建筑塑料管材火災危險性分析

陳舒

福建省消防總隊福州市消防支隊

建筑塑料管材火災危險性分析

陳舒

福建省消防總隊福州市消防支隊

本文利用水平垂直燃燒測定儀、氧指數(shù)測定儀、煙密度測試儀、錐形量熱儀，對建筑中常用的硬聚氯乙烯管（PVC-U）、交聯(lián)聚乙烯管（PEX）、鋁塑復合管（PAP）、聚丙烯管（PP-R）、聚丁烯管（PB）等5種塑料管材的燃燒性能進行了測定。結(jié)果表明在熱輻射強度35kW/m2下，PVC-U的熱釋放速率峰值和總釋熱量是五種塑料管材中最小的，但CO的產(chǎn)率是最高的。煙密度測試結(jié)果表明PVC-U的產(chǎn)煙量是最大的；LOI和水平垂直燃燒測試表明PVC-U的氧指數(shù)最高，水平燃燒屬于FH-1級別，垂直燃燒屬于FV-0級別。

塑料管材；火災危險性；燃燒性能

引言

國內(nèi)塑料管材的發(fā)展始于二十世紀八十年代中期，塑料管道因其具有耐腐蝕性、抗老化、質(zhì)量輕、水流阻力小、施工便捷、工程造價低等特點，在管道工程中占據(jù)著重要的位置，形成了一種勢不可擋的發(fā)展趨勢，但卻存在著很多火災危險性。一方面，塑料管材遇火時會因樹脂熔融而滴落，很容易造成火災的蔓延；另一方面，管道的通路也會成為火災、煙氣傳播擴散的通道，導致火災的蔓延擴大，而且塑料燃燒后產(chǎn)生很多有毒氣體，這些煙氣可以使人窒息、中毒，給人們造成慌亂，給被困人員和救援人員造成嚴重威脅。

1 建筑塑料管材燃燒性能測定

1.1 實驗材料及設備

表1 選用管材指標

表2 實驗設備

1.2 試驗方法

1.2.1 錐形量熱儀法。錐形量熱儀采用耗氧原理測量材料的熱釋放速率，所謂耗氧原理就是材料燃燒時消耗每一單位的氧氣所釋放的熱量基本是相同的。應用CONE可以得到燃燒試樣的多個性能參數(shù)，如熱釋放速率（HRR）、質(zhì)量損失速率（MLR）、總釋放熱（THR）、一氧化碳生成量（CO）、二氧化碳生成量（CO2）等參數(shù)。

1.2.2 氧指數(shù)測定法。物質(zhì)燃燒時，需要消耗大量的氧氣，不同的可燃物通過對物質(zhì)燃燒過程中消耗最低氧氣量的測定，計算出物質(zhì)的氧指數(shù)值，可以評價物質(zhì)的燃燒性能。所謂氧指數(shù)（Oxygen Index），是指在規(guī)定的實驗條件下，試樣在氧氮混合氣流中，維持平穩(wěn)燃燒（即進行有焰燃燒）所需的最低氧濃度，以氧所占的體積百分數(shù)的數(shù)值表示（即在該物質(zhì)引燃后，能保持燃燒50mm長或燃燒時間3min時所需的氧、氮混合氣體中最低氧的體積百分比濃度）。

1.2.3 水平垂直燃燒性能測定法。水平垂直燃燒的原理就是水平或垂直地夾住試樣的一端，對試樣自由端施加規(guī)定的氣體火焰，通過測量線燃燒速度（水平法）或有焰燃燒及無焰燃燒時間（垂直法）等來評價試樣的燃燒性能。通過水平法實驗，可測定材料的最大燃燒長度或燃燒速度及其它燃燒現(xiàn)象；通過垂直法實驗，可將材料按燃燒性能進行分級。

