基于CONE和MCC的典型電纜燃燒性能研究

付 強(qiáng)，張和平，龔倫倫，黃冬梅

（1.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點實驗室，合肥，230026；2.武漢消防支隊，武漢，430000）

基于CONE和MCC的典型電纜燃燒性能研究

付 強(qiáng)1，2，張和平1，龔倫倫1，黃冬梅1

（1.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點實驗室，合肥，230026；2.武漢消防支隊，武漢，430000）

采用錐形量熱儀和微燃燒量熱儀對四類不同護(hù)套材料的八種電纜樣品進(jìn)行燃燒性能分析，研究結(jié)果表明：電纜燃燒熱釋放過程不僅與護(hù)套、絕緣的材料密切相關(guān)，也與電纜結(jié)構(gòu)密不可分；對于護(hù)套材料相同而大小或結(jié)構(gòu)不同的電纜點燃時間和到達(dá)第一個峰值的時間以及第一個峰值最大熱釋放速率基本一致；聚烯烴無機(jī)阻燃材料電纜能夠有效降低熱釋放速率峰值，CO2、CO釋放量也明顯低于橡膠電纜、普通PVC電纜和阻燃PVC電纜；微燃燒量熱儀和錐形量熱儀實驗數(shù)據(jù)存在一定的相關(guān)性，微燃燒量熱儀實驗數(shù)據(jù)可以對電纜錐形量熱儀實驗的第一燃燒階段燃燒行為進(jìn)行預(yù)測。

電纜；錐形量熱儀；微燃燒量熱儀；燃燒性能

0 引言

隨著電線電纜在人們生產(chǎn)生活中的廣泛應(yīng)用，電線電纜的安全可靠性越來越受到關(guān)注。據(jù)統(tǒng)計在已經(jīng)發(fā)生的火災(zāi)事故中，由電線電纜引發(fā)的火災(zāi)幾乎占一半以上。而發(fā)生火災(zāi)后電線電纜燃燒產(chǎn)生的大量煙霧和毒性氣體還會導(dǎo)致人窒息死亡，妨礙消防人員救災(zāi)，造成更大損失［1］。電纜護(hù)套材料的易燃性是電纜火災(zāi)發(fā)生和蔓延的主要原因。目前，電纜護(hù)套材料多種多樣，有普通PVC，也有加入阻燃劑的PVC，PE等材料，同時電纜線芯保護(hù)上面分為普通，屏蔽，鎧裝等形式，開展對不同護(hù)套電纜以及屏蔽、鎧裝電纜的火災(zāi)特性研究無疑具有很好的現(xiàn)實意義。許多國家已經(jīng)開展了對電纜護(hù)套材料火災(zāi)特性，如材料的點燃性能、燃燒速率等的研究［2－4］，研究表明，對用PVC材料制成的電纜護(hù)套，在燃燒初期（前4min），護(hù)套材料與電纜樣品的熱釋放速率具有較好的線性相關(guān)性，但是電纜的結(jié)構(gòu)會影響PVC材料的燃燒時間、熱釋放速率和火災(zāi)性能指數(shù)等火災(zāi)特性［5］。

本文采用錐形量熱儀（CONE）和微燃燒量熱儀（MCC）研究不同類型電纜的相關(guān)燃燒性能參數(shù)，以及電纜結(jié)構(gòu)，材料對電纜燃燒的影響以及兩種測試方法之間的相關(guān)性。

1 實驗系統(tǒng)

