莫善軍，馬 榮，黃立明，田文龍

(1.中山大學(xué)工學(xué)院廣東省消防科學(xué)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州510006)

電氣火災(zāi)是火災(zāi)案例的重要類別，近年來重特大電氣火災(zāi)頻繁發(fā)生，造成嚴(yán)重不良社會影響。其中電氣一次短路是在火災(zāi)之前發(fā)生，通常是引發(fā)火災(zāi)的直接原因，對一次短路物證的鑒別必須做到科學(xué)、客觀、公正［1－3］。

國外對于一次短路物證鑒定主要采用的方法有:宏觀分析法、熔痕孔洞分析法、炭化物殘留分析法、表面分析法等等［5－9］。這些分析方法都只停留在定性分析，沒有相應(yīng)的量化標(biāo)準(zhǔn)，面對錯(cuò)綜復(fù)雜的火場情況只能依靠鑒定人員的經(jīng)驗(yàn)判斷，難以做到公正客觀。

我國在電氣火災(zāi)痕跡鑒定領(lǐng)域制訂了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，即《電氣火災(zāi)原因技術(shù)鑒定方法》 (GB/T 16840)，該標(biāo)準(zhǔn)包括六部分: 《第1部分:宏觀法》(GB/T 16840.1－2008)、《第2部分:剩磁法》(GB 16840.2－1997)、《第3部分:成分分析法》(GB 16840.3－1997)、《第4部分:金相法》(GB 16840.4－1997)、《第5部分:電氣火災(zāi)物證識別和提取方法》(GB/T 16840.5－2012)和《第6部分:SEM微觀形貌分析法》 (GB/T 16840.6－2012)，其中第1部分宏觀法和第4部分金相法是判定一次短路物證的主要方法，近些年應(yīng)用和實(shí)踐最為廣泛，但是該兩種方法對于一次短路熔痕鑒定判據(jù)只做了定性的描述，比較寬泛，且沒有相關(guān)參考圖譜供，目前鑒定工作主要依據(jù)個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)開展［10－11］。另外，火災(zāi)熔痕技術(shù)鑒定工作屬于交叉小眾學(xué)科，一直由公安消防內(nèi)部機(jī)構(gòu)承擔(dān)，行業(yè)間交流不夠充分，當(dāng)前越來越多社會第三方司法機(jī)構(gòu)參與此項(xiàng)服務(wù)，實(shí)際電氣火災(zāi)案例一次短路熔痕特征急需總結(jié)和分析，并給出相應(yīng)的對照圖譜［12］。一些學(xué)者也嘗試通過模擬火場環(huán)境短路實(shí)驗(yàn)，從而構(gòu)建短路熔痕的金相圖譜庫。但是實(shí)驗(yàn)室的單一條件的模擬實(shí)驗(yàn)未能很好的將火場中的復(fù)雜環(huán)境條件完全模擬，模擬實(shí)驗(yàn)的樣品與火場真實(shí)環(huán)境熔痕仍存在一些差別 (表1)。

彌補(bǔ)國標(biāo)和模擬實(shí)驗(yàn)二者存在一定的缺陷，對電氣火災(zāi)實(shí)際案例的總結(jié)是必要的。本文將從火災(zāi)物證鑒定還原到火災(zāi)現(xiàn)場環(huán)境中進(jìn)行分析，對發(fā)生在民宅、倉庫和車間三類常見代表性場所的典型一次短路火因的熔痕物證外觀和金相特征進(jìn)行研究總結(jié)，并與國家標(biāo)準(zhǔn)以及實(shí)驗(yàn)熔痕進(jìn)行對比分析，總結(jié)出更具實(shí)用意義的一次短路熔痕特征，給出一次短路的判定標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)圖譜。并作為對國標(biāo)進(jìn)行補(bǔ)充和完善，為電氣火災(zāi)一次短路的認(rèn)定提供更精準(zhǔn)的鑒定參考依據(jù)。

1 物證鑒定技術(shù)

電氣火災(zāi)物證技術(shù)鑒定是專業(yè)鑒定機(jī)構(gòu)利用專門的技術(shù)方法和儀器設(shè)備對取自起火點(diǎn)的火災(zāi)物證進(jìn)行檢測，并經(jīng)過綜合判定給出鑒定結(jié)論，找出引發(fā)火災(zāi)的引火源和引火物，從而得出科學(xué)、準(zhǔn)確的火災(zāi)起因認(rèn)定結(jié)論。一次短路熔痕是指電氣線路在著火前發(fā)生短路故障而殘留的熔化痕跡，包含三層含義:一是熔痕產(chǎn)生時(shí)處于非火災(zāi)環(huán)境，即自然環(huán)境;二是該熔痕的產(chǎn)生表示電氣線路發(fā)生火前短路故障，但是并沒有考察短路形成的原因;三是熔痕產(chǎn)生的過程是指導(dǎo)線短路釋放熱能使導(dǎo)線本身從熔化到凝固的過程。在勘查現(xiàn)場過程中，若技術(shù)鑒定做出的一次短路熔痕的結(jié)論，再結(jié)合火場的環(huán)境，熔痕提取的位置來自于火場的著火點(diǎn)，則此火災(zāi)為該線路發(fā)生一次短路后引燃造成的［13］(表1)。