1.2.4 煙密度測定法。建材在燃燒或分解時會產(chǎn)生大量的煙氣，這些煙氣對可見光有吸收和散射作用，通過觀察光的透過率變化可以了解煙氣量的多少。比光密度是指將試樣置于一定容積的實驗箱內(nèi)，在試樣因燃燒而產(chǎn)生煙霧的過程中，測量穿過煙霧的平行光束的透過率變化，計算出在規(guī)定試樣面積、光程長度下相應的光密度。那么最大的比光密度就是煙密度。但要說明的是，它僅用于評定在規(guī)定條件下建材的發(fā)煙性能，不能作為評定實際使用條件下發(fā)煙危害性的依據(jù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 建筑塑料管材的LOI及水平垂直燃燒分析

用極限氧指數(shù)和水平垂直燃燒測試，測試結(jié)果見表3。從表中可以看出PVC-U的氧指數(shù)為33.8，要遠遠高于其他幾種管材，屬于難燃材料；PEX、PP-R、PB的氧指數(shù)都是17.8，屬于易燃材料，在空氣中都能很快的燃燒；PAP的氧指數(shù)為22.4，比PEX、PP-R、PB的要高些，在空氣中也能很快的燃燒，屬于易燃材料。從表中可以看出，水平燃燒實驗除了PVC-U屬于FH-1級別外，其他的幾種管材都屬于FH-3級別，并且燃燒速度也差不多。垂直燃燒極限除了PVC-U屬于FV-0級別外，其它的幾種管材都燃燒劇烈，不適合用垂直燃燒法來測定它們的燃燒性能。

表3 幾種塑料管材的氧指數(shù)和水平垂直燃燒性能

2.2 建筑塑料管材的煙密度性能測試

根據(jù)三個平行試件在每隔15s所測得光吸收率求出平均值，作圖作出光吸收率平均值與試驗時間關系的曲線。曲線最高的光吸收率讀數(shù)為最大煙密度值（MSD）；曲線下所圍成的面積表示試件總的產(chǎn)煙量；縱橫坐標端點代表的長度值相乘再除曲線下所圍成的面積后乘以一百，定義為試件的煙密度等級（SDR）。圖1表示這幾種建筑塑料管材的煙密度（Ds）曲線，由圖中可以看出出現(xiàn)峰值的時間按PVC-U、PAP、PEX、PB、PP-R的順序延后；出現(xiàn)的峰值按照PVC-U、PB、PP-R、PAP、PEX的順序依次遞減。表4中列出了幾種建筑塑料管材的最大煙密度值及煙密度等級，可以看出MSD和SDR都是按照PVC-U、PB、PP-R、PAP、PEX的順序遞減。綜合上述可知道PVC-U的煙氣最大值最大且出現(xiàn)的時間最快，煙氣的總量也最多，所以PVC-U的煙氣危害最大，而PEX的煙氣總量及出現(xiàn)的時間以及最大值都很小，它的煙氣危害性最小。

圖1 幾種建筑塑料管材的Ds曲線

表4 幾種塑料管材的煙密度測試結(jié)果

2.3 相同熱輻射強度下幾種建筑塑料管材的錐形量熱儀測試參數(shù)分析

測試中選取熱輻射強度為35kW/m2。

2.3.1 不同建筑塑料管材的熱釋放速率比較

圖2表示這幾種塑料管材的HRR曲線，可以看出PEX和PB出現(xiàn)了比較尖的峰值，而PVC-U、PP-R、PAP的峰值都比較平緩，中間出現(xiàn)了一個HRR基本不變的階段，此時的燃燒比較穩(wěn)定。最大峰值以PP-R、PB、PEX、PAP、PVC-U的順序呈下降趨勢，PP-R的峰值熱釋放速率為345kW/m2且這個峰值階段持續(xù)時間較長，平均熱釋放速率為176.025 kW/m2，在幾種建筑塑料管材中最大。出現(xiàn)的時間以PVC-U、PB、PEX、PP-R、PAP的順序逐漸增大，PVC-U在135s時最早出現(xiàn)峰值，說明PVC-U容易燃燒。而PAP的峰值較小，且出現(xiàn)時間很晚，因此PAP的火災危險性相對較小，雖然PVC-U出現(xiàn)的峰值最早，對于初期火災，火災危險性較大，但由于其峰值階段相對較小，所以火災危險性較小。

