●尚琪霞
(晉城市消防支隊(duì),山西 晉城 048026)
(本欄責(zé)任編輯、校對(duì) 馬 龍)
火蔓延速率是指在水平面內(nèi)向外延伸的火的相對(duì)運(yùn)動(dòng),表示為火焰總周長(zhǎng)的增長(zhǎng)速率,也表示為火焰前鋒向前蔓延的速率,或者表示為火焰面積的增長(zhǎng)速率?;鹇犹匦允懿牧戏N類、含水率、幾何尺寸、空間方位以及環(huán)境因素的影響,特別是來(lái)流特性對(duì)火蔓延狀況的影響尤為顯著?;鹇铀俾适怯绊懟馂?zāi)發(fā)展過(guò)程的一個(gè)重要參數(shù)。因此,測(cè)量與計(jì)算固體可燃物火蔓延的機(jī)理和規(guī)律十分必要。筆者通過(guò)對(duì)某化工廠高壓電纜起火原因的調(diào)查,對(duì)高壓電纜火災(zāi)的蔓延時(shí)間進(jìn)行理論計(jì)算,與火災(zāi)實(shí)際發(fā)生時(shí)間進(jìn)行對(duì)比,以佐證火災(zāi)原因調(diào)查的正確性。
2008年7月11日21時(shí)30分許,某化工廠發(fā)生火災(zāi)?;馂?zāi)燒毀動(dòng)力電纜、控制電纜、梯形玻璃鋼電纜橋架和變換區(qū)工藝流程管道等,過(guò)火面積達(dá)400余平方米,未造成人員傷亡。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘驗(yàn)與調(diào)查訪問得知:(1)最早發(fā)現(xiàn)起火的孫某突然聽到一聲悶響,然后看到變換界區(qū)管道上有30cm左右高的藍(lán)色火焰冒出。(2)從總調(diào)度室調(diào)取的錄音記錄可以確定,孫某在火災(zāi)當(dāng)日21時(shí)28分給總調(diào)度室值班人員李某打電話,告知其變換區(qū)著火。21時(shí)35分左右,孫某聽到室外有較大的爆炸聲。(3)據(jù)第一到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)滅火的消防隊(duì)反映,當(dāng)日21時(shí)59分到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)時(shí),聽到煤氣泄漏燃燒發(fā)出刺耳的嘶鳴聲,電纜橋架著火約有50~60m,火焰高達(dá)2m,并向南北兩側(cè)不斷蔓延。(4)經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘驗(yàn)得知,位于變換區(qū)和氨合成區(qū)中間距離地面11.93m處,設(shè)置有兩排南北向的梯型玻璃鋼電纜橋架,橋架中由西向東分別鋪設(shè)有動(dòng)力電纜和控制電纜。從燃燒蔓延的痕跡來(lái)看,南北兩側(cè)電纜橋架的梯型玻璃鋼還有部分殘存,中間部位的玻璃鋼橋架已經(jīng)全部燒毀;南北兩側(cè)的電纜外表絕緣全部燒毀,內(nèi)芯完好,中間部分的電纜外表絕緣完全燒毀,距離北側(cè)電纜頂端11.6m處內(nèi)芯部分呈熔融結(jié)塊狀。在玻璃鋼電纜橋架的東側(cè)有一南北向的鋼結(jié)構(gòu)人行棧道,棧道西側(cè)欄桿在距離北側(cè)頂端11.6m處有明顯的彎曲變形,相應(yīng)棧道的人行道鋼架表面顏色有明顯的泛白現(xiàn)象。緊靠電纜橋架的西側(cè)由南向北有三根豎向的管道,中間的管道有明顯的火烤痕跡,其他兩邊的管道完好。根據(jù)以上痕跡可以判定,起火高架電纜處的火勢(shì)蔓延方向是由距離北側(cè)電纜頂端11.6m處向南北兩側(cè)蔓延。這與消防隊(duì)到場(chǎng)后采取南北堵截、夾攻的滅火戰(zhàn)術(shù)相吻合。