1.1 試驗樣品

本次實驗選取了四類不同材料電纜（聚氯乙烯電纜，聚氯乙烯電纜阻燃耐火電纜，橡膠電纜，以及交聯(lián)聚烯烴無機(jī)阻燃電纜。）八種樣品進(jìn)行分析研究：KVV 4×2.5表示銅芯、聚氯乙烯絕緣、聚氯乙烯護(hù)套、四芯、橫截面積2.5mm2的控制電纜；ZCNKVV22 8×1.5表示銅芯、聚氯乙烯絕緣、鋼帶鎧裝、聚氯乙烯護(hù)套、8芯、橫截面積1.5mm2阻燃C類耐火控制電纜；ZC-KVVP22 10×1.5表示銅芯、聚氯乙烯絕緣、屏蔽、鋼帶鎧裝、聚氯乙烯護(hù)套、10芯、橫截面積1.5mm2阻燃C類控制電纜；ZCNYJV 4×25＋1×16表示銅芯、交聯(lián)聚乙烯絕緣、聚氯乙烯護(hù)套、四芯、截面積為25mm2、加一芯為16mm2阻燃C類耐火電纜，ZCN-YJV 4×50 1×16表示銅芯、交聯(lián)聚乙烯絕緣、聚氯乙烯護(hù)套、四芯、截面積為50mm2、加一芯為16mm2阻燃C類耐火電纜；YC 5×1.5表示五芯、截面積為1.5mm2橡膠電纜；HKEJE-K3（藍(lán)色）表示核電站用交聯(lián)聚乙烯、交聯(lián)聚烯烴絕緣交聯(lián)聚烯烴護(hù)套阻燃低煙無鹵控制電纜；HKEJE-K3（灰色）表示核電站用交聯(lián)聚乙烯、交聯(lián)聚烯烴絕緣聚烯烴護(hù)套阻燃低煙無鹵控制電纜；兩種電纜線芯均為3×2.5mm2。微燃燒量熱儀選取了八種電纜樣品的六個不同材料護(hù)套和一個隔氧層。

表1 電纜錐形量熱儀測試樣品的各項參數(shù)Table 1 Parameters of cable samples

1.2 錐形量熱儀和微燃燒量熱儀介紹

錐形量熱儀（CONE Calorimeter）是1982年美國建筑與火災(zāi)研究所Barbrauskas等人開發(fā)的專門用于測量材料熱釋放速率的儀器，后來又作了擴(kuò)展，還可用于測量煙氣濃度及CO和CO2的產(chǎn)生速率，該裝置是當(dāng)前能夠表征材料燃燒特性的最為理想的試驗儀器，它的測試環(huán)境比一般的小尺寸試驗更接近于真實的火災(zāi)環(huán)境，所得的試驗結(jié)果與全尺寸燃燒試驗結(jié)果之間存在很好的相關(guān)性，在同一次實驗中可以獲得材料燃燒性能的多種不同的參數(shù)。

微燃燒量熱儀（Microscale Combustion calorimeter）可用于測定材料的熱釋放速率以及總熱釋放量，從而評估材料在分子水平上的燃燒行為。將5mg左右樣品在氮氣氣氛下加熱，升溫速率1K／s，氮氣流速為80cm3／min。然后將所得裂解氣體同純氧（流速為20cm3／min）混合后，送入900℃的燃燒室，進(jìn)而測試獲得熱釋放速率 （Heat release rate，HRR），熱釋放量 （Heat release Capacity，HRC），點燃溫度（Ignition temperature，IT）等數(shù)據(jù)。MCC的實驗數(shù)據(jù)能和三大類燃燒試驗LOI測試，UL-94垂直燃燒測試以及錐型量熱計測試結(jié)果有效地互補，從而對材料燃燒性能有更加全面地認(rèn)識［6］。

1.3 實驗原理

實驗采用基于耗氧原理的燃燒熱釋放速率測量方法。對有機(jī)固體進(jìn)行完全燃燒時，每消耗單位質(zhì)量氧釋放的凈熱量接近常數(shù)，而且該常數(shù)的平均值為13.1MJ／kg，該數(shù)值可以實際應(yīng)用并且誤差不超過±5%［7］，這意味著可以通過測量燃燒系統(tǒng)中的耗氧量來得到凈釋熱量，比熱平衡法要精確和簡單得多。

錐形量熱計測量熱釋放速率的依據(jù)

其中，E′是每消耗單位體積氧氣所釋放的凈熱（MJ／m3）；X0H2O為進(jìn)氣中水蒸氣的摩爾比例；ΔP是經(jīng)過節(jié)流板的壓差（Pa）；TS是排氣管道中的氣體溫度（K）。該公式由Parker（1984）提出了采用氧氣分析儀通過體積流量來計算材料的熱釋放速率計算方程推導(dǎo)而來：

