耐火試驗(yàn)爐的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

付曉光 張曉穎 李海建 王 堃

（中國(guó)建筑材料檢驗(yàn)認(rèn)證中心有限公司，北京 100024）

1 前言

隨著建筑業(yè)以及各種新型建筑材料的不斷發(fā)展，人們對(duì)建筑構(gòu)件的耐火性能越來越重視。建筑構(gòu)件的耐火性能一般通過在耐火試驗(yàn)爐中進(jìn)行耐火試驗(yàn)得到檢測(cè)。本文介紹的耐火試驗(yàn)爐完全按照我國(guó)對(duì)建筑構(gòu)件耐火試驗(yàn)方法所提出的最新的GB/T 9978—2008系列標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。建筑構(gòu)件的耐火試驗(yàn)就是按照標(biāo)準(zhǔn)中的溫度、壓力在耐火試驗(yàn)爐中模擬火災(zāi)的環(huán)境，通過對(duì)完整性，隔熱性等指標(biāo)進(jìn)行分析從而判定試件的耐火性能。

1.1 爐內(nèi)溫度[1]

GB9978.1-2008-T標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定試驗(yàn)爐內(nèi)的平均溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律必須符合以下關(guān)系式：T=345*lg（8*t+1）+20

式中：T—爐內(nèi)平均溫度，單位是攝氏度（℃）；t—時(shí)間，單位為分鐘（min）。

該關(guān)系式表示的建筑構(gòu)件耐火試驗(yàn)爐內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間--平均溫度曲線如圖1所示。

1.2 爐內(nèi)壓差[1]

GB9978.1-2008-T標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定盡管壓力梯度隨爐內(nèi)溫度的改變會(huì)有輕微的變化，仍要保證爐內(nèi)高度處每米的壓力梯度值為8 Pa，并且控制爐內(nèi)壓力的變化，使其在試驗(yàn)開始5 min后壓力值為（15±5）Pa，10 min后 壓 力 值 為（17±3）Pa。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間--溫度曲線

2 耐火試驗(yàn)爐的整體結(jié)構(gòu)

建筑構(gòu)件耐火試驗(yàn)爐的爐型主要有四種[2]：

(1)水平爐,用于做梁、板、吊頂?shù)人浇ㄖ?gòu)件耐火試驗(yàn)；

(2)墻爐,用于做墻、防火門、窗等非承重建筑構(gòu)件耐火試驗(yàn)；

(3)柱爐,用于做柱等承重建筑構(gòu)件耐火試驗(yàn)；

(4)多功能爐,用于做梁、板、柱、墻等多種建筑構(gòu)件耐火試驗(yàn)。

本文介紹的耐火試驗(yàn)爐屬于墻爐，用于墻、門、窗等非承重建筑構(gòu)件耐火試驗(yàn)。目前，耐火試驗(yàn)爐一般采用柴油、天然氣、液化石油氣作為燃料?？紤]到使用柴油或天然氣作燃料，需要為試驗(yàn)爐配備地下油庫(kù)或天然氣管道，該試驗(yàn)爐采用灌裝液化石油氣作為燃料。同時(shí)，由于人工控制穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性差，該試驗(yàn)爐采用自動(dòng)控制系統(tǒng)，不僅提高了試驗(yàn)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，而且操作簡(jiǎn)單，可自動(dòng)存儲(chǔ)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，大大節(jié)約了成本。

綜上所述，該建筑構(gòu)件耐火試驗(yàn)爐采用液化石油氣作為燃料，采用自動(dòng)控制系統(tǒng)保證爐內(nèi)的溫度和壓力完全符合標(biāo)準(zhǔn)要求。所以，該耐火試驗(yàn)爐由爐體、燃?xì)饪刂坪碗姎饪刂迫糠謽?gòu)成，如圖2所示。

圖2 耐火試驗(yàn)爐整體結(jié)構(gòu)框圖

3 爐體部分

該耐火試驗(yàn)爐的爐體部分包括：爐膛、煙道和窯車三部分。爐膛的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 爐膛結(jié)構(gòu)示意圖

該耐火試驗(yàn)爐的爐膛采用鋼結(jié)構(gòu)框架，在鋼結(jié)構(gòu)框架中間用耐火磚砌成爐壁，爐壁內(nèi)側(cè)貼有高溫耐火棉，外側(cè)用彩鋼板包裹。爐膛的內(nèi)部空間 是3.05m*3.05m*1.2m，爐 壁 厚65cm。在 兩側(cè)爐壁內(nèi)嵌有八個(gè)高速燒嘴，提供爐膛內(nèi)升溫所需的熱量；在后側(cè)爐壁設(shè)計(jì)有三個(gè)排煙孔，連接到后面的煙道，將爐膛內(nèi)的煙氣排出，控制壓力；在后側(cè)爐壁還設(shè)計(jì)有四個(gè)觀火孔，用來觀察試驗(yàn)時(shí)試件受火面和火焰的情況；十根鎳鉻-鎳硅（K型）熱電偶通過后側(cè)爐壁一直伸到距離試件受火面10cm處，用來測(cè)量試件受火面的溫度，作為爐膛內(nèi)溫度自動(dòng)控制的依據(jù)。燒嘴、排煙孔、觀火孔和熱電偶在爐膛內(nèi)的具體位置如圖3所示。