(5)電纜橋架西側(cè)是該公司的氣變換區(qū),變換裝置的法蘭口鏈接處南側(cè)有一不規(guī)則泄漏口,口徑約200mm。泄漏口左右兩側(cè)和上方的其他管道保溫層已經(jīng)被燒毀,泄漏口下方的管道保溫層完好。在緊靠泄漏口的斜下方有一鐵平臺(tái),平臺(tái)上有明顯的燒熔滴落殘留物。由此可以判定,火災(zāi)蔓延的方向是由泄漏口處向四周蔓延。泄漏口與電纜橋架的直線距離為 11.66m,水平距離為 8.6m,高差為 7.87m。(6)提取該公司的儀表監(jiān)測(cè)資料,可以發(fā)現(xiàn)在火災(zāi)發(fā)生當(dāng)日21時(shí)25分48秒,變換區(qū)氣體濃度有高警報(bào)顯示;21時(shí)31分37秒脫碳區(qū)氣體濃度有高警報(bào)顯示;21時(shí)32分49秒至51秒變換區(qū)3次報(bào)警;21時(shí)35分44秒,變換氣脫硫區(qū)間的富液泵停止運(yùn)行。(7)提取該公司火災(zāi)當(dāng)日的電氣保護(hù)裝置動(dòng)作報(bào)告,可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)日21時(shí)35分58秒,脫硫貧液泵低電壓保護(hù)動(dòng)作,壓縮機(jī)低電壓保護(hù)動(dòng)作;21時(shí)37分07秒變換氣脫硫區(qū)間的富液泵低壓保護(hù)動(dòng)作;21時(shí)37分47秒1#主變保護(hù)的三相均跳閘。(8)經(jīng)詢問負(fù)責(zé)安全的技術(shù)人員和查閱該公司的消防審核、驗(yàn)收?qǐng)D紙,發(fā)現(xiàn)發(fā)生泄漏事故的管線是該公司在施工中臨時(shí)增加的管線,泄漏口處長(zhǎng)期未做保溫處理,由于管道氣體的腐蝕和長(zhǎng)期暴露在空氣中的原因,加之火災(zāi)當(dāng)晚下雨溫度降低,可能引發(fā)管道的低溫脆裂。管道內(nèi)的高流量、高壓力氣體在泄漏中引燃。綜上所述,認(rèn)定起火部位位于該公司變換區(qū)變換裝置至電纜橋架區(qū)間內(nèi),起火點(diǎn)位于變換裝置泄漏口處。
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘驗(yàn)和調(diào)查訪問,利用排除法對(duì)電纜線著火原因的可能性分析如下:(1)排除電纜線絕緣層損壞導(dǎo)致?lián)舸┗蛘呦嚅g短路而產(chǎn)生電弧,使絕緣層燃燒起火。經(jīng)調(diào)查,火災(zāi)當(dāng)天沒有人對(duì)電纜線進(jìn)行施工,也沒有人到電纜線東側(cè)的人行棧道上進(jìn)行施工;電纜線日常的維護(hù)電工沒有發(fā)現(xiàn)電纜線有被破壞的情況;在對(duì)電纜線進(jìn)行勘驗(yàn)時(shí),未發(fā)現(xiàn)電纜線擊穿痕跡。再者,著火的電纜線是該廠區(qū)動(dòng)力電纜的主線路,若是該段電纜線先發(fā)生故障,則應(yīng)該是主控制電纜線斷電反饋后支線路才有反饋,支線路控制的設(shè)備才會(huì)停止運(yùn)行,而該廠區(qū)電力儀表監(jiān)控資料與假設(shè)相反。因此,排除電纜線絕緣層損壞導(dǎo)致?lián)舸┗蛘呦嚅g短路而產(chǎn)生電弧,使絕緣層燃燒起火。(2)排除遺留火種因素。經(jīng)調(diào)查,火災(zāi)發(fā)生當(dāng)天下午16時(shí)至21時(shí)30分進(jìn)入生產(chǎn)區(qū)間的朱某某等3人證實(shí),未發(fā)現(xiàn)有人在生產(chǎn)廠區(qū)和電纜線東側(cè)的人行棧道上吸煙;且起火部位地面為碎石和水泥地面,未堆放有木屑、鋸末等疏松可燃雜物;現(xiàn)場(chǎng)勘驗(yàn)未發(fā)現(xiàn)陰燃燃燒痕跡。