圖1 七種電纜MCC樣品測試曲線Fig.1 The test curves of cable MCC in seven types

其中，φ是氧耗因子；E′是每消耗單位體積氧氣所釋放的凈熱（MJ／m3）；X0O2分別是進(jìn)氣中 H2O和 O2的摩爾比例；˙VA是標(biāo)準(zhǔn)條件下進(jìn)入測量系統(tǒng)的空氣體積流量（m3／s）。

2 結(jié)果與討論

2.1 樣品熱釋放速率MCC測試結(jié)果

圖1給出了微型燃燒量熱儀熱釋放速率（HRR）變化曲線。熱釋放總量（THR），熱釋放量（HRC），最大熱釋放速率（PHRR）和點燃溫度（IT）數(shù)據(jù)列于表2中。從圖1我們可以看出HKEJEK3電纜（灰色）護(hù)套比HKEJE-K3電纜（藍(lán)色）護(hù)套的THR（J／g）和IT（℃）略高，其主要原因是 HKEJE-K3電纜（灰色）護(hù)套是聚烯烴無機(jī)阻燃材料，而HKEJE-K3電纜（藍(lán)色）護(hù)套是交聯(lián)聚烯烴無機(jī)阻燃材料，聚烯烴交聯(lián)之后的材料熱穩(wěn)定性更好，在燃燒時更容易成碳；HKEJE-K3電纜（藍(lán)色）護(hù)套比HKEJE-K3電纜（灰色）護(hù)套PHRR（W／g）略高，可能原因是交聯(lián)聚烯烴在更高的溫度下較集中分解，導(dǎo)致熱釋放速率峰值略高；HKEJE-K3電纜護(hù)套與HKEJE-K3電纜隔氧層護(hù)套層主要成分基本相同，均為聚烯烴加無機(jī)阻燃劑，但 THR（J／g）、PHRR（W／g）結(jié)果相差非常大，主要原因是隔氧層填充了更多的無機(jī)阻燃劑，Al（OH）3和 Mg（OH）2無機(jī)阻燃劑填充質(zhì)量高達(dá)15%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于護(hù)套材料8%的填充質(zhì)量。從幾種不同阻燃級別的PVC電纜護(hù)套材料測試結(jié)果可以看出，PHRR差別較大，但是THR相差不大，IT基本相同。YC電纜護(hù)套的主要成分是橡膠，它 PHRR，IT為別為143.8W／g，391.0℃，在七種樣品中均不算最高值，但是THR是所測試樣品中最高值13014J／g，這說明熱釋放總量不僅與PHRR相關(guān)，分解燃燒過程更是密切相關(guān)。同時可以由圖3－圖5可以總結(jié)出測試材料結(jié)果規(guī)律：構(gòu)成成分基本相同的材料，其最大熱釋放速率（PHRR）和THR（J／g）雖然有所不同，但是點燃溫度（IT）基本一致。

表2 微型燃燒量熱儀樣品各項參數(shù)Table 2 The data of samples from Microscale combustion calorimeter

圖2 電纜樣品在35kW／m2、50kW／m2輻射熱強(qiáng)度下熱釋放速率曲線Fig.2 HRR curves of cable samples at heat radiation intensity by 35kW／m2 and 50kW／m2

2.2 樣品熱釋放速率CONE測試結(jié)果

從圖2我們可以看出，電纜的燃燒普遍存在2個熱釋放速率峰值，第一個峰值是以護(hù)套材料發(fā)生燃燒為主的峰值，第二個峰值是絕緣材料發(fā)生燃燒為主的峰值；8種不同類型電纜燃燒熱釋放速差異很大。橡膠電纜的熱釋放速率峰值最高，最高達(dá)到了533.8kW／m2，基本是護(hù)套采用PVC材料電纜的三倍，聚烯烴阻燃電纜的五倍；四種類型電纜點燃時間（IT）排序是，聚烯烴無機(jī)阻燃電纜＞橡膠電纜＞聚氯乙烯電纜阻燃耐火電纜＞聚氯乙烯電纜。

圖3 電纜樣品在35kW／m2、50kW／m2輻射強(qiáng)度下熱釋放速率對比曲線Fig.3 The cpmparison of HRR curves of cable samples at heat radiation 35kW／m2 and 50kW／m2

