4 mg/m3;在50 kW/m2外加熱輻射強度下NO2氣體的質(zhì)量濃度達到6 mg/m3,超過其職業(yè)接觸限值的時間加權(quán)平均允許濃度5 mg/m3[22],在50 kW/m2外加熱輻射強度作用下,SO2氣體的質(zhì)量濃度達到20 mg/m3,是其職業(yè)接觸限值的短時間接觸允許濃度10 mg/m3[22]的2倍,會對人體呼吸道產(chǎn)生嚴重刺激作用,即電纜燃燒的煙毒性會對人體造成傷害[23]。

3 結(jié) 論

本文采用NBS煙密度試驗箱和傅里葉紅外分析儀聯(lián)用裝置,對常用阻燃電纜的產(chǎn)煙特性及煙氣毒性進行了熱解燃燒試驗研究,得到的主要結(jié)論如下:

1) 電纜燃燒產(chǎn)生的質(zhì)量損失速率隨時間變化呈現(xiàn)先快后慢的趨勢,其最大質(zhì)量損失速率與外加熱輻射強度之間呈良好的線性正相關(guān)關(guān)系。

2) 通過比較不同外加熱輻射強度作用下趨于平衡的不同類型電纜煙氣比光密度值,發(fā)現(xiàn)ZR-YJV電纜的產(chǎn)煙量遠遠大于ZR-YJY電纜;且隨著外加熱輻射強度的增大,電纜燃燒產(chǎn)生的煙氣比光密度上升趨勢加快,峰值增大;在相同額定載流量下,規(guī)格較小的電纜產(chǎn)煙速率更快;電纜燃燒的產(chǎn)煙量與其受熱面積呈階梯式增長。

3) 6種電纜燃燒產(chǎn)生的CO、CO2氣體質(zhì)量濃度峰值均隨外加熱輻射強度增加呈線性增長;在常用電纜火災(zāi)初期電纜燃燒生成的CO、CO2氣體質(zhì)量濃度變化明顯,其適合作為常用電纜火災(zāi)早期特征氣體;ZR-YJV電纜受熱產(chǎn)生CO氣體的速率要高于ZR-YJY電纜;與CO、CO2氣體相比,電纜燃燒生成的SO2、NO2等毒性氣體濃度較低,且隨著燃燒時間的增加無明顯變化,但其濃度均超過其職業(yè)接觸限值,這些毒性氣體產(chǎn)物的持續(xù)增加以及較高的濃度會對人體造成傷害。