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        不同輻射強(qiáng)度下電纜燃燒特性研究

        2023-08-20 04:58:34劉楚琪趙婧昱盧世平張鐸張妮孫妙
        消防界 2023年4期
        關(guān)鍵詞:煙氣實(shí)驗(yàn)

        劉楚琪 趙婧昱 盧世平 張鐸 張妮 孫妙

        摘要:

        防治井下礦用電纜火災(zāi)是維護(hù)煤礦生產(chǎn)安全的重要環(huán)節(jié)。本文使用錐形量熱儀分別在不同輻射強(qiáng)度下對(duì)電纜進(jìn)行燃燒實(shí)驗(yàn),研究井下礦用電纜的燃燒特性,分析電纜燃燒過程中的熱釋放速率、總釋放熱、煙氣產(chǎn)生速率、總生煙量等參數(shù)的變化規(guī)律。結(jié)果表明:隨著輻射強(qiáng)度增加,電纜燃燒的熱釋放速率、總釋放熱及煙氣產(chǎn)生速率隨之增大,在短時(shí)間內(nèi)造成的危險(xiǎn)性和破壞性更強(qiáng)。在熱釋放速率和煙氣產(chǎn)生速率曲線中,觀察到“雙峰”現(xiàn)象,表明電纜燃燒存在護(hù)套層和絕緣層兩個(gè)階段;電纜火勢(shì)增長(zhǎng)指數(shù)隨輻射強(qiáng)度增大而增大,著火時(shí)的危險(xiǎn)程度也更大。

        關(guān)鍵詞:

        電纜;錐形量熱儀;燃燒特性;輻射強(qiáng)度;熱釋放速率

        為保障國(guó)家能源資源安全,我國(guó)逐步推進(jìn)礦山規(guī)?;?、綠色化、智能化建設(shè),礦井規(guī)模不斷擴(kuò)大,電器設(shè)備投入增長(zhǎng),井下電纜應(yīng)用密集,但由于電纜短路、漏電、過載以及外部火源等原因,易引發(fā)電纜火災(zāi)事故。煤礦井下生產(chǎn)環(huán)境屬于半封閉空間,電纜一旦起火,火焰會(huì)迅速蔓延,速度可達(dá)20m/min,同時(shí)產(chǎn)生CO、HCl等大量有毒煙氣,嚴(yán)重威脅礦工的生命安全。因此,掌握電纜的燃燒特性在電纜消防安全保護(hù)過程中具有必要性。

        電纜作為電氣火災(zāi)中的主要可燃物,對(duì)電纜燃燒特性和危險(xiǎn)性的研究尤為重要。張佳慶等分析了通電電纜電流對(duì)電纜燃燒的影響,分析表明:通電電纜起火會(huì)增強(qiáng)電纜燃燒強(qiáng)度,火焰沿電纜加速蔓延。張晉等搭建綜合管廊火災(zāi)模擬試驗(yàn)平臺(tái),開展了電纜燃燒通風(fēng)對(duì)比試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明:火災(zāi)發(fā)生后及時(shí)關(guān)閉管廊內(nèi)的開口能夠抑制火災(zāi)發(fā)展。Yoshinar等研究了在沒有外界氣流影響下,電纜燃燒時(shí)火焰沿水平和垂直方向蔓延過程中的滴落行為,研究表明:垂直火焰蔓延速率比水平火焰蔓延速率快,并且隨著滴流的增加而加快,隨電纜導(dǎo)熱性的增加而降低。

        城市綜合管廊電纜由于其特殊的使用性質(zhì)及所處空間,燃燒后帶來的經(jīng)濟(jì)損失和撲救難度遠(yuǎn)大于其他電纜。但針對(duì)城市地下綜合管廊電纜在不同輻射強(qiáng)度下的燃燒特性缺少系統(tǒng)深入的研究。因此,本文采用錐形量熱儀,分析不同輻射強(qiáng)度下城市地下綜合管廊內(nèi)常用的FS/FY-WDZA EYYR 1500v型電纜的熱釋放速率、總釋放熱、煙產(chǎn)生速率、煙釋放速率等特性參數(shù),掌握電纜燃燒特性及燃燒規(guī)律,同時(shí)對(duì)電纜燃燒過程中的不同階段進(jìn)行深入分析,為阻燃電纜研究、電纜火災(zāi)事故的預(yù)防提供理論依據(jù)。

        一、實(shí)驗(yàn)

        (一)樣品制備

        選用FS/FY-WDZA EYYR 1500v型A級(jí)聚氯乙烯軟電纜。對(duì)于外徑小于等于25mm的電纜,可將電纜截成長(zhǎng)度在100-106mm之間的小段直接進(jìn)行實(shí)驗(yàn)[1],在本實(shí)驗(yàn)中,電纜直徑為2.5cm,分為長(zhǎng)10cm的4段4組。

