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        電纜線端面火蔓延速率估算

        2011-07-24 11:06:50尚琪霞
        關(guān)鍵詞:電纜線勘驗橋架

        ●尚琪霞

        (晉城市消防支隊,山西 晉城 048026)

        (本欄責(zé)任編輯、校對 馬 龍)

        火蔓延速率是指在水平面內(nèi)向外延伸的火的相對運動,表示為火焰總周長的增長速率,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,特別是來流特性對火蔓延狀況的影響尤為顯著?;鹇铀俾适怯绊懟馂?zāi)發(fā)展過程的一個重要參數(shù)。因此,測量與計算固體可燃物火蔓延的機(jī)理和規(guī)律十分必要。筆者通過對某化工廠高壓電纜起火原因的調(diào)查,對高壓電纜火災(zāi)的蔓延時間進(jìn)行理論計算,與火災(zāi)實際發(fā)生時間進(jìn)行對比,以佐證火災(zāi)原因調(diào)查的正確性。

        1 火災(zāi)基本情況及起火點的認(rèn)定

        2008年7月11日21時30分許,某化工廠發(fā)生火災(zāi)。火災(zāi)燒毀動力電纜、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,過火面積達(dá)400余平方米,未造成人員傷亡。通過現(xiàn)場勘驗與調(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)場滅火的消防隊反映,當(dāng)日21時59分到達(dá)現(xiàn)場時,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)場勘驗得知,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)有動力電纜和控制電纜。從燃燒蔓延的痕跡來看,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。這與消防隊到場后采取南北堵截、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,平臺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)測資料,可以發(fā)現(xiàn)在火災(zāi)發(fā)生當(dāng)日21時25分48秒,變換區(qū)氣體濃度有高警報顯示;21時31分37秒脫碳區(qū)氣體濃度有高警報顯示;21時32分49秒至51秒變換區(qū)3次報警;21時35分44秒,變換氣脫硫區(qū)間的富液泵停止運行。(7)提取該公司火災(zāi)當(dāng)日的電氣保護(hù)裝置動作報告,可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)日21時35分58秒,脫硫貧液泵低電壓保護(hù)動作,壓縮機(jī)低電壓保護(hù)動作;21時37分07秒變換氣脫硫區(qū)間的富液泵低壓保護(hù)動作;21時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、驗收圖紙,發(fā)現(xiàn)發(fā)生泄漏事故的管線是該公司在施工中臨時增加的管線,泄漏口處長期未做保溫處理,由于管道氣體的腐蝕和長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),起火點位于變換裝置泄漏口處。

        2 火災(zāi)原因分析

        根據(jù)現(xiàn)場勘驗和調(diào)查訪問,利用排除法對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;在對電纜線進(jìn)行勘驗時,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)備才會停止運行,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時至21時30分進(jìn)入生產(chǎn)區(qū)間的朱某某等3人證實,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)場勘驗未發(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)場勘驗未發(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,和外界有關(guān)單位無矛盾激化現(xiàn)象,工人之間及工人和管理人員之間也無矛盾激化現(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;現(xiàn)場勘驗未發(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)中心對該化工公司進(jìn)行了防雷設(shè)施安全檢測,所有檢測項目均符合要求。在火災(zāi)現(xiàn)場起火點變換裝置泄漏口處進(jìn)行多點剩磁檢測,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來計算,取V為火災(zāi)當(dāng)時最大的瞬時風(fēng)力8級20.1m·s-1計算,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)場勘驗和調(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)致火勢蔓延擴(kuò)大。

        3 纜線火蔓延速率估算

        3.1 火災(zāi)發(fā)生過程

        通過現(xiàn)場勘驗以及火災(zāi)發(fā)生、發(fā)展時間可以得到以下時間點:水煤氣從泄漏口泄漏到引燃的時間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間t2=3min;電纜被點燃到消防隊到來,開始滅火的時間t3=22min。

        3.2 估算火蔓延的速率

        3.2.1 簡化計算模型

        根據(jù)現(xiàn)場火災(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固體可燃物的燃燒過程,且為在平面上的燃燒,參閱相關(guān)文獻(xiàn),對于電纜燃燒還沒有具體的實驗數(shù)據(jù),所以為了計算簡便,特將燃燒過程簡化為一個平面的燃燒過程,并參考薄片可燃物的燃燒火蔓延速率的測算方法,將實際工程中的各種物理量帶入公式,對之前的公式進(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)這個參考值計算電纜橋架中電纜燃燒的時間。

        3.2.2 計算過程

        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,燃燒的電纜通過熱傳導(dǎo)以及強烈的熱輻射使周圍的電纜著火燃燒。為簡化建立數(shù)學(xué)模型,將熱傳導(dǎo)造成的熱交換用對流換熱集中表示。由固體可燃物火蔓延時的能量平衡方程:其中,等式左邊是固體可燃物熱解時所吸收的熱量;φf是可燃固體對外的散熱;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、燒毀的數(shù)量,以及在燃燒過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度為50m的電纜需要的時間為t=23.9min。

        4 結(jié)論

        根據(jù)以上計算的火蔓延速率及時間,可以看出從電纜開始著火到消防隊到達(dá)的時間總共為23.9min,火災(zāi)調(diào)查的實際時間為22min,兩個時間很接近,由此可以推斷:(1)計算所得到的時間與實際的火災(zāi)調(diào)查時間很接近,說明運用理論的推導(dǎo)可以驗證火災(zāi)發(fā)生的實際時間。(2)實際的火災(zāi)過程受多種條件的影響,過程很難準(zhǔn)確地描述,但是把實際的火災(zāi)進(jìn)行一些簡化,可以得到與真實情況較為接近的結(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.

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