張 英,王 帥,余飛揚(yáng),田富超,付 明,張賢凱

(1.武漢理工大學(xué) 安全科學(xué)與應(yīng)急管理學(xué)院,湖北 武漢 430070;2.中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)研究院,遼寧 沈陽(yáng) 110067;3.清華大學(xué)合肥公共安全研究院,安徽 合肥 230601;4.湖北億緯動(dòng)力有限公司,湖北 武漢 448124)

隨著電力事業(yè)的不斷發(fā)展,電纜應(yīng)用范圍越來(lái)越廣,在給人類帶來(lái)便利的同時(shí),也成為重要火災(zāi)隱患。根據(jù)有關(guān)消防部門統(tǒng)計(jì),在日常生活中電氣火災(zāi)占火災(zāi)總數(shù)的30%以上,而導(dǎo)線電纜火災(zāi)又占電氣火災(zāi)的50%左右。電纜主要由絕緣層和金屬線芯組成的導(dǎo)線和外護(hù)套組成,在電纜使用過(guò)程中,由于老化后的絕緣材料會(huì)發(fā)生一定程度的劣化,如變脆、開(kāi)裂,甚至發(fā)生絕緣擊穿,會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的電氣火災(zāi)事故,嚴(yán)重危害人員的生命財(cái)產(chǎn)安全。2021年7月24日,吉林省長(zhǎng)春市一婚紗店攝影棚上部照明線路老化漏電起火,引燃隔壁物流倉(cāng)庫(kù),造成15人死亡,25人受傷,建筑物過(guò)火面積約6 200 m2,直接經(jīng)濟(jì)損失約3 700萬(wàn)元。因此,分析熱老化對(duì)導(dǎo)線火蔓延行為的影響對(duì)火災(zāi)發(fā)展的預(yù)測(cè)和撲救具有非常重要的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

前人對(duì)于電纜導(dǎo)線的火災(zāi)行為特性開(kāi)展了大量研究,主要集中在導(dǎo)線尺寸、重力條件、環(huán)境壓力、傾斜角度、外部熱源、環(huán)境氧濃度、電流電場(chǎng)等因素對(duì)導(dǎo)線電纜火災(zāi)的著火、燃燒、滴落行為和火蔓延特性的影響。一些學(xué)者對(duì)于老化材料的熱解、燃燒特性進(jìn)行分析,如WANG等[1]分析了老化聚乙烯的熱解特性,并對(duì)導(dǎo)線進(jìn)行老化實(shí)驗(yàn),用FWO、KAS和Friedman 3種方法計(jì)算出每個(gè)老化階段的活化能,發(fā)現(xiàn)老化后的PE導(dǎo)線活化能更高,更難被點(diǎn)燃。KIM等[2]對(duì)老化非E1級(jí)電纜燃燒特性進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)非E1級(jí)老化電纜由于老化過(guò)程中揮發(fā)分的蒸發(fā)推遲了點(diǎn)火時(shí)間,火災(zāi)危險(xiǎn)性降低。一些學(xué)者對(duì)于老化后的失效特性和燃燒特性進(jìn)行分析,如XIE等[3]對(duì)電纜的失效特性進(jìn)行分析,研究熱老化對(duì)電纜失效時(shí)間和溫度的影響,發(fā)現(xiàn)隨著老化時(shí)間的增加,絕緣失效時(shí)間和失效溫度均會(huì)降低。XIE等[4]采用MCC-FTIR研究老化PVC電纜護(hù)套材料的燃燒特性,發(fā)現(xiàn)老化后PVC護(hù)套熱釋放速率峰值高于新PVC護(hù)套,并且HCl釋放要早于新PVC護(hù)套,老化后的外護(hù)套火災(zāi)危險(xiǎn)性和毒性增加。而舒中俊等[5]對(duì)老化PVC電纜進(jìn)行錐量實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)老化后的電纜點(diǎn)火時(shí)間增加,熱釋放速率減小,火災(zāi)危險(xiǎn)性減小。前人對(duì)于老化對(duì)電纜火災(zāi)危險(xiǎn)性的影響還存在爭(zhēng)議,需要進(jìn)一步研究。

