基于桶式環(huán)形加熱的阻燃電纜細(xì)觀豎直燃燒特性研究實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

龔 泰，黃鑫炎，謝啟源*

(1.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥，230026; 2.加州大學(xué)伯克利分校機(jī)械工程系，加利福尼亞，94720)

0 引言

用于電力輸送、信號(hào)傳遞的電線電纜在工業(yè)化、信息化社會(huì)中廣泛使用，對(duì)于保持經(jīng)濟(jì)快速增長態(tài)勢的我國更是如此，每年均有大量電線電纜生產(chǎn)并投入使用。2014年，我國僅電力電纜產(chǎn)量已高達(dá)5 570.37萬千米，比2013年增長了32.8%[1]。然而，密集敷設(shè)的電纜往往是建筑物內(nèi)的重要火災(zāi)載荷之一，且其敷設(shè)過程通常需要“穿墻破洞”，導(dǎo)致其火與煙氣蔓延速度迅速。近年來，電纜燃燒引起的火災(zāi)事故時(shí)有發(fā)生[2-4]。此外，電纜燃燒時(shí)往往釋放出大量有毒煙氣，對(duì)建筑內(nèi)的人員安全造成較大威脅。因此，消防設(shè)計(jì)規(guī)范不斷提高建筑內(nèi)使用電纜的阻燃要求，對(duì)于核電廠、特級(jí)、一級(jí)等重要場所，非阻燃電纜已被禁止采用[5]。

對(duì)阻燃電纜的火響應(yīng)特性研究與阻燃耐火等級(jí)劃分是新型阻燃電纜研發(fā)全過程中的重要一環(huán)，現(xiàn)有的研究主要分為兩大類。其一，是基于標(biāo)準(zhǔn)檢測設(shè)備的研究，重點(diǎn)在于阻燃電纜的品質(zhì)檢測與分級(jí)；另一類，則主要是科研人員，基于所針對(duì)的某一項(xiàng)基礎(chǔ)或工程問題，自行設(shè)計(jì)非標(biāo)實(shí)驗(yàn)研究裝置，重點(diǎn)在于揭示其中的傳熱與燃燒機(jī)理。我國電纜檢測與分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)主要包括：GB/T 18380-2008[6]、GB/T 12666-2008[7]以及GA 306.1-2007[8]等，此外，最近制定了一個(gè)關(guān)于電纜燃燒性能檢測的新標(biāo)準(zhǔn)，即《電纜及光纜燃燒性能分級(jí)》GB 31247-2014[9]。該標(biāo)準(zhǔn)基于電纜材料的熱焓值、火焰蔓延長度、熱釋放速率、產(chǎn)煙速率和煙密度等參數(shù)的測量，將電纜劃分為A(不燃)，B1(阻燃B1級(jí))，B2(阻燃B2級(jí))和B3(普通) 四個(gè)等級(jí)。而關(guān)于電纜外層聚合材料的燃燒特性與阻燃分級(jí)方面，極限氧指數(shù)(LOI)法和基于單側(cè)輻射熱源的點(diǎn)燃與火蔓延性能試驗(yàn)方法[10](ASTM E1321-13)是國際上常用的方法，其中極限氧指數(shù)法包括室溫試驗(yàn)[11](ISO 4589-2)和高溫試驗(yàn)[12](ISO 4589-3)。關(guān)于基于自制非標(biāo)實(shí)驗(yàn)裝置，針對(duì)電纜的研究方面， Fernandez-Pello等[13]采用氣體火源，將其制作成平面加熱器，針對(duì)多種電纜樣品在單側(cè)受熱條件下，研究了其點(diǎn)燃與燃燒特性。FM Global的Tewarson和Khan[14]采用四塊紅外加熱器，構(gòu)成小尺度局部加熱條件，針對(duì)豎直電纜的底部進(jìn)行局部加熱，從而分析電纜的底部引燃特性及其向上蔓延燃燒規(guī)律。Miyamoto等[15]通過三根12.7 cm高的鹵素?zé)艄埽槍?duì)短電纜樣品，研究了其小尺度火焰蔓延與熄火行為。

