彭玉輝，蔣帥

(中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064)

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核級(jí)電纜火災(zāi)危險(xiǎn)性實(shí)驗(yàn)

彭玉輝，蔣帥

(中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064)

采用錐形量熱儀，以核級(jí)電纜為研究對(duì)象，實(shí)驗(yàn)測(cè)試核級(jí)電纜在不同外加熱輻射、電纜護(hù)套厚度情況下在燃燒過(guò)程中的熱釋放速率、質(zhì)量損失速率、煙氣生成速率等燃燒特性。

核級(jí)電纜；熱釋放速率；質(zhì)量損失速率；煙氣生成速率

從1965—1985年，僅美國(guó)就發(fā)生了300多起核電火災(zāi)[1]，根本誘因是核電站艙室內(nèi)部布置有各種大型機(jī)電設(shè)備所使用的潤(rùn)滑油、大量電器及電纜，致使核電站存在很大的火災(zāi)安全隱患，因此，核電消防安全事關(guān)重大。

目前國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)于電纜火災(zāi)的研究大多側(cè)重于電纜火災(zāi)的著火原因和防火對(duì)策[2-4]，較少涉及電纜火災(zāi)的燃燒特性，文獻(xiàn)[5]對(duì)聚氯乙烯電纜護(hù)套電纜在過(guò)載、短路情況下的火災(zāi)特性有初步研究，但是目前未見(jiàn)對(duì)核級(jí)電纜在不同輻射強(qiáng)度情況下電纜燃燒特性的相關(guān)研究報(bào)道。

1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

采用ISO5660標(biāo)準(zhǔn)要求的錐形量熱儀對(duì)幾種護(hù)套材料均為聚氯乙烯的核級(jí)電纜進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，測(cè)試不同輻射功率下的電纜燃燒特性。錐形量熱儀的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖及實(shí)物見(jiàn)圖1。

1.2 實(shí)驗(yàn)工況

由于艙內(nèi)火災(zāi)達(dá)到轟燃狀態(tài)時(shí)，熱煙氣的溫度能夠達(dá)到600～800 ℃，此時(shí)所對(duì)應(yīng)的熱輻射分別為29.2，67.3 kW。因此，本實(shí)驗(yàn)選取的外加熱輻射等級(jí)為30、40、50及60 kW/m2，分別代表可燃物在不同規(guī)模火災(zāi)中的熱輻射水平。

實(shí)驗(yàn)中，將每種型號(hào)的電纜分別截成長(zhǎng)度為100 mm的小段，將每段并排放置，使其總寬度約100 mm，用細(xì)鋼絲固定，再用玻璃纖維布及鋁箔紙包覆成單面裸露試樣，因此可以忽略水平方向上的傳熱而只考慮豎直方向的一維傳熱過(guò)程。實(shí)驗(yàn)選用0.6/1 kV聚氯乙烯護(hù)套單芯電力電纜，參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 電纜技術(shù)參數(shù)

為了研究外加熱輻射強(qiáng)度對(duì)電纜燃燒性能的影響，對(duì)WDZ-95電纜在30、40、50、60 kW/m2的輻射強(qiáng)度下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。同時(shí)為了研究護(hù)套厚度對(duì)電纜燃燒性能的影響，在60 kW/m2的輻射強(qiáng)度下對(duì)WDZ-10電纜、WDZ-35電纜以及WDZ-95電纜進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 熱釋放分析

由錐形量熱儀可以測(cè)量得到電纜試樣在整個(gè)實(shí)驗(yàn)階段的釋熱速率曲線(xiàn)。圖2給出了實(shí)驗(yàn)在30、40、50、60 kW/m2的輻射強(qiáng)度下WDZ-95電纜的熱釋放速率曲線(xiàn)。由圖2可見(jiàn)，雖然輻射功率不同，但曲線(xiàn)形狀非常相似，WDZ-95電纜樣品的熱釋放速率可分為4個(gè)階段：第1階段，加速增長(zhǎng)階段，熱釋放速率在電纜護(hù)套被點(diǎn)燃后迅速增加，在300 s左右達(dá)到峰值；第2階段，回落階段，熱釋放速率在該階段內(nèi)逐漸回落至峰值的50%水平；第3階段，穩(wěn)定燃燒階段，熱釋放速率保持在一個(gè)穩(wěn)定值附近；第4階段，衰減階段，在該階段內(nèi)，隨著材料的耗盡，熱釋放速率逐漸降低。