綜上,學(xué)者們對(duì)線纜的火災(zāi)行為做了大量的基礎(chǔ)研究,對(duì)老化電纜的研究大多是利用錐量等實(shí)驗(yàn)分析老化電纜護(hù)套和絕緣材料的熱解、燃燒特性的改變[6-10],但是對(duì)熱老化導(dǎo)線電纜火蔓延特性研究較少。因此,筆者采用兩種不同內(nèi)徑的聚乙烯導(dǎo)線作為實(shí)驗(yàn)樣本,研究熱老化導(dǎo)線火蔓延過(guò)程中的火焰形態(tài)、火蔓延速度和滴落行為的變化規(guī)律,分析熱老化時(shí)間對(duì)導(dǎo)線火蔓延特性的影響,以期準(zhǔn)確預(yù)測(cè)熱老化電纜火災(zāi)發(fā)展情況,為老舊電線建筑的防火設(shè)計(jì)提供理論支持。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及準(zhǔn)備

采用國(guó)標(biāo)SYV50-5-1和SYV50-5-3同軸電纜,SYV同軸電纜憑借其優(yōu)異的導(dǎo)電性能廣泛應(yīng)用于城市和家庭用電。去除電纜外護(hù)套和屏蔽層,留下聚乙烯絕緣層和銅芯作為實(shí)驗(yàn)樣本。實(shí)驗(yàn)中使用兩種不同尺寸的聚乙烯絕緣銅芯導(dǎo)線A和B作為實(shí)驗(yàn)樣本,每個(gè)實(shí)驗(yàn)樣本長(zhǎng)400 mm,實(shí)物圖如圖1所示,實(shí)驗(yàn)導(dǎo)線尺寸和熱物性參數(shù)分別如表1和表2所示。為了便于觀察火蔓延特性和后期處理數(shù)據(jù),間隔2 cm在導(dǎo)線絕緣層上做一個(gè)標(biāo)記。

表1 實(shí)驗(yàn)導(dǎo)線尺寸

表2 導(dǎo)線熱物性參數(shù)[11-12]

圖1 實(shí)驗(yàn)導(dǎo)線實(shí)物圖

1.2 老化工況

實(shí)驗(yàn)采用泰斯特儀器有限公司生產(chǎn)的101-2AB型號(hào)恒溫箱。按GB/T2951.2—1997熱老化實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)實(shí)驗(yàn)樣本進(jìn)行加速熱老化處理,具體熱老化方法:將導(dǎo)線豎直懸掛在恒溫箱中部,設(shè)置恒溫箱溫度為90±1 ℃,各試樣間距在2 cm以上。以7天為間隔,分別制備熱老化0 d、7 d、14 d、21 d和28 d的熱老化導(dǎo)線試樣。制備好的熱老化試樣在室溫條件下放置24 h后再進(jìn)行火蔓延實(shí)驗(yàn)。一般當(dāng)溫度升高10 ℃時(shí),聚合物老化速率會(huì)提高2～3倍[13]。據(jù)此估算加速熱老化28 d的試樣對(duì)應(yīng)實(shí)際老化時(shí)間約為4.9～10.0年。

1.3 實(shí)驗(yàn)臺(tái)搭建

實(shí)驗(yàn)裝置由導(dǎo)線支架、導(dǎo)線夾、恒溫箱(泰斯特101-2AB)、DV(索尼FDR-apx55,100 fps)、電熱線圈點(diǎn)火器、電子天平(梅特勒-托利多ML6002T)、熱流計(jì)組成(GTT-25-50-WF),如圖2所示。導(dǎo)線夾可防止導(dǎo)線在燃燒過(guò)程中受熱變形影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果,使用的導(dǎo)線樣本長(zhǎng)度為400 mm,為了降低點(diǎn)火源造成的影響,取中間火蔓延穩(wěn)定時(shí)的100～300 mm進(jìn)行實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析,在穩(wěn)定火蔓延階段下方放置一個(gè)電子天平,實(shí)時(shí)測(cè)量滴落質(zhì)量變化,使用DV拍攝記錄穩(wěn)定火蔓延和滴落過(guò)程,通過(guò)圖像處理得到導(dǎo)線火焰前沿位置、火焰高度、寬度、滴落隨時(shí)間的變化情況。為了防止環(huán)境風(fēng)速對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成影響,所有實(shí)驗(yàn)均在密閉實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行3次以上。

圖2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)示意圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 火焰形態(tài)

火焰形態(tài)參數(shù)主要包括火焰高度、火焰寬度,其中火焰高度與熱釋放速率密切相關(guān)[14],可以直觀地反映火蔓延過(guò)程中的燃燒規(guī)模情況。實(shí)驗(yàn)過(guò)程使用相機(jī)記錄導(dǎo)線火蔓延過(guò)程中的火焰形態(tài),通過(guò)圖像法測(cè)量火焰形態(tài)。由于導(dǎo)線在火蔓延過(guò)程中會(huì)發(fā)生絕緣層熔融滴落現(xiàn)象,導(dǎo)致火焰形態(tài)發(fā)生劇烈變化,觀察到實(shí)驗(yàn)過(guò)程中兩次滴落之間的一段時(shí)間內(nèi)火焰形態(tài)基本穩(wěn)定,因此采用該相對(duì)穩(wěn)態(tài)階段中的火焰圖像作為研究對(duì)象以討論火焰形態(tài)的變化。