現(xiàn)有的國內(nèi)外各類電纜檢測標(biāo)準(zhǔn)與自制實(shí)驗(yàn)研究裝置，對(duì)于電纜耐火分級(jí)、燃燒特性研究以及新型阻燃、特種電纜的設(shè)計(jì)，起到了重要的推動(dòng)作用。然而，針對(duì)當(dāng)前國內(nèi)外越來越廣泛使用的阻燃電纜，綜合深入研究其在各種受熱環(huán)境下的外層阻燃聚合材料的膨脹、相變、熔融滴落、引燃及火焰蔓延耦合機(jī)理的研究卻依然少見，性能優(yōu)異的新型阻燃電纜的設(shè)計(jì)，不僅涉及材料科學(xué)、阻燃技術(shù)，更與阻燃聚合材料在不同受熱環(huán)境下的綜合形態(tài)相態(tài)演變、軸向和法相傳熱傳質(zhì)多因素耦合相關(guān)。為此，本文從電纜這種“外層聚合物包覆內(nèi)層金屬線芯”的幾何結(jié)構(gòu)出發(fā)，設(shè)計(jì)了一種環(huán)形桶式加熱與燃燒腔室，以期通過對(duì)電纜在不同受熱條件下的內(nèi)外溫升、形態(tài)變化、相態(tài)變化、熱解引燃及燃燒蔓延等材料細(xì)觀熱學(xué)行為的深入分析，不僅揭示當(dāng)前阻燃電纜的詳細(xì)耐火性能，特別是為特種建筑場所(如：核電站、通訊機(jī)房等)所要求的高可靠度電纜選型與認(rèn)證提供底層詳細(xì)數(shù)據(jù)；也為了下一代新型阻燃電纜的設(shè)計(jì)，從材料傳熱與燃燒角度，給出其中的材料關(guān)鍵參數(shù)與內(nèi)外結(jié)構(gòu)要點(diǎn)。

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

1.1 整體結(jié)構(gòu)

圖1給出了阻燃/難燃材料環(huán)形桶式加熱與燃燒特性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的整體結(jié)構(gòu)，圖2給出了研制完畢的實(shí)物照片?？梢?，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由三個(gè)部分組成：半封閉環(huán)形桶式加熱與燃燒腔室、樣品豎直固定模塊和測量系統(tǒng)。以下逐一進(jìn)行介紹。

圖1 阻燃/難燃材料環(huán)形桶式加熱與燃燒特性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的整體結(jié)構(gòu)Fig. 1 Sketch of the annular experimental facility for heating and burning mechanisms of flame-retardant materials

圖2 阻燃/難燃材料環(huán)形桶式加熱與燃燒特性實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物圖Fig. 2 Photo of the annular experimental facility for heating and burning mechanisms of flame-retardant materials

半封閉桶式環(huán)形加熱與燃燒腔室高130 cm，其內(nèi)部水平圓形橫截面的直徑為40 cm。加熱與燃燒腔室的外層為不銹鋼殼體，其內(nèi)壁嵌貼一層6.5 cm厚的莫來石隔熱磚，用以隔離腔室內(nèi)外傳熱。沿著不銹鋼殼體內(nèi)的圓桶形莫來石隔熱層側(cè)，均勻豎直布設(shè)9個(gè)U型硅碳棒，即，共計(jì)18支直徑為2.5 cm的圓柱形硅碳棒均勻分布，每支硅碳棒的有效加熱區(qū)長約120 cm。U型硅碳棒的底部段主要用于電流連通，非有效發(fā)熱段。如圖2所示，U型硅碳棒的采用，使得整個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的電纜接頭均處于加熱燃燒腔室上方區(qū)域，所需接頭數(shù)量減半且接線方便簡潔，燃燒腔室上方采用一個(gè)隔離罩將整個(gè)接線區(qū)隔離，降低了實(shí)驗(yàn)裝置強(qiáng)用電危險(xiǎn)性。此外，隔離罩的上頂面板為多孔結(jié)構(gòu)，電線接頭所發(fā)熱量可及時(shí)通過對(duì)流逸散出，避免了電線接頭區(qū)域局部過熱接頭焦化等事故，進(jìn)一步提高了整體實(shí)驗(yàn)裝置的安全性。