該耐火試驗(yàn)爐采用后排煙方式，煙道位于爐膛后面，爐內(nèi)煙氣由三個(gè)排煙孔進(jìn)入煙道，排到大氣中。煙道的室內(nèi)部分是不銹鋼管，由于溫度很高，用焰棉做了保溫；室外部分是鐵管，并且在不銹鋼管和鐵管的結(jié)合處設(shè)計(jì)有排煙風(fēng)機(jī)。

窯車是試件的載體，將試件固定到試驗(yàn)位置，進(jìn)行試驗(yàn)。窯車高4.3m寬3.5m，由車體和試件平臺(tái)組成。車體設(shè)計(jì)有四個(gè)地輪，可以在鋼軌上運(yùn)動(dòng)；在距車體面2m高處設(shè)計(jì)有工作平臺(tái)，方便對(duì)試件被火面進(jìn)行粘貼熱電偶、檢查完整性等操作，并有扶梯方便上下。試件平臺(tái)是一個(gè)3.5mx3.5m的方形鋼結(jié)構(gòu)框架，其作用是將試件砌在試件平臺(tái)上，等試件養(yǎng)護(hù)好后，用電葫蘆把砌有試件的試件平臺(tái)吊裝到車體上，然后把窯車推到試驗(yàn)位置并固定，然后開始試驗(yàn)。在車體上有四個(gè)掛鉤和六個(gè)固定槽；掛鉤鉤住試件平臺(tái)兩側(cè)的不銹鋼柱，將試件平臺(tái)固定在車體上；固定槽通過兩側(cè)爐壁的手輪將整個(gè)窯車固定到試驗(yàn)位置。

4 燃?xì)饪刂撇糠?/h2>

該耐火試驗(yàn)爐采用灌裝液化石油氣作為燃料，因此需要燃?xì)饪刂撇糠謱⒁合嗟囊夯蜌廪D(zhuǎn)化成低壓的氣相液化石油氣，便于在燒嘴中與空氣混合被點(diǎn)著，燃?xì)饪刂撇糠值臉?gòu)成如圖4所示。液化石油氣瓶分為兩組，每組四瓶。試驗(yàn)時(shí)使用其中的一組，當(dāng)壓力低于設(shè)定值，液相切換閥會(huì)自動(dòng)切換到另一組，這樣就可以防止試驗(yàn)中燃料突然耗盡，使實(shí)驗(yàn)中斷。由于液化石油氣由液相轉(zhuǎn)化為氣相需要吸收大量熱量，所以液相的液化石油氣通過液相切換閥首先進(jìn)入汽化器，在汽化器中吸收熱量轉(zhuǎn)化成氣相。此時(shí)，液化石油氣的壓力接近1兆帕,而燃燒所需的壓力大約為幾千帕，所以需要經(jīng)過兩級(jí)減壓閥達(dá)到。在兩級(jí)減壓閥之間有氣液分離器，主要作用是把液化石油氣中的水份分離出來。

圖4 燃?xì)饪刂撇糠纸Y(jié)構(gòu)框圖

試驗(yàn)中，總電磁閥和八個(gè)電磁閥分別控制整個(gè)氣路和各個(gè)分支氣路的通斷。當(dāng)二級(jí)減壓后的液化石油氣壓力過高時(shí)，放散閥會(huì)自動(dòng)打開穩(wěn)定壓力，將部分液化石油氣排入大氣；當(dāng)壓力再高時(shí)，高壓檢測(cè)開關(guān)動(dòng)作，停止試驗(yàn)，以防發(fā)生危險(xiǎn)。當(dāng)壓力很低時(shí)，低壓檢測(cè)開關(guān)動(dòng)作，提示操作員燃?xì)鈮毫^低，可能需要更換液化石油氣。