不同熱老化程度下穩(wěn)態(tài)時(shí)的火焰形態(tài)如圖3所示。由圖3可知,火焰高度和火焰寬度都隨著老化時(shí)間的增加而減小;導(dǎo)線A比導(dǎo)線B的穩(wěn)態(tài)火焰更寬更高,這是因?yàn)閷?dǎo)線A的線芯較粗、絕緣層更厚,線芯與聚乙烯絕緣層接觸面積更大,因此單位長(zhǎng)度生成的熔融可燃物更多,火焰高度和寬度更大。為了更直觀地分析火焰高度和火焰寬度的變化規(guī)律,使用Premiere軟件對(duì)拍攝到的火蔓延過(guò)程進(jìn)行處理并導(dǎo)出時(shí)間序列圖片,然后利用Matlab編寫(xiě)的程序,對(duì)圖片進(jìn)行灰度和二值化處理,通過(guò)比例尺換算得到真實(shí)火焰高度和寬度數(shù)據(jù)。

圖3 不同熱老化時(shí)間下穩(wěn)態(tài)火焰圖像

導(dǎo)線在火蔓延過(guò)程中會(huì)由于熔融物的滴落導(dǎo)致火焰發(fā)生脈動(dòng)現(xiàn)象,火焰高度和寬度會(huì)不斷波動(dòng),因此引入間歇率函數(shù)I來(lái)表征火蔓延過(guò)程中的平均火焰高度和寬度。間歇率函數(shù)I是指火焰高度大于某一數(shù)值的概率,定義間歇率等于50%時(shí)的火焰高度為平均火焰高度。熱老化14 d的導(dǎo)線火蔓延過(guò)程中的火焰高度隨時(shí)間的變化情況和通過(guò)間歇率函數(shù)計(jì)算得到的平均火焰高度如圖4所示。

圖4 火焰高度隨時(shí)間的變化情況和平均火焰高度

穩(wěn)態(tài)火焰高度和寬度隨老化時(shí)間的變化規(guī)律如圖5所示,可知火焰高度和寬度都隨著熱老化時(shí)間的增加而減小。為了更好地研究老化導(dǎo)線滴落行為對(duì)火焰形態(tài)的影響,在實(shí)驗(yàn)臺(tái)下放置電子天平,電子天平上放置一塊鐵板,收集并記錄穩(wěn)定火蔓延階段的滴落質(zhì)量,用目測(cè)法記錄有效火蔓延長(zhǎng)度內(nèi)的滴落次數(shù)和火蔓延時(shí)間,進(jìn)而計(jì)算出滴落頻率。

圖5 穩(wěn)態(tài)火焰形態(tài)隨老化時(shí)間的變化情況

在熱老化過(guò)程中,絕緣層聚乙烯內(nèi)部反應(yīng)劇烈,導(dǎo)致分子鏈大量斷裂進(jìn)而產(chǎn)生更小的晶粒,吸熱曲線向更低溫移動(dòng),從而降低聚乙烯絕緣層的熔融溫度[15],使得熔融物的量增加,而當(dāng)熔融液滴重力大于其表面張力時(shí)就會(huì)發(fā)生滴落,導(dǎo)致導(dǎo)線火蔓延過(guò)程中的滴落物增加。滴落質(zhì)量和滴落頻率隨熱老化時(shí)間的變化規(guī)律如圖6所示。由圖6可知,滴落質(zhì)量和滴落頻率隨著熱老化時(shí)間的增加而增加,滴落質(zhì)量的增加說(shuō)明線芯上的可燃物減少;熱釋放速率隨著可燃物的減少而降低,且火焰熱釋放速率與火焰高度成正比,因此火焰高度和寬度隨著熱老化時(shí)間的增加而減小。

圖6 滴落隨熱老化時(shí)間的變化情況

2.2 火蔓延速度

火蔓延速度是研究導(dǎo)線火蔓延特性的又一重要參數(shù),常用的火蔓延速度測(cè)量方法有觀測(cè)法、圖像法和熱電偶法3種。筆者采用觀測(cè)法測(cè)量火蔓延速度,即在試樣表面相同間隔作一些標(biāo)記,記錄火焰前沿到達(dá)標(biāo)記的時(shí)間,從而得到火蔓延速度Vf。

