典型戊類倉庫火災(zāi)危險性試驗研究

宋 波，楊丙杰，李 毅，劉 欣，于東興

(公安部天津消防研究所，天津，300381)

0 引言

戊類倉庫是指倉庫內(nèi)儲存物品為不燃燒物品的倉庫。通常情況下，其火災(zāi)荷載較低，發(fā)生火災(zāi)后造成的損失和影響較小，根據(jù)FM Global的統(tǒng)計資料，自1964年～2013年，針對難燃物品倉庫的火災(zāi)案例共1573起(僅考慮純倉儲，不涉及廠房內(nèi)的中間倉庫)，平均每年發(fā)生火災(zāi)31起。我國目前尚無針對戊類倉庫的火災(zāi)統(tǒng)計資料，但根據(jù)《中國消防年鑒》(2009～2014)年的火災(zāi)統(tǒng)計表明，倉庫場所每年發(fā)生火災(zāi)的起數(shù)為總起數(shù)的2.1%～5.4%，造成的財產(chǎn)損失占總損失的16.3%～22.6%，這也從一個側(cè)面也反映出戊類倉庫的火災(zāi)形勢。

基于戊類倉庫的火災(zāi)危險性較低，我國現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑設(shè)計防火規(guī)范》(GB50016-2014，以下簡稱“《建規(guī)》”)對于該類場所設(shè)防要求的規(guī)定較為寬松，如以消防設(shè)施的設(shè)置為例，《建規(guī)》僅規(guī)定丁類高架和高層倉庫應(yīng)設(shè)置自動噴水滅火系統(tǒng)，并未要求設(shè)置火災(zāi)自動報警系統(tǒng)，而所有戊類倉庫均可不設(shè)置自動噴水滅火系統(tǒng)和火災(zāi)自動報警系統(tǒng)[1]。

為研究戊類倉庫的火災(zāi)危險性，本文以典型戊類倉庫為研究對象，通過搭建模擬該場所的火災(zāi)試驗?zāi)Ｐ停_展了不同質(zhì)量外包裝材料和有無木托盤承托等情況下的實體火災(zāi)研究，以定量分析該類倉庫的火災(zāi)危險性，研究其自動噴水滅火系統(tǒng)的設(shè)置必要性，并為后期開展自動噴水滅火系統(tǒng)滅火試驗提供基礎(chǔ)支撐。

1 火災(zāi)危險性劃分方式對比

對于以儲存固體物質(zhì)為主的倉庫的火災(zāi)危險性分類，《建規(guī)》主要根據(jù)儲存物品自身的燃燒性能，分為丙、丁、戊3級，分別指可燃固體、難燃燒物品和不燃燒物品。但目前我國尚缺乏對于難燃或不燃物品的試驗鑒定標(biāo)準(zhǔn)，也尚未有對應(yīng)的詳細(xì)物品名錄。對于判定某類倉庫的火災(zāi)危險性，大多依據(jù)其儲存物品的火災(zāi)特性進(jìn)行定性判定。同時，《建規(guī)》又進(jìn)一步規(guī)定，“丁、戊類儲存物品倉庫的火災(zāi)危險性，當(dāng)可燃包裝重量大于物品本身重量的1/4或可燃包裝體積大于物品本身體積的1/2時，應(yīng)按丙類確定”。

美國FM Global財產(chǎn)防損數(shù)據(jù)冊《儲存物品分級》(FMDS8-1)中，重點考慮了儲存物品自身的材質(zhì)(含內(nèi)包裝)、物品外包裝以及承托的托盤類型等3個方面的因素，該標(biāo)準(zhǔn)將倉庫分為8級，危險程度從低到高依次為不可燃、Class1～Class4、箱裝塑料(發(fā)泡和不發(fā)泡)、無包裝塑料(發(fā)泡和不發(fā)泡)，其中Class4與箱裝不發(fā)泡塑料為一個等級[2]。

表1為兩個標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于倉庫火災(zāi)危險性的對比。通過對比可知，二者都重點考慮了儲存物品本身的燃燒特性和其包裝材質(zhì)的特點。不同的是，《建規(guī)》中并未對外包裝材料和托盤的材質(zhì)做進(jìn)一步的分類?！秲Υ嫖锲贩旨墶穭t重點考慮了儲存物品本身的材質(zhì)(含內(nèi)包裝)、物品外包裝材質(zhì)以及承托托盤的類型等因素。