表1 國標(biāo)中一次短路熔痕特征描述Table 1 The description of the primary short circuited melted mark in the national standard

一次短路熔痕是指在正常的情況下，電氣線路因?yàn)楸旧淼墓收隙斐啥探右l(fā)大電流發(fā)熱，在導(dǎo)線上留下的融化痕跡。一次短路發(fā)生之后會留下不規(guī)則的熔痕或者圓潤的熔珠。一次短路發(fā)生在火災(zāi)之前，屬于瞬間電弧高溫熔化，具有融化范圍小，冷卻速度快的特點(diǎn)。不同的環(huán)境條件下短路熔痕形成的全過程，因此他們也就自然的形成了各自的特征［10－11］。

2 電氣火災(zāi)案例分析

2.1 住宅樓電氣火災(zāi)

2010年，XX市某住宅樓—樓發(fā)生火災(zāi)，從火災(zāi)現(xiàn)場地面提取帶有熔痕多股銅導(dǎo)線進(jìn)行物證鑒定，導(dǎo)線屬于住宅內(nèi)用電敷設(shè)線路。從檢材中提取了3個(gè)樣品進(jìn)行分析，外觀和金相圖譜如圖1所示。

圖1 1－3號樣品外觀12.5x和樣品金相組織100xFig.1 The No.1－3 sample appearance 12.5x and shape of melted mark 100x

1號樣品熔珠圓潤，光澤度強(qiáng)，呈金黃色，與熔痕相連的多股銅線完全熔化粘連，熔珠的金相組織為樹枝晶，內(nèi)部沒有孔洞。2號樣品為點(diǎn)狀熔珠，光澤度強(qiáng)，呈金黃色，多股線分散，熔珠顆粒小，熔珠的金相組織為細(xì)條樹枝晶和等軸晶，沒有孔洞。3號樣品熔珠光澤度強(qiáng)，連接的多股銅線熔化粘連，附著有碳跡。熔珠金相組織為樹枝晶和細(xì)條柱狀晶。3個(gè)樣品都為多股銅導(dǎo)線熔痕，導(dǎo)線相互粘連，熔珠有光澤，比較圓潤，金相組織都為樹枝晶，無孔洞。

一般住宅電源都是使用220 V的單相交流電，導(dǎo)線一般為1.5 mm2銅芯線。當(dāng)使用的電器過多或接入的電器額定電壓不符合，都會引起導(dǎo)線過負(fù)荷，使絕緣皮老化、漏電或短路引起火災(zāi)［14］。由于住宅內(nèi)發(fā)生短路時(shí)的電流都比較低，低于電度表容量，所以導(dǎo)線會產(chǎn)生長時(shí)間發(fā)熱，使得導(dǎo)線容易粘連線材周圍的導(dǎo)線，燒毀絕緣皮。導(dǎo)線熔斷后，住宅火場的溫度較低，熔痕受火場加熱影響甚小，保留樹枝晶的狀態(tài)。一次短路熔痕宏觀上出現(xiàn)了導(dǎo)線粘連現(xiàn)象與國標(biāo)所描述的判據(jù)不相一致，而金相組織是樹枝晶，并沒有出現(xiàn)胞狀晶和細(xì)小柱狀晶。

2.2 車間電氣火災(zāi)

2010年，XX市某工廠車間發(fā)生火災(zāi)，從火災(zāi)現(xiàn)場地面提取噴濺熔珠進(jìn)行物證鑒定。從檢材中提取了3個(gè)樣品進(jìn)行分析，外觀和金相圖譜如圖2所示。

1號樣品熔珠呈水滴狀，大小兩顆連在—起，熔珠表面光滑，有金屬光澤，表面分布深棕色的斑紋，熔珠的金相結(jié)構(gòu)是胞狀晶體，熔珠邊緣的晶粒直徑較小。2號熔珠呈珠狀，表面光滑，有光澤。熔珠內(nèi)部金相結(jié)構(gòu)是胞狀晶，有孔洞。3號熔珠直徑最小，表面光滑有光澤。熔珠內(nèi)部金相結(jié)構(gòu)是胞狀晶，邊緣有較多孔洞。樣品都為噴濺熔珠，表面光滑，有金屬光澤，但顏色較灰暗。金相組織都為胞狀晶，有孔洞分布在熔痕邊緣。