表2給出了不同的熱輻射強(qiáng)度下WDZ-95電纜的總熱釋放速率，熱釋放速率峰值以及平均熱釋放速率。由表2可見(jiàn)，隨著熱輻射強(qiáng)度的增加，總熱釋放量、熱釋放速率峰值以及平均熱釋放速率總體呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。

表2 WDZ-95電纜在不同的輻射強(qiáng)度下的熱釋放速率

表3給出了不同電纜在60 kW/m2熱輻射功率下的總釋放熱量、熱釋放速率峰值以及平均熱釋放速率。由表3可見(jiàn)，盡管電纜護(hù)套的材料一樣，但對(duì)于不同護(hù)套厚度的電纜，在燃燒過(guò)程中的熱釋放速率也不同。WDZ-10電纜和WDZ-35電纜的護(hù)套層厚度相差不多，因此熱釋放速率也相差不大，由于熱量主要是以熱傳導(dǎo)的方式從上層護(hù)套向下傳遞，WDZ-95電纜的護(hù)套層相對(duì)較厚，上表面距離線(xiàn)芯較遠(yuǎn)，上層電纜護(hù)套的熱量不會(huì)立刻通過(guò)線(xiàn)芯傳遞到下層電纜護(hù)套上，熱量在上層電纜聚集，溫度較高，因此護(hù)套材料熱解得更加充分，使得平均熱釋放速率與熱釋放速率峰值越大。在相同的輻射強(qiáng)度下，總熱釋放量的大小主要取決于可燃材料的多少，由于WDZ-95電纜的護(hù)套最厚，因此總的熱釋放量也最大。

表3 不同電纜在60 kW/m2熱輻射功率下的熱釋放

2.2 質(zhì)量損失分析

質(zhì)量損失速率(mass loss rate，MLR)表示材料在燃燒過(guò)程中質(zhì)量隨時(shí)間的變化率，質(zhì)量損失速率越大說(shuō)明材料越易燃燒。

圖3給出了WDZ-95電纜在不同輻射強(qiáng)度下的質(zhì)量損失速率。其質(zhì)量損失速率的變化趨勢(shì)與熱釋放速率相同，不過(guò)隨著熱輻射強(qiáng)度的增大，質(zhì)量損失速率的峰值在不斷增加，但在第一個(gè)峰值過(guò)后的穩(wěn)定燃燒階段，雖然輻射強(qiáng)度不同，曲線(xiàn)卻幾乎重合，而熱釋放速率卻是隨著輻射強(qiáng)度的增加而增加。

圖4給出了不同電纜在60 kW/m2熱輻射功率下的質(zhì)量損失速率。在前100 s，不同電纜的質(zhì)量損失速率幾乎完全一致，由于WDZ-95電纜護(hù)套較厚，外加熱輻射會(huì)使更深的材料繼續(xù)熱解，因此，100 s后WDZ-95電纜的質(zhì)量損失速率繼續(xù)加大，WDZ-10電纜和WDZ-35電纜的質(zhì)量損失速率開(kāi)始減小。

2.3 有效燃燒熱

有效燃燒熱(effective heat combustion,EHC)是指材料分解燃燒揮發(fā)物中可燃燒部分燃燒釋放的熱量，可反應(yīng)材料在真實(shí)火災(zāi)中的放熱情況。

圖5給出了WDZ-95電纜在不同熱輻射功率下的有效燃燒熱。由圖5可見(jiàn)，熱輻射強(qiáng)度對(duì)電纜的有效燃燒熱存在一定影響，熱輻射強(qiáng)度越高，則電纜的有效燃燒熱越大。