因此,排除遺留火種起火因素。(3)排除現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)引發(fā)火災(zāi)因素。經(jīng)調(diào)查,火災(zāi)當(dāng)日未在廠區(qū)變換區(qū)間進(jìn)行明火或焊接管道等施工作業(yè),現(xiàn)場(chǎng)勘驗(yàn)未發(fā)現(xiàn)施工工具和設(shè)備。因此,排除施工作業(yè)引發(fā)火災(zāi)因素。(4)排除放火因素。經(jīng)調(diào)查,該化工有限公司從成立以來(lái),和外界有關(guān)單位無(wú)矛盾激化現(xiàn)象,工人之間及工人和管理人員之間也無(wú)矛盾激化現(xiàn)象。火災(zāi)發(fā)生的當(dāng)天沒有發(fā)現(xiàn)有閑雜陌生人員進(jìn)入生產(chǎn)區(qū),廠區(qū)的巡檢人員也未聽見異常響動(dòng);現(xiàn)場(chǎng)勘驗(yàn)未發(fā)現(xiàn)有可疑盛裝容器及助燃物。因此,排除放火因素。(5)排除雷擊引起火災(zāi)因素。經(jīng)調(diào)查,2008年5月5日,當(dāng)?shù)貧庀蠓?wù)中心對(duì)該化工公司進(jìn)行了防雷設(shè)施安全檢測(cè),所有檢測(cè)項(xiàng)目均符合要求。在火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)起火點(diǎn)變換裝置泄漏口處進(jìn)行多點(diǎn)剩磁檢測(cè),剩磁數(shù)據(jù)均小于1.0mT。故排除雷擊引起火災(zāi)因素。(6)排除飛火引起電纜線著火的因素。在該廠區(qū)西北角有一煙囪,距離變換區(qū)間435m。按照煙囪火星的飛行距離公式S=1.9h+4V-26來(lái)計(jì)算,取V為火災(zāi)當(dāng)時(shí)最大的瞬時(shí)風(fēng)力8級(jí)20.1m·s-1計(jì)算,則煙囪的高度要達(dá)到 200.3m,顯然與廠區(qū)煙囪的現(xiàn)實(shí)高度120m不符。因此,排除飛火引起電纜線著火的因素。排除以上因素,結(jié)合火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)勘驗(yàn)和調(diào)查訪問,確定發(fā)生泄漏事故的管線未做保溫處理,長(zhǎng)期暴露在空氣中,受周圍環(huán)境的影響和管道氣體的腐蝕,加之火災(zāi)當(dāng)晚下雨,環(huán)境溫度降低,可能引發(fā)管道的低溫脆裂。管道內(nèi)高流量的氣體在高壓力作用下噴射而出,與空氣形成的混合氣體在靜電或摩擦熱的作用下,形成有焰燃燒,引燃電纜橋架上的電纜線,導(dǎo)致火勢(shì)蔓延擴(kuò)大。
通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘驗(yàn)以及火災(zāi)發(fā)生、發(fā)展時(shí)間可以得到以下時(shí)間點(diǎn):水煤氣從泄漏口泄漏到引燃的時(shí)間t1=5min;火焰從泄漏口發(fā)生燃燒到引燃高位電纜橋架電纜的時(shí)間t2=3min;電纜被點(diǎn)燃到消防隊(duì)到來(lái),開始滅火的時(shí)間t3=22min。
3.2.1 簡(jiǎn)化計(jì)算模型