圖2 1－3號樣品外觀和1－3樣品金相組織Fig.2 The No.1－3 sample appearance and shape of melted mark

車間廠房電力配電一般采用放射式，絕緣電纜和導(dǎo)線的額定電壓一般不低于500 V，電纜配線一般在2.5 mm2及以上［15］。車間用電狀況較復(fù)雜，為了易于臨時(shí)拉線用電，線路采用明敷設(shè)方式，多為懸掛式。并且車間一般都會有消防滅火系統(tǒng)，多為灑水系統(tǒng)。一旦發(fā)生火災(zāi)，可燃物復(fù)雜，消防灑水系統(tǒng)的噴淋作用，容易使短路熔痕受到環(huán)境的煙氣水滴摻混，使得熔珠表面的顏色灰暗，但仍具有金屬光澤。熔珠也因?yàn)闊煔馑蔚陌?，削弱散熱，晶粒得以生長，形成了柱狀晶。與國標(biāo)相比，金相組織中的孔洞多在熔痕邊緣，中心出現(xiàn)較大的柱狀晶，見圖3。

2.3 倉庫電氣火災(zāi)

2011年，XX市某物流倉庫發(fā)生火災(zāi)，在火災(zāi)現(xiàn)場地面提取熔珠進(jìn)行物證鑒定，熔珠在照明設(shè)施附近發(fā)現(xiàn)，見圖3。

圖3 1－2號樣品外觀和樣品金相組織Fig.3 The No.1－2 sample appearance and shape of melted mark

1號樣品為噴濺熔珠，熔珠顆粒粗大，表層圓潤光滑，光澤度強(qiáng)，熔珠的金相組織為樹枝晶。2號樣品為噴濺熔珠，表層圓潤光滑，光澤度強(qiáng)。金相組織為樹枝晶。樣品都為噴濺熔珠，表面光滑，有金屬光澤，顏色偏紅。金相組織都為樹枝晶，晶粒較大。

廠房倉庫的電氣線路比較簡單，大多數(shù)電力用于照明，但是電氣線路設(shè)備比較隱蔽。倉庫是物資集中儲存的場所，發(fā)生火災(zāi)時(shí)熔痕容易處于引燃聚熱狀態(tài)，一旦空氣流通就會使火勢迅速蔓延，火場溫度較高［16］。當(dāng)導(dǎo)線發(fā)生短路熔化，金屬液滴由于表面張力的緣故形成熔珠，表面較圓潤光滑，光澤度強(qiáng)。當(dāng)熔珠受到火場加熱之后，熔珠表面受熱，形成共晶體，顏色偏紅。熔珠內(nèi)會出現(xiàn)再結(jié)晶的過程，原本形成的樹枝晶會進(jìn)行生長，可以發(fā)現(xiàn)金相組織有點(diǎn)類似樹枝晶，但樹枝部分晶粒較大，是晶粒再結(jié)晶的結(jié)果。與國標(biāo)相比，金相組織是樹枝晶，卻并沒有出現(xiàn)胞狀晶和細(xì)小柱狀晶。

3 模擬實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)條件與過程

本實(shí)驗(yàn)通過控制銅導(dǎo)線的線徑大小以及短路電流這兩個(gè)變量來比較不同實(shí)驗(yàn)條件下所得熔痕的差異。銅導(dǎo)線選取1.5 mm2和2.5 mm2單芯聚氯乙烯絕緣電線，短路電流為200 A以及400 A。模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)截取同一線徑的30 cm長的兩段導(dǎo)線，將兩端同時(shí)去掉5 cm的絕緣皮，連接在直流電源，通過觸碰造成短路，室溫冷卻后，收集短路后產(chǎn)生的熔痕和熔珠。

3.2 熔痕外觀特征

不同實(shí)驗(yàn)條件下得到的熔痕的外觀圖如圖4所示。由外觀圖可知，不同實(shí)驗(yàn)條件下的一次短路熔痕多為導(dǎo)線線端熔痕，包括線端珠狀熔痕以及線端不規(guī)則熔痕，熔痕大小因線徑大小而有差異，1.5 mm2導(dǎo)線產(chǎn)生的熔痕大小為線徑的1－1.5倍，而2.5 mm2導(dǎo)線產(chǎn)生的熔痕多為線徑的0.5倍。短路熔痕與導(dǎo)線基體交界處有明顯的熔化和未熔化的分界線，熔痕表面有金屬光澤，覆蓋物較少。比較同一線徑下短路電流為200 A/400 A的熔痕發(fā)現(xiàn)，200 A短路電流熔痕由于短路電流相對較小而較完整，短路熔珠多分布在導(dǎo)線的端部;而400 A短路電流熔痕由于較高的短路電流，形成熔痕時(shí)噴濺強(qiáng)烈，致使短路熔珠分散且歪在導(dǎo)線一側(cè)。