從圖3可以看出，相同電纜在35kW／m2和50kW／m2兩種熱輻射強(qiáng)度下電纜的燃燒的幾個階段基本相同，不同體現(xiàn)在點燃時間（IT）的不同以及最大熱釋放速率（PHRR），普遍是輻射強(qiáng)度越大，點燃時間越短，熱釋放速率峰值越高，但是樣品YC 5×1.5出現(xiàn)例外，在50kW／m2輻射強(qiáng)度下，橡膠電纜熱釋放速率峰值比35kW／m2輻射強(qiáng)度下要低，這可能是高熱輻射強(qiáng)度下，橡膠高分子更容易脫氫成碳，造成燃燒不完全的原因。ZCKVVP22 10×1.5和ZCNKVV22 8×1.5，與其它PVC電纜相比，燃燒峰值高一些，燃燒更猛烈一些。這是因為鋼鎧電纜中鋼帶的存在不利于在PVC表層形成有效的阻火炭化層，使材料整體阻燃過程發(fā)生了改變。同時對比ZCKVVP22 10×1.5和ZCNKVV22 8×1.5兩種電纜熱釋放速率曲線，可以發(fā)現(xiàn)ZCNKVV22 8×1.5比ZCKVVP22 10×1.5熱釋放速率峰值更高，這是因為ZCKVVP22 10×1.5具有一層不燃的屏蔽層，一定程度上阻止了絕緣層的分解。

表3 錐形量熱儀樣品數(shù)據(jù)Table 3 The data of samples from CONE Calorimeter（輻射熱通量為35kW／m2）

從表3，我們可以看到8種電纜樣品的在35kW／m2，50kW／m2兩種輻射強(qiáng)度下，TTI，PHRR，EHC等數(shù)據(jù)，這可以讓我們更加詳細(xì)的了解以上電纜的燃燒特性。EHC是一個非常有用的參數(shù)，可以通過它了解材料的熱釋放能力，50kW／m2輻射強(qiáng)度下，普通的PVC護(hù)套PVC絕緣電纜，EHC在14MJ／kg左右，ZCN-YJV 4×25＋1×16，PVC護(hù)套聚烯烴絕緣電纜EHC是21.2MJ／kg，EHC在14MJ／kg左右。YC 5×1.5EHC是27.9MJ／kg，HKEJE-K3電纜在21.5左右。

從圖4可以看到ZCN-YJV4×25＋1×16、YC 5×1.5、HKEJE-K3（藍(lán)色）這三種不同類型電纜CO、CO2濃度曲線。ZCN-YJV電纜點燃后CO濃度迅速達(dá)到峰值（390PPm），隨后一路下降.CO2的峰值略晚于CO到達(dá)峰值時間，濃度為0.3%，隨后下降保持在0.2%左右。YC電纜CO、CO2濃度曲線基本相似，點燃后CO、CO2濃度曲線與熱釋放速率曲線基本相似先出現(xiàn)一個峰值，隨后產(chǎn)生一個更高的峰值，CO最高濃度達(dá)到495ppm，CO2濃度達(dá)到1.1%。HKEJE-K3電纜CO生成量非常低，一直在40ppm以下，CO2的生成量也非常低，最高不超過0.2%。

2.3 MCC和CONE測試結(jié)果相關(guān)性研究

在CONE實驗中的HRR曲線主要是由兩個峰組成，而在MCC中的曲線中只出現(xiàn)了一個峰。之所以出現(xiàn)這種區(qū)別，是由于CONE和MCC的測試對象差異造成的。CONE試驗中電纜的起火燃燒過程分為二個階段，首先是電纜束上表面的護(hù)套材料起火燃燒，然后是內(nèi)層絕緣材料和下表面護(hù)套材料的燃燒。而MCC測試的是電纜護(hù)套材料，所以只有一個峰值。

圖4 三種典型電纜在50kW／m2輻射熱通量下CO、CO2濃度曲線Fig.4 The Concentration curves of CO and CO2of 3typical cables in heat radiation flux by 50kW／m2

圖5 材料點燃溫度與35kW／m2、50kW／m2輻射強(qiáng)度下點燃時間關(guān)系圖Fig.5 Ralevance between ignition temperature and ignition time at different heat radiation注：材料的點燃溫度由MCC直接測量得到。