5 電氣控制部分

該耐火試驗(yàn)爐的電氣控制部分主要完成對(duì)爐內(nèi)溫度、壓力的控制，由硬件部分和軟件部分構(gòu)成。

5.1 硬件部分

硬件部分包括：嵌入式一體化工控機(jī)、PLC、巡檢儀、3個(gè)空氣壓力傳感器、3個(gè)信號(hào)輸入隔離處理器、2個(gè)變頻器、2臺(tái)風(fēng)機(jī)、8根爐溫?zé)犭娕肌?個(gè)熱電偶信號(hào)隔離處理器、8個(gè)點(diǎn)火器、8個(gè)燃?xì)怆姶砰y、8個(gè)電動(dòng)蝶閥、30根背溫?zé)犭娕?、總電磁閥、高低壓檢測(cè)傳感器以及各種繼電器、接觸器和開關(guān)等。硬件系統(tǒng)各個(gè)電氣部分的相互關(guān)系如圖5所示。

圖5 硬件部分結(jié)構(gòu)框圖

PLC是進(jìn)行各種操作和溫度控制的核心，該試驗(yàn)爐采用三菱的FX3u系列PLC。通過控制柜或觸摸屏上的按鈕進(jìn)行各種操作，例如：手/自動(dòng)方式切換、啟/停變頻器和風(fēng)機(jī)、開/關(guān)主電磁閥和電動(dòng)蝶閥、啟/停點(diǎn)火器等，就是PLC通過輸入端子讀入相關(guān)按鈕的狀態(tài)，經(jīng)運(yùn)算后，通過輸出端子控制相應(yīng)繼電器的通斷進(jìn)而完成各種操作。

變頻器上電，排煙/助燃風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定，打開主電磁閥后，就可以進(jìn)行點(diǎn)火操作：點(diǎn)火器上電后開始在燒嘴中的電極點(diǎn)火，同時(shí)打開燃?xì)怆姶砰y，使液化石油氣和助燃空氣在燒嘴中的燃燒室按標(biāo)準(zhǔn)比例混合；如果點(diǎn)燃，則點(diǎn)火器在燒嘴中的火焰檢測(cè)電極會(huì)檢測(cè)到火焰，停止點(diǎn)火，工作指示燈亮，并且燃?xì)怆姶砰y保持開啟狀態(tài)；如果沒有點(diǎn)燃或中途滅火，點(diǎn)火器在9秒時(shí)間內(nèi)一直點(diǎn)火，9秒內(nèi)仍無火焰信號(hào)，則關(guān)閉燃?xì)怆姶砰y，報(bào)警指示燈亮。

PLC進(jìn)行溫度控制的過程是：爐溫?zé)犭娕紲y(cè)量爐內(nèi)溫度，熱電偶輸入信號(hào)隔離處理器將熱電偶信號(hào)送入AD擴(kuò)展模塊轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)，PLC主單元將輸入的溫度值與設(shè)定溫度值進(jìn)行比較，如果低于設(shè)定值，則通過輸出端子控制電動(dòng)蝶閥增加開啟時(shí)間，即增加大火時(shí)間，進(jìn)行升溫；如果高于設(shè)定值，則通過輸出端子控制電動(dòng)蝶閥減少開啟時(shí)間，即減少大火時(shí)間，停止升溫。

壓力主要由變頻器進(jìn)行控制。空氣壓力傳感器測(cè)量助燃空氣壓力/爐內(nèi)壓力，經(jīng)信號(hào)輸入隔離處理器對(duì)信號(hào)處理后送入助燃/排煙變頻器，變頻器按照自身的算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，通過輸出相應(yīng)的電壓和頻率控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)到控制壓力的目的。

嵌入式一體化工控機(jī)主要作用是進(jìn)行人機(jī)交互，其中央處理單元以ARM為核心（主頻400MHz），并采用10.4英寸高亮度TFT液晶顯示屏（分辨率640×480），四線電阻式觸摸屏（分辨率1024×1024），嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)WinCE.NET（中文版）和MCGS嵌入式組態(tài)軟件（運(yùn)行版）。工控機(jī)通過RS485與巡檢儀通信，讀取試件背火面溫度，作為判斷試件隔熱性的依據(jù)。巡檢儀的作用是采集各路背火面測(cè)溫?zé)犭娕嫉男盘?hào)，并轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)，通過RS485發(fā)送給工控機(jī)。巡檢儀還有冷端補(bǔ)償和上下限報(bào)警功能，確保所讀取溫度和控制的準(zhǔn)確性。工控機(jī)通過RS485與PLC通信，將溫度、壓力和各個(gè)電氣部分的狀態(tài)以及其它控制信息顯示在顯示屏上；同時(shí)工控機(jī)將各種操作信息發(fā)送給PLC完成對(duì)整個(gè)試驗(yàn)流程的控制。

5.2 軟件部分

軟件部分包括工控機(jī)的MCGS組態(tài)軟件和PLC程序。PLC程序的執(zhí)行流程如圖6所示。

利用工控機(jī)的MCGS組態(tài)軟件設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面，包括：主控界面、爐溫曲線界面、試件溫度界面、歷史記錄界面和參數(shù)整定界面，如圖7所示。