將模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果與電氣火災(zāi)案例對比分析，發(fā)現(xiàn)模擬實(shí)驗(yàn)所得一次短路熔痕形態(tài)相似，差異性小，熔痕部分具有明亮的金黃色金屬光澤且表面覆蓋物極少;而案例中的熔痕形態(tài)各異，差異性大，熔痕部分金屬光澤較暗且表面有部分覆蓋物。造成模擬實(shí)驗(yàn)以及電氣火災(zāi)案例熔痕外觀差異的主要原因是實(shí)驗(yàn)時(shí)的環(huán)境條件單一，故實(shí)驗(yàn)所得熔痕相似;同時(shí)，由于模擬實(shí)驗(yàn)難以完全重現(xiàn)實(shí)際火場中的煙氣環(huán)境以及溫度變化等復(fù)雜情況，煙氣量較實(shí)際火場少，故熔痕金屬光澤較強(qiáng)。

圖4 不同線徑和電流下的短路熔痕外觀Fig.4 The appearance in different current intensity or diameter of wire

3.3 熔痕金相組織特征

不同實(shí)驗(yàn)條件下得到的熔痕的金相圖如圖5所示。由金相圖可知，不同短路電流下一次短路熔痕的金相組織多為胞狀晶、細(xì)小柱狀晶以及樹枝晶，由于冷卻速度從熔痕表面到熔痕內(nèi)部逐漸變小，故晶體呈現(xiàn)熔痕邊緣晶體較小且密集，熔痕內(nèi)部晶體較大的特點(diǎn)。1.5 mm2線徑的導(dǎo)線內(nèi)部冷卻速度比2.5 mm2線徑的導(dǎo)線快，故在相同短路電流下，1.5 mm2線徑的一次短路熔痕晶體相對較小且分布密集，而2.5 mm2線徑的一次短路熔痕晶體相對較大且疏散。線徑部分的金相組織為等軸晶，熔痕金相組織與線徑部分金相組織分解明顯。由于實(shí)驗(yàn)環(huán)境的多變性和差異性，部分熔痕金相組織會出現(xiàn)少量細(xì)小的點(diǎn)狀孔洞。

圖5 不同線徑和電流下短路熔痕的金相組織Fig.5 The melted mark in different current intensity or diameter of wire

將模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果與電氣火災(zāi)案例對比分析，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與案例的金相組織基本相符，兩者的金相組織為細(xì)小樹枝晶或胞狀晶，個(gè)別熔痕還可能有細(xì)小的點(diǎn)狀孔洞。

4 結(jié)論

在電氣火災(zāi)物證鑒定案例中，一次短路熔痕都呈珠狀，比較圓潤光滑，金相組織為樹枝晶和胞狀晶。國標(biāo)里對金相組織的描述為胞狀晶和細(xì)小柱狀晶，并未提及樹枝晶，而孔洞集中在熔痕中部，實(shí)際案例的孔洞主要分布在邊緣。而模擬實(shí)驗(yàn)的宏觀形貌較單一，皆為線端珠狀熔痕，色澤上比較光亮，金相組織為樹枝晶和胞狀晶，沒有出現(xiàn)國標(biāo)中的細(xì)小柱狀晶，沒有出現(xiàn)再結(jié)晶現(xiàn)象。通過對比實(shí)際案例，國家標(biāo)準(zhǔn)以及模擬實(shí)驗(yàn)，火災(zāi)一次短路熔痕特征與其形成環(huán)境有很大的關(guān)聯(lián)，在實(shí)際鑒定案例應(yīng)注意以下3點(diǎn):

1)當(dāng)火災(zāi)現(xiàn)場線路電流較小，火場可燃物種類和數(shù)量較少時(shí)，容易產(chǎn)生導(dǎo)線粘連現(xiàn)象，但不容易產(chǎn)生噴濺熔珠，熔痕保留了導(dǎo)線原本的金屬光澤，熔痕并沒有發(fā)生明顯的再結(jié)晶現(xiàn)象，熔痕金相組織主要以樹枝晶為主。

2)當(dāng)火災(zāi)現(xiàn)場的電氣線路功率大，可燃物復(fù)雜時(shí)，容易產(chǎn)生噴濺熔珠。熔痕表面較為灰暗，但仍較為平滑，有金屬光澤。內(nèi)部金相組織形成胞狀晶為主，少數(shù)還會形成柱狀晶。

3)當(dāng)火災(zāi)現(xiàn)場的可燃物較多，火場溫度較高時(shí)，熔珠容易形成共晶析出，熔珠表面光澤偏紅。熔珠內(nèi)部由于受熱作用而發(fā)生再結(jié)晶，熔珠內(nèi)部保留有樹枝晶的形狀，晶粒較大，并有向胞狀晶發(fā)展的趨向。

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