樣品豎直固定模塊主要用于固定待測電纜樣品，使其位于桶式加熱燃燒腔室的中軸位置。同時(shí)，如圖2所示，該模塊通過橫梁架構(gòu)，將位于腔室中軸位置的電纜樣品在受熱、燃燒過程中的質(zhì)量變化，傳遞至放置于加熱燃燒腔室外的電子天平，整個(gè)固定模塊與電纜樣品的接觸均為剛性連接，確保質(zhì)量采集過程的精確性與穩(wěn)定性。電子天平外置于腔室的布設(shè)與測量方式，是為了預(yù)防腔室內(nèi)的高溫環(huán)境可能對(duì)電子天平造成損壞，也是為了避免待測電纜受熱與燃燒中可能形成的聚合物融液的滴落燃燒帶來的引燃危險(xiǎn)。

本實(shí)驗(yàn)裝置的測量系統(tǒng)主要監(jiān)測的參數(shù)包括：樣品內(nèi)外表面及環(huán)境溫度場、樣品質(zhì)量變化、加熱燃燒腔室中軸線熱流、樣品加熱膨脹與燃燒視頻等。其中，溫度測量主要是通過3列熱電偶進(jìn)行，即，如圖1與圖2所示，在加熱燃燒腔室側(cè)壁的3個(gè)軸向位置各開18個(gè)小孔，各小孔穿入空心陶瓷細(xì)管，熱電偶穿過空心陶瓷細(xì)管進(jìn)入腔室。陶瓷細(xì)管不僅有利于各熱電偶的空間定位，還可保護(hù)熱電偶，同時(shí)將熱電偶與腔室外壁金屬表面進(jìn)行絕緣隔離。待測樣品的質(zhì)量變化，如前所述，主要是通過位于加熱燃燒腔室外的電子天平測量。如圖2所示，桶式加熱燃燒腔室的側(cè)壁并未閉合，而是留有寬度約為15 cm的豎直開口。待測電纜的形態(tài)變化與燃燒特性的拍攝、以及熱流計(jì)、脈沖式電火花的布置，都是通過該豎直窄口進(jìn)行的。各傳感器的終端信號(hào)傳輸至數(shù)據(jù)采集器，由計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)采集。

基于該裝置的各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)研究，最重要的輸入?yún)?shù)為加熱燃燒腔室內(nèi)的加熱功率大小及其變化曲線，這主要是通過控制柜調(diào)節(jié)電加熱棒的接通電壓來改變。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可主要提供兩種加熱模式：變熱流加熱和恒熱流加熱，兩種加熱方式的具體操作流程分別如下所述。

A．變熱流加熱模式：

該加熱模式模擬的是阻燃電纜在火災(zāi)中可能受到的實(shí)際加熱過程，即，目標(biāo)材料的近鄰出現(xiàn)不斷增強(qiáng)的火源，或者一個(gè)不斷蔓延靠近的熱源；抑或是，針對(duì)火焰蔓延過程中，火焰前鋒未燃區(qū)域的材料所受到的預(yù)熱過程。這種受熱過程的模擬，主要是利用加熱燃燒腔室內(nèi)，硅碳棒接通一定值的電壓之后，其加熱功率不斷增大直至穩(wěn)定峰值的階段。硅碳棒的設(shè)定電壓不同，腔室內(nèi)中軸位置所受輻射加熱功率的變化曲線也各異，對(duì)應(yīng)于不同增長速率的變熱流加熱過程。

B．恒熱流加熱模式：

該加熱模式模擬的是一種理想穩(wěn)定的加熱過程，這種加熱模式下的所測數(shù)據(jù)，與變熱流條件下的測試結(jié)果相比，分析相對(duì)容易，有利于引燃、火焰蔓延等理論與經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕⒑蜆?biāo)準(zhǔn)測試的重復(fù)。此時(shí)，利用的是加熱腔室內(nèi)當(dāng)熱流達(dá)到恒定之后的加熱過程，不同的接通電壓，可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定階段的不同恒定加熱熱流。