MCC測試數(shù)據(jù)與純的高分子聚合物燃燒行為吻合的很好［8－10］，Richard E.Lyon（2007）［11］等人的研究結(jié)果也表明純的高分子聚合物熱釋放速率峰值（PHRR）與MCC測得點燃溫度（IT）之間存在很好的線性關(guān)系，但是通過對電纜的錐形量熱儀和MCC測試結(jié)果分析，兩者之間并不存在線性相關(guān)的關(guān)系。主要原因是電纜結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在多層結(jié)構(gòu)，而且電纜各層中材料燃燒性能不同，而且材料中包含有大量的添加劑和阻燃劑，同時電纜樣品在錐形量熱儀測試中多根捆綁在一起，受熱面不是一個完整平面對其也有一定影響。

本文通過對MCC電纜樣品進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)電纜點燃時間（TTI）與MCC測得點燃溫度（IT）之間線性相關(guān)（見圖5），并且在50kW／m2輻射強(qiáng)度下相關(guān)性非常好，這說明MCC獲得的點燃溫度數(shù)據(jù)，可以較好的預(yù)測電纜的點燃時間。

3 結(jié)論

1）錐形量熱儀實驗中電纜樣品燃燒過程與護(hù)套與絕緣的材料密切相關(guān)，也與電纜結(jié)構(gòu)密不可分。電纜護(hù)套和絕緣層之間如果有一層屏蔽層或包裹層，將有效降低第二個熱釋放速率峰值，熱釋放速率曲線相對更加平穩(wěn)。

2）錐形量熱儀實驗中電纜護(hù)套材料對電纜第一階段燃燒行為密切相關(guān)，護(hù)套材料相同而結(jié)構(gòu)、大小不同的PVC電纜，點燃時間和第一個熱釋放速率峰值以及相對應(yīng)的時間基本一致。

3）無機(jī)阻燃劑的添加比例對聚烯烴阻燃材料的點燃溫度影響較小，對熱釋放速率影響較大。同時，交聯(lián)聚烯烴無機(jī)阻燃電纜與聚烯烴無機(jī)阻燃電纜相比，護(hù)套交聯(lián)之后可以提高其點燃溫度，同時降低第一個熱釋放速率峰值。

4）聚烯烴無機(jī)阻燃材料生產(chǎn)的電纜能夠有效降低熱釋放速率峰值，CO2，CO氣體釋放量也明顯低于橡膠電纜和PVC電纜，同時在加熱過程中不產(chǎn)生HCl氣體，更加安全、環(huán)保。

5）電纜錐形量熱儀與微燃燒量熱儀（MCC）相關(guān)性研究中，MCC測得的點燃溫度（IT）與錐形量熱儀50kW工況下得到點燃時間相關(guān)性較好，而與熱釋放速率峰值之間相關(guān)性較差。

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Study on the burning behavior of representative cables by tests of CONE calorimeter and Microscale Combustion calorimeter

FU Qiang1，2，ZHANG He-ping1，GONG Lun-lun1，HUANG Dong-mei1

（1.State Key Laboratory of Fire Science，University of Science and Technology of China，Hefei 230026，China；2.Wuhan Municipal Detachment of Public Security of Fire Control，Wuhan，430000，China）

This paper presents an experimental study of the burning behavior of representative cables by using the CONE calorimeter and the Microscale Combustion calorimeter.Test results have shown that there are some underlying relations on the burning behavior among cables with different shelter materials.Cables with the same shelter materials but with different structures and models showed similar ignition times，first-peak heat release rates and corresponding times.As compared to YC cable，PVC cable and retardant PVC cable，the cable with inorganic flame retardant of Polyolefin can effectively reduce Peak-Heat release rate（PHRR）and the release rates of CO and CO2.There is some correlation between the test data of the two calorimeters.Microscale Combustion calorimeter test data can forecast well the first combustion phase in the CONE calorimeter.

Cable；CONE calorimeter；Microscale Combustion calorimeter；Burning behavior

X913.4；TM246；X915.5

A

1004-5309（2012）-0013-08

2011-12-05；修改日期：2012-01-09

付 強(qiáng)（1982-），男，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點實驗室博士研究生。研究方向：電纜燃燒特性研究。