2.4 煙氣釋放分析

煙氣產(chǎn)生速率(smoke production rate，SPR)是指單位時(shí)間內(nèi)材料產(chǎn)生的煙氣量，圖6給出了WDZ-95電纜在不同輻射強(qiáng)度下的煙氣產(chǎn)生速率。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生了2個(gè)比較明顯的峰值。第1個(gè)峰值出現(xiàn)在50～200 s的時(shí)間段內(nèi)，在500 s左右，煙氣產(chǎn)生速率第2次上升，在第2個(gè)峰值出現(xiàn)910～1 060 s。由圖6可見(jiàn)，熱輻射強(qiáng)度越小，2個(gè)峰值越低。在30 kW/m2的輻射強(qiáng)度下，第2個(gè)峰值已經(jīng)很不明顯。

圖7給出了不同電纜在60 kW/m2的輻射強(qiáng)度下的煙氣產(chǎn)生速率。對(duì)于不同型號(hào)的電纜，第一個(gè)峰值分別為0.110，0.109，0.111 m2/s，第2個(gè)峰值分別為0.045，0.039，0.044 m2/s。由于WDZ-95電纜護(hù)套厚度最厚，可燃燒物質(zhì)質(zhì)量最多，因此2個(gè)峰值的到達(dá)時(shí)間都最遲。可見(jiàn)，護(hù)套的厚度只會(huì)影響到達(dá)峰值的時(shí)間，不會(huì)改變材料熱解過(guò)程中的反應(yīng)方向，對(duì)煙氣產(chǎn)生速率的峰值影響不大。

3 結(jié)論

1)電纜樣品的熱釋放速率可分為4個(gè)階段，加速增長(zhǎng)階段、回落階段、平穩(wěn)燃燒階段和衰減階段。總釋放熱量和平均熱釋放速率隨著熱輻射強(qiáng)度的增加而增加。對(duì)于相同的輻射強(qiáng)度，護(hù)套越厚的電纜，其總釋放熱量、平均熱釋放速率以及熱釋放速率峰值越高。

2)熱輻射強(qiáng)度對(duì)質(zhì)量損失速率影響較小，質(zhì)量損失速率的第一個(gè)峰值隨熱輻射強(qiáng)度的增加而增加；電纜護(hù)套的厚度越厚，質(zhì)量損失速率的峰值越高，到達(dá)峰值的時(shí)間越晚，燃燒的持續(xù)時(shí)間也越長(zhǎng)，但護(hù)套厚度對(duì)材料最終的熱解程度沒(méi)有太大影響。

3)電纜的有效燃燒熱隨著熱輻射強(qiáng)度的增加而增加，不同電纜樣品在相同輻射強(qiáng)度下的有效燃燒熱基本保持恒定。隨著熱輻射強(qiáng)度的增加，熱釋放速率的峰值呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。

4)電纜護(hù)套厚度會(huì)影響煙氣產(chǎn)生速率峰值到達(dá)時(shí)間，但不會(huì)改變材料熱解過(guò)程中的反應(yīng)方向，對(duì)煙氣產(chǎn)生速率的峰值影響不大。

[1] 魯磊，狄振功.核電廠(chǎng)火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)分析及事故應(yīng)急救援對(duì)策[J].中國(guó)公共安全，2012，27(2)：49-52.

[2] 任海峰，李樹(shù)剛，林海飛，等.電纜火災(zāi)致因因素分析 [J].安慶師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，15(3)：62-65.

[3] 白曉斌，黃東利，李向明.高壓電力電纜火災(zāi)原因分析及防范措施[J].電線(xiàn)電纜，2011(1)：37-39.

[4] 鐘小璇.基于模糊層次分析法的電纜火災(zāi)危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)[J].研究與探索，2010(3)：12-15.

[5] 吳威位.導(dǎo)線(xiàn)電纜火災(zāi)特性研究[J].廣西民族大學(xué)學(xué)報(bào)，2009(6)：77-79.

Fire Hazard Experimental Research of Nuclear Class Electric Cable

PENG Yu-hui, JIANG Shuai

(China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)

Taking the nuclear class electric cable as research object, experiments were carried out by the cone calorimeter to investigate the influence of heat release rate, mass loss rate and smoke generation rate upon the combustion characteristics in the burning process in which the experiment conditions such as external heating radiation and cable sheath thickness were different.

nuclear class electric cable; heat release rate; mass loss rate; smoke production rate

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.03.028

2017-03-07

彭玉輝(1977—)，男，碩士，工程師

研究方向：船舶消防

U664.88

A

1671-7953(2017)03-0122-03

修回日期：2017-03-27