表1 不同標(biāo)準(zhǔn)的對比

2 試驗研究

2.1 試驗基本情況

戊類倉庫內(nèi)儲存的不燃物品以及包裝材料多種多樣，根據(jù)前期調(diào)研結(jié)果，典型的儲存物品有金屬制品、陶瓷制品、水果蔬菜以及建筑材料等；包裝材料有紙箱、木板箱和塑料箱包裝(盛裝)；采用的托盤類型有木托盤、塑料托盤和金屬托盤等[3]。本文以采用木托盤承托、以紙箱為外包裝材料且儲存物品為金屬制品的倉庫為典型戊類倉庫，通過構(gòu)建該條件下的火災(zāi)試驗?zāi)Ｐ停_展了不同質(zhì)量百分比和是否采用木托盤承托等工況下的火災(zāi)燃燒特性試驗(表2)。

表2 試驗條件

試驗在大型量熱器下(圖1)進(jìn)行，該設(shè)備由管路、測量段、分析儀器、除塵器、風(fēng)機(jī)和煙囪等組成。其中分析儀器用于標(biāo)定和校核氣體、分析煙氣的成分以及計算煙氣的流量和溫度等，進(jìn)而計算出火災(zāi)熱釋放速率[4]。

圖1 大型量熱器Fig. 1 Full scale fire test calorimeter

2.2 火災(zāi)試驗?zāi)Ｐ痛罱?/h3>

2.2.1 火災(zāi)試驗?zāi)Ｐ蛦误w的確立

為保證試驗具有較好的可對比性和再現(xiàn)性，本文選取“紙箱-金屬箱組合”構(gòu)成火災(zāi)試驗?zāi)Ｐ蛦误w，試驗中將金屬箱放置在紙箱內(nèi)，金屬箱規(guī)格為495 mm×495 mm×492 mm，重9.9 kg，紙箱規(guī)格為500 mm×500 mm×500 mm(圖2)。每次試驗通過改變紙箱的重量調(diào)節(jié)外包裝材料與物品自身重量的百分比，并確保紙箱與金屬箱的質(zhì)量比不超過《建規(guī)》規(guī)定。

圖2 火災(zāi)試驗?zāi)Ｐ蛦误wFig. 2 Fire test model unit

2.2.2 火災(zāi)試驗?zāi)Ｐ蜆?gòu)建

為研究點火后火焰分別沿橫向、縱向和豎向蔓延的影響，火災(zāi)試驗?zāi)Ｐ筒捎?層貨架布置，每層放置8組堆垛，按2×4布置，組間距均為0.15 m。每個堆垛上放置8個試驗?zāi)Ｐ蛦误w，按2×2×2擺放(圖3)。

圖3 火災(zāi)試驗?zāi)Ｐ虵ig. 3 Fire test model

2.3 試驗測點布置

試驗中，點火位置位于火災(zāi)試驗?zāi)Ｐ褪讓诱行摹檠芯吭囼災(zāi)Ｐ忘c燃后對相鄰貨架以及走道另一側(cè)貨架的影響，試驗在不同位置處分別布置了熱電偶和熱流計(圖4)，布置如下：

圖4 試驗測點平面布置Fig. 4 Plan view of test measure point

2.4 試驗過程描述

2.4.1 工況1

本工況采用木托盤承托，外包裝紙箱為AB楞，該類紙箱為雙層瓦楞，厚度較厚，有較大的緩沖力。點火后，前1 min主要是紙箱參與燃燒，由于通風(fēng)條件良好，很快蔓延至二層貨架，110 s時，上層貨架的4個托盤完全燃燒。6 min 20 s時，火勢逐漸減小，上部托盤和紙箱幾乎完全燒光。試驗共持續(xù)了12 min，之后人工進(jìn)行干預(yù)。

從整個試驗過程來看，木托盤在整個火災(zāi)過程中貢獻(xiàn)了較大的火災(zāi)規(guī)模，并且火焰蔓延速度和火災(zāi)增長速率均較快，圖5為本次試驗的主要情形。

圖5 試驗過程Fig. 5 Test course

2.4.2 工況2

本工況沒有采用木托盤承托，其余條件與工況1相同。點火后1 min 30 s時間內(nèi)，火勢一直呈豎向燃燒，火焰最高高度約為4 m。1 min 30 s后，第二層的貨架開始向水平方向蔓延；1 min 56 s，上層貨架中間4個堆垛全面參與燃燒，并向相鄰最外側(cè)的4個堆垛蔓延；2 min 30 s時，第二層的8個堆垛完全參與燃燒，此時火災(zāi)規(guī)模達(dá)到最大；2 min 50 s時，第一層的8個堆垛也全部燃燒。本次試驗共持續(xù)了20 min，所有紙箱幾乎全部燒盡，自行熄滅，沒有人工干預(yù)滅火。