主控界面如圖7(a)所示，中央部分用動(dòng)畫模擬試驗(yàn)爐的運(yùn)行情況：爐膛內(nèi)布置八個(gè)燒嘴，實(shí)時(shí)顯示大小火的變化；十根熱電偶、排煙風(fēng)機(jī)、助燃風(fēng)機(jī)和主電磁閥的運(yùn)行狀態(tài)也實(shí)時(shí)顯示。右側(cè)實(shí)時(shí)顯示助燃空氣壓力、爐內(nèi)上下不壓力、爐內(nèi)平均溫度值和設(shè)定值以及運(yùn)行時(shí)間等控制信息。下側(cè)設(shè)計(jì)有排煙/助燃風(fēng)機(jī)啟停按鈕和實(shí)驗(yàn)開始/結(jié)束按鈕，用以控制試驗(yàn)進(jìn)程；還設(shè)計(jì)了爐溫曲線、試件溫度、歷史記錄和參數(shù)整定按鈕，可以切換到其他界面。其他界面也有相同按鈕。

爐溫曲線界面如圖7(b)所示，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，不斷繪制出爐內(nèi)升溫曲線和試件被火面平均溫度；其中紅色曲線是爐內(nèi)平均溫度，綠色曲線是標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間—溫度曲線，便于比較。在右側(cè)上下角，分別顯示日期、時(shí)間和運(yùn)行時(shí)間。圖8是某次實(shí)驗(yàn)中爐內(nèi)升溫曲線和標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間—溫度曲線。由圖中可以看出，除了在剛開始的快速升溫階段溫度稍微超調(diào)之外，其他時(shí)段溫度曲線與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間—溫度曲線幾乎重合，溫差在5℃以內(nèi)。

試件溫度界面如圖7(c)所示，中央部分顯示30個(gè)試件背火面熱電偶的溫度值和狀態(tài)，并且可以根據(jù)試驗(yàn)要求任意選擇不同的熱電偶；右側(cè)顯示環(huán)境溫度、初始溫度、平均溫度以及日期、時(shí)間等信息。圖9是試件背火面平均溫度曲線。從圖中可以看出，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行試件背火面平均溫度不斷升高。

歷史記錄界面如圖7(d)所示，主要記錄歷史數(shù)據(jù)，包括：日期時(shí)間、設(shè)定溫度、平均爐溫、各個(gè)熱電偶的溫度值、爐內(nèi)壓力、初始溫度、環(huán)境溫度等記錄。下側(cè)的設(shè)置按鈕可以快速定位需要顯示的歷史數(shù)據(jù)，“Copy to USB”按鈕用來將所選的歷史記錄復(fù)制到優(yōu)盤中，并且可以在PC機(jī)上用Excel軟件打開、處理，方便對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

參數(shù)整定界面如圖7(e)所示，左側(cè)可以輸入或顯示比例增益、積分時(shí)間、微分增益、微分時(shí)間、調(diào)節(jié)周期、最小動(dòng)作時(shí)間和控制輸出等PID控制參數(shù)以及設(shè)定溫度、實(shí)際溫度、助燃空氣壓力和爐內(nèi)壓力等試驗(yàn)信息；同時(shí)還可以在右側(cè)實(shí)時(shí)顯示曲線。

圖6 PLC程序流程圖

圖7 人機(jī)交互界面

圖8 升溫曲線和標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間—溫度曲線

圖9 試件背火面平均溫度曲線

6 結(jié)論

該耐火試驗(yàn)爐調(diào)試完成后，進(jìn)行了多次試驗(yàn)，對(duì)溫度、壓力控制準(zhǔn)確，對(duì)試件隔熱性、完整性判斷正確；并且采用自動(dòng)控制方式，操作簡(jiǎn)單，具有很好的穩(wěn)定性，達(dá)到國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平，具有很好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

[1] GB9978.1-2008-T 建筑構(gòu)件耐火試驗(yàn)方法 第1部分：通用要求 8-9

[2]王廣軍，邊慶策等 建筑構(gòu)件耐火性能試驗(yàn)爐的研制與應(yīng)用 建筑科學(xué),1996(2)：29-35

[3]劉建勇，李海倫 國(guó)外某耐中型火試驗(yàn)爐的設(shè)計(jì)消防技術(shù)與產(chǎn)品信息，2008（3）：10-12

[4]李萍，曾令可 建筑構(gòu)件多功能耐火試驗(yàn)爐的設(shè)計(jì) 華南理工大學(xué)報(bào)，2007（12）：102-106

[5]潘小勇，王莉莉 耐火試驗(yàn)爐計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 機(jī)械與設(shè)備，2006（5）：18-20