        (二)實(shí)驗(yàn)裝置及方法

        實(shí)驗(yàn)用CCT型錐形量熱儀,實(shí)驗(yàn)過程按GB 31247-2014《電纜及光纜燃燒性能分級(jí)》和GB/T 16172-2007《建筑材料熱釋放速率實(shí)驗(yàn)方法》進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)采用的輻射強(qiáng)度分別為15、30、45、60kW/m2,代表可燃物在小規(guī)模火災(zāi)和中等規(guī)?;馂?zāi)中的熱輻射水平[2],實(shí)驗(yàn)在10×10×5cm的空間中進(jìn)行。

        二、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

        (一)熱釋放速率

        熱釋放速率(HRR)是表征電纜在單位時(shí)間、單位面積下燃燒所釋放的熱量。不同輻射強(qiáng)度下電纜的熱釋放速率曲線見圖1。

        不同輻射強(qiáng)度下電纜燃燒的熱釋放速率主要參數(shù)如表1所示。在燃燒過程中,電纜先緩慢熔融,表面不斷有氣泡涌出并釋放大量青白色煙氣,此后電纜產(chǎn)生火焰釋放大量熱量,待電纜材料基本被燃燒完全后,熱釋放速率逐漸減小后保持不變。

        在高輻射強(qiáng)度下(60kW/m2)電纜燃燒過程中熱釋放速率曲線出現(xiàn)兩次峰值。第一次熱釋放速率峰值的出現(xiàn)以護(hù)套層燃燒釋放熱量為主,第二次熱釋放速率峰值的出現(xiàn)以炭化絕緣層燃燒釋放熱量為主。若在較大的輻射強(qiáng)度下,電纜燃燒的持續(xù)時(shí)間會(huì)更長(zhǎng),造成的破壞性更強(qiáng)[3]。

        火勢(shì)增長(zhǎng)指數(shù)(FGI)是熱釋放速率峰值與到達(dá)熱釋放速率峰值的時(shí)間之比,能夠描述材料燃燒火勢(shì)增長(zhǎng)能力的強(qiáng)弱。FGI越大,燃燒時(shí)電纜的危險(xiǎn)程度越大。公式見式(1)

        FGI=PKHRRt(1)

        式中:PKHRR表示燃燒實(shí)驗(yàn)中電纜所達(dá)到的熱釋放速率峰值,t表示燃燒實(shí)驗(yàn)中電纜達(dá)到熱釋放速率峰值的時(shí)間。

        在不同的輻射強(qiáng)度下,電纜燃燒時(shí)的火勢(shì)增長(zhǎng)指數(shù)有較大差異。FGI增長(zhǎng)率在45kW/m2時(shí)最大,為243.98%。這意味著電纜在45kW/m2時(shí)的FGI增長(zhǎng)最快,燃燒帶來的危險(xiǎn)性最強(qiáng)[4]。

        (二)總釋放熱

        總釋放熱(THR)是衡量材料在燃燒過程中燃燒程度劇烈與否的重要指標(biāo)。電纜在不同輻射強(qiáng)度下總釋放熱隨時(shí)間變化曲線見下圖所示。

        由圖2可知,在15kW/m2時(shí),由于電纜并未燃燒,總釋放熱值穩(wěn)定在較低的數(shù)值范圍內(nèi);在30-60kW/m2時(shí),總釋放熱值分別在380s-480s、120s-165s、65s-85s內(nèi),迅速增加而后增速變緩,但仍隨時(shí)間的推移而增加。從整體上看,隨著輻射強(qiáng)度增加,總釋放熱值隨之加大[5]。

        由表2發(fā)現(xiàn),電纜總釋放熱最大值和均值都隨輻射強(qiáng)度增加而增大。在60kW/m2時(shí),總釋放熱最大值和均值遠(yuǎn)大于電纜在15kW/m2、30kW/m2、45kW/m2的總釋放熱值。相同的電纜在高輻射強(qiáng)度下燃燒時(shí)的總釋放熱遠(yuǎn)大于低輻射強(qiáng)度下的總釋放熱。此外,電纜的總釋放熱越大,其潛在熱危險(xiǎn)越大[6]。

        (三)煙氣產(chǎn)生速率

        煙氣產(chǎn)生速率(SPR)是材料在燃燒過程中在單位時(shí)間、單位面積條件下的產(chǎn)煙量,它能夠衡量材料的產(chǎn)煙能力。圖3是電纜在不同輻射強(qiáng)度下煙氣產(chǎn)生速率隨時(shí)間變化曲線,表3為不同輻射強(qiáng)度下電纜燃燒的主要特征值。