本次試驗由于沒有木托盤，整個試驗過程火勢燃燒較為平穩(wěn)，雖然火災(zāi)規(guī)模和蔓延速度均較工況1降低，但火災(zāi)規(guī)模和火災(zāi)增長速率仍然較高。

2.4.3 工況3

本工況在工況2的基礎(chǔ)上進(jìn)一步降低了紙箱的質(zhì)量，采用B楞紙箱包裝，該包裝材料也適合包裝較重和較硬的物品，多用于瓶裝物品等的包裝。點火后，初期火災(zāi)規(guī)模較小，1 min時才引燃二層貨架紙箱的外表面；1 min 40 s后，第二層的貨架開始向水平方向蔓延；2 min 20 s時，上層貨架的中間4個堆垛全面參與燃燒；2 min 40 s時，火焰蔓延至二層貨架最外側(cè)的4個堆垛；5 min 30 s時，二層的中間4個堆垛幾乎燒盡，此時最外側(cè)的4個堆垛仍在燃燒；7 min 25 s，下層中間4個堆垛的外表面開始燃燒。

整個試驗過程共持續(xù)20 min，火勢蔓延速率較工況2慢，火災(zāi)規(guī)模也一直較小。

2.4.4 工況4

與工況3相比，本工況在紙箱質(zhì)量不變的情況下，改變了紙箱的構(gòu)造，采用E楞紙箱，該類紙箱更薄更堅硬，主要用于折疊紙盒以增加緩沖性。點火后5 min～8 min，火勢僅在首層貨架的中間4個堆垛燃燒，幾乎自行熄滅。到14 min 30 s時才引燃二層貨架，此時由于空氣條件良好，火勢有所增大，但由于燃燒不均勻，火勢朝一側(cè)蔓延的速度稍快，至試驗結(jié)束，也僅有首層最外側(cè)的2個堆垛燃燒，火災(zāi)規(guī)模一直較小。

本次試驗共持續(xù)了35 min，由于該類紙箱密實度較高，火災(zāi)增長速率一直較低，造成整個試驗過程火勢燃燒一直較慢，待引燃二層貨架后才稍微有所增長，但也較工況3降低較多。

2.4.5 工況5

與工況4相比，本工況增加了木托盤，其余條件不變，主要考核木托盤和紙箱共同作用下對火災(zāi)危險性的影響。試驗過程發(fā)現(xiàn)，點火后初期火災(zāi)規(guī)模較大，火焰高度很快上升至二層貨架，并且在引燃二層貨架后，火勢主要在二層貨架燃燒，一層貨架火勢逐漸變小。至5 min 30 s時，火焰就蔓延至二層貨架最外側(cè)堆垛的外表面，并且此時中間的4個堆垛幾乎燒盡。18 min 20 s時，火勢規(guī)模已較小，由于托盤燃燒完畢，二層貨架的中間4個堆垛金屬箱坍塌，且貨架鋼梁出現(xiàn)彎曲現(xiàn)象。

本次試驗共持續(xù)了20 min，通過工況4和工況5的對比發(fā)現(xiàn)，木托盤在試驗期間對火災(zāi)蔓延過程產(chǎn)生明顯的影響，在整個過程中對火災(zāi)增長速率和火災(zāi)規(guī)模的貢獻(xiàn)比重較大。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 木托盤及外包裝材料的自影響分析

戊類倉庫內(nèi)的可燃物主要為外包裝材料，《建

規(guī)》也根據(jù)外包裝材料與儲存物品自身的質(zhì)量或體積百分比來判定其火災(zāi)危險性，但《建規(guī)》未明確外包裝材料是否包含承托托盤[5]。圖6為通過大型量熱器測到的5次試驗的火災(zāi)熱釋放速率變化曲線，從工況1和工況2、工況4和工況5的對比分析可知，在有木托盤存在的情況下，其火災(zāi)最大熱釋放速率分別提高了35.1%和215.3%，顯示木托盤具有較大的火災(zāi)危險性。

圖6 火災(zāi)熱釋放速率變化曲線Fig. 6 HRR curve of different test conditions

外包裝材料的質(zhì)量以及自身構(gòu)造也影響其火災(zāi)燃燒特性，從工況2和工況3的對比可知，在絕對質(zhì)量提高54.5%時，火災(zāi)最大熱釋放速率增加了48.7%，基本保持一致。但紙箱自身的構(gòu)造對火災(zāi)燃燒特性的影響也較為明顯，根據(jù)工況3和工況4的對比，兩次試驗中外包裝材料的質(zhì)量相同，但工況3較工況4的火災(zāi)最大熱釋放速率卻提高了245.8%，甚至高于工況5中有托盤的情況。