圖3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)熱流測量實(shí)驗(yàn)布置圖Fig. 3 Configuration of the radiant heat flux measurement of the experimental facility

1.2 加熱燃燒腔室熱流標(biāo)定

在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)之前，需要對(duì)加熱燃燒腔室內(nèi)中軸線位置所受熱流功率進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定實(shí)驗(yàn)中使用的輻射熱流傳感器為水冷STT-25-20型，具體布設(shè)位置與方式，如圖3所示。圖4給出了5種加熱功率條件下，位于豎直中軸線中部位置所測熱流的變曲線，即，分別為50%、55%、60%、70%和80%全加熱功率的工況，其中，環(huán)境的起始溫度為Ta,0= 30 ℃。此外，針對(duì)加熱腔室豎直中軸線不同高度位置上的熱流的測量結(jié)果表明，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的中軸線上的熱流分布基本均勻，中部區(qū)域值最大，下端和上端位置熱流值相對(duì)偏小，尤其是下端位置。因此，當(dāng)進(jìn)行10 cm長度以內(nèi)的阻燃電纜短樣品的受熱膨脹與引燃機(jī)理研究時(shí)，其上下所受輻射熱流分布均勻性較高。

圖4 不同電加熱功率下加熱腔室內(nèi)中軸線中部位置的輻射熱流曲線Fig. 4 Curves of the radiant heat flux at the axial location(middle height) of the heating chamber under varied electric heating power

如圖4所示，各電加熱功率條件下加熱腔室內(nèi)中軸線中部位置所受輻射熱流大小呈二次函數(shù)增大特征。隨著設(shè)定電加熱功率的增大，其穩(wěn)定熱流值越大，所需穩(wěn)定時(shí)間越短，即越快達(dá)到加熱腔室內(nèi)的較大恒定熱流。各個(gè)功率下擬合得到的拋物線規(guī)律方程結(jié)果如下：

基于一元二次函數(shù)方程，可用式(1)對(duì)其熱流增大過程進(jìn)行擬合，即:

(1)

其中，qr(t)為加熱燃燒腔室中軸線位置所接收的輻射熱流，kW/m2；a為擬合參數(shù)；t為電加熱器開啟時(shí)間，s；tp為達(dá)到恒定熱流的時(shí)間，s；qr,p為該功率下輻射熱流達(dá)到的恒定值(最大值)，kW/m2。各功率下擬合得到的特征參數(shù)值如表1所示。

表1中qc,p為自然對(duì)流狀態(tài)下熱流標(biāo)定實(shí)驗(yàn)中最大對(duì)流加熱功率估算值(kW/m2)，通過腔內(nèi)氣流溫度與傳感器溫度的差值估算而來，對(duì)流換熱系數(shù)取10 W/(m2·K)。可見，加熱腔室內(nèi)，輻射熱流占主體。

表1 各電加熱功率下中軸線位置所接受輻射熱流增加曲線的特征參數(shù)值

圖5 50%電加熱功率條件下1 m長阻燃電纜引燃與向上火焰蔓延過程Fig. 5 Ignition and vertical flame spread of the 1 m-length flame-retardant cable under 50% full electric heating power

2 阻燃電纜測試結(jié)果

基于本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，針對(duì)當(dāng)前廣泛使用的阻燃電纜典型型號(hào)之一，即ZR-YJV型單芯阻燃銅芯電纜，外徑為2.2 cm，其外護(hù)套層為PVC，中間絕緣層為XLPE。將長度為1米的該型號(hào)電纜置于加熱腔室中軸位置，在50%電熱加熱功率條件下，在腔室內(nèi)加熱一段時(shí)間之后，原本在常規(guī)條件下，采用較大點(diǎn)火源均無法引燃的阻燃電纜，此時(shí)，卻輕易被置于其下方的小油池火所引燃，且迅速形成向上蔓延的猛烈燃燒。圖5給出了，伴隨著阻燃電纜的受熱與燃燒過程中外護(hù)套層和絕緣層形態(tài)的變化，電纜向上豎直燃燒過程還呈多階段發(fā)展等特征?？梢?，阻燃電纜的燃燒特性研究，采用不同的引火源進(jìn)行作用與點(diǎn)燃，從而分析其可燃性與燃燒性是一種方式；而本文中所研制的基于環(huán)形桶式加熱燃燒腔室的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過對(duì)阻燃電纜施加各樣的預(yù)加熱作用，更能深入分析其細(xì)觀的引燃與蔓延燃燒特征，為此類特殊材料的燃燒模型建立與新型產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供新思路。