        由圖3可知,在電纜燃燒后期,電纜煙氣產(chǎn)生速率大小排序?yàn)椋?0kW/m2>30kW/m2>45kW/m2>15kW/m2。這主要是由于輻射強(qiáng)度60kW/m2的電纜燃燒反應(yīng)更加劇烈,使得護(hù)套層燃燒產(chǎn)生的炭化層物質(zhì)減少,從而導(dǎo)致煙氣顆粒產(chǎn)物增多,煙氣產(chǎn)生速率加快[7]。因此,電纜護(hù)套層燃燒的煙氣產(chǎn)生速率大于電纜絕緣層。

        由表3可知,隨著電纜所受輻射強(qiáng)度增大,煙氣產(chǎn)生速率曲線中兩次達(dá)到峰值的時(shí)間間隔變短。因此,電纜在高輻射強(qiáng)度下火勢(shì)更容易向絕緣層蔓延,使電纜內(nèi)部結(jié)構(gòu)熱解生煙,煙氣產(chǎn)生速率再次達(dá)到峰值[8]。

        (四)總生煙量

        總生煙量(TSP)是材料在燃燒過程中產(chǎn)生的煙氣總量。圖4為電纜在不同輻射強(qiáng)度下總生煙量隨時(shí)間變化曲線圖。

        圖4 不同輻射強(qiáng)度下電纜的總生煙量曲線

        由圖4觀察到,輻射強(qiáng)度為60kW/m2的電纜在燃燒后期才會(huì)產(chǎn)生大量的煙氣,這主要是因?yàn)樵诟邿彷椛鋸?qiáng)度燃燒前期,電纜受熱充分熱解產(chǎn)物不易產(chǎn)生煙氣。由此可知,低輻射強(qiáng)度下的電纜在燃燒前期產(chǎn)生的煙氣較多,而高輻射強(qiáng)度下的電纜在燃燒后期產(chǎn)生的煙氣較多。

        三、結(jié)論

        本文基于錐形量熱儀對(duì)FS/FY-WDZA EYYR 1500v型電纜在15kW/m2、30kW/m2、45kW/m2、60kW/m2四種輻射強(qiáng)度下的燃燒性能進(jìn)行分析,得到以下結(jié)論:

        第一,隨著輻射強(qiáng)度增大,電纜熱釋放速率和總釋放熱的峰值、均值隨之增大。在60kW/m2時(shí)熱釋放速率峰值和均值最大,分別為136.83kW/m2和58.43kW/m2。隨電纜輻射強(qiáng)度增加,F(xiàn)GI增加,電纜燃燒的危險(xiǎn)程度更大。

        第二,煙氣產(chǎn)生速率在30-60kW/m2時(shí),兩峰值時(shí)間間隔分別為75s、35s、15s。輻射強(qiáng)度增加,兩峰之間的時(shí)間間隔變短。電纜護(hù)套層的煙氣產(chǎn)生速率大于電纜絕緣層。

        參考文獻(xiàn)

        [1]龍宇,侯劍.電線電纜燃燒性能分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)分析[J].現(xiàn)代建筑電氣,2022,13(12):48-54.

        [2]陳長(zhǎng)坤,徐童,陳杰,等.不同布置形式下的橋架電纜燃燒特性[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2022,53(11):4326-4334.

        [3]高陽,馮志龍,席天鵬,等.YJV電纜護(hù)套燃燒生成的煙塵及PAHs與氯離子排放特征研究[J].安全與環(huán)境工程,2022,29(06):230-239.

        [4]陳善求,趙雯筠,顏龍,等.陶瓷化硅橡膠耐火電纜燃燒性能與陶瓷層演化特征研究[J].電線電纜,2022(03):21-25+34.

        [5]李印,王學(xué)輝,汪箭.ZR-KVV電纜排布數(shù)量對(duì)燃燒特性影響的實(shí)驗(yàn)研究[J].火災(zāi)科學(xué),2022,31(02):67-75.

        [6]王朋,霍戰(zhàn)營(yíng),張右,等.燃燒性能A級(jí)礦物絕緣耐火電纜的設(shè)計(jì)[J].光纖與電纜及其應(yīng)用技術(shù),2022(02):34-36.

        [7]李才有.電線電纜單根燃燒測(cè)試值影響因素淺析[J].光纖與電纜及其應(yīng)用技術(shù),2022(02):42-44.

        [8]王林.軌道交通用低燃燒熱釋放高性能低煙無鹵阻燃電纜料的開發(fā).成都金發(fā)科技新材料有限公司,2022-03-23.

        作者簡(jiǎn)介:

        劉楚琪(2002- ),女,漢族,陜西榆林人,本科,研究方向:電纜燃燒與消防工程技術(shù)。

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