在火災(zāi)增長速率方面，從表3可以看出，在有木托盤的情況下，即使采用火災(zāi)燃燒速率最慢的E楞紙箱，其火災(zāi)類型也達(dá)到了中速火級別。因此，對于采用木托盤承托的倉庫，不管外包裝材料的質(zhì)量和構(gòu)造如何，建議此類場所均應(yīng)設(shè)置自動噴水滅火系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)。

表3 試驗基本結(jié)果

3.2 對相鄰貨架的影響分析

由于火災(zāi)試驗?zāi)Ｐ忘c燃后二層貨架的火災(zāi)規(guī)模較首層貨架大，本文以二層貨架邊緣布置的溫度測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。圖7為5次試驗時距貨架正面0.15 m遠(yuǎn)、2.0 m高度處的溫度變化曲線。從圖7中可以看出，工況1、工況2和工況5的最高溫度均超過360 ℃，達(dá)到了引燃一般可燃物品的臨界溫度，表明這3次試驗會引燃相鄰貨架，且當(dāng)有木托盤時均會引燃相鄰貨架[7]。

圖8為4次試驗中(另有一次試驗數(shù)據(jù)失效)距貨架正面1.2 m遠(yuǎn)，2.0 m高度處的熱輻射強(qiáng)度變化曲線，4次試驗的最高熱輻射強(qiáng)度為7.09 kW/m2，均未達(dá)到引燃一般可燃固體的臨界強(qiáng)度，因此可以判斷火勢不會蔓延至走道另一側(cè)的貨架[8]。但從工況1和工況2、工況3和工況4的對比可知，在有木托盤存在的情況下，最高熱輻射強(qiáng)度分別提高了37.4%和268.3%。

圖7 貨架正面0.15 m遠(yuǎn)處最高溫度變化曲線Fig. 7 The highest temperature curve of at the 0.15 m distance in front of rack

圖8 貨架正面1.2 m遠(yuǎn)處熱輻射強(qiáng)度變化曲線Fig. 8 Heat radiation intensity curve of at the 1.2 m distance in front of rack

4 結(jié)論及建議

為研究戊類倉庫的火災(zāi)危險性，本文通過構(gòu)建典型戊類倉庫的火災(zāi)試驗?zāi)Ｐ?，開展了不同質(zhì)量外包裝材料以及木托盤對戊類倉庫火災(zāi)危險性影響的實體試驗研究[9, 10]，試驗結(jié)果表明：

1.影響戊類倉庫火災(zāi)危險性的主要因素，除了與外包裝材料有關(guān)外，還與是否有木托盤承托以及外包裝材料本身的構(gòu)造有關(guān)，內(nèi)部存儲物品對倉庫燃燒性能的影響較小。

2.對于戊類倉庫來說，木托盤顯著影響其火災(zāi)危險性，尤其當(dāng)物品自身外包裝材料的火災(zāi)危險性較低時，其影響更為明顯。當(dāng)采用木托盤承托時，其火災(zāi)增長速率均達(dá)到中速火級別，建議采用木托盤承托的倉庫均應(yīng)設(shè)置自動噴水滅火系統(tǒng)。另外，建議倉庫在進(jìn)行火災(zāi)危險性分類時，應(yīng)將木托盤的質(zhì)量與物品的外包裝質(zhì)量之和記為物品的外包裝質(zhì)量，以更為合理的反應(yīng)其火災(zāi)危險性。

3.外包裝材料與儲存物品的質(zhì)量百分比受儲存物品自身的重量影響較大，因此倉庫在劃分火災(zāi)危險性時，建議考慮外包裝材料的絕對質(zhì)量對火災(zāi)危險性的影響。

考慮到火蔓延行為受多種因素影響以及測量數(shù)據(jù)的誤差等，本文的系列試驗應(yīng)進(jìn)行重復(fù)試驗。另外，本文僅以紙箱作為外包裝材料，未考慮其他外包裝材質(zhì)，如木板箱、塑料箱或其他材質(zhì)托盤等對戊類倉庫火災(zāi)危險性的影響，下一步應(yīng)針對不同材質(zhì)的外包裝材料和托盤開展系列試驗，進(jìn)一步研究其火災(zāi)危險性。

[1] GB50016-2014, 建筑設(shè)計防火規(guī)范[S].

[2] FM Global Data Sheets 8-1, Commodity classification[S].

[3] GB50084-2001, 自動噴水滅火系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范(2005年版)[S].

[4] 楊丙杰, 王珺. 凈空高度對自動噴水滅火系統(tǒng)控火性能影響試驗研究[J]. 消防科學(xué)與技術(shù), 2014, 33(2): 164-166.

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[8] GB5135.9-2006, 自動噴水滅火系統(tǒng)第9部分: 早期抑制快速響應(yīng)噴頭[S].

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