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)火災(zāi)調(diào)查情況,位于電纜橋架中的電纜為單層鋪設(shè),電纜與電纜之間連接緊密,所以電纜的燃燒極似一個(gè)固體可燃物的燃燒過(guò)程,且為在平面上的燃燒,參閱相關(guān)文獻(xiàn),對(duì)于電纜燃燒還沒有具體的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),所以為了計(jì)算簡(jiǎn)便,特將燃燒過(guò)程簡(jiǎn)化為一個(gè)平面的燃燒過(guò)程,并參考薄片可燃物的燃燒火蔓延速率的測(cè)算方法,將實(shí)際工程中的各種物理量帶入公式,對(duì)之前的公式進(jìn)行擬合,得到電纜燃燒的火焰斷面的火蔓延速率的參考值,根據(jù)這個(gè)參考值計(jì)算電纜橋架中電纜燃燒的時(shí)間。
3.2.2 計(jì)算過(guò)程
當(dāng)泄漏口產(chǎn)生的火到達(dá)電纜橋架,火焰產(chǎn)生的熱輻射使電纜橋架的電纜著火燃燒,燃燒的電纜通過(guò)熱傳導(dǎo)以及強(qiáng)烈的熱輻射使周圍的電纜著火燃燒。為簡(jiǎn)化建立數(shù)學(xué)模型,將熱傳導(dǎo)造成的熱交換用對(duì)流換熱集中表示。由固體可燃物火蔓延時(shí)的能量平衡方程:其中,等式左邊是固體可燃物熱解時(shí)所吸收的熱量;φf(shuō)是可燃固體對(duì)外的散熱;φs是火焰反饋至可燃物表面的熱量。根據(jù)假設(shè),(1)式可以變?yōu)?
式中,Ts表示固體燃燒火焰溫度,K;Tm表示固體燃燒表面溫度,K;T∞表示環(huán)境溫度,K。
由(2)式可以得到固體端面火蔓延速率v。根據(jù)燒毀電纜的型號(hào)、燒毀的數(shù)量,以及在燃燒過(guò)程中電纜的燃燒特性,給出以下特性參數(shù):ρs=1380kg·m-3,qs=1760.6kJ· mol-1,Ts=1073K,Tm=793K;并綜合考慮風(fēng)速對(duì)火焰端面蔓延速率的影響,可以得到在電纜橋架中的電纜起火過(guò)程中,火焰端面的蔓延速率約為:v=17.4mm·s-1。那么從中間向兩端蔓延燃燒總長(zhǎng)度為50m的電纜需要的時(shí)間為t=23.9min。
根據(jù)以上計(jì)算的火蔓延速率及時(shí)間,可以看出從電纜開始著火到消防隊(duì)到達(dá)的時(shí)間總共為23.9min,火災(zāi)調(diào)查的實(shí)際時(shí)間為22min,兩個(gè)時(shí)間很接近,由此可以推斷:(1)計(jì)算所得到的時(shí)間與實(shí)際的火災(zāi)調(diào)查時(shí)間很接近,說(shuō)明運(yùn)用理論的推導(dǎo)可以驗(yàn)證火災(zāi)發(fā)生的實(shí)際時(shí)間。(2)實(shí)際的火災(zāi)過(guò)程受多種條件的影響,過(guò)程很難準(zhǔn)確地描述,但是把實(shí)際的火災(zāi)進(jìn)行一些簡(jiǎn)化,可以得到與真實(shí)情況較為接近的結(jié)果。
[1]單延龍,舒立福,王洪偉,王志紅.Rothermel火蔓延模型特征參數(shù)的解析[J].森林防火,2003,(1):22-25.
[2]蔣勇,邱榕,鐘茂華,等.火災(zāi)調(diào)查理論框架建立探討[J].中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù),2005,1(4):8-12.
[3]McGrattan K B;BAUMH R;REHMRG.Large eddy simulationsof smokemovement[J].Fire Safety Journal,1998,30(2):161-178.
[4]SimonWeaver.A Comparison of Data Reduction Techniques for Zone Model Validation[R].Fire Engineering Research Report,2000:12-13.