表5顯示的是幾種建筑用塑料管材的平均熱釋放速率和峰值熱釋放速率，可以看出PP-R的峰值熱釋放速率為346.22 kW·m-2，平均熱釋放速率為176.03 kW·m-2，說明其火災危險性最大。

圖2 35kWm2時的HRR曲線

表5 幾種塑料管材的平均熱釋放速率和峰值熱釋放速率

2.3.2 不同建筑塑料管材的總釋放熱比較

材料在燃燒時釋放的熱量越大，說明材料在火災中的危險性也就越大。圖3表示幾種建筑塑料管材的THR曲線，可以看出PP-R的總釋放熱最大，為102.10 MJ/m2，在650s時總釋放熱達到最大值，其火災危險性也最大。PAP的THR曲線出現(xiàn)的最晚，其最大總釋放熱為56.97 MJ/m2，出現(xiàn)的時間為860s，其潛在的火災危險性也較小。PVC-U的最大總釋放熱為40.63 MJ/m2，是幾種塑料管材中最小的，出現(xiàn)的時間為535s，其火災危險性也較小。表6列出了幾種建筑塑料管材的總釋放熱。

圖3 35kWm2時的THR曲線

（4）PAP的點燃時間是最長的，引燃的危險性最小，PVC-U的引燃時間是最短的。

（5）LOI和水平垂直燃燒測試表明：PVC-U的氧指數(shù)為33.8，水平燃燒結(jié)果為FH-1燃燒級別，垂直燃燒結(jié)果為FV-0燃燒級別。其它的幾種管材氧指數(shù)都在18左右，屬于易燃材料，水平燃燒性能都屬于FH-3級別，不適合垂直燃燒法測定這幾種管材的燃燒性能。

（6）PVC-U的產(chǎn)煙量是最大的，且出現(xiàn)峰值是最早的，PEX的產(chǎn)煙總量是最低的，出現(xiàn)峰值的時間都較晚，所以PEX煙氣危害是相對最小的。

（7）綜上，PEX的火災危險性是這幾種塑料管材中最小的。

表6 幾種塑料管材的總釋放熱（MJ/m2）

2.3.3 不同建筑塑料管材的CO/CO2產(chǎn)率比較

表7表示幾種塑料管材的CO/CO2產(chǎn)率，可以看出PVC-U的CO的產(chǎn)率是最高的，PEX的CO產(chǎn)率是最小的，PB的CO2的產(chǎn)率是最高的，PEX得CO2產(chǎn)率是幾種塑料管材中最少的。2

表7 幾種塑料管材的CO/CO產(chǎn)率（平均值）

2.3.4 不同建筑塑料管材的點燃時間比較

點燃時間越短的塑料管材，火災危險性一般越大。表8列出了幾種塑料管材的引燃時間，可以看出PAP的引燃時間為300s要明顯高于其它管材，從點燃的角度來看PAP是比較安全的。點燃時間按照PAP、PEX、PP-R、PB、PVC-U的順序縮短，PVC-U的引燃時間為35s，是最短的。

表8 幾種塑料管材的引燃時間（s）

3 結(jié)語

本文利用氧指數(shù)測定儀、建材煙密度測試儀、水平垂直燃燒測定儀和錐形量熱儀對選用建筑塑料管材進行測試，所得到的數(shù)據(jù)和參數(shù)來綜合評價其火災危險性，主要結(jié)論如下：

（1）在相同熱輻射強度下，PVC-U的熱釋放速率相對較小，火災危險性相對于其它塑料管材較小。PP-R的熱釋放速率較大，并且峰值階段持續(xù)時間較長，火災危險性相對其它塑料管材大。

（2）PP-R的總釋放熱要明顯比其它的塑料管材要大，它的火災危險性要相對較高，PVC-U的總釋放熱最小，所以它的火災危險性相對較小。

（3）PEX的CO產(chǎn)率和CO2產(chǎn)率都是幾種建筑塑料管材中最小的。PVC-U的一氧化碳產(chǎn)率在幾種管材中是最高的，其潛在的毒性相對較大。