圖6 80%電加熱功率條件下10 cm長阻燃電纜膨脹、破裂與自燃過程Fig. 6 Swelling, crack and spontaneous ignition of the 10 cm-length flame-retardant cable under 80% full electric heating power

此外，針對(duì)阻燃電纜短樣品，基于本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，則更有利于深入細(xì)致分析阻燃電纜表面受熱形變、熱解、熔融、破裂與引燃等特性。以80%電功率為例，如圖6所示，10 cm長ZR-YJV電纜樣品位于加熱腔室中軸線中部位置受熱時(shí)，短時(shí)間(6分鐘)內(nèi)就表現(xiàn)出急劇膨脹、破裂現(xiàn)象。如圖7給出了一個(gè)電纜受熱膨脹過程分析示意圖，通過分析電纜外表面膨脹位置的變化與表面溫度、質(zhì)量損失、突變引燃

等相關(guān)特性，從而研究阻燃電纜這種多層聚合材料真實(shí)耐火特性，建立適用于阻燃電纜的引燃模型。

圖7 阻燃電纜短樣品受熱膨脹及幾何特性定量分析示意圖Fig. 7 Schematic diagram of the quantitative analysis on the swelling and geometrical characteristic of the short cable samples

3 結(jié)論

本文針對(duì)阻燃電纜及其它柱形難燃材料的細(xì)觀耐火與燃燒特性研究，研制了基于環(huán)形桶式加熱燃燒腔室的綜合模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，詳細(xì)介紹了本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)成、輸入?yún)?shù)標(biāo)定、實(shí)驗(yàn)測量參數(shù)等，并給出了典型阻燃電纜的實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果。結(jié)果表明，本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)加熱燃燒腔室內(nèi)可提供熱流通量最大值可達(dá)80 kW/m2，能夠?qū)ψ枞茧娎|及其它阻燃材料的耐火特性進(jìn)行細(xì)觀測試，彌補(bǔ)了各類阻燃電纜檢測標(biāo)準(zhǔn)往往僅針對(duì)測試分級(jí)而忽略電纜詳細(xì)熱響應(yīng)特征的不足。多種加熱模式，為阻燃電纜等難燃材料實(shí)際燃燒性能測試提供了多模式診斷方法。針對(duì)阻燃材料火災(zāi)性能的研究，不僅對(duì)于各類場所火災(zāi)危險(xiǎn)性的分析、火焰蔓延機(jī)理研究與模型建立具有重要意義，而且，對(duì)于新型阻燃產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，也具有重要的指導(dǎo)作用。

[1] 智研咨詢集團(tuán). 2015-2020年中國電線電纜產(chǎn)業(yè)深度調(diào)研與投資前景分析報(bào)告[EB/OL]. 中國產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng), http://www.chyxx.com/research/201509/345526.html, 2015-09-21.

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[5] GB 50745-2012, 核電廠常規(guī)島設(shè)計(jì)防火規(guī)范[S].

[6] GB/T 18380.11-2008, 電纜和光纜在火焰條件下的燃燒試驗(yàn)第11部分: 單根絕緣電線電纜火焰垂直蔓延試驗(yàn)試驗(yàn)裝置[S].

[7] GB/T 12666.1-2008, 單根電線電纜燃燒試驗(yàn)方法第1部分: 垂直燃燒試驗(yàn)[S].

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[9] GB 31247-2014, 電纜及光纜燃燒性能分級(jí)[S].

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