(1)

式中:t(s)為火焰前沿到達(dá)刻度s處的時(shí)間;Δs為相鄰標(biāo)記之間的距離。

利用Matlab程序?qū)鹧鎴D像進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,得到火焰前沿位置隨時(shí)間的變化,如圖7(a)所示,對(duì)曲線進(jìn)行線性擬合得到擬合直線,其斜率即為火蔓延速度?；鹇铀俣入S熱老化時(shí)間的變化如圖7(b)所示,可以發(fā)現(xiàn)導(dǎo)線的火蔓延速度隨著熱老化時(shí)間的增加而減小,并且老化14 d以上的導(dǎo)線火蔓延速度幾乎不變。這可能是因?yàn)樵跓崂匣捌诰垡蚁┯捎诩訜嶙饔冒l(fā)生結(jié)構(gòu)交聯(lián),對(duì)導(dǎo)線火蔓延速度的影響較大,而到熱老化后期結(jié)構(gòu)基本穩(wěn)定,對(duì)火蔓延速度的影響較小。導(dǎo)線A的火蔓延速度小于導(dǎo)線B,這是因?yàn)閷?dǎo)線A比導(dǎo)線B絕緣層更厚,在導(dǎo)線火蔓延過(guò)程中產(chǎn)生的可燃物更多,火焰維持時(shí)間較長(zhǎng)。對(duì)火蔓延速度和老化時(shí)間進(jìn)行二次項(xiàng)擬合,可得到火蔓延速度與熱老化時(shí)間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式,結(jié)果見(jiàn)圖7(b)。

圖7 火焰前沿位置變化和火蔓延速度隨老化時(shí)間的變化規(guī)律

圖8 導(dǎo)線火蔓延熱平衡模型

因此,預(yù)熱區(qū)域的能量平衡方程為:

(2)

因此,火蔓延速度可以表示為:

(3)

對(duì)固定點(diǎn)處的熱通量進(jìn)行測(cè)量,取火蔓延過(guò)程中的最大熱通量為火焰入射熱通量。熱流計(jì)測(cè)量得到導(dǎo)線A預(yù)熱區(qū)的熱通量隨熱老化時(shí)間的變化情況如圖9所示,可知輻射傳熱在向預(yù)熱區(qū)的熱傳遞中占主導(dǎo)作用,總熱通量和熱輻射隨著熱老化時(shí)間的增加而降低,對(duì)流傳熱幾乎不發(fā)生變化。由式(3)可知,火蔓延速度與總熱通量正相關(guān),而熱通量又隨著老化時(shí)間的增加而降低,因此火蔓延速度隨著老化時(shí)間的增加而降低。導(dǎo)線A 5種不同熱老化時(shí)間下3次重復(fù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的預(yù)熱區(qū)熱通量與火蔓延速度的線性擬合曲線如圖10所示,可以看出擬合優(yōu)度較高,說(shuō)明理論分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符,實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果較為準(zhǔn)確。

圖9 熱通量隨熱老化時(shí)間的變化

圖10 預(yù)熱區(qū)熱通量與火蔓延速度的擬合曲線

3 結(jié)論

(1)首次對(duì)不同熱老化時(shí)間下的聚乙烯絕緣導(dǎo)線的火蔓延特性及滴落行為進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)火蔓延速度、火焰高度和火焰寬度隨熱老化時(shí)間的增加而降低,滴落頻率和滴落質(zhì)量隨熱老化時(shí)間的增加而增加。

(2)通過(guò)對(duì)火焰與導(dǎo)線和導(dǎo)線內(nèi)部的傳熱進(jìn)行分析,得到了考慮熱老化時(shí)間的導(dǎo)線火蔓延經(jīng)驗(yàn)公式。

(3)通過(guò)定量分析滴落和傳熱行為,揭示了熱老化對(duì)導(dǎo)線火蔓延行為的影響機(jī)制,即熱老化后的導(dǎo)線絕緣材料的熔融溫度降低,使得熔融物的量增加,而當(dāng)熔融液滴重力大于其表面張力時(shí)就會(huì)發(fā)生滴落,導(dǎo)致導(dǎo)線火蔓延過(guò)程中的滴落物增加,滴落物的增加導(dǎo)致可燃物減少,熱釋放速率、火焰高度和火焰寬度降低,進(jìn)而使得火焰向未燃區(qū)的熱量傳遞減少,最終導(dǎo)